時(shí)間：2022-04-24 11:37:21
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關(guān)鍵詞：電容；傳感器；轉(zhuǎn)換；測量
在生產(chǎn)科研活動(dòng)中，經(jīng)常要對溫度、壓力等非電量進(jìn)行測量，使得現(xiàn)代傳感器技術(shù)有了飛速的發(fā)展。電容式傳感器的檢測元件可將被測非電量變換為電容量，然后通過對電容值的測量得到相應(yīng)的非電量的值。由此可見對電容值進(jìn)行測量是有實(shí)際意義的。在數(shù)字化測量技術(shù)中，為實(shí)現(xiàn)對電容所測值進(jìn)行數(shù)字顯示，通常是將被測電容Cx先轉(zhuǎn)換成與其成正比的直流電壓信號（稱C/U轉(zhuǎn)換）或時(shí)間信號（稱C/t轉(zhuǎn)換）。這里介紹一些具體的轉(zhuǎn)換方法，并詳細(xì)討論一個(gè)典型的C/U轉(zhuǎn)換電路。
1、測量電容的幾種轉(zhuǎn)換方法
⑴ 充電法測電容
圖1是這種方法的原理圖。集成運(yùn)放反向輸入端所加的基準(zhǔn)電壓Ur經(jīng)電阻R對被測電容Cx進(jìn)行充電，當(dāng)輸出電壓Uo達(dá)到預(yù)先設(shè)定的額定值時(shí)就停止充電。在Ur和R為定值的情況下，顯然充電時(shí)間t的長短與Cx成正比。由圖1可寫出其關(guān)系式：
只要測出時(shí)間t的大小，就可得知Cx的值。利用這種C/t的轉(zhuǎn)換方法測電容，其可測范圍為10μf-999.9μf。
⑵ 充放電法測電容
圖2是這種方法的原理圖之一，它由窗口比較器對電容的充放電進(jìn)行控制。基準(zhǔn)Ur先對Cx進(jìn)行充電，當(dāng)兩端電壓達(dá)到額定值時(shí)就對地放電，當(dāng)電容兩端電壓降低到一個(gè)額定值時(shí)再次充電。Cx如此反復(fù)的充放電，就形成一個(gè)周期為T的震蕩電壓波形，T值與Cx成正比，因此通過測量時(shí)間T的大小就可得知Cx的值。這種通過C/t轉(zhuǎn)換測量電容若配上單片機(jī)電容量的分辯率可達(dá)（0.5-1）×10-3乘以電容滿度值，可測范圍為0-200μF。
和上述方法相似的另一種測量方式是稱為換向式的測量法，它也是先充電后放電，但放電到-Ur為止通過測量放電的持續(xù)時(shí)間Td得知Cx的大小，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是對充電電源及放大器參數(shù)要求不嚴(yán)格，測量誤差小，分辨力可達(dá)0.1pF，能滿足電容傳感器的要求。
⑶ 脈寬調(diào)制法測電容
圖3是這種方法的原理圖。它是在如圖所示的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的觸發(fā)端輸入一個(gè)脈寬為tw，周期為T的矩形波，在閾值為TH加被測電容Cx。通過Cx充放電在輸出端得到一個(gè)周期仍為T，但脈寬tw即占空比q=tw/T隨Cx成比例變化的矩形波（所以稱為脈寬調(diào)制）。如果能設(shè)法測出tw的值，則Cx也可得，這顯然也屬于用C/t轉(zhuǎn)換法測電容。由于q隨C/x改變是輸出的矩形波電壓平均值Uo值隨之而變，即表明Cx與Uo成正比，所以只要能Uo并測出它的數(shù)值，就可以得出Cx的值，顯然這屬于通過C/U轉(zhuǎn)換測電容。脈寬調(diào)制法測電容的范圍為0-20μF，最高分辨別率為1μF，它的缺點(diǎn)是測量前都要手動(dòng)調(diào)零，從而延長了測量時(shí)間。
⑷ 容抗法測電容
圖4是這種方法的原理電路圖。運(yùn)放處于線性工作，Ui是幅度及頻率fo均恒定的正弦測試信號。電容中通過正弦交流信號時(shí)，其容抗為Xc=1/（2πfoCx），當(dāng)fo恒定時(shí)，Xc與Cx成反比。
2、按容抗法實(shí)現(xiàn)的C/U轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)與分析
根據(jù)容抗法測量原理，為實(shí)現(xiàn)C/U轉(zhuǎn)換，必須有正弦信號發(fā)生器，C/ACU轉(zhuǎn)換電路，AC/DC轉(zhuǎn)換電路，濾波器及輔助電路等。
由集成運(yùn)放N1，電阻R1-R5和C1-C2組成RC橋式振蕩器，其中C1R1和C2R2組成RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，R3R4R5組成負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，通過調(diào)整R3R4R5 的值使略大于3滿足起振的條件，即R4+R5>2R3。運(yùn)放N2是一級反向輸入的緩沖放大器，其電壓增益為A = -（R7+RP1）/R6其中RP1為校準(zhǔn)電位器，調(diào)節(jié)RP1可改變N2的電壓增益。由運(yùn)放N3、電阻RS和電容Cx組成測量電容的主電路，其功能是實(shí)現(xiàn)C/ACU的轉(zhuǎn)換。由運(yùn)放N4、電阻R9- R11和電容C3- C4組成二階有源帶通濾波器，其中心頻率fo = 400HZ因此有源帶通濾波器只允許400HZ信號通過，這樣就得到一個(gè)純正的400HZ的正弦波。由集成運(yùn)放N5、二極管VD3-VD5電阻R13- R16和，電位器RP2和電容C5- C8組成精密整流電路，電路中的R12是N5的同向端輸入電阻，R13、 R14為負(fù)反饋電阻可將N5偏置在線性放大區(qū)并控制運(yùn)放的增益。
3、電容式傳感器的應(yīng)用
電容式傳感器的檢測元件將被測非電量變換為電容量變化后，用測量線路（C/U轉(zhuǎn)換電路）把電容容量的變化變換為電壓，再通過電壓與電容的關(guān)系得出非電量的值?？蓱?yīng)用在測氣體的濃度、油箱油量、導(dǎo)電液體液位等等。
這種電容式轉(zhuǎn)換電路具有線性度好、準(zhǔn)確度高、電路簡單、成本小、功耗低等特點(diǎn)可應(yīng)用于一些小型、便攜式裝置中。例如數(shù)字萬用表就是利用容抗法實(shí)現(xiàn)C/U轉(zhuǎn)換輸出平均值電壓再配以高分辯率的液晶A/D轉(zhuǎn)換器把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量來測量電容的。
參考文獻(xiàn)：
[1]沙占友等.數(shù)字萬用表應(yīng)用技巧 .北京：國防工業(yè)出版社，1997
橋梁撓度測量是橋梁安全性評價(jià)試驗(yàn)中檢測的重要內(nèi)容，基于常用撓度測量方法受使用環(huán)境條件的制約，本文研制開發(fā)出一款體積小、重量輕、安裝簡單、使用方便的撓度測量系統(tǒng)。通過大跨度橋梁實(shí)際使用表明：該系統(tǒng)應(yīng)用條件寬，自動(dòng)化程度高，撓度測量精度滿足工程要求。系統(tǒng)具有很強(qiáng)的推廣價(jià)值及實(shí)際工程應(yīng)用前景。
【關(guān)鍵詞】電容測量 撓度測量 荷載試驗(yàn) 橋梁
1 引言
橋梁是交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的重要組成元素，是城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要內(nèi)容，因此確保橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營安全極其重要。由于受到環(huán)境、有害物質(zhì)的侵蝕，車輛、風(fēng)、地震、疲勞、人為因素等作用，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)各部件產(chǎn)生的損傷和劣化。這些損傷與劣化如果不能及時(shí)得到有效的檢測和維修，將會(huì)影響行車安全、縮短橋梁使用壽命，甚至導(dǎo)致橋梁突然破壞和倒塌。
新橋驗(yàn)收試驗(yàn)與舊橋評估檢測是確保橋梁正常安全運(yùn)營的一項(xiàng)重要工作，荷載試驗(yàn)是橋梁承載能力評定最有效的方法之一，在荷載試驗(yàn)時(shí)，合理檢測橋梁結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)（如應(yīng)力應(yīng)變、撓度、動(dòng)力參數(shù)）是試驗(yàn)中最主要的內(nèi)容。撓度直接反映橋梁結(jié)構(gòu)形變是否超出危險(xiǎn)范圍，是評價(jià)橋梁安全性的重要指標(biāo)，因此正確有效地檢測橋梁撓度直接關(guān)系到試驗(yàn)結(jié)果評價(jià)的可靠性。
