（检测技术与自动化装置专业论文）利用空气、冰与水的电容特性差异进行冰层厚度自动化监测的理论与应用研究.pdf

太原理i ：大学硕+ 研究生学位论文 利用空气、冰与水的电容特性差异进行冰层厚度自动化监测 的理论与应用研究 摘要 随着全球变暖的影响，近年来极地冰川和内陆高原消融幅度越来越大， 给人类的生存环境、动植物的生长以及全球气候变化都有巨大的影响。在 冰科：学研究及其他众多研究学科中，极地和高原冰川的冰层厚度都是研究 的重点内容。另外，在我国北方地区的江河湖海在冬季存在不同程度的结 冰情况，影响了人民生活、水上运输、海上石油钻井平台及区部地区气候 环境等众多领域。尤其是在2 0 0 7 年中，由于异常的雨雪冰冻天气的影响， 我国南方的大部分地区也出现了大范围的冰冻现象，交通阻塞，输电设施 倒塌，严重的影响了人民的正常生活和社会的生产发展。 小课题针对日盏严重的冰川消融和冰冻灾害的问题，提出了基于空气、 冰和水的电容差异进行冰层厚度自动化监测的方法和手段。本文将系统地 介绍基于空气、冰和水三者电容差异进行冰层厚度测量的原理，方法和实 现形式。首先，本文首先论述了课题研究的目的和意义，总结了国内外冰 厚测量技术发展现状，提出了课题研究的内容和方法。然后从基于空气、 冰和水三者电容差异的机理入手，制作电容模型，进行了大量的电容机理 实验，取得了大量实验数据。通过不断的实验改进和调整，最终验证了基 丁电容机理进行冰层厚度测量的可行性和可靠性。 本文在对目前应用中的各种电容测量电路进行分析讨论的基础上，根 太原理工大学硕士研究生学位论文 据前期的电容机理验证试验结果，确定了基于交流阻抗法的电容测量电路， 霞，j i 介绍厂这种方法的原理，组成部分和实现形式。 设计了基于m s p 4 3 0 的冰层厚度自动化监测系统，系统包括单片机核 心电路、电容测量电路、温度测量电路、大容量存储电路，数据通讯电路 等。具有低功耗、多功能、高精度的优点。 关键字：电容模型，冰层厚度监测，交流阻抗法，电容测量 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h e o r ya n da p p l i c a t l 0 ns t u d yo fa u t o m 渔t i c m e a s u r e m 匣n tt oi c e l a y e rt h i c k n e s sb a s e do n c a p a c i t a n c ed i f f e r e n c e a bs t r a c t u n d e rt h ei n f l u e n c eo f g ! o b a ! w a r m i n g ，i nr e c e n ty e a r s ，g l a c i e ro fp o l a ra n d i n l a n dp l a t e a u sh a v eb e e nm e l t i n gm o r es e v e r e l y , w h i c hg r e a t l ye f f e c tl i v i n g e n v i r o n m e n to fp e o p l e ，t h eg l o w i n go fa n i m a la n dv e g e t a b l ea n dg l o b a lc l i m a t e i nr e s e a r c ho fi c es c i e n c ea n do t h e rf i e l d s ，i c e l a y e rt h i c k n e s so fp o l a ra n d p l a t e a ug l a c i e ri sg e t t i n ga t t e n t i o n i na d d i t i o n ，r e s i d e n tl i f e ，w a t e rt r a n s p o r t ， o f f s h o r eo il d r i l l i n gp l a t f o r ma n dl o c a lc l i m a t ea r ea f f e c t e db yf r o z e ns i t u a t i o ni n v a r i o u sd e g r e ei nn o r t h e r na e r oo fc h i n a e s p e c i a l l yi n2 0 0 7 ，d u et ou n u s u a li c y w e a t h e ro fs l e e t ，t h e r ew e r el a r g e s c a l ef r o z e nd i s a s t e r , t r a f f i cj a m ，c o l l a p s e so f e l e c t r i c i t yf a