平板電容式液體介電常數(shù)測(cè)試系統(tǒng)

趙樹忠,安曉星（華北理工大學(xué),河北　唐山　063009）

?

平板電容式液體介電常數(shù)測(cè)試系統(tǒng)

趙樹忠,安曉星
（華北理工大學(xué),河北唐山063009）

摘 要：設(shè)計(jì)了一種基于平行極板電容傳感器的液體介電常數(shù)測(cè)試系統(tǒng)。平行極板電容傳感器將液體的介電常數(shù)轉(zhuǎn)換成傳感器電容，再通過了集成電路CAV444以調(diào)頻方式將傳感器電容轉(zhuǎn)換成線性比例的電壓。后續(xù)單片機(jī)系統(tǒng)完成電壓信號(hào)、液體溫度信號(hào)的采集并進(jìn)行有關(guān)的變換、補(bǔ)償?shù)扔?jì)算，最后將有關(guān)測(cè)試結(jié)果顯示出來。

關(guān)鍵詞：電容傳感器；介電常數(shù)；單片機(jī)；溫度補(bǔ)償

0　引言

介電常數(shù)是液體材料重要特性參數(shù)之一。國內(nèi)外一直存在著對(duì)介電常數(shù)測(cè)量技術(shù)的需求。

在工業(yè)生產(chǎn)方面通過測(cè)量潤滑油的介電常數(shù)可以得到潤滑油的品質(zhì)，可以為潤滑油的更換提供參考。在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面，將傳感器應(yīng)用于河水介質(zhì)樣品的組分和特性參數(shù)檢測(cè)，可以為水中污染物的檢測(cè)提供方便。在民用領(lǐng)域可以通過測(cè)量介電常數(shù)實(shí)現(xiàn)土壤的水分檢測(cè)[1]。

1　測(cè)試系統(tǒng)的組成原理

電容式傳感器將液體樣品的介電常數(shù)信息轉(zhuǎn)換成為電容信號(hào)，當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化時(shí)傳感器的電容量發(fā)生變化, 測(cè)量電路輸出的電壓信號(hào)亦隨著發(fā)生變化[2]。該輸出信號(hào)通過單片機(jī)系統(tǒng)中的A/D轉(zhuǎn)換器被采集到單片機(jī)中，同時(shí)溫度傳感器對(duì)液體的實(shí)時(shí)溫度進(jìn)行檢測(cè)，送入單片機(jī)用作溫度補(bǔ)償。單片機(jī)對(duì)得到的有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波、標(biāo)度變換、溫度補(bǔ)償?shù)扔?jì)算處理后，在液晶顯示器上將被測(cè)液體介電常數(shù)的有關(guān)信息顯示出來。本系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。

2　測(cè)試盒的結(jié)構(gòu)

圖2為系統(tǒng)的測(cè)試盒及電容傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。測(cè)試盒（圖2a）內(nèi)的電容傳感器部分是由兩個(gè)彼此靠得較近的平行金屬極板所組成，并固定在聚四氟乙烯支架上。支架留有放置極板的凹槽，用來起到對(duì)電容傳感器的定位作用。金屬極板與被測(cè)液體樣品之間通過玻璃槽阻隔，防止液體樣品腐蝕極板。圖2b為測(cè)試盒內(nèi)的平板電容傳感器。為消除兩金屬極板之間電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)，傳感器在有效工作極板的外側(cè)設(shè)置了矩形等電位環(huán)[3]。理想條件下傳感器初始電容的表達(dá)式為（忽略玻璃槽的影響，圖2c）為：測(cè)試系統(tǒng)傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)S和d確定后，理論上傳感器的電容量與液體樣品的介電常數(shù)之間呈線性關(guān)系，電容傳感器的電容量隨液體樣品的介電常數(shù)的變化而變化，這樣就可以通過間接測(cè)量電容傳感器輸出電容得到液體樣品的介電常數(shù)。為了保證測(cè)量精度，減小外界電磁的干擾，電容傳感器的外面還加上了金屬屏蔽罩。

3　測(cè)量電路

電容傳感器測(cè)量電路CAV444(圖3) 的主要功能是將電容信號(hào)成比例地轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行低通濾波、放大后輸出到單片機(jī)系統(tǒng)中。集成電路CAV444首先以調(diào)頻方式將傳感器的電容信號(hào)轉(zhuǎn)換成調(diào)頻信號(hào)，再經(jīng)f/V轉(zhuǎn)換變成電壓信號(hào)，隨后經(jīng)過低通濾波、增益調(diào)節(jié)，最終輸出與后續(xù)A/D轉(zhuǎn)換器相適應(yīng)的電壓信號(hào)Vout。調(diào)頻信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)，能獲得較高的測(cè)量精度，因此很多非頻率量信號(hào)都要轉(zhuǎn)化為調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行間接測(cè)量。集成電路CAV444是一種微型電子器件，采用現(xiàn)有的制造工藝，把所需的元件在電路板上組成一個(gè)整體，使電子元件具有微型化、智能化和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。