對斜拉橋、懸索橋及剛構(gòu)橋等大跨度橋梁，因跨度大、河面寬、橋面高差大、橋面離水面高、測點(diǎn)布置多、溫差變化大，試驗(yàn)往往需夜間，目前常用的撓度測量方法有位移計(jì)法、水準(zhǔn)儀法、全站儀法、連通管法、光電法等，但在使用上會(huì)受到各種客觀條件限制。基于此本文研發(fā)出一款利用電容測量技術(shù)與連通管原理有機(jī)結(jié)構(gòu)的橋梁撓度測量系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)撓度測量方法的不足，其結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、適用場合廣，且便于實(shí)現(xiàn)長期監(jiān)測與自動(dòng)化檢測。
2 電容傳感器數(shù)學(xué)模型
圖1中由兩個(gè)同軸圓柱形導(dǎo)體組成一個(gè)圓柱形電容器，其內(nèi)導(dǎo)體外半徑為r，外導(dǎo)體內(nèi)半徑為R，導(dǎo)體長度為h。當(dāng)hR-r時(shí)，導(dǎo)體兩端邊緣效應(yīng)可忽略，圓柱體可視為無窮長，則其電容為
（1）
當(dāng)被測液體的液位在同心圓柱形內(nèi)高度發(fā)生變化時(shí)，將導(dǎo)致電容變化，此時(shí)，相當(dāng)于兩個(gè)同軸圓柱形電容器并聯(lián)，由式（1）得
（2）
令
則式（2）變?yōu)?/p>
C=a+bx（3）
式中：
為被測液體介電常數(shù)，為真空介電常數(shù)；
h為圓柱形導(dǎo)體長度，R為外導(dǎo)體內(nèi)徑，r為內(nèi)導(dǎo)體外徑；
x為液面當(dāng)前高度。
由式（3）可知，圓柱形電容的輸出電容與液面高度x成線性關(guān)系。系數(shù)a、b與傳感器結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)、液體介質(zhì)種類有關(guān)，可通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定方式來獲得。當(dāng)使用水作為液體介質(zhì)時(shí)，介電常數(shù)隨水質(zhì)與溫度變化而變化，由此對系數(shù)b所帶來的測量影響是不能忽略的，在實(shí)際應(yīng)用中必須進(jìn)行有效的修正。
3 橋梁撓度測量原理
由電容傳感器、水體及連通管構(gòu)成一個(gè)完整的橋梁撓度測量系統(tǒng)（見圖2），將測量傳感器固定在橋梁指定位置，用帶水的連通管連接一起時(shí)，調(diào)節(jié)水量使液面保持在傳感器量程內(nèi)某位置處。當(dāng)橋梁撓度發(fā)生變化時(shí)，傳感器安裝位置高程隨之發(fā)生變化，其內(nèi)的液面也發(fā)生相應(yīng)改變，通過測量電路可測出此時(shí)電容值，即可計(jì)算出測點(diǎn)的液面高度。
假設(shè)在橋墩附近位置安裝一個(gè)傳感器作為參考基準(zhǔn)點(diǎn)，設(shè)初始狀態(tài)時(shí)各測量點(diǎn)液面測量值為 （i為測點(diǎn)編號）
當(dāng)橋梁撓度發(fā)生變化時(shí)，各測點(diǎn)液面測量值為 （j為測點(diǎn)第幾次測量）
則各測點(diǎn)液面位置變化為
（5）
由此可計(jì)算出各測量點(diǎn)相對于參考基準(zhǔn)的高差為
（6）
電容式撓度傳感器正是利用被測液體的介電常數(shù)，將液位轉(zhuǎn)化成電容變化來表征輸入信號大小以實(shí)現(xiàn)液位的測量。該傳感器具有許多優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、分辨率高、體積小、安裝方便，但液體介質(zhì)種類及溫度變化造成的介電常數(shù)變化是影響其測量精度、重復(fù)性及穩(wěn)定性的主要因素。
液體介質(zhì)種類對測量精度的影響，可以通過使用前在線校準(zhǔn)方法得以有效消除。環(huán)境溫度對介質(zhì)介電常數(shù)的影響，本文通過單獨(dú)使用一個(gè)傳感器的測量數(shù)據(jù)，來計(jì)算出環(huán)境溫度修正項(xiàng)，此傳感器應(yīng)安裝在與其它傳感器相同的使用環(huán)境中，用同類介質(zhì)充滿到指定高度后與連通管隔離，通過它測量結(jié)果來在線計(jì)算出當(dāng)時(shí)環(huán)境溫度變化對測量精度的修正項(xiàng)。傳感器內(nèi)的液體介質(zhì)溫度與種類影響修正項(xiàng)由專用處理軟件完成。
4 電容傳感器結(jié)構(gòu)與測量電路設(shè)計(jì)
撓度傳感器結(jié)構(gòu)如圖3所示，它由兩個(gè)同軸圓筒組成電容兩個(gè)電極，兩個(gè)電極使用同種金屬材料做成，經(jīng)氧化處理后確保兩筒間絕緣，兩筒間隙形成儲液腔。在外筒下底部設(shè)計(jì)可與連通管相接的進(jìn)水口，上端設(shè)計(jì)有小孔與空氣相連，以確保測量時(shí)水位變化流暢。為提高測量精度，減少寄生電容等影響，在傳感器頂部集成的測量電路組合成一個(gè)一體化智能傳感器，在內(nèi)部設(shè)計(jì)有自動(dòng)校準(zhǔn)標(biāo)，并通過RS485口與外部通訊，形成分布式測量結(jié)構(gòu)體系中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。
電容測量前端選用MS3110芯片，它是個(gè)具有極低噪聲的通用電容讀出接口芯片，采用調(diào)制解調(diào)方式來對單電容或差動(dòng)電容變化的測量，其測量范圍為（0.25-10）pF，理論精度達(dá)4aF。其內(nèi)部基本電路由電容補(bǔ)償電路、電荷積分電路、采樣保持電路、低通濾波及放大器組成如圖所示。CS1IN，CS2IN為檢測電容，CS1、CS2為芯片內(nèi)部可調(diào)補(bǔ)償電容，用于調(diào)節(jié)輸入電容不對稱而引起的偏置，LPF為低通濾波器，GAIN為可調(diào)節(jié)增益環(huán)節(jié)。
測量時(shí)通過MSC51系列單片機(jī)對MS3110芯片寫入不同控制字進(jìn)行內(nèi)部參數(shù)設(shè)置，平衡外部容差，減小輸出電壓偏置，使工作在較好的線性范圍內(nèi)。使用集成有100kHz的轉(zhuǎn)換速率、12位A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換精度的MSC51系列單片機(jī)作為上位機(jī)，并使用軟件過采樣平均技術(shù)將片內(nèi)12位A/D轉(zhuǎn)換精度提高到18位。使用MS3110芯片2.25V參考電壓輸出作為內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓，實(shí)現(xiàn)比率測量來提高電源看干擾能力。硬件電路如圖4所示，P1.1口作為時(shí)鐘與MS3110的時(shí)鐘端相連，P1.2與MS3110的SDATA端相連將控制字寫入MS3110。利用單片機(jī)集成的串行口，通過MAX485芯片接口，實(shí)現(xiàn)與外部雙向通訊，并使用廣播接收、查詢輸出的傳輸協(xié)議，實(shí)現(xiàn)在分布式結(jié)構(gòu)的測量系統(tǒng)中各測點(diǎn)的同步測量。
5 應(yīng)用實(shí)例與結(jié)論
用所開發(fā)的電容撓度傳感器，并編制相應(yīng)的Windows應(yīng)用軟件，在大跨度剛構(gòu)橋動(dòng)靜載試驗(yàn)中典型實(shí)測橋面撓度見圖5，經(jīng)幾座橋梁應(yīng)用驗(yàn)證，結(jié)果表明：
（1）傳感器體積小、重量輕、安裝簡單，不受橋面高差影響，使用環(huán)境條件寬；
（2）液體介質(zhì)對測量精度的影響可通過現(xiàn)場校準(zhǔn)方式有效解決；
（3）環(huán)境溫度對測量精度的影響可使用補(bǔ)償傳感器在線修正；
（4）一體化智能傳感器設(shè)計(jì)可方便地實(shí)現(xiàn)分布式同步自動(dòng)測量。
參考文獻(xiàn)
