基于电容传感器厚度测量系统设计

兰 羽

（陕西工业职业技术学院电气工程学院，陕西 咸阳 712000）

0 引言

电容传感器具有稳定性好、结构简单、精度高、响应快、线性范围宽和可在线实时测量等优点［1］。近年来，由于电容测量技术的不断完善，其测量精度已达到微米级［2］。电容测微技术作为高精度、非接触式的测量手段广泛应用于科研和工业生产中，电容测厚技术也是应用的一个热点［3］。故采用电容传感器与555定时器构成的RC振荡器作为信号检测电路、AT89C51作为信号处理电路，来检测厚度。

1 电容测厚原理

电容传感器测量厚度，主要是利用厚度不同的材料使得电容两极板间极距改变，从而使得电容值发生变化，通过测量电容值来计算分析得到被测材料的厚度信息［4－5］。电容法测量原理如图1所示。图1中采用变极距式电容传感器，由2块平行的金属极板构成，普通均匀材料的介电常数基本保持恒定，所以当材料厚度变化时会导致电容值的变化，电容值使得555振荡器输出的频率变化。检测时，将平行极板固定在待测材料两端，当通过两平行板之间的材料厚度发生变化时，电容量发生变化。根据高斯定理，电容的容量Cx和材料厚度δ的关系为:

ε0为空气介电常数；ε为被测材料介电常数；A为极板正对面积。被测材料厚度δ变化引起电容Cx的变化，而电容的变化导致振荡器输出信号频率f发生变化，再通过信号处理，得到材料厚度的信息。

图1 电容法测量厚度的原理

2 硬件电路设计

2.1 系统设计

系统结构如图2所示。其原理:材料的厚度变化引起电容Cx变化，由555定时器构成的RC振荡器产生方波频率信号，把此频率信号通过接口传到AT89C51单片机上，对此频率信号进行测频，通过软件编程，使之转换成厚度数据，最后由LCD1602液晶屏显示。系统主要由测量电路和控制电路组成，测量电路主要用于RC振荡产生频率信号，而控制电路则用于对所产生的振荡频率进行测频，数据运算处理得到厚度数据送显示器。

图2 系统结构

2.2 555振荡电路的设计

采用555芯片构成的多谐振荡电路如图3所示。通过计算振荡器输出的频率来计算电容容量的变化。振荡电路输出的矩形波脉冲接到AT89S51单片机的输入引脚P3.5，这是因为T0设置为定时器，测量内部脉冲。由555多谐振荡器频率计算公式及电容串联计算公式可得［6－7］:

整理得:

由式（3）可知，当电路设计完成后，所有参数除频率f外均为定值，且f随Cx的变化而惟一改变。再由式（1）计算得到待测材料厚度。

图3 555构成的RC振荡电路

2.3 控制及显示电路

系统的控制电路采用AT89S51作为主控制器。AT89S51的最小系统由时钟电路、复位电路、外加电源及芯片AT89S51构成，其硬件电路如图4所示。工作原理:555振荡器将电容的变化量转换成频率脉冲信号，接到单片机AT89S51的P3.5口，再通过AT89S51内部定时／计时器T0，T1及相应的软件程序设计，对振荡器送入的脉冲信号进行测频，将测得的频率信号经运算转换为被测材料的厚度，送LCD1602液晶显示。显示模块LCD1602第1，2脚接驱动电源；第3脚VL为液晶的对比度调节，通过在VCC和GND之间接一个10kΩ多圈可调电阻，中间抽头接VL，可实现液晶对比度的调节；LCD1602的控制线RS，R／W，E分别接单片机的P2.5，P2.6，P2.7；其数据线D0～D7分别与AT89S51的P0.0～P0.7相连，用于传输数据［8］。

图4 单片机控制显示模块

3 系统软件设计

系统编译环境为KeilUV3，采用C语言编程。软件设计主要包括3个方面:一是初始化系统；二是按键检测；三是数据采集、数据处理并进行显示。程序采用模块化的结构，这样便于调试和修改，易编程和易读性好，程序结构清楚［9］。系统程序流程如图5所示。首先对555振荡器产生的频率进行测量，通过式（3）算出不同材料厚度对应不同的电容值，再由式（1）得到待测材料厚度。

图5 主程序流程

4 系统仿真

应用Matlab对系统仿真。仿真条件:电容极距d＝10cm；空气介电常数ε0＝1；被测材料介电常数ε＝10；电容极板正对面积A＝10－5m2；待测材料厚度δ为1～10cm。通过10次仿真，分别得出Cx，f及厚度数据如表1所示。由表1可以看出，材料厚度的真实值和仿真值的相对误差小于±0.5%。

表1 仿真数据

5 结束语

系统采用电容传感器作为数据采集器件，AT89S51作为数据处理单元，具有灵敏度高、结构简单、价格便宜及过载能力强，动态响应特性好，对高温、辐射和强振等恶劣条件的适应性强等优点。缺点是输出有非线性，寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大，以及联接电路较复杂等。通过对系统仿真表明，系统相对误差小于0.5%，满足设计预期要求。

［1］刘 军，李 智.基于单片机的高精度电容电感测量仪［J］.国外电子测量技术，2007，26（6）:48－51.

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