c i l i t i e s ，w h i c hs e v e r e l yd a m a g en o r m a l l i f eo fp e o p l ea n d d e v e l o p m e n to fs o c i e t y f o rm o r ea n dm o r es e r i o u sg l a c i e rm e l t i n ga n di c yc a l a m i t y ，o u rs u b j e c t p i o p o s e sam e t h o da n dm e a n st oa u t o m a t i c a l l ym o n i t o rt h i c k n e s so fi c e l a y e r b a s e di n c a p a c i t a n c e d i f f e r e n c eo fa i r , i c ea n dw a t e r t h ep a p e rw o u l d s y s t e m a t i c a l l yi n t r o d u c et h et h e o r y , m e t h o da n dh o wt or e a l i z e f i r s t l y ，t h e p u r p o s ea n dm e a n i n gi sd i s s e r t e dw i t hc u r r e n tm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g i e so fi c e l a y e rt h i c k n e s si nt h ew o r l da n dc o n t e n t o to u rs u b j e c t t h e nb e g i n n i n gf r o mt h e i i i 太原理二f j 大学硕士研究生学位论文 t h e o r yo fc a p a c i t a n c ed i f f e r e n c eb e t w e e na i r , i c ea n dw a t e r , im a d ec a p a c i t a n c e m o d e l ，d i dp l e n t yo fc a p a c i t a n c ee x p e r i e n c e sa n da t t a i n e dl o t so fe x p e r i e n c ed a t a a f t e rm a n ye x p e r i e n c ei m p r o v e m e n ta n da d j u s t m e n t ，if i n a l l ym a k es u r et h e f e a s i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo f t h em e t h o d i nt h ep a p e r ，b a s e di na n a l y s i sa n dd i s c u s s i o no fs e v e r a lm e a s u r i n gc i r c u i t o fc a p a c i t a n c e ，ac i r c u i tt om e a s u r ei m p e d a n c ew i t ha ci sc e r t a i nt ob eu s e df o r l n e a s o r e m e n to fi c e l a yt h i c k n e s s t h et h e o r y ，c o m p o n e n ta n dr e a l i z a t i o nw o u l d b ee x p r e s s e d i nt h ep a p e r ，t h ea u t o m a t i cs y s t e mf o rm o n i t o r i n gi c e l a y e rt h i c k n e s so nt h e b a s i so fm s p 4 3 0i s d e s i g n e d ，i n c l u d ：n gm c uc i r c u i t ，c a p a c i t a n c e a n d t e m p e r a t u r em e a s u r i n gc i r c u i t s ，s t o r a g ec i r c u i t ，c o m m u n i c a t i o nc i r c u i to fd a t a e t c t h es y s t e mh a st h e a d v a n t a g e s o fl o w c o s t ，m u l t i f u n c t i o na n dh i g h p r e c 1 s 1 0 1 1 。 