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【關(guān)鍵詞】電容式；液位變送器；水電廠；集水井；自動(dòng)控制；應(yīng)用
水電廠中，集水井的排水裝置是用于排除廠房的滲漏水以及生產(chǎn)污水，為了保證排水裝置的正常運(yùn)行，防止廠房被淹以及潮濕，集水井的排水裝置要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。集水以及排水裝置的自動(dòng)控制中在關(guān)鍵設(shè)備在于液位傳感器，早期廣泛使用的液位傳感器，當(dāng)集水井內(nèi)部水有油污之時(shí)將經(jīng)常產(chǎn)生故障而導(dǎo)致裝置質(zhì)控。新型的液位傳感器在在實(shí)際的發(fā)展過程中得到了持續(xù)的研究和應(yīng)用。電容式的液位變送器也是新型研發(fā)的變送器裝置，通過將電容式的液位變送器在集水井的自動(dòng)控制中進(jìn)行應(yīng)用，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了其與智能控制器的配套使用，從而能有效解決上述問題，有效提高了集水井系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。
一、概述
電容式液位傳感器能在高溫、高壓、易結(jié)晶、強(qiáng)腐蝕以及易堵塞等惡劣條件下實(shí)現(xiàn)各種液體的連續(xù)檢測，同時(shí)也能把污水、鍋爐水位以及酸堿溶液進(jìn)行測量，整機(jī)不具備任何可動(dòng)以及彈性部件，由此耐沖擊、便于安裝且可靠性和精度都較高。電容式的液位傳感器的使用，能替代傳統(tǒng)的浮球式、壓差式以及投入式的液位變送器。
電容式的液位變送器使用陷阱的射頻電容的檢測電路，同時(shí)通過16位的單片機(jī)經(jīng)過精確的溫度補(bǔ)償以及線性修正，可將其轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的電信號，一般其運(yùn)行的電信號范圍為4～20mA，可選擇CANBUS、HART、485等通訊協(xié)議進(jìn)行系統(tǒng)的組態(tài)。整個(gè)變送器都具有自校準(zhǔn)的功能，用戶可通過兩個(gè)按鍵進(jìn)行零點(diǎn)以及量程的自動(dòng)校準(zhǔn)，由此適應(yīng)了不同場所下的不同測量的要求。
二、特點(diǎn)
結(jié)構(gòu)相對簡單，相應(yīng)體系中不存在任何可動(dòng)或者彈性的元部件，由此具有極高的可靠性，維護(hù)量也極少。一般狀況下，可不進(jìn)行常規(guī)的維修；能實(shí)現(xiàn)多信號的輸出，便于不同應(yīng)用系統(tǒng)的配置；能在高溫以及高壓容器環(huán)境下進(jìn)行液位的測量，并且其測量的值不受到所測試液體的溫度、比重和容器形狀以及壓力等因素的影響；同時(shí)還能適應(yīng)酸性以及堿性等強(qiáng)腐蝕性液體的測量；相應(yīng)的設(shè)備具有完善的過壓、過流以及電源的極性保護(hù)。
三、電容式液位變送器以及智能控制器
1.電容式液位變送器
以前所是用的電容式液位變送器一般為二線或者四線制，在DC 24V以及4-20mA或者1～5V輸出的條件下運(yùn)行。不限制被測試的液位高度。通過測量探極，一般是特制的軟線，和變送器兩個(gè)部分所構(gòu)成。金屬的探極與被測試的介質(zhì)完全絕緣，同時(shí)與變送器連接起來，而變送器的外殼與被測試介質(zhì)的金屬箱體、連接以及固定的金屬部分構(gòu)成電容的兩極。在實(shí)際的測量過程中，將水作為電容兩極之間的介質(zhì)，電容量將隨著水位的上升而增加，下降而減少，電容量與水位之間呈正比的關(guān)系。變送器對探極所檢測到的電容量實(shí)行C/U轉(zhuǎn)換，并輸出直流電流以及電壓的信號。
該種模式的電容式液位變送器，在工作中的電流在35mA左右，若是將該種電容器與智能控制器結(jié)合起來，那么智能控制其所配備的DC24V無法滿足二者的電壓需要，而SX-92B二線制的電容式液位變送器則可直接與智能控制器結(jié)合使用。
2.智能控制器
該智能控制器實(shí)現(xiàn)了與電容式液位變送器的配套使用，型號為WP-C80，該種型號的智能控制器能使用雙重顯示模式，也就是數(shù)字以及光柱的共同顯示方式。電壓為AC220V，輸入4～20mA，同時(shí)實(shí)現(xiàn)一組控制接點(diǎn)輸出。例如可實(shí)現(xiàn)多組控制輸出，例如雙泵工作加報(bào)警輸出，同時(shí)還應(yīng)配備多繼電器輸出的控制器。
四、電容式液位變送器在水位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
水電廠的集水井中設(shè)置有兩臺水泵，相互作為備用準(zhǔn)備。在水位過高時(shí)發(fā)出報(bào)警信號，根據(jù)這一要求，可選擇四組繼電器接點(diǎn)所輸出的智能控制器與液位變送器共同配套使用。由于所使用的SX一9213四線制的電容液位變送器的工作電流約為35mA，無法與智能控制器所配套的DC24V結(jié)合使用，由此還應(yīng)另外配備一臺DC24V電源，從而保障電動(dòng)機(jī)的安全持續(xù)運(yùn)行。同時(shí)還在電動(dòng)機(jī)的控制回路當(dāng)中安裝了電動(dòng)機(jī)的保護(hù)器。
五、電容式液位變送器以及智能控制器的安裝
1.安裝電容式液位變送器
通過將原有集水井的環(huán)境磁鋼浮子以及導(dǎo)向管等拆除，保留金屬鋼管的部分。一般狀況下為一段金屬鋼管，并使用混凝土澆筑在蝸殼層水泥地面上。通過將電容式的液位變送器安裝在鋼管上的相關(guān)位置，同時(shí)將變送器固定在安裝架上，從而使傳感器的金屬軟線位于鋼管的中心位置，同時(shí)保證芯線向下。電容器金屬探極的下部分應(yīng)使用重錘進(jìn)行懸吊，從而保證重錘下段與地面距離約10cm，或者在井底加設(shè)一個(gè)固定環(huán)，使用絕緣線將探極拉直固定。無論怎樣固定，都應(yīng)將探極的下部套上一段絕緣管，從而防止對金屬探極造成損壞。若是探極過長，則應(yīng)截掉上部，重新剝?nèi)ヒ欢谓^緣皮，并將探極的頭部進(jìn)行折回。為了保證連接的牢固可靠，為防止螺釘損壞探極當(dāng)中的金屬絲，還應(yīng)套上一小段薄金屬管，并將其放入變送器的連接孔，擰緊固定螺釘。固定變送器的金屬鋼管要使用圓鋼，實(shí)現(xiàn)與集水井與周圍混凝土當(dāng)中的鋼筋焊接上，從而構(gòu)成了電容的一極；或者在距離探極1m位置垂直固定一根鋼管，并將鋼管與固定變送器的鋼管連接起來。
2.安裝智能控制器
要將智能控制器安裝在主控室返回屏上的適當(dāng)位置，從而便于相關(guān)的運(yùn)行人員進(jìn)行觀察和監(jiān)視。若是需要安裝外配的DC24V電源，則應(yīng)選擇在靠近距離控制器較近的位置。智能控制器與水泵的控制柜或者控制箱之間使用KVV8×1.5mm2的電纜進(jìn)行連接，為了有效提高智能控制器的抗干擾的能力，智能控制器的標(biāo)識也要使用大于2.5mm2的單芯銅線可靠接地，在電容式變送器以及控制器之間的導(dǎo)線要使用屏蔽線。
六、集水井自動(dòng)控制系統(tǒng)的調(diào)試運(yùn)行
在電容式液位變送器以及智能控制器安裝完畢之后，要對電容式液位變送器以及智能控制器進(jìn)行使用前的調(diào)試。
1.調(diào)試電容式液位變送器
通過將電容式液位變送器和智能控制器進(jìn)行連接，不連接控制線，而后在液位變送器的信號回路上串接上毫安測試表，打開液位變送器上蓋實(shí)現(xiàn)對液位變送器的通電。通過將集水井抽干，保持其零水位，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對零點(diǎn)電位器的調(diào)整，使其毫安表指示為4mA；當(dāng)集水井達(dá)到最高水位，則實(shí)現(xiàn)對電位器的調(diào)整，將毫安表指示為20mA，通過反復(fù)的檢查和調(diào)整，直到電流符合要求。
2.設(shè)定智能控制器的參數(shù)
