單一平面電容式漏水檢測(cè)傳感器的研究

楊亭　粘丹妮

摘 要： 針對(duì)北方地區(qū)冬季暖氣管道漏水可能導(dǎo)致的大型設(shè)備機(jī)房或重要儀器損壞的問(wèn)題，提出了一種用于管道漏水檢測(cè)的單一平面電容式傳感器的設(shè)計(jì)方案。該裝置利用平面電容原理，檢測(cè)水滴落在平面電容上時(shí)引起的電容變化，采用微電容測(cè)量電路將電容轉(zhuǎn)換成頻率，然后通過(guò)單片機(jī)處理后計(jì)算出電容值，通過(guò)和預(yù)先設(shè)定的閾值電容的比較來(lái)判斷平板上是否漏水。經(jīng)實(shí)際試驗(yàn)，該方案實(shí)施的平面電容式漏水檢測(cè)傳感器應(yīng)用于管道漏水檢測(cè)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本便宜、性能可靠的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 平面電容； 傳感器； 漏水檢測(cè)； 微電容

中圖分類號(hào)： TN911.7?34； TM932 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）11?0158?03

Abstract： In order to prevent the damage of the large scale equipments caused by heating pipe leakage， a design scheme of single planar capacitance water sensor is proposed to detect the pipe leakage. The principle of the planar capacitance is adopted in the device to detect the capacitance variation when water drop drips down on the planar capacitor. The micro?capacitor detecting circuit is used to transfer the capacitance to frequency， and then calculate capacitance value by a single chip microcomputer to judge whether the water leakage has happened by comparing it with the previously?set value. The test results show that the device has the characteristics of simple structure， low cost and reliable performance in water leakage detection.

Keywords： planar capacitance； sensor； water leakage detection； micro?capacitor

0 引 言

電容器的電容量是構(gòu)成電容器的極板形狀、大小、相互位置及電介質(zhì)介電常數(shù)的函數(shù)，利用這種可變參數(shù)的性質(zhì)，人們制造出了許多具有不同用途的電容傳感器，如測(cè)量位移、壓力、加速度、材料厚度、成分含量[1]。電容器上的漏水將改變電容器的介電常數(shù)，所以采用電容傳感器檢測(cè)漏水具有可行性。針對(duì)北方冬季的暖氣管道漏水可能導(dǎo)致一些重要機(jī)房的設(shè)備損壞的問(wèn)題，目前的漏水檢測(cè)設(shè)備具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本昂貴等缺點(diǎn)，采用電容式傳感器檢測(cè)漏水具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本便宜、性能可靠的特點(diǎn)。

1 原理概述

平面電容式漏水檢測(cè)傳感器檢測(cè)管道漏水是基于平面電容式的原理，平面電容式極板上的兩個(gè)極板可組成一個(gè)兩端子電容器[2]，平面電容式傳感器是利用電容器的邊緣電場(chǎng)（Fringing Electric Field，F(xiàn)EF） 進(jìn)行檢測(cè)[3]。實(shí)際應(yīng)用中，平面電容式傳感器不僅能夠?qū)z測(cè)面和鍍膜面分離開(kāi)來(lái)從而防止傳感器損壞，而且能夠增加電容器的抗干擾能力。傳感器的兩個(gè)極板是很薄的金屬膜片，它通過(guò)光學(xué)鍍膜的方式或機(jī)械的方式安裝于玻璃基底上。

傳感器采用耐磨玻璃作為基底，考慮到水的介電常數(shù)為48～80，空氣的介電常數(shù)為1，玻璃的介電常數(shù)為4～11，通過(guò)測(cè)量傳感器極間電容值變化來(lái)判斷雨量是可行的[4]。當(dāng)傳感器的檢測(cè)面干燥時(shí)，兩極板間的介電常數(shù)約為一定值。如果將平面電容漏水檢測(cè)傳感器的水量檢測(cè)面置于液體中，此時(shí)兩極板間的介電常數(shù)將發(fā)生顯著變化，從而導(dǎo)致兩極板間的電容發(fā)生變化。正是由于這種微小的電容變化，可以通過(guò)測(cè)量極板上的微小電容變化，將電容變化轉(zhuǎn)換成頻率變化由單片機(jī)進(jìn)一步處理，從而判斷出極板上是否有水量變化。