k e yw o r d s ： c a p a c i t a n c em o d e l ，m o n i t o r i n g o f i c e l a yt h i c k n e s s ， m e a s u r e m e n to fi m p e d a n c ew i t ha c ，c a p a c i t a n c e i v 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：垒圣亟亟日期： 1 ，p 苫r 2 乙 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：垒兰佥虽耋日期： 导师签名：亳拯日期： p 驴j 2 - 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 近年来，【l = j 于温室效应，全球气候日趋变暖。极地冰川和高原冰川消融幅度比较大， 这是影响全球气温变化和人类生存环境的重要因素之一。在极地考察中有关极地冰的生 消变化监测目自，j 也只能依靠雷达，但对冰川及非平整冰的测量误差较大，不能得到准确 近续的数捌，使我圜在极地科考中对海冰的自动化监测成为空白。为了能有效测量冰川 消融的整个变化过程，在南极极其恶劣的自然条件下需要一种自动化测量冰层厚度的测 量仪以实现对冰层的实时连续测量【l 】。 其次，我国北方地区普遍存在冰冻现象，凌汛是威胁黄河流域数千公里封冻河道沿 岸人民生命与水电工程设施安全的重大自然灾害隐患之一。在高寒地区河道弯曲回环的 地方出现严重凌汛的隐患要更大。近几年关于黄河冰凌报道也逐年增多，2 0 0 7 年我国大 范围冰冻现象造成的黄河凌汛灾害，2 0 0 4 年发生在黄河山西省境内的小北干段、永济黄 河段的冰凌险情，2 0 0 1 年发生在内蒙古乌海市黄河冰凌决堤就是实例。由于没有可供 。州：小他川的冰i i jj 3 稗f 1 动检测设备，目自，j 我国北方冰冻地区对冰层厚度、冰下水位的 ：7 测多采删人ii 凿洞或钻冰进行。因而冰厚测量系统成为我国水文自动监测、冰凌灾害 预警系统的一个“技术、设备盲区”【2 】。 另外，随着南水北调工程的深入，冬季冰下输水安全显得尤为重要，当冰层冻结到 定程度，j 。能降低水位，这就需要对冰层厚度进行动态监测。目前水已成为宝贵的战 略资源，在冬、春季冰封时期对北方大多数水库，为了计算库容与合理调配水量，需要 掌握冰层厚度与冰下水位的变化情况，需要掌握冰层表面变化的实时数据。 综上所述，寻求一种可以对冰层厚度生消变化过程进行连续自动检测的方法和设计 4 ；i f iiz 饥化“i 息技术融合的冰层厚度测量仪不仅具有极高的科学理论研究价值，而且 ! l 仃j 矧| ，| ( jl i 场应用i ，j 景。 1 2 国内外冰层厚度的监测现状 虽然，电容式传感器应用到的领域比较多，但是在测量冰层厚度的这个方面还处于 太原理丁：大学硕士研究生学位论文 ，也，t 少l 阶段l i n j 1 前圜内外应用的冰层厚度测量的方法主要有以下三种类型：一类是直 拨洲蹬法，它依靠人工凿冰或打钻直接测量冰厚和水位，我国北方水文站主要采用这种 方法。它的优点是数据可靠，缺点是自动化程度低、劳动强度高、危险性大，不能保证 在同一地点自动定时监测或在多地点进行同步自动化连续监测，所以至今没有完整的冰 生消过程变化数据，影n l a j 塑j 冰生消所引起的自然灾害的预测预报；第二类是通过卫星进 行遥测，其优点是适直于对大面积冰监测，缺点是无法掌握局部小范围冰层结构内部的 生消变化过程，难于应用到许多宽度狭窄的黄河及其它河流明渠以及水利设施的冰监 测：第三类方法是电磁学、声学等物理探测方法，如超声波探测法。它们的优点是操作 简币、迅速，f f j 缺点是误羞大。其误差主要来自冰性质变化对电磁波或声波的影响。研 究火叫叫, 、1 圳1 - i ：i 。度随时| 日j e l 和空问在不断地变化，而冰的温度变化直接控制着冰声学性质、 电学性质和光学性质，所以物理探测方法的结果被复杂多变的气象条件和冰结构条件影 响着，难以找到合理的途径消除和降低这些误差【。】。 由于冰层厚度检测应用场合的特殊性以及传感器和相应的检测设备是在十分恶劣 的环境下进行的，因此，寻求一种可以适应于野外自然环境条件下对诸如河道、冰川、 水库等冰层厚度及冰下水位进行高精度自动化检测的方法及设备是一个亟待填补的空 白研究领域【5 1 。 1 3 课题研究内容 本课题是在国家自然科学基金( 6 0 6 7 2 0 2 8 ) 资助下针对冰层厚度自动化测量的研究 1 膨川，i i 婴分为电容机躞研究，电容测量电路设计和冰层厚度监测系统的开发制作三 一j 分。 