由于智能控制器的參數(shù)不同，相應(yīng)的設(shè)定方法以及設(shè)定的步驟也有所區(qū)別，由此要根據(jù)實(shí)際的智能控制器的說明書進(jìn)行設(shè)定。以及WP-C80型號的智能控制器為例，自動(dòng)啟泵水位2.1m、停泵水位為0.2m、備用泵啟動(dòng)水位2.3m、顯示范圍0～3m、報(bào)警水位2.5m、分辨率為0.01m。四路輸出代號分別為ALM1，ALM2，ALM3，ALM4。同時(shí)由于該種型號的繼電器具有滯回特性，由此只能用其開接點(diǎn)進(jìn)行控制，并不需要加設(shè)自保持。其中ALM1可作為自動(dòng)起泵使用。啟泵的水位為2.1m、停泵水位為0.2m；ALM2則是備用泵，啟泵水位2.3m、停泵水位0.2m；ALM3路為報(bào)警使用，報(bào)警水位2.5m，返回水位2.1m；ALM4未用。
七、電容式液位變送器在實(shí)際使用中的維護(hù)
1.使用
電容式液位變送器外殼的防水性能較差，由此應(yīng)采用防水措施，同時(shí)防止外殼遭到硬性損傷，從而防止對探極的絕緣外皮造成損傷而導(dǎo)致絕緣能力下降，同時(shí)可拆除絕緣外皮遭到損壞的探極，使用防水的萬能膠封好破損的部位，經(jīng)過實(shí)踐了解到，探極與水之間的絕緣電阻要大于5MΩ，過小則應(yīng)及時(shí)更換。而智能控制器的工作電源的電壓范圍在180～250V，若是電壓的波動(dòng)超過該工作電壓范圍，則可考慮增設(shè)穩(wěn)壓電源裝置。
2.維護(hù)
在電容式液位變送器投入使用之后，應(yīng)建立定期檢測機(jī)制，一般為半年檢測一次。檢測的內(nèi)容為，金屬探極與水之間的絕緣電阻要大于5MΩ，在電阻測量之前應(yīng)斷開探極與水之間的絕緣電阻的連接線。若是小于標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)值則應(yīng)對金屬探極進(jìn)行更換，測試實(shí)際的水位是否與顯示的水位保持一致，若是相差超過0.1m甚至以上則應(yīng)進(jìn)行調(diào)試處理，首先應(yīng)對探極雜物進(jìn)行處理，并使用擦機(jī)布擦拭干凈探極，而后再檢查其是否符合要求，若是依舊不符合要求，可能是由于電容式液位變送器的動(dòng)作點(diǎn)漂移所導(dǎo)致的，由此則應(yīng)對工作點(diǎn)進(jìn)行測試，知道符合要求；對控制器的工作進(jìn)行檢查，明確相應(yīng)的動(dòng)作值是否發(fā)生了變化，若是動(dòng)作值發(fā)生了變化，則應(yīng)檢查設(shè)定值，若是設(shè)定值準(zhǔn)確，那么需要及時(shí)更換控制器。
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【關(guān)鍵詞】電容式測壓器;MSP430;紅外;LABVIEW;濾波
1.引言
目前的火炮膛壓大多采用的是壓電式傳感器，其存在的問題是改造后的國產(chǎn)壓電式高壓傳感器的性能不夠穩(wěn)定，進(jìn)口傳感器價(jià)格昂貴，體積較大;并且壓電式傳感器存在著零點(diǎn)漂移的問題[1]。膛壓--火藥氣體燃燒時(shí)在槍炮膛內(nèi)產(chǎn)生的壓力。它是身管發(fā)射武器設(shè)計(jì)、研制、驗(yàn)收中必須進(jìn)行多次測量分析的重要?jiǎng)討B(tài)參數(shù)之一?；鹋谧畲筇艍旱臏y定，是檢測火炮強(qiáng)度的一項(xiàng)重要的技術(shù)指標(biāo)。因此，膛壓測試技術(shù)的發(fā)展對火炮系統(tǒng)的發(fā)展起者舉足輕重的作用[2]。而測試儀器往往需要內(nèi)置于火炸藥中，炮彈在發(fā)射或終點(diǎn)爆炸過程中火炮膛內(nèi)的環(huán)境極其惡劣，因此要求測試儀器耐瞬時(shí)高溫高壓、抗高沖擊振動(dòng)、適應(yīng)長時(shí)間高低溫環(huán)境、能夠準(zhǔn)確測出膛壓變化。本文所研究的是一種電容式的殼體測壓器，殼體理論上是很好的彈性元件，以這個(gè)思想設(shè)計(jì)了以測壓器的殼體作為壓力敏感元件的電子測壓器，實(shí)現(xiàn)壓力傳感器與殼體―體化，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的壓電傳感器，減小了體積，又降低了成本，提高了整體性能。
2.測試原理
測壓器主要機(jī)械結(jié)構(gòu)由端蓋、內(nèi)外筒、內(nèi)筒定位環(huán)、絕緣墊等組成，其中外筒由高強(qiáng)度殼體構(gòu)成，內(nèi)筒為一薄壁圓筒，如圖2.1左圖所示。殼體由內(nèi)外筒組成，外圓筒極板半徑為R，內(nèi)圓筒極板半徑為r，若R很接近于r，可以將它看作一個(gè)不考慮電容邊緣效應(yīng)的電容器，在內(nèi)外圓間截取一個(gè)微圓，且外筒發(fā)生微小形變時(shí)，就可以把它看成一個(gè)平板電容器，整個(gè)電容器相當(dāng)于無限個(gè)微型平行板電容器并聯(lián)而成。當(dāng)內(nèi)筒固定不動(dòng)，外筒隨壓力產(chǎn)生微小形變，內(nèi)外筒之間的間距R-r變小。從而改變內(nèi)外筒的距離，相當(dāng)于平板電極的間距減小，從而導(dǎo)致其電容量的變化。
圖2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖
由電容式傳感器的原理式2.1可知，改變了極板間的距離可以產(chǎn)生微小電量。根據(jù)式1.1進(jìn)一步得到關(guān)于殼體長度的計(jì)算公式1.2[3]。
（1.1）
（1.2）
C――電容改變的微小電量;L――內(nèi)外筒相覆蓋的長度;R――外筒半徑;r――內(nèi)筒半徑;ε――介質(zhì)的介電常數(shù);
3.測試系統(tǒng)
本測試系統(tǒng)如圖3.1所示包括內(nèi)外筒設(shè)計(jì)的承壓殼體，硬件設(shè)計(jì)，接口電路設(shè)計(jì)以及上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。由分析可知傳感器殼體的初始電容值在36pF左右，電容變化值在0～10pF 的范圍內(nèi)，膛壓信號頻率在2kHz左右。因此如果要達(dá)到高精度測量，則要求檢測電路必須能夠測量pF級的微小靜動(dòng)態(tài)電容，達(dá)到10fF級的分辨率，10kHz左右的數(shù)據(jù)采樣頻率[4]。整個(gè)測壓器及其傳感器殼體體積很小，相應(yīng)地要求整個(gè)電路模塊的體積盡量小，電池體積盡量小。小體積的電池的電量也小，而測壓器還要在高低溫環(huán)境下長時(shí)間保溫，這就要求電路的功耗盡量小。測壓器置于炮膛底部或炮彈藥筒底部，需要實(shí)現(xiàn)無人操作，等待外部壓力信號觸發(fā)測壓器而使之開始工作，完整地記錄完膛壓的變化曲線后停止工作，并要防止其由于電磁干擾信號出現(xiàn)誤觸發(fā)工作，最后從拋出的藥筒中取出測壓器，計(jì)算機(jī)通過接口讀出測試數(shù)據(jù)，顯示和處理測試結(jié)果。因此在電路設(shè)計(jì)中，需要進(jìn)行觸發(fā)設(shè)計(jì)，負(fù)延時(shí)設(shè)計(jì)，電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì);為了適應(yīng)惡劣環(huán)境，要求電路可靠，抗電磁干擾，能夠保高低溫。簡言之，理想目標(biāo)是設(shè)計(jì)出高分辨率、高采樣速率、低功耗、小體積、智能化、可靠性高的微小動(dòng)態(tài)電容檢測系統(tǒng)電路模塊。
圖3.1 電容式測壓器系統(tǒng)總體示意圖
4.軟件設(shè)計(jì)
本上位機(jī)程序使用LABVIEW來實(shí)現(xiàn)，相對于VB（Visual Basic）語言，LABVIEW可以和USB接口電路中的CY7C68013A芯片更好的結(jié)合，通過調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點(diǎn)將CY7C68013A的庫文件導(dǎo)入到LABVIEW系統(tǒng)當(dāng)中，根據(jù)CY7C68013A庫函數(shù)的要求配置相關(guān)的函數(shù)，可以建立與CY7C68013A的實(shí)時(shí)連接，發(fā)送指定十六進(jìn)制指令，命令MSP430完成相應(yīng)的操作，包括設(shè)備檢測，電路編程，數(shù)據(jù)采集，軟件功能如圖4.1所示。除了和硬件相關(guān)的操作外，還可以對讀取和存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、頻譜分析、和標(biāo)準(zhǔn)測壓器測出的曲線進(jìn)行互相關(guān)分析，用來分析實(shí)測曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線之間的差值。
