平板電容式液體介電常數測試系統

趙樹忠,安曉星（華北理工大學,河北　唐山　063009）

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平板電容式液體介電常數測試系統

趙樹忠,安曉星
（華北理工大學,河北唐山063009）

摘 要：設計了一種基于平行極板電容傳感器的液體介電常數測試系統。平行極板電容傳感器將液體的介電常數轉換成傳感器電容，再通過了集成電路CAV444以調頻方式將傳感器電容轉換成線性比例的電壓。后續單片機系統完成電壓信號、液體溫度信號的采集并進行有關的變換、補償等計算，最后將有關測試結果顯示出來。

關鍵詞：電容傳感器；介電常數；單片機；溫度補償

0　引言

介電常數是液體材料重要特性參數之一。國內外一直存在著對介電常數測量技術的需求。

在工業生產方面通過測量潤滑油的介電常數可以得到潤滑油的品質，可以為潤滑油的更換提供參考。在環境監測方面，將傳感器應用于河水介質樣品的組分和特性參數檢測，可以為水中污染物的檢測提供方便。在民用領域可以通過測量介電常數實現土壤的水分檢測[1]。

1　測試系統的組成原理

電容式傳感器將液體樣品的介電常數信息轉換成為電容信號，當被測參數變化時傳感器的電容量發生變化, 測量電路輸出的電壓信號亦隨著發生變化[2]。該輸出信號通過單片機系統中的A/D轉換器被采集到單片機中，同時溫度傳感器對液體的實時溫度進行檢測，送入單片機用作溫度補償。單片機對得到的有關數據進行數字濾波、標度變換、溫度補償等計算處理后，在液晶顯示器上將被測液體介電常數的有關信息顯示出來。本系統的組成框圖如圖1所示。

2　測試盒的結構

圖2為系統的測試盒及電容傳感器的結構示意圖。測試盒（圖2a）內的電容傳感器部分是由兩個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，用來起到對電容傳感器的定位作用。金屬極板與被測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為測試盒內的平板電容傳感器。為消除兩金屬極板之間電場的邊緣效應，傳感器在有效工作極板的外側設置了矩形等電位環[3]。理想條件下傳感器初始電容的表達式為（忽略玻璃槽的影響，圖2c）為：測試系統傳感器的結構參數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之間呈線性關系，電容傳感器的電容量隨液體樣品的介電常數的變化而變化，這樣就可以通過間接測量電容傳感器輸出電容得到液體樣品的介電常數。為了保證測量精度，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　測量電路

電容傳感器測量電路CAV444(圖3) 的主要功能是將電容信號成比例地轉換成電壓信號，并對信號進行低通濾波、放大后輸出到單片機系統中。集成電路CAV444首先以調頻方式將傳感器的電容信號轉換成調頻信號，再經f/V轉換變成電壓信號，隨后經過低通濾波、增益調節，最終輸出與后續A/D轉換器相適應的電壓信號Vout。調頻信號抗干擾能力強，能獲得較高的測量精度，因此很多非頻率量信號都要轉化為調頻信號進行間接測量。集成電路CAV444是一種微型電子器件，采用現有的制造工藝，把所需的元件在電路板上組成一個整體，使電子元件具有微型化、智能化和高可靠性等優點。

4　單片機系統

測試系統采用的是應用比較廣泛用的STC89C52單片機。此款單片機擁有512字節的RAM，充足的I/O口，較快的運行速度和低廉的價格。測量電路輸出的電壓信號經過AD574轉換后傳輸到單片機與DS18B20傳輸到單片機的溫度信號一同處理，最后將測試結果傳輸到顯示器中。單片機與各元器件的接口情況見圖4。

4.1AD574與單片機接口

液體介電常數測試系統采用的AD574芯片內有時鐘，無需外加時鐘信號。AD574與單片機有兩種接口方法，分別為單極性接法和雙極性接法。前者可對0～10V或者0～20V的輸入信號轉換；后者可對-5～+5V或者-10～+10V的輸入信號轉換[5-7]。在配置過程中，AD574輸出端DB0～DB11通過鎖存器74LS373與單片機相應的總線相連，引腳CE作為A/D轉換啟動或讀數據的信號。

4.2液晶顯示器與單片機接口

液晶顯示器LCD1602直接與STC89C52單片機的接口連接在一起，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。

4.3數字溫度傳感器與單片機接口

單片機系統加裝了單總線式數字溫度傳感器DS18B20，其測量范圍為℃，溫度轉換分辨率可以通過c語言編程實現。單總線結構利用一個接口就能與STC89C52單片機進行通信，不需要外部元件，可以使用數據線本身供電[8]。

5　結論

本平板電容式液體介電常數測試系統由測試盒和后續處理系統組成。測試盒的測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裝置。測試盒的結構簡單，具有一定的便捷性。測量電路采用集成電路CAV444成本較低，并具有較高的精度。后續處理系統中的STC89C52單片機功能強大，主要用來實現系統的數據采集、標度變換、溫度補償、結果顯示等功能，通用性強、成本低。

參考文獻：

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

[2]趙樹忠,鄭義忠.JDC智能化精密電容測微儀[J].實用測試技術,1996:42-43.

[3]張艷臻,馬全喜，聶金柱.電場的邊緣效應對平板電容的影響[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單片機大容量數據存儲器擴展板設計[J].工業控制計算機,2013(01):93-94.

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

[7]李升.單片機原理與接口技術[M].北京:北京大學出版社, 2011.

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

作者簡介：趙樹忠（1963-），男，河北唐山人，工學博士，副教授，主要從事：測試計量技術與儀器方面的教學與科研工作。

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