电容机理研究主要包括在基本电容特性的理解上，找寻合适的电容模型，并对不同 的电容模型在实验室和室外不同环境中对空气，水和冰三种不同介质的电容特性进行实 际样本采集，获取空气、水和冰三种介质在不同温度的试验数据，整理分析三者的电容 范嘲，最终确定一种稳定，可靠的电容模型和验证电容传感器的可行性和可靠性。 电容测量电路设计是在电容机理的实验的基础上，设计电容采集电路，实现在实际 环境中电容自动化采集。 冰j 川1 川复骱测系统的丌发将电容模型与电容测量电路结合起来，设计出一款以 m s p 4 3 ( ) i 【为核心的自动数掘采集系统丌发设计。m s p 4 3 0 单片机将控制片选电路 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 选通每一个的电容采集点，再将空气，水和冰不同介质反映出的不同电容值经过电容转 换电路变为m s p 4 3 0 单片机可接受的电压或频率，单片机将根据电容机理研究中得到的 三种介质的电容范围，识别不同的介质，确定空气，水和冰的上下界面，最终得出冰层 厚度。我们还会加入温度检测电路，实现多数据采集。整个自动数据采集系统包括太阳 能f j ii 色模块，人机交互和显示模块，s d 卡大容量数据存储模块，g p r s 通讯模块和数据 采集模块。 1 4 课题研究意义 为我国南极科考的冰层厚度监测研究提供新的技术设备和方法，为分析全球气候变 化提供最直接的气象水文资料。 为我丽北方地区冬季预防河流冰凌灾害提供了全天候水文自动，为人民的生命安全 j 蚶产发个抛供了进一步的保障，也为冬季的航运事业与水上建设事业提供了必要的信 ，嗯。 为我国冬季在冰冻气候中，为机场、铁路和高速公路提供自动化监测手段，为交通 的顺利通行提供有力保障。 顺应了我国水利工作信息化的要求。将新型的传感器技术，自动化技术与通讯技术 与计算机技术运用于流域冰情监测，促进了我国水文监测向自动化，网络化方向的发展。 3 太原理一f j 火学硕十研究生学位论文 第二章利用空气、冰、水电容差异测量冰厚的机理研究 2 1 引言 太原理工大学秦建敏教授首先提出了利用空气、冰和水的电阻、电容、温度等物理 特r ：肇芹进f 丁冰情研究的思路：空气，冰与水是在对河冰或海冰生、消过程及冰下水位 的榆测过程- t - 1 量要涉及的三种物质。从空间垂直角度来看，在实际的冰情监测环境中， 基本存在三种状态的物质：冰层上表面的空气、冰层和冰下水。对垂直进行水平切割后 形成的薄层平面进行电阻或电容数值检测和判断，可以掌握被检测空闻内部的物理状态 分布情况，并可以根据结果确定不同区域的分界层面垂直高度位置，进而计算出冰层厚 度o j 冰f 水位的数值。 山于空气、冰和水的介电系数各不相同，三种物质的电容量也各不相同。因此，通 过检测空气、冰和水三种物质的电容量就可以判断出这些物质，实现冰层厚度及冰下水 j 硼，j 删带， 2 2 电容机理实验 由于电容受温度、湿度等多种因素的影响而变化，为了验证基于电容机理进行冰层 厚度自动化监测方案的可行性和可靠性，我采用多种电容模型分别采集空气、冰和水在 不同温度的电容值，对比这些数据之间的差异性，从而验证电容机理的正确性。 2 2 1 电容理论和平行板电容模型 晒、j ：檄板绀成的f 乜容器，如果不考虑边缘效应【6 1 ，电容量为： c ：型( 2 1 ) d 式中，为极扳蚓介质的介电常数，s 为极板的面积，d 为极板之间的距离。 占= 占， ( 2 2 ) 其中，为极板恻介质的相对介电常数，0 8 8 4 5 1 0 - 1 2 f - m - 1 。 电容量的大小取决于介电常数，极板面积s 和极板间的距离d 。对两极板间距离d 与板间面积s 固定的电容器，其电容值c 随极板间介质的介电常数不同而变化。常温下， 4 太原理l ：人学硕十研究生学何论文 空气的介电常数约为l ，水的介电常数为8 0 ，而冰的介电常数为3 4 。因此，当两极板 i b j 的介质分别是空气，冰和水时，电容器所反映的电容量各不相同。 在实验初期，我最先采用的电容模型是两种覆铜板材质的平行板电容器模型： 第一种电容模型由两条对称的宽度为3 0 c m 的覆铜板相对组成，覆铜板上在一定距 离处被剥去长度为0 1 c m 的铜皮，使覆铜板上有面积为3 0 0 9c m 2 的若干极板。两条 覆铜板之间的距离为2 4 c m ，覆铜板用螺丝钉被固定在p v c 型材上。为了方便测量，每 个极板都用导线引出，如图2 1 所示。 图2 1 第一种电容模型实物图片 f i g 2 1 f ir s tm o d e ls t r u c t u r eo fc a p a c i t o r 放大标尺：1 ：1 5 第二种电容模型由若干分割成面积为4 5 2 4c m 2 的极板组成，极板被垂直固定在 十 p v c 材质的管件中，极板i 刚隔为8 m m ，如同2 2 所示。 