圖4.1 軟件系統(tǒng)功能圖
4.1 設(shè)備檢測
上位機(jī)調(diào)用庫文件中的OpenDevice函數(shù)打開USB設(shè)備再使用BulkWrite函數(shù)通過接口電路向外部的MSP430發(fā)送指定的十六進(jìn)制命令，MSP430收到指令后向上位機(jī)發(fā)送256個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，上位機(jī)接到數(shù)據(jù)檢測第8位數(shù)據(jù)是否與設(shè)置的數(shù)據(jù)位一致，這里規(guī)定第8位數(shù)據(jù)位是固定不變的某一個(gè)數(shù)值的，也就是說如果返回的256個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)中第8位的數(shù)據(jù)與規(guī)定的不一致則設(shè)備出現(xiàn)問題，可能沒有接入電源或者電路的某一部分沒有接好，一致則表明設(shè)備正常可以使用，顯示相應(yīng)的電壓。
4.2 電路編程
上位機(jī)通過設(shè)置把需要的指定的參數(shù)發(fā)送給MSP430，例如采樣頻率，負(fù)延遲，觸發(fā)壓力等，MSP430收到數(shù)據(jù)后寫入芯片，改變測壓器電路的參數(shù)后，返回指定的數(shù)據(jù)。上位機(jī)對上傳來的數(shù)據(jù)判斷是否正確，正確即對電路編程成功。
4.3 數(shù)據(jù)采集
在設(shè)備檢測沒有問題，電路給定正確的采樣頻率，負(fù)延遲，觸發(fā)壓力的前提下，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過LABVIEW的庫函數(shù)節(jié)點(diǎn)，調(diào)用庫文件中的BulkRead函數(shù)，讀取來自于MSP430通過接口電路上傳來的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存儲為數(shù)組，顯示于波形顯示控件中。當(dāng)數(shù)據(jù)讀取完畢時(shí)，通過CloseDevice函數(shù)發(fā)送關(guān)閉設(shè)備通信命令將所有數(shù)據(jù)保存為二進(jìn)制文件，方便后期對數(shù)據(jù)回讀和處理。
5.軟件運(yùn)行結(jié)果
模擬膛壓發(fā)生器可以產(chǎn)生模擬膛壓信號，通過發(fā)射藥快速燃燒產(chǎn)生的壓力、高溫高沖擊和電磁場與實(shí)際發(fā)射環(huán)境相當(dāng)，所以利用模擬膛壓發(fā)生器產(chǎn)生的膛壓信號可以模擬真實(shí)的膛壓信號。通過模擬得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在軟件中讀出的P-t曲線如圖5.1所示，5.1左圖是電容式測壓器經(jīng)過定標(biāo)，濾波后的一組數(shù)據(jù)，5.1右圖是標(biāo)準(zhǔn)傳感器經(jīng)過定標(biāo)，濾波后的數(shù)據(jù)。能夠看出電容式測壓器測出的數(shù)據(jù)的峰值達(dá)到200MPa，上升沿和下降沿基本吻合，下降沿后出現(xiàn)誤差，原因?yàn)殡娐钒宓鸟詈想娙菀约捌渌s散電容對其造成的影響，另外，加工的誤差、殼體裝配以及溫度變化都可能是其與理論值有偏差的原因。可證明測壓器測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理。
圖5.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比圖
6.結(jié)束語
根據(jù)膛壓測試?yán)碚撆c電容測壓原理，設(shè)計(jì)了一種基于LABVIEW的電容式殼體測壓器測試系統(tǒng)，使用LABVIEW作為測試軟件不僅可以對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的分析，而且由于其強(qiáng)大的功能可以與硬件進(jìn)行交互。使用LABVIEW是未來的一種趨勢。用殼體本身作為傳感部分，大大減小了測壓器體積與研制成本，最終實(shí)現(xiàn)了測壓器的微型化。體現(xiàn)了其低功耗的優(yōu)點(diǎn)。該測壓器體積小，成本低，有廣泛的推廣價(jià)值。
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【關(guān)鍵詞】加速度計(jì) 電容 傳感器
中圖分類號：G4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2013）35-254-01
一、前言
MEMS是英文Micro Electro Mechanical Systems的縮寫，即微電子機(jī)械系統(tǒng)，是建立在微米/納米技術(shù)（micro/nanotechnology）基礎(chǔ)上的21世紀(jì)新型多學(xué)科交叉的前沿技術(shù)，是指對微米/納米材料進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工、制造、測量和控制的技術(shù) ，它涉及機(jī)械、電子、化學(xué)、物理、光學(xué)、生物、材料等多學(xué)科。它研究的主要內(nèi)容包括微型傳感器、微型執(zhí)行器和復(fù)雜的微系統(tǒng) ， 微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展開辟了一個(gè)全新領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)，在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及幾乎人們接觸到的所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景，它對21世紀(jì)的科學(xué)技術(shù)，人類生產(chǎn)和生活方式將產(chǎn)生革命性影響，并在未來高科技戰(zhàn)爭中扮演著舉足輕重的角色，是關(guān)系國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國家安全保障的關(guān)鍵技術(shù)。利用MEMS技術(shù)，可以制成準(zhǔn)確檢測病變的基因芯片、比手掌還小的飛行器、重量僅有幾十克的微小衛(wèi)星……我們這里討論的微加速度計(jì)就是MEMS技術(shù)具體應(yīng)用，顧名思義微加速度計(jì)就是來測量加速度的，實(shí)際應(yīng)用中目的往往并不是測量加速度，而是速度，進(jìn)而可以測量出直線位移，結(jié)合陀螺儀（MEMS的一種，用來測量角速度的），可以準(zhǔn)確定位，這在航空航天，導(dǎo)彈制導(dǎo)等方面有廣泛的應(yīng)用。
二、MEMS結(jié)構(gòu)模型
MEMS加速度計(jì)主要有兩部分：微電子技術(shù)加工的電容性機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical System）和帶有閉環(huán)反饋的信號轉(zhuǎn)換控制ASIC（Application Specific Integrated Circuit 特定用途集成電路）系統(tǒng)。
2.1 基本電路原理
MEMS傳感器有開環(huán)和閉環(huán)兩種。
該加速度傳感基于電容變化原理，慣性質(zhì)體將加速度作用進(jìn)行放大并轉(zhuǎn)換成電容極板的位移。差動(dòng)電容的變化通過檢測電路變成電信號，在經(jīng)過力平衡回路反饋。激勵(lì)可移動(dòng)的電容極板始終處于平衡位置。反饋信號同時(shí)作為輸出，它表明了輸入加速度的大小。
2.2 MEMS機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析