需要注意的是，由于該電容變化值很小只有幾十pF，一般實(shí)際測(cè)量中需要將多個(gè)傳感器并聯(lián)使用，從而提高電容變化量。但是單個(gè)傳感器的寄生電容在特定環(huán)境下仍會(huì)嚴(yán)重影響到測(cè)量電容的變化值，在電路中需要采取有效的措施來(lái)抑制外界的干擾。圖1給出了平面電容式漏水檢測(cè)傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖（a）是鍍膜面的示意圖，圖（b）是檢測(cè)面的示意圖。A和B是平面電容的引出電極，分別接至電容?頻率電路輸入端。

2 硬件方案設(shè)計(jì)

漏水檢測(cè)硬件電路由P89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)、RS 232接口電路、電容?頻率轉(zhuǎn)換電路、報(bào)警電路、溫度補(bǔ)償電路、電源電路等組成。為了提高測(cè)量電容值的抗干擾能力，設(shè)計(jì)中采用了以下幾種措施[5]：

（1） 平面電容的電極A和B到電容頻率轉(zhuǎn)換電路的電纜長(zhǎng)度應(yīng)盡量短，同時(shí)電纜采用雙絞屏蔽線來(lái)提高信號(hào)的抗干擾能力。

（2） 電路中選用的電阻電容等元器件，應(yīng)選溫度系數(shù)好的RJ?1或RJ?2金屬膜精密電阻，電容應(yīng)選溫度特性好的陶瓷電容[6]抑制溫度對(duì)測(cè)量精度的影響。

（3） 初始電容的抵消，采用實(shí)測(cè)電容和初始電容之差[ΔCx=Cx-Cx0]檢測(cè)。

（4） 根據(jù)多次試驗(yàn)結(jié)果選擇合適的閾值電容[ΔCref]。

單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源電路、報(bào)警電路和RS 232接口電路方案框圖如圖2所示。

微電容的測(cè)量通過(guò)電容?頻率轉(zhuǎn)換電路完成，其核心是一個(gè)555振蕩電路[7]將微電容轉(zhuǎn)換成頻率后輸出給P89C51單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)內(nèi)部的計(jì)數(shù)器T1來(lái)對(duì)輸入的頻率計(jì)數(shù)，通過(guò)頻率?電容反演計(jì)算后得到電容值。采用傳感器檢測(cè)面干燥時(shí)的電容值作為初始電容[Cx0，]當(dāng)傳感器的檢測(cè)面上漏水后，導(dǎo)致其輸出的電容變化為[Cx，]電容變化量[ΔCx]為：

[ΔCx=Cx-Cx0]

通過(guò)試驗(yàn)設(shè)定一個(gè)閾值頻率[ΔCref，]當(dāng)[ΔCx>ΔCref]時(shí)，認(rèn)為檢測(cè)面上有檢測(cè)到足夠的水量，然后單片機(jī)控制報(bào)警電路實(shí)現(xiàn)報(bào)警，否則認(rèn)為極板上未檢測(cè)到水量，圖3是電容?頻率變換電路檢測(cè)微電容示意圖[8]。

上述電路能夠?qū)、B兩端的電容[Cx]轉(zhuǎn)換成頻率輸出，然后在單片機(jī)內(nèi)部對(duì)頻率計(jì)數(shù)計(jì)算出頻率值，通過(guò)頻率反演出電容值[Cx。]對(duì)上述電容?頻率電路的pspice對(duì)[Cx]做參數(shù)仿真[9]，選取[Cx]的值分別是10 pF，50 pF，100 pF，得到仿真結(jié)果如圖4所示。

由于平面電容傳感器單個(gè)傳感器的容量較小，單片傳感器的容值一般在幾十pF。而P89C51單片機(jī)采集到的是經(jīng)過(guò)電容?頻率轉(zhuǎn)換電路后的頻率值，為了得到傳感器上的實(shí)際電容值，需要根據(jù)電容?頻率曲線反演出傳感器采集到的電容值。表1是電容從10～100 pF的電容?頻率仿真數(shù)據(jù)，在小電容變化范圍內(nèi)，可近似認(rèn)為電容?頻率曲線是線性變化的。圖5是電容?頻率轉(zhuǎn)換曲線。軟件反演過(guò)程中，需要對(duì)電容?頻率曲線做線性分段擬合[Cx=a*f+b，]將10～100 pF分成10個(gè)線性區(qū)間，得到每個(gè)區(qū)間的線性系數(shù)，從而單片機(jī)能夠反演出傳感器采集到的微電容值。