5 太原理= 火学硕士研究生学位论文 放大标尺：1 ：1 5 图- 2 电容另外一种结构模型 f i g 2 - 2a n o t h e rk i n do f m o d e ls t r u c t u r eo fc a p a c i t o r 2 2 2 实验方案和实验数据 为了分析空气、冰、水电容差异，首先测量不同电容模型以空气作为电介质时随温 度变化的电容值变化情况，然后测量水结冰和冰消融的过程中以水和冰为电介质的电容 变化情况。水结冰的过程从室温2 0 开始到零下2 2 。冰消融过程是水结冰的逆过程。 每当温度变化1 ，记录一次电容值。 实验采用冰柜作为制冷五具，优利德多功能数字万用表u t 7 0 b 采集电容值和数字 i i 嫂衷。i m 一9 0 2 c 测量温度。优利德力。用表可以通过红外转串口数据线与电脑相连，以 他i l 求数捌。实验示意图如图2 3 所示： 导线 冰层 一一一、 冰箱 图2 - 3 实验示意图 f i g 2 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f e x p e r i m e n t f _ 度的改变，介质的介电常数会发生变化，电容值也会随之改变。但是实验测 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 得两种电容模型在介质为空气时的电容值基本不随温度的变化而变化，在0 2 o 4 n f 之 川变化。而两种电容模型在水结冰和冰消融的过程中，随温度的变化而变化。以下是两 种电容模犁在水结冰和冰消融过程中的电容变化图表。 表2 1水结冰过程中两种电容模型的冰、水电容值 t a b 2 - 1i c ea n dw a t e rc a p a c i t o rv a l u eo ft w ot y p eo fc a p a c i t o rm o d e ld u r i n gw a t e rf r e e z i n g - 2 01 71 41 彳8521- 471 01 31 61 92 2 6 4 84 8 13 8 52 9 52 3 51 3 3 1 1 34 9 93 5 51 2 8o 8 01 0 10 6 00 5 0 1 2 3 u fu fu fu fu fu fu fn fn fn fn fn fn fn fn f 3 0 32 8 3 ：2 4 8 ：1 6 0 1 5 。81 4 6 2 7 55 6 73 0 82 9 52 7 71 8 32 0 51 4 79 7 0 u fu fu fu fu fu fu fn fn fn fn fn fn fn fn f 由表2 1 可知：两种电容模型的电容变化趋势基本一致，随温度的下降而减小。在 某一温度下有部分电容值发生跳变，这可能是测量过程受到干扰或者电介质本身的特质 仃所改变造成的。第二种电容模型的电容值因为极板的面积较大、极板间隔较小，所以 i t - p i 比第种电容模型的电容值大一些。 表2 - 2 冰消融的过程中两种电容模型的冰、水电容值 t a b 2 - 2i c ea n dw a t e rc a p a c i t o rv a l u eo f t w o 够p eo fc a p a c i t o rm o d e ld u d n gi c em e l t i n g 温度； 一j 一r t 一 筹2 21 91 61 3 第一 墓重1 # 1 第1 署，。? 电容 n tn tn t ，n t 值 第二 冀薹1 ：产1 三1 ：f ；1 ：容值 n tn tn t n t 朋；77 - 4i 12581 11 41 7 2 0 1 0 7 i 1 ； 1 2 91 2 02 2 7 6 7 70 2 12 6 02 8 03 0 73 8 04 5 36 3 9 n f ! n fn fn fu fu fu fu fu fu fu f 1 3 51 2 5 o2 9 03 4 59 8 01 5 o1 7 41 8 32 7 13 0 o3 4 1 n fn fn fn fu fu fu fu fu fu f u f 犬卜2i i j 知：鹏种电容模型都反映出在冰融化的过程中随温度的升高电容值的总 f 冬，b 镑足仡增大。但在某一温度处也出现电容值的跳变。 我们可以把零度以上的看成水，零度以下的看成冰。从2 0 到0 之间，水的电容 。 以u f 为单位逐渐减小。在接近零度时，水开始结冰，因为液态水的物理形态转为固态 冰，其介电常数相差很大，电容值的单位从u f 跳变为n f 。在0 一2 0 之间，冰的电 容以n f 为单位继续减小。由此我们判断冰和水的电容具有很大的差异，而冰和空气的 差异不大【7 】。 2 2 3 改进后的平行板模型和新的试验条件下的数据 j i 攫铜板材质的电容模型是手工制作而成，极板之问的间距、极板大小、极板引 7 触值r轳撇蚴蚺值贮撇蚴样值 太原理工大学硕士研究生学位论文 线的接触以及由此引起的极间电容、导线电容和杂散电容的干扰，实验数据具有很大的 不确定性。