為了提高加速度計(jì)的工作靈敏度，通常采用電容式結(jié)構(gòu)。我們這里所研究的加速度計(jì)屬于電容式結(jié)構(gòu)的一種；采用質(zhì)量塊-彈簧-阻尼器系統(tǒng)來感應(yīng)加速度，它是利用比較成熟的硅加工工藝在硅片內(nèi)形成的立體結(jié)構(gòu)。質(zhì)量塊是微加速度計(jì)的執(zhí)行器，與質(zhì)量塊相連的是可動(dòng)臂；與可動(dòng)臂相對的是固定臂?？蓜?dòng)臂和固定臂形成了電容結(jié)構(gòu)，作為微加速度計(jì)的感應(yīng)器。其中的彈簧并非真正的彈簧，而是由硅材料經(jīng)過立體加工形成的一種力學(xué)結(jié)構(gòu)，它在加速度計(jì)中的作用相當(dāng)于彈簧。
三、MEMS工作原理
加速度計(jì)的工作原理可概述如下：當(dāng)加速度計(jì)連同外界物體（該物體的加速度就是待測的加速度）一起加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊就受到慣性力的作用向相反的方向運(yùn)動(dòng)。質(zhì)量塊發(fā)生的位移受到彈簧和阻尼器的限制。顯然該位移與外界加速度具有一一對應(yīng)的關(guān)系：外界加速度固定時(shí)，質(zhì)量塊具有確定的位移；外界加速度變化時(shí)（只要變化不是很快），質(zhì)量塊的位移也發(fā)生相應(yīng)的變化。另一方面，當(dāng)質(zhì)量塊的發(fā)生位移時(shí)，可動(dòng)臂和固定臂（即感應(yīng)器）之間的電容就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化；如果測得感應(yīng)器輸出電壓的變化，就等同于測得了執(zhí)行器（質(zhì)量塊）的位移。既然執(zhí)行器的位移與待測加速度具有確定的一一對應(yīng)關(guān)系，那么輸出電壓與外界加速度也就有了確定的關(guān)系，即通過輸出電壓就能測得外界加速度。
四、MEMS的應(yīng)用
MEMS具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，全世界有大約600余家單位從事MEMS的研制和生產(chǎn)工作，已研制出包括微型壓力傳感器、加速度傳感器、微噴墨打印頭、數(shù)字微鏡顯示器在內(nèi)的幾百種產(chǎn)品，其中微傳感器占相當(dāng)大的比例。微傳感器是采用微電子和微機(jī)械加工技術(shù)制造出來的新型傳感器。與傳統(tǒng)的傳感器相比，它具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產(chǎn)、易于集成和實(shí)現(xiàn)智能化的特點(diǎn)。同時(shí)，在微米量級的特征尺寸使得它可以完成某些傳統(tǒng)機(jī)械傳感器所不能實(shí)現(xiàn)的功能。
4.1微機(jī)械壓力傳感器
微機(jī)械壓力傳感器是最早開始研制的微機(jī)械產(chǎn)品，也是微機(jī)械技術(shù)中最成熟、最早開始產(chǎn)業(yè)化的產(chǎn)品。從信號檢測方式來看，微機(jī)械壓力傳感器分為壓阻式和電容式兩類，分別以體微機(jī)械加工技術(shù)和犧牲層技術(shù)為基礎(chǔ)制造。從敏感膜結(jié)構(gòu)來看，有圓形、方形、矩形、E形等多種結(jié)構(gòu)。
4.2微加速度傳感器
硅微加速度傳感器是繼微壓力傳感器之后第二個(gè)進(jìn)入市場的微機(jī)械傳感器。其主要類型有壓阻式、電容式、力平衡式和諧振式。國內(nèi)在微加速度傳感器的研制方面也作了大量的工作，如西安電子科技大學(xué)研制的壓阻式微加速度傳感器和清華大學(xué)微電子所開發(fā)的諧振式微加速度傳感器。
4.3微機(jī)械陀螺
角速度一般是用陀螺儀來進(jìn)行測量的。傳統(tǒng)的陀螺儀是利用高速轉(zhuǎn)動(dòng)的物體具有保持其角動(dòng)量的特性來測量角速度的。這種陀螺儀的精度很高，但它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用壽命短，成本高，一般僅用于導(dǎo)航方面，而難以在一般的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用。
4.4微流量傳感器
微流量傳感器不僅外形尺寸小，能達(dá)到很低的測量量級，而且死區(qū)容量小，響應(yīng)時(shí)間短，適合于微流體的精密測量和控制。目前國內(nèi)外研究的微流量傳感器依據(jù)工作原理可分為熱式（包括熱傳導(dǎo)式和熱飛行時(shí)間式）、機(jī)械式和諧振式3種。
4.5微氣體傳感器
根據(jù)制作材料的不同，微氣敏傳感器分為硅基氣敏傳感器和硅微氣敏傳感器。其中前者以硅為襯底，敏感層為非硅材料，是當(dāng)前微氣敏傳感器的主流。微氣體傳感器可滿足人們對氣敏傳感器集成化、智能化、多功能化等要求。
五、結(jié)論
用MEMS技術(shù)加工制作的微結(jié)構(gòu)傳感器具有微型化、可集成化、陣列化、智能化、低功耗、低成本、高可靠性、易批量生產(chǎn)、可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)多參數(shù)檢測等一系列優(yōu)點(diǎn)，受到各國研究者的重視。盡管目前開發(fā)的傳感器還有某些不足之處，例如靈敏度低、工作溫區(qū)窄、精度不高。但是，隨著科研工作者的深入研究，在不久的將來必有更多結(jié)構(gòu)更新、性能更優(yōu)異的實(shí)用化的傳感器問世
參考文獻(xiàn)：
[1] 沈景春 ，MEMS數(shù)字檢波器結(jié)構(gòu)與原理分析，2008年。
[2] 黃慶安，硅微機(jī)械加工技術(shù)，科學(xué)出版社，1996年。
【關(guān)鍵詞】數(shù)字；傳感器；應(yīng)用
0 前言
各類科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，數(shù)據(jù)的測量是實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵。如果單靠人力來進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，難免會(huì)出現(xiàn)各種各樣的誤差和錯(cuò)誤。傳感器則能有效地解決這類問題，相比人力測量，使用傳感器能極大程度上避免了錯(cuò)誤的發(fā)生，但是誤差問題卻依舊存在。隨著傳感器的發(fā)展，數(shù)字傳感器的出現(xiàn)有效地解決了錯(cuò)誤和誤差問題，并且數(shù)據(jù)的讀取和記錄方式也給科研人員帶來了極大的便利?，F(xiàn)在，數(shù)字傳感器得到了廣泛的應(yīng)用，從航空航天到個(gè)人消費(fèi)電子，它們的身影無處不在。
1 數(shù)字傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域范例
1.1 傳感器在停車場的應(yīng)用
很多國外汽車廠商已經(jīng)開發(fā)出了自動(dòng)泊車系統(tǒng)，并已配裝了許多高端車型，這是數(shù)字傳感器應(yīng)用很成功的一個(gè)范例。該系統(tǒng)是通過傳感器發(fā)射信號并接收反射信號，來計(jì)算車與墻壁、車與車之間的間距，再通過智能程序控制汽車走位，來實(shí)現(xiàn)智能泊車。常見的包括射頻，紅外或者超聲波等傳感器，許多停車場的墻壁上也安裝了此類傳感器，當(dāng)汽車距離墻壁太近時(shí)，系統(tǒng)將報(bào)警提醒駕車人，以免發(fā)生事故。這些系統(tǒng)的應(yīng)用大大提高了泊車的安全系數(shù)，方便了司機(jī)們的起車和泊車，同時(shí)對停車場的管理帶來了極大的便利。
1.2 傳感器在儀器電路中的應(yīng)用
傳感器在儀器電路中的應(yīng)用也十分廣泛。日常生活中的很多常見的物品都運(yùn)用到了數(shù)字傳感器。例如菜市場常見的電子秤，大街上常見的路燈，家里常用的壓力鍋……這些物品中的數(shù)字傳感器能夠?qū)⑽覀兯璧臄?shù)據(jù)更快更準(zhǔn)確的顯示在我們眼前。有些傳感器負(fù)責(zé)檢測有用的數(shù)據(jù)供人們查看，而有些傳感器能保護(hù)設(shè)備儀器甚至人身的安全。這類傳感器通過將檢測到的物理信號轉(zhuǎn)換成電信號，通過程序處理，對相關(guān)負(fù)載進(jìn)行控制，使儀器維持在安全的狀態(tài)?？傊?，數(shù)字傳感器在各類儀器中的應(yīng)用必不可少。
1.3 傳感器在水利工程方面的應(yīng)用