4　單片機(jī)系統(tǒng)

測(cè)試系統(tǒng)采用的是應(yīng)用比較廣泛用的STC89C52單片機(jī)。此款單片機(jī)擁有512字節(jié)的RAM，充足的I/O口，較快的運(yùn)行速度和低廉的價(jià)格。測(cè)量電路輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過AD574轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)與DS18B20傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)的溫度信號(hào)一同處理，最后將測(cè)試結(jié)果傳輸?shù)斤@示器中。單片機(jī)與各元器件的接口情況見圖4。

4.1AD574與單片機(jī)接口

液體介電常數(shù)測(cè)試系統(tǒng)采用的AD574芯片內(nèi)有時(shí)鐘，無需外加時(shí)鐘信號(hào)。AD574與單片機(jī)有兩種接口方法，分別為單極性接法和雙極性接法。前者可對(duì)0～10V或者0～20V的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換；后者可對(duì)-5～+5V或者-10～+10V的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換[5-7]。在配置過程中，AD574輸出端DB0～DB11通過鎖存器74LS373與單片機(jī)相應(yīng)的總線相連，引腳CE作為A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)或讀數(shù)據(jù)的信號(hào)。

4.2液晶顯示器與單片機(jī)接口

液晶顯示器LCD1602直接與STC89C52單片機(jī)的接口連接在一起，液晶顯示部分用來顯示液體樣品的溫度和介電常數(shù)信息，分為兩排顯示，上邊顯示溫度下邊顯示液體樣品的介電常數(shù)。

4.3數(shù)字溫度傳感器與單片機(jī)接口

單片機(jī)系統(tǒng)加裝了單總線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其測(cè)量范圍為℃，溫度轉(zhuǎn)換分辨率可以通過c語言編程實(shí)現(xiàn)。單總線結(jié)構(gòu)利用一個(gè)接口就能與STC89C52單片機(jī)進(jìn)行通信，不需要外部元件，可以使用數(shù)據(jù)線本身供電[8]。

5　結(jié)論

本平板電容式液體介電常數(shù)測(cè)試系統(tǒng)由測(cè)試盒和后續(xù)處理系統(tǒng)組成。測(cè)試盒的測(cè)量部分采用平行極板電容傳感器，為了消除邊緣效的影響傳感器安裝了等電位環(huán)裝置。測(cè)試盒的結(jié)構(gòu)簡單，具有一定的便捷性。測(cè)量電路采用集成電路CAV444成本較低，并具有較高的精度。后續(xù)處理系統(tǒng)中的STC89C52單片機(jī)功能強(qiáng)大，主要用來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、標(biāo)度變換、溫度補(bǔ)償、結(jié)果顯示等功能，通用性強(qiáng)、成本低。

參考文獻(xiàn)：

[1]李福彬譯.克里切夫斯基E C.水分檢測(cè)原理與裝置[M].北京:中國計(jì)量出版社,1986.

[2]趙樹忠,鄭義忠.JDC智能化精密電容測(cè)微儀[J].實(shí)用測(cè)試技術(shù),1996:42-43.

[3]張艷臻,馬全喜，聶金柱.電場(chǎng)的邊緣效應(yīng)對(duì)平板電容的影響[J]. 靜電,1997,12(02):37-38.

[4]S.Zoran,M.Robert.A New Method for Instantaneous Power System Freq-uency Measurement Using Reference Points Detection[J].Electric Power Systems Research.2000,55:97-102.

[5]何威,周克,張超.MCS-51單片機(jī)大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展板設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2013(01):93-94.

[6]李曉林,牛昱光,閻高偉等單片機(jī)原理與接口技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.

[7]李升.單片機(jī)原理與接口技術(shù)[M].北京:北京大學(xué)出版社, 2011.

[8]黃賢武,鄭筱霞.傳感器原理與應(yīng)用[M].成都:電子科技大學(xué)出版社,2010(02).

作者簡介：趙樹忠（1963-），男，河北唐山人，工學(xué)博士，副教授，主要從事：測(cè)試計(jì)量技術(shù)與儀器方面的教學(xué)與科研工作。

DOI :10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.01.160