在多次的电容实验中，电容值的重复性并不是很好。为了得到更确切的冰、 水和空气的电容变化情况，我选用p c b 电路板作为电容模型的材料，使用p r o t e l d x p 软件做出若干个面积为3 0 0 9c m 2 的极板。改进后的电容模型中还加入了d s l 8 8 2 0 数 。j 。- ；。r l 。l l 度传感器和两排螺丝钉极点，如图2 4 所示。 放大标尺：1 ：1 5 图2 - 4 改进后的电容模型 f i g 2 4i m p r o v e dc a p a c i t a n c em o d e l 在过去的机理验证实验中，我们采集到的冰、水和空气的电容值都是以u f 或者n f 单位的。由于万用表量程的限制，很多情况电容值是不能被采集到的，尤其在当电容模 型中的介质是冰或者空气的时候。在这些情况下，电容值会不会很大或者很小呢? 随着 温度的_ 丁 高和f 降，电容值出现一些跳变的情况，这些现象是偶然的还是必然的? 万用 袭测到的l u 容值是否是真实的呢? 在导师的支持下，我购买了常州市同惠电子有限公司生产的t h 2 6 1 8 b 电容测试仪， 图2 5 所，：i = ，t h 2 6 1 8 b 是一种精度高、测试范围宽、操作简便、功能完善的电容测量 仪j 哆，7l l l l i li ，j 提供至1 0 k h z 的典型测试频率及四档分选功能，尤其适用于生产线快速测 试，i 幺。：。协， t 有强有力的抗冲击保护能力，解决了长期以来电容测量仪冲击保护能力 差这一困扰使用者的顽症。完善的h a n d l e r 接口可使方便地使用于元件自动分选系 统。t h 2 6 l8 b 电容测量仪不仅可以测量电容，还可以测量电阻。其中，电容的测量范围 为0 0 1p f 一9 9 9 9 9 u f ，电阻的测量范围为0 0 0 0 1q 9 9 9 9 9 m f 2 。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 ；鬻垂斓一 j - _ 二懑瀚缓麟嚣耘霪篓j 爹糍鬻鬻辫饕鬻鬻潮 鼙l 矍盏基 雪黪。i 螽霸雾溱蕊濑釜 图2 5t h 2 6 1 8 b 电容测量仪 f i g 2 - 5c a p a c i t a n c em e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t f 止川丁i _ 1 2 6l8 b 电容测量仪对改进后的电容模型重新进行机理验证实验，将改进后 的电容模型放入装有水的容器中，实验箱置于冰柜中，分别进行两次冰冻和消融实验。 以下是对三个不同的电容模型进行冰冻和消融实验，在不同温度下测得的电容数据： i ，电容模型为螺丝钉极点，两螺丝钉之间间隔1 7 m m 。 图2 - 6 第一次冰冻实验的电容曲线图 f i g2 - 6c u r v eo fc a p a c i t a n c ei nf i r s tf r e e z i n ge x p e r i m e n t 图2 7 第二次冰冻实验的电容曲线图 f i g2 7c u r v eo f c a p a c i t a n c ei ns e c o n df r e e z i n ge x p e r i m e n t 9 0 1 1 1 1 1 咖 蚴 太原理1 ：大学硕士研究生学位论文 图2 - 8 第一次消融实验的电容曲线图 f i g2 - 8c u r v eo fc a p a c i t a n c ei nf i r s tm ee t i n ge x p e r i m e n t 图2 9 第二次消融买验的电容曲线图 f i g2 9c u r v eo fc a p a c i t a n c ei ns e c o n dm e l t i n ge x p e r i m e n t 以上四张图是以螺丝钉极点为电容模型，在两次重复性冰冻和消融实验中，使用 t h 2 6 1 8 b 测量两极点的电容值所值生成的曲线图。从四张图中可以看出，随着温度的上 厂i 币卜降，两极点的电容也相应的上升和下降，电容基本保持单调变化。两次的冰冻和 ；：f i i 融i i i i 乡芝h 符f j j ! i 4 i 州同，是由。f 两次采集过程中记录次数不同造成的。两次实验中， i l 彳值的r f l - 位改变的温度点大致楣近。如果从两次冰冻和消融实验中提取相同的温度下 的电容拟合在一张图上，可以明显的看出实验结果具有相当的重复性和稳定性，如图2 10 和图2 。ll 所示。 1 0 所示。 f i g 图2 1 0 二次水冻实验的电容拟合曲线图 2 1oc u r v e 。fc a p a c i t a n e ei n 似。f r e e z i n g e x p e r i m e n t s 图2 1 1 二次消融实验的电容拟合由线图 f i b2 - 11 c u r v e 。