在水利工程方面，傳感器的應(yīng)用也尤為廣泛，例如控制壓強(qiáng)和溫度的壓力傳感器和溫度傳感器。傳感器可以將非電信號的變化轉(zhuǎn)換為電信號，以水位傳感器為例，當(dāng)傳感器中的線圈固定不動(dòng)，氣壓推動(dòng)隔膜帶動(dòng)磁芯使其與線圈之間的相對位置發(fā)生變化，線圈的電感量發(fā)生變化，導(dǎo)致線圈中電流變化，通過感應(yīng)電阻轉(zhuǎn)換成變化的電壓輸出變量，由此實(shí)現(xiàn)了水位由非電信號到電信號的變換。這些傳感器除了能及時(shí)地掌握工程狀況，確保其安全外還能滿足對工程進(jìn)度的診斷、預(yù)測以及研究。數(shù)字傳感器在水利工程方面的應(yīng)用使得工作人員能更加科學(xué)有效的做好工程的控制和規(guī)劃，也杜絕了工作人員依靠經(jīng)驗(yàn)判斷而導(dǎo)致工程出現(xiàn)安全隱患。水利工程方面?zhèn)鞲衅鞯膽?yīng)用還體現(xiàn)在了位移傳感器上，例如三汊河河口閘工程中應(yīng)用了位移傳感器，該工程2008年3月完工后，歷經(jīng)3個(gè)多月時(shí)間運(yùn)行，使用情況良好，未發(fā)現(xiàn)任何質(zhì)量問題，有效地保證了水閘的自動(dòng)化控制運(yùn)行，達(dá)到了理想的改造目的。
2 常見的部分?jǐn)?shù)字傳感器的介紹
2.1 三軸數(shù)字磁傳感器
三軸數(shù)字磁傳感器能夠?qū)λ俣取⒎较?、加速度的變化甚至最?xì)微的運(yùn)動(dòng)做出立即響應(yīng)。地球磁場在三維坐標(biāo)系中可以將地球磁場分為垂直分量和兩個(gè)水平分量，常見的三軸數(shù)字磁傳感器HMC5883L就是用來采集這三個(gè)分量的值。該傳感器目前有應(yīng)用于家庭游戲機(jī)Wii，以及更多的日常常見的電子用品中。由于三軸數(shù)字磁傳感器對于運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)特別明顯，對于細(xì)微的運(yùn)動(dòng)也格外地敏感，三軸數(shù)字磁傳感器運(yùn)用到了我們?nèi)粘Ｉ钪行枰ㄟ^微小的變化來進(jìn)行控制的機(jī)器上，例如手機(jī)、平板、筆記本電腦……如今，越來越多的電子設(shè)備朝著便攜的方向發(fā)展。而便攜所帶來的隱患就是機(jī)器的易損毀。于是，技術(shù)人員們就在嘗試著研發(fā)出更加穩(wěn)定可靠的便攜式設(shè)備。三軸數(shù)字磁傳感器極大地推進(jìn)了這方面的研究，這種傳感器通過對設(shè)備周邊環(huán)境的變化對機(jī)器所處的位置進(jìn)行判斷，并在適合的時(shí)候加以保護(hù)。
2.2 數(shù)字電容式傳感器
數(shù)字電容式傳感器是將機(jī)械位移量轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器?；阪i相環(huán)的頻率-數(shù)字轉(zhuǎn)換原理，當(dāng)振蕩器接收到信號時(shí)，會(huì)發(fā)射一個(gè)響應(yīng)頻率的信號。鑒相器通過對這兩個(gè)信號的相位差的判斷繼續(xù)輸出一個(gè)數(shù)字信號。而這個(gè)數(shù)字信號就會(huì)對應(yīng)地轉(zhuǎn)換成為相應(yīng)的數(shù)據(jù)來控制振蕩器，從而影響環(huán)路的振蕩頻率。而其他的影響因素則為板間距離和正對面積。當(dāng)這些量的數(shù)值發(fā)生改變的時(shí)候，傳感器所顯示的數(shù)值就會(huì)發(fā)生變化。如今，機(jī)電一體化發(fā)展迅速，就出現(xiàn)了一種數(shù)字電容式液位傳感器，它替代傳統(tǒng)投入浮子式油箱液位傳感器。利用電容量隨電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)變化這一原理，通過測量變化的電容量得到剩余燃油量，同時(shí)監(jiān)控油箱內(nèi)部的溫度。數(shù)字電容式液位傳感器有自補(bǔ)償功能，消除了溫度和燃油雜質(zhì)對測量結(jié)果產(chǎn)生影響，無可動(dòng)部件的設(shè)計(jì)增加了它的使用壽命，令測量結(jié)果準(zhǔn)確，實(shí)時(shí)。不僅如此，生活中所用到的可以通過旋轉(zhuǎn)旋鈕控制燈光亮度的臺燈正是運(yùn)用了通過改變正對面積進(jìn)而改變電容進(jìn)而改變信號的原理。現(xiàn)今生活中，數(shù)字電容式傳感器更是應(yīng)用在了觸摸屏上、導(dǎo)航系統(tǒng)中、游戲設(shè)備里……可謂處處皆有數(shù)字電容式傳感器的身影。
2.3 水利工程方面應(yīng)用的傳感器
在水利工程方面，比較常見的一種傳感器是網(wǎng)絡(luò)數(shù)字水位傳感器。網(wǎng)絡(luò)數(shù)字水位傳感器在普通的數(shù)字水位傳感器的基礎(chǔ)上添加了通訊技術(shù)，使得傳感器不僅具有自我檢測、自我校準(zhǔn)、自我診斷的功能，還添加了網(wǎng)絡(luò)通訊的功能，更加方便了用戶的使用。在全自動(dòng)洗衣機(jī)里就應(yīng)用到了水位傳感器。我們常見的水位傳感器有兩種：開關(guān)式和電子式。開關(guān)式水位開關(guān)由于檔位少，不能滿足對于水的多方面控制，現(xiàn)在很少再采用，而電子式水位開關(guān)檔位多、線路少、精度較高且具有較強(qiáng)的防浪涌功能等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于各種實(shí)用水位采集中。網(wǎng)絡(luò)數(shù)字水位傳感器的應(yīng)用可以預(yù)防一些災(zāi)情的發(fā)生，通過各種電路的檢測，實(shí)時(shí)掌握水位情況，并通過網(wǎng)絡(luò)通訊，使工作人員更及時(shí)地掌握水位情況，在災(zāi)情的預(yù)防和情勢的控制上更加的便利。
3 結(jié)語
數(shù)字傳感器的發(fā)明是人類社會(huì)的一大進(jìn)步，也為科技的進(jìn)步奠定了優(yōu)良的基礎(chǔ)，為科研人員的工作提供了便利和更加精準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，讓各類實(shí)驗(yàn)在得出結(jié)果的過程中能夠利用更為準(zhǔn)確的數(shù)值測量得更為客觀、正確，方便科研人員得到更加精準(zhǔn)無誤的結(jié)論。不僅如此，數(shù)字傳感器在日常生活中的運(yùn)用也讓人們的生活更加的安全、便利。隨著科技的進(jìn)步，數(shù)字傳感器的運(yùn)用會(huì)越來越普遍，人們將在生活得各個(gè)角落都運(yùn)用到數(shù)字傳感器。數(shù)字傳感器在生產(chǎn)生活中的地位將越來越穩(wěn)固，越來越不可替代。也會(huì)隨著數(shù)字傳感器的大量使用，它的許多弊端也會(huì)逐漸顯現(xiàn)出來，但這并不影響人們對它的應(yīng)用?？蒲腥藛T們將會(huì)在實(shí)踐中不斷地改進(jìn)、完善數(shù)字傳感器，讓數(shù)字傳感器更好地為人們服務(wù)、提供便利。
【參考文獻(xiàn)】
介紹了一種基于STC89C52單片機(jī)的棉花水分檢測儀的組成及工作原理，分析了棉花水分檢測原理，進(jìn)行了系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。通過選擇合適電路元件，改進(jìn)設(shè)計(jì)方法，使該檢測儀滿足棉花水分智能檢測的要求。
關(guān)鍵詞：棉花；水分；水分檢測儀
棉花是世界上最主要的農(nóng)作物之一，是僅次于糧食的第二大農(nóng)作物，也是關(guān)系國計(jì)民生的重要戰(zhàn)略物資。棉花的品質(zhì)在收購、加工、儲存等過程中受到多種因素的影響，特別是超高水分對棉花的質(zhì)量影響很大。因此，棉花水分檢測是棉花各個(gè)環(huán)節(jié)檢驗(yàn)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。準(zhǔn)確和快速地測量棉花水分直接影響到棉花收購的質(zhì)量以及后續(xù)的存儲加工等工作。隨著科技的不斷發(fā)展，我國的棉花收購檢驗(yàn)工作正朝著規(guī)范化、儀器化的方向發(fā)展，最終達(dá)到棉花的水分檢驗(yàn)準(zhǔn)確和可靠[1]。