3 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)內(nèi)部軟件采用C51編寫，主要是通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能：

（1） 單片機(jī)硬件初始化，主要是Timer1定時(shí)器、UART，INT0的初始化。

（2） 通過(guò)T1計(jì)數(shù)器在一定時(shí)間內(nèi)利用外脈沖觸發(fā)（INT0）的方式對(duì)頻率計(jì)數(shù)。

（3） 根據(jù)當(dāng)前頻率計(jì)數(shù)值，通過(guò)線性擬合系數(shù)反演出當(dāng)前的電容值，并和初始電容值之差來(lái)計(jì)算兩極板間電容變化量。

（4） 通過(guò)電容變化量和閾值電容量比較，軟件給出是否有漏水判斷。如果漏水判斷結(jié)果標(biāo)識(shí)位置位，單片機(jī)的某一個(gè)IO輸出特定頻率的方波，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。

（5） 單片機(jī)通過(guò)RS 232接口將電容量和漏水檢測(cè)結(jié)果發(fā)送給計(jì)算機(jī)。

單片機(jī)內(nèi)部軟件執(zhí)行流程如圖6所示。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，在25 ℃的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用注射器針頭注射直徑約1 mm的水滴到傳感器的檢測(cè)面上來(lái)驗(yàn)證該傳感器的檢測(cè)水量的功能，傳感器檢測(cè)面干燥時(shí)的初始電容值經(jīng)測(cè)定約為10 pF，表2是試驗(yàn)測(cè)試的傳感器水量和電容變化值的關(guān)系。

從上述測(cè)量結(jié)果可以看出，傳感器的電容值隨著傳感器檢測(cè)面上的水量增加而增大，并且趨于一個(gè)最大值。需要注意的是，電容值和水量的定量關(guān)系受很多因素的影響，比如環(huán)境溫度、水滴大小、水滴含雜質(zhì)成分、檢測(cè)面上玻璃的潔凈度、玻璃材料和厚度、極板面積以及電路中測(cè)電容的誤差等。不同的溫度通常導(dǎo)致不同的液體介電常數(shù)，以水為例，在0 ℃時(shí)水的介電常數(shù)為87.9，而在常溫25 ℃時(shí)，介電常數(shù)變?yōu)閇10]78.4。測(cè)試過(guò)程中，由于采用注射器添加水滴量，因此還存在人為誤差。測(cè)量到的電容值實(shí)際上是上述因素的綜合結(jié)果，測(cè)量的電容值誤差會(huì)比較大。但是考慮到實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，只需要檢測(cè)傳感器的檢測(cè)面上是否有足夠多的水存在，所以只要選擇合適的電容量的閾值，就可以判斷出傳感器檢測(cè)面上是否有水，從而單片機(jī)給出報(bào)警信號(hào)。

5 結(jié) 論

本文主要的創(chuàng)新是提出了一種適用于管道漏水檢測(cè)的平面電容式傳感器，并給出了其在漏水檢測(cè)裝置中的應(yīng)用方案，然后通過(guò)進(jìn)一步的硬件和軟件設(shè)計(jì)給出了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。針對(duì)現(xiàn)有的管道漏水檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、使用不夠靈活等缺點(diǎn)，本方案實(shí)施的漏水檢測(cè)裝置簡(jiǎn)單易行、穩(wěn)定可靠、成本極低。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉少剛，安進(jìn)華，羅躍生，等.單一平面電容傳感器數(shù)學(xué)模型及有限元解法研究[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，32（1）：79?80.

[2] LI Xiao?bei， LARSON S D， ZYUZIN A S. Design principles for multichannel ringing electric field sensors [J]. IEEE Sensors Journal， 2006， 6（2）： 434?440.

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[4] 李楠，郭寶龍，王湃.車輛雨刷自動(dòng)控制系統(tǒng)中相鄰電容傳感器設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，46（14）：12?16.

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[8] 毛國(guó)華，張琪，張馨少.微型高精度寬范圍電容頻率轉(zhuǎn)換電路的研制[J].通信電源技術(shù)，2013，30（4）：42?43.