fc a p a c i t a n t e i nt w 。f r e e z i n ge x p e r i m e n t s 11 b 驰躺呦躺 删 舰挑 删 蛐蝴 呐 舯哦 吵制嫉 e t，_葩枷a 融 觚 稍 岫咖锏 硼她 冻 硝 为删州锄蒯 ! 薹郴 二 k 影吼撇批 太原理_ l 大学硕士研究生学位论文 图2 1 2 二次消融实验的电客拟合曲线图 f i g2 - 12c u r v eo fc a p a c i t a n c ei nt w om e l t i n ge x p e r i m e n t s ! i i ? 电容模型为两极板为长为3 0 r a m ，宽为8 m m 的长方形p c b 板，间隔1 5 r a m 。 p c b 上有过孔，但用环氧树脂密封。二次冰冻和消融实验的电容拟合曲线图如图2 1 3 和图2 1 4 所示。 图2 1 3 二次冰冻实验的电容拟合曲线图 f i g2 - 13c t l r v eo fc a p a c i t a n c ei nt w of r e e z i n ge x p e r i m e n t s 图2 1 4 二次消融实验的电容拟合曲线图 f i g2 - 14c h i v eo fc a p a c i t a n c ei nt w om e l t i n ge x p e r i m e n t s 太原理l ：人学硕+ 研究生学位论文 从以上的电容拟合曲线图中可以看出：使用改进后的电容模型对空气，冰和水进行 电容测量的稳定性和重复性具有很大的提高。 2 4 本章小结 本章主要介绍了利用空气、冰和水三者电容差异进行冰层厚度测量的原理和电容机 理的验证过程。通过大量的电容机理实验，找寻空气，冰和水三者之间的差距，并重复 进行验证，最终确定电容机理应用于冰层厚度测量的可行性和可靠性。 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 。1 引言 第三章电容测量原理及其分析 在上一章的利用空气、冰和水三者电容差异进行冰层厚度测量的原理中，实现冰层 厚度测量的手段是采集不同极点之间的电容值。那么，如何进行采集电容就是这一章的 主要内容。本章介绍了各种目前使用的电容采集电路，并重点介绍了交流阻抗电容测量 的方法。 3 2 电容测量电路 3 2 1 直流充放电电容测量电路 直流充放电电容测量电路基本原理如图2 1 所示。由c m o s 开关脚将未知电容 c 。充电至诈，再由第二个c m o s 开关& 放电至电荷检测器。在一个信号充放电周期 内从g 传输到检波器的电荷量q = v c c 。在时钟脉冲控制下，充放电过程以频率f = 1 t 重复进行，因而平均电流。该输入电流信号被转换成电压信号并被平滑，最后给出一个 氨流输mi 包雁值： v f j = r f i 。= r r v c c ，f ( r 为检波器的反馈电阻) 【8 j t 9 j ) 通 呈广 厂 厂 堑 图3 】充放电电容测量电路 f i g 3 1c h a r g e d i s c h a r g ec a p a c i t a n c em e a s u r i n gc i r c u i t 充放电电容测量电路典型的例子为差动式直流充放电c v 转换电路，如图3 2 所示。 ( 。、，删( 、州i j 乃溉极扳卸愉测极板与地问的等效杂散电容( 通过分析可知它们不影响电 ；( 、的删昂) ，v 广s 是c m o s ，l ：关，s ，和同步，s 2 和s 。同步，它们的通断受频率 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 的时钟信号控制，每个工作周期出充放电组成。 可得电路输出为 圪= 2 k r ，屹c ，f 式r 1 1k 葱分放大器d 3 的放大倍数。 ( a ) 电路( b ) 开关波形 ( 3 1 ) 闭合 断开 闭合 断开 图3 - 2 差动式直流充放电电路 f i g 3 2d i f f e r e n t i a lc h a r g e d i s c h a r g e1 3 ( 3c i r c u i t 该电路的主要优点是能有效地抑制杂散电容，而且电路结构简单，成本很低，经过 软件补偿后电路稳定行较高，获取数据速度快。缺点是电路采用的是直流放大，存在较 大的漂移：另外，充放电是由c m o s 丌关控制，所以存在电荷注入问题【l o 】。目前该电 路已成j 力心朋j 二6 、8 、1 2 电极的e c t 系统中。其典型分辨率可达3 1 0 t s f t 1 1 2 1 1 1 3 1 。 3 ，2 2a c 电桥电容测量电路 a c 电桥电容测量电路如图3 3 所示，其原理是将被测电容在一个桥臂，可调的参 考抗股侄梢邻的个桥臂，二桥臂分别接到频率相同幅值相同的信号源上，调节参考 阻抗使桥路平衡，则被测桥臂中的阻抗与参与阻抗共轭相等。