目前，在我國大量使用的棉花水分檢測儀，仍停留在早期的研制水平，基本上是最開始所研制的電阻式水分檢測儀，這種儀器存在著體積較大、攜帶不方便、操作繁瑣、數(shù)據(jù)顯示不直觀等缺陷[2]。因此，研制一種操作簡單、便攜式攜帶方便的棉花水分檢測儀器已勢在必行。本設(shè)計(jì)采用STC89C52單片機(jī)為核心，這種單片機(jī)具有高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾等特點(diǎn)，特別適合于便攜式智能儀器的研制，旨在滿足棉花水分智能檢測儀的要求。
1 系統(tǒng)的組成
便攜式智能棉花水分檢測儀主要由STC89C52單片機(jī)、數(shù)字溫度傳感器DS18B20、電容式水分傳感器、串口通訊RS485、人機(jī)界面顯示與按鍵、電源及電源處理模塊等組成。棉花水分檢測儀的設(shè)計(jì)原理圖，如圖1所示。
該棉花水分檢測儀主要包括上位機(jī)和下位機(jī)兩大部分。其中上位機(jī)主要包括電源、電源開關(guān)、按鍵、顯示屏、交直流選擇按鈕等，下位機(jī)主要包括測濕電容及相關(guān)電路、溫度傳感器等。電源包括DC（直流6V）和AC（交流220V）兩種電源，可根據(jù)實(shí)際檢驗(yàn)情況任選其一。該棉花水分檢測儀的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是采用交直流兩用電源，因而擴(kuò)大了儀器的使用范圍，具有攜帶方便、實(shí)用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[3]。
整個(gè)棉花水分檢測儀的工作原理為：溫度信號和濕度信號由各自傳感器輸出，經(jīng)過放大、濾波后輸入到單片機(jī)內(nèi)，經(jīng)過片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用通訊接口RS485，將單片機(jī)處理完的結(jié)果送入上位機(jī)以便于數(shù)據(jù)的分析和整理，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)與上位機(jī)即計(jì)算機(jī)的通訊。
2 水分檢測原理
當(dāng)電容器以棉花為介質(zhì)時(shí)，其電容值隨棉花水分的變化而不同，棉花水分檢測儀就是利用這一特點(diǎn)來進(jìn)行棉花（籽棉）含水率的非電量轉(zhuǎn)換。電容器的電容大小與極板間材料的介電常數(shù)有關(guān)，把被測棉花當(dāng)作電容的中間介質(zhì)時(shí)，其介電常數(shù)取決于棉花中的含水量，通過測量電容的大小就可得到棉花含水量[4]。與此同時(shí)，棉花水分檢測儀的具體檢測效果還受棉花溫度、棉花蓬松程度、棉花含雜率等其他因素的影響。因此，棉花水分的非線性校正和溫度補(bǔ)償是棉花水分檢測儀開發(fā)的技術(shù)關(guān)鍵[5]。本設(shè)計(jì)中的棉花水分檢測系統(tǒng)由待測電容（測量傳感頭）、參考電容、阻容脈沖轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字溫度傳感器、單片微機(jī)、RS485 通訊模塊等單元組成。工作過程是：待測電容和參考電容分別產(chǎn)生脈沖信號，脈沖信號的脈沖數(shù)與電容器的容值負(fù)相關(guān)，一定時(shí)間內(nèi)兩列脈沖序列的脈沖數(shù)之差與待測物料的水分正相關(guān)，單片機(jī)通過計(jì)數(shù)器檢測在一定時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)之差，將此數(shù)與數(shù)字溫度傳感器產(chǎn)生的溫度測量值一起通過RS485串行總線發(fā)給上位機(jī)即計(jì)算機(jī)[3]。
該方法的關(guān)鍵是測量電容，常用的電容測量方法是給電容加上交流信號后，通過測量電容兩端的阻抗并經(jīng)過換算得到電容值，這種方法需要相應(yīng)的電路和元器件來實(shí)現(xiàn)，主要包括交流信號發(fā)生電路、交流電橋以及A/D轉(zhuǎn)換器等。這種測量方法存在電路相對復(fù)雜，元器件較多，不適用于便攜式設(shè)計(jì)使用。為了適應(yīng)便攜式設(shè)計(jì)，需要簡化電路，該設(shè)計(jì)中采用充放電電路將電容測量轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率的測量[6]。把對敏感電容的測量轉(zhuǎn)化為對輸出信號頻率的測量，電容隨著棉花濕度的變化而變化，則輸出的信號頻率也就隨著棉花濕度的變化而變化，從而可以實(shí)現(xiàn)測量頻率就可以得到棉花的含水量[4]。
3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
硬件是該檢測儀的主要部分，設(shè)計(jì)的好壞會(huì)直接影響到檢測儀的諸多性能。在硬件設(shè)計(jì)中主要考慮選用一些低功耗和性價(jià)比高的電路元件，同時(shí)要盡量減少所有的電路，以減小檢測儀的體積，也要保證檢測儀良好的性能、較小的電耗和低廉的價(jià)格等。
整個(gè)硬件系統(tǒng)分為以下幾個(gè)模塊：
（1）信號采集處理控制系統(tǒng)模塊。包括水分信號采集、溫度補(bǔ)償信號采集、壓力補(bǔ)償信號采集、通信電路（信號傳遞）和單片機(jī)控制部分。
（2）按鍵和顯示控制部分模塊。包括顯示的部分、按鍵部分、上位機(jī)即計(jì)算機(jī)控制部分。
（3）電源電路模塊。電源電路主要為系統(tǒng)的各個(gè)子電路提供獨(dú)立電源。
本檢測儀的單片機(jī)選用STC89C52RC單片機(jī)，這是一款低功耗、高性價(jià)比的微型處理器。它集成了很多硬件功能，配置簡單、明晰，具有較強(qiáng)的抗外界干擾的能力。本設(shè)計(jì)中溫度傳感器選用DS18B20，這種數(shù)字溫度傳感器接線方便，封裝成后可應(yīng)用于多種場合，如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式，不銹鋼封裝式等。具有耐磨耐碰、體積小、使用方便、封裝形式多樣等特點(diǎn)。適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域。該種溫度傳感器可編程的分辨率為9～12位，溫度值的位數(shù)是12位，溫度轉(zhuǎn)換時(shí)的延時(shí)時(shí)間為750ms。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
根據(jù)檢測儀功能要求和系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)，在軟件部分的設(shè)計(jì)中應(yīng)能完成信號的數(shù)據(jù)采集、濕度數(shù)字顯示、按鍵設(shè)定以及開關(guān)量的輸出等功能。為此，需要在儀器操作面板上設(shè)置開機(jī)、測量、復(fù)位、結(jié)束和上傳5個(gè)功能鍵[2]，分別實(shí)現(xiàn)不同的功能，實(shí)現(xiàn)智能檢測。
為了方便程序調(diào)試和提高軟件的可靠性，本檢測儀的軟件設(shè)計(jì)采用了模塊化程序結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的整個(gè)軟件包括系統(tǒng)主程序、主監(jiān)控程序、數(shù)據(jù)采集與處理子程序、鍵盤顯示管理子程序等。系統(tǒng)主程序是鍵盤掃描程序，這是一段無限循環(huán)的程序，當(dāng)有鍵按下時(shí)即開始運(yùn)行，沒有鍵按下時(shí)則循環(huán)判斷。主監(jiān)控程序主要功能是完成系統(tǒng)初始化、自檢、中斷管理分配等，通過中斷調(diào)用其他相應(yīng)程序[2]。
5 結(jié)論
在本設(shè)計(jì)中采用了高性價(jià)比、高性能、低功耗等功能部件，采用了合適的設(shè)計(jì)方法，由此設(shè)計(jì)出的棉花水分檢測儀具有低功耗、低成本、結(jié)構(gòu)簡單、測量準(zhǔn)確、精度較高、性能穩(wěn)定、智能化和使用方便等特點(diǎn)。該棉花水分檢測儀可用于棉花收購、加工、紡織、檢驗(yàn)等各部門對棉花含水量的快速測定。
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