[9] 郭文強(qiáng)，侯勇嚴(yán).基于PSPICE的555定時(shí)器電路仿真分析[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（4）：92?93.

[10] MASTIN Chaflin. Water properties （including heavy water data） [EB/OL]. （2008?10?22） [2009?05?15]. http：//www.lsbu.ac.uk/water/data.

微電容的測(cè)量通過(guò)電容?頻率轉(zhuǎn)換電路完成，其核心是一個(gè)555振蕩電路[7]將微電容轉(zhuǎn)換成頻率后輸出給P89C51單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)內(nèi)部的計(jì)數(shù)器T1來(lái)對(duì)輸入的頻率計(jì)數(shù)，通過(guò)頻率?電容反演計(jì)算后得到電容值。采用傳感器檢測(cè)面干燥時(shí)的電容值作為初始電容[Cx0，]當(dāng)傳感器的檢測(cè)面上漏水后，導(dǎo)致其輸出的電容變化為[Cx，]電容變化量[ΔCx]為：

[ΔCx=Cx-Cx0]

通過(guò)試驗(yàn)設(shè)定一個(gè)閾值頻率[ΔCref，]當(dāng)[ΔCx>ΔCref]時(shí)，認(rèn)為檢測(cè)面上有檢測(cè)到足夠的水量，然后單片機(jī)控制報(bào)警電路實(shí)現(xiàn)報(bào)警，否則認(rèn)為極板上未檢測(cè)到水量，圖3是電容?頻率變換電路檢測(cè)微電容示意圖[8]。

上述電路能夠?qū)、B兩端的電容[Cx]轉(zhuǎn)換成頻率輸出，然后在單片機(jī)內(nèi)部對(duì)頻率計(jì)數(shù)計(jì)算出頻率值，通過(guò)頻率反演出電容值[Cx。]對(duì)上述電容?頻率電路的pspice對(duì)[Cx]做參數(shù)仿真[9]，選取[Cx]的值分別是10 pF，50 pF，100 pF，得到仿真結(jié)果如圖4所示。

由于平面電容傳感器單個(gè)傳感器的容量較小，單片傳感器的容值一般在幾十pF。而P89C51單片機(jī)采集到的是經(jīng)過(guò)電容?頻率轉(zhuǎn)換電路后的頻率值，為了得到傳感器上的實(shí)際電容值，需要根據(jù)電容?頻率曲線反演出傳感器采集到的電容值。表1是電容從10～100 pF的電容?頻率仿真數(shù)據(jù)，在小電容變化范圍內(nèi)，可近似認(rèn)為電容?頻率曲線是線性變化的。圖5是電容?頻率轉(zhuǎn)換曲線。軟件反演過(guò)程中，需要對(duì)電容?頻率曲線做線性分段擬合[Cx=a*f+b，]將10～100 pF分成10個(gè)線性區(qū)間，得到每個(gè)區(qū)間的線性系數(shù)，從而單片機(jī)能夠反演出傳感器采集到的微電容值。

3 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)內(nèi)部軟件采用C51編寫，主要是通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能：

（1） 單片機(jī)硬件初始化，主要是Timer1定時(shí)器、UART，INT0的初始化。

（2） 通過(guò)T1計(jì)數(shù)器在一定時(shí)間內(nèi)利用外脈沖觸發(fā)（INT0）的方式對(duì)頻率計(jì)數(shù)。

（3） 根據(jù)當(dāng)前頻率計(jì)數(shù)值，通過(guò)線性擬合系數(shù)反演出當(dāng)前的電容值，并和初始電容值之差來(lái)計(jì)算兩極板間電容變化量。

（4） 通過(guò)電容變化量和閾值電容量比較，軟件給出是否有漏水判斷。如果漏水判斷結(jié)果標(biāo)識(shí)位置位，單片機(jī)的某一個(gè)IO輸出特定頻率的方波，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。

（5） 單片機(jī)通過(guò)RS 232接口將電容量和漏水檢測(cè)結(jié)果發(fā)送給計(jì)算機(jī)。

單片機(jī)內(nèi)部軟件執(zhí)行流程如圖6所示。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，在25 ℃的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用注射器針頭注射直徑約1 mm的水滴到傳感器的檢測(cè)面上來(lái)驗(yàn)證該傳感器的檢測(cè)水量的功能，傳感器檢測(cè)面干燥時(shí)的初始電容值經(jīng)測(cè)定約為10 pF，表2是試驗(yàn)測(cè)試的傳感器水量和電容變化值的關(guān)系。