这种电路的主要优点是： 精度高，适合作精密电容测量，可以做到高信噪比【1 4 】【l5 】。 l5 太原理i ：人学硕+ 研究生学位论文 v s i c x = = 丰r x 厂_ c r =i 一 ：n = t i f i g 3 3a cb r i d g ec a p a c i t a n c em e a s u r i n gc i r c u i t 隆| 3 3 b 路的缺点在于无自动平衡措施，为此可采用图3 4 所示可自动平衡的a c 电桥电容测量电路。该系统输出v d 为一直流信号，a c 为传感器的电容变化量。 驰c ，= ( c o + 弘g 器卜扣2 p 2 ， 式中二相敏因y - 。 结合平衡条件，在理论上输出v d 可写成 ( 蚴= a c c o 兄r 1 一昙- 爿 ( 3 - 3 ) 斟3 - 4 自平衡a c 电桥电容测量电路 f i g 3 4s e l fr e g u l a t i o na cb r i d g ec a p a c i t a n c em e a s u r i n gc i r c u i t 陔电桥的自动平衡过程可直接由下述步骤获得：保证电桥未加载时a c = o ，测量电 桥非平衡值并利用公式( 3 3 ) 计算出电桥输出为零时所需的反馈信号k 的值。重新测量 桥路的输出，若输出为零，则桥路平衡：若输出不为零，重复上述测量步骤，直至桥路 输出为零，即桥路平筏为止。该电桥电容测量电路原理上没有考虑消除杂散电容影响的 问题，为此采取屏蔽电缆等措施，而且其效果不一定理想。通过实验测得其线性误差能 16 太原理工大学硕士研究生学位论文 达到1x10 - 1 3 f p 6 】f 1 7 u s j 。 3 2 3a c 运放电容测量电路 a c 运放电容测量法的原理如图3 5 所示。 c f 图3 5a c 电容测量原理电路 f i g 3 - 5t h ea cc a p a c i t a n c em e 删e m e m 图中g 为被测电容，g 为g 的漏电导，k 为施加的正弦激励信号，q 与母并联为反馈 阻抗，q 为一很小的电容作为相位补偿电容，母为一大电阻可提供直流反馈信号。根据 原理图分析，令z 厂= 石了为反馈阻抗，理想情况下运放的输出可表示为 圪：一蔫掣磐：一( q + 从) 乙r ( 3 - 4 ) l 震，+ 歹缈c r 1p 。叫刈一71 式中一正弦激励信号埒的角频率。选用高频信号，使得i 崛i g x 时，则式( 3 - 4 ) 可 简化为 圪= 一歹崛z y , ( 3 5 ) 即输出交流电压圪幅值正比于被测电容g 。从( 3 5 ) 可以看出，这种测量方法可以消除 被测电容的漏电导对电容测量的影响。分辨率为4 。5 1 0 1 6 f 【1 9 1 1 2 0 1 【2 。 3 2 ，4 基于v t 变换电容测量电路 测量电路基本原理如图3 6 a 所示，电流源岛为4 d h 型精密恒流管，它与电容c 通 过电子开关k 串联构成闭合回路，电容c 的两端连接到电压比较器尸的输入端，测量 过程如下：当削闭合时，基准电压给电容充电至u 。= u 。，然后k ，断开，艘闭合， 电容在电流源的作用下放电，单片机的内部计数器同时开始工作，当电流源对电容放电 至u = 0 时，比较器翻转，计数器结束计数，计数值与电容放电时间成正比，计数脉冲 1 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 与放电时间关系如图3 - 6 b 所示。电容电压沈与放电电流而的关系为 以= 玑一z 1i l o d t = 以一百i o t ( 3 6 ) 令u = 0 ，则有 c ：尘：丝( 3 。7 ) u su s 式( 3 7 ) 中，n 为计数器的读数，瓦为计数脉冲的周期，它是一个常数，在阢和l o 为定值时，c 与成正比。 a 测量电路原理图 o 皿皿 b 电容放电时间 图3 - 6 基于v 厂r 变换电容测量电路 f i g 3 - 6t h ec a p a c i t a n c ec i r c u i tb a s e do nv r l t r a n s f o r m 3 2 5 基于电荷放大原理的电容测量电路 基于电荷放大原理的电容测量电路如图2 7 所示： 图3 7 基于电荷放大电容测量电路 f i g 3 - 7t h ec a p a c i t a n c ec i r c u i tb a s e do nc h a r g ee n l a r g e s 该电路是通过测量极板上的激励信号所感应出的电荷量而得到所测电容值的。图中 g 为被测电容，它的左侧极板为激励电极，右侧极板为测量电极。c 0 和c 泌表示每个电 1 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 