從上述測(cè)量結(jié)果可以看出，傳感器的電容值隨著傳感器檢測(cè)面上的水量增加而增大，并且趨于一個(gè)最大值。需要注意的是，電容值和水量的定量關(guān)系受很多因素的影響，比如環(huán)境溫度、水滴大小、水滴含雜質(zhì)成分、檢測(cè)面上玻璃的潔凈度、玻璃材料和厚度、極板面積以及電路中測(cè)電容的誤差等。不同的溫度通常導(dǎo)致不同的液體介電常數(shù)，以水為例，在0 ℃時(shí)水的介電常數(shù)為87.9，而在常溫25 ℃時(shí)，介電常數(shù)變?yōu)閇10]78.4。測(cè)試過(guò)程中，由于采用注射器添加水滴量，因此還存在人為誤差。測(cè)量到的電容值實(shí)際上是上述因素的綜合結(jié)果，測(cè)量的電容值誤差會(huì)比較大。但是考慮到實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，只需要檢測(cè)傳感器的檢測(cè)面上是否有足夠多的水存在，所以只要選擇合適的電容量的閾值，就可以判斷出傳感器檢測(cè)面上是否有水，從而單片機(jī)給出報(bào)警信號(hào)。

5 結(jié) 論

本文主要的創(chuàng)新是提出了一種適用于管道漏水檢測(cè)的平面電容式傳感器，并給出了其在漏水檢測(cè)裝置中的應(yīng)用方案，然后通過(guò)進(jìn)一步的硬件和軟件設(shè)計(jì)給出了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。針對(duì)現(xiàn)有的管道漏水檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、使用不夠靈活等缺點(diǎn)，本方案實(shí)施的漏水檢測(cè)裝置簡(jiǎn)單易行、穩(wěn)定可靠、成本極低。

參考文獻(xiàn)

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[6] 肖志紅.平板式電容傳感器測(cè)量電路研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2004，27（17）：105?106.

[7] 婁銀霞.基于電容式雨水傳感器的智能雨刷控制系統(tǒng)研究[J].河南科學(xué)，2013，31（4）：453?454.

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[9] 郭文強(qiáng)，侯勇嚴(yán).基于PSPICE的555定時(shí)器電路仿真分析[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（4）：92?93.

[10] MASTIN Chaflin. Water properties （including heavy water data） [EB/OL]. （2008?10?22） [2009?05?15]. http：//www.lsbu.ac.uk/water/data.

微電容的測(cè)量通過(guò)電容?頻率轉(zhuǎn)換電路完成，其核心是一個(gè)555振蕩電路[7]將微電容轉(zhuǎn)換成頻率后輸出給P89C51單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)內(nèi)部的計(jì)數(shù)器T1來(lái)對(duì)輸入的頻率計(jì)數(shù)，通過(guò)頻率?電容反演計(jì)算后得到電容值。采用傳感器檢測(cè)面干燥時(shí)的電容值作為初始電容[Cx0，]當(dāng)傳感器的檢測(cè)面上漏水后，導(dǎo)致其輸出的電容變化為[Cx，]電容變化量[ΔCx]為：

[ΔCx=Cx-Cx0]

通過(guò)試驗(yàn)設(shè)定一個(gè)閾值頻率[ΔCref，]當(dāng)[ΔCx>ΔCref]時(shí)，認(rèn)為檢測(cè)面上有檢測(cè)到足夠的水量，然后單片機(jī)控制報(bào)警電路實(shí)現(xiàn)報(bào)警，否則認(rèn)為極板上未檢測(cè)到水量，圖3是電容?頻率變換電路檢測(cè)微電容示意圖[8]。

上述電路能夠?qū)、B兩端的電容[Cx]轉(zhuǎn)換成頻率輸出，然后在單片機(jī)內(nèi)部對(duì)頻率計(jì)數(shù)計(jì)算出頻率值，通過(guò)頻率反演出電容值[Cx。]對(duì)上述電容?頻率電路的pspice對(duì)[Cx]做參數(shù)仿真[9]，選取[Cx]的值分別是10 pF，50 pF，100 pF，得到仿真結(jié)果如圖4所示。

由于平面電容傳感器單個(gè)傳感器的容量較小，單片傳感器的容值一般在幾十pF。而P89C51單片機(jī)采集到的是經(jīng)過(guò)電容?頻率轉(zhuǎn)換電路后的頻率值，為了得到傳感器上的實(shí)際電容值，需要根據(jù)電容?頻率曲線反演出傳感器采集到的電容值。表1是電容從10～100 pF的電容?頻率仿真數(shù)據(jù)，在小電容變化范圍內(nèi)，可近似認(rèn)為電容?頻率曲線是線性變化的。圖5是電容?頻率轉(zhuǎn)換曲線。軟件反演過(guò)程中，需要對(duì)電容?頻率曲線做線性分段擬合[Cx=a*f+b，]將10～100 pF分成10個(gè)線性區(qū)間，得到每個(gè)區(qū)間的線性系數(shù)，從而單片機(jī)能夠反演出傳感器采集到的微電容值。

3 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)內(nèi)部軟件采用C51編寫，主要是通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能：

（1） 單片機(jī)硬件初始化，主要是Timer1定時(shí)器、UART，INT0的初始化。

（2） 通過(guò)T1計(jì)數(shù)器在一定時(shí)間內(nèi)利用外脈沖觸發(fā)（INT0）的方式對(duì)頻率計(jì)數(shù)。

（3） 根據(jù)當(dāng)前頻率計(jì)數(shù)值，通過(guò)線性擬合系數(shù)反演出當(dāng)前的電容值，并和初始電容值之差來(lái)計(jì)算兩極板間電容變化量。

（4） 通過(guò)電容變化量和閾值電容量比較，軟件給出是否有漏水判斷。如果漏水判斷結(jié)果標(biāo)識(shí)位置位，單片機(jī)的某一個(gè)IO輸出特定頻率的方波，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。

（5） 單片機(jī)通過(guò)RS 232接口將電容量和漏水檢測(cè)結(jié)果發(fā)送給計(jì)算機(jī)。

單片機(jī)內(nèi)部軟件執(zhí)行流程如圖6所示。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，在25 ℃的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用注射器針頭注射直徑約1 mm的水滴到傳感器的檢測(cè)面上來(lái)驗(yàn)證該傳感器的檢測(cè)水量的功能，傳感器檢測(cè)面干燥時(shí)的初始電容值經(jīng)測(cè)定約為10 pF，表2是試驗(yàn)測(cè)試的傳感器水量和電容變化值的關(guān)系。

從上述測(cè)量結(jié)果可以看出，傳感器的電容值隨著傳感器檢測(cè)面上的水量增加而增大，并且趨于一個(gè)最大值。需要注意的是，電容值和水量的定量關(guān)系受很多因素的影響，比如環(huán)境溫度、水滴大小、水滴含雜質(zhì)成分、檢測(cè)面上玻璃的潔凈度、玻璃材料和厚度、極板面積以及電路中測(cè)電容的誤差等。不同的溫度通常導(dǎo)致不同的液體介電常數(shù)，以水為例，在0 ℃時(shí)水的介電常數(shù)為87.9，而在常溫25 ℃時(shí)，介電常數(shù)變?yōu)閇10]78.4。測(cè)試過(guò)程中，由于采用注射器添加水滴量，因此還存在人為誤差。測(cè)量到的電容值實(shí)際上是上述因素的綜合結(jié)果，測(cè)量的電容值誤差會(huì)比較大。但是考慮到實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，只需要檢測(cè)傳感器的檢測(cè)面上是否有足夠多的水存在，所以只要選擇合適的電容量的閾值，就可以判斷出傳感器檢測(cè)面上是否有水，從而單片機(jī)給出報(bào)警信號(hào)。

5 結(jié) 論

本文主要的創(chuàng)新是提出了一種適用于管道漏水檢測(cè)的平面電容式傳感器，并給出了其在漏水檢測(cè)裝置中的應(yīng)用方案，然后通過(guò)進(jìn)一步的硬件和軟件設(shè)計(jì)給出了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。針對(duì)現(xiàn)有的管道漏水檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、使用不夠靈活等缺點(diǎn)，本方案實(shí)施的漏水檢測(cè)裝置簡(jiǎn)單易行、穩(wěn)定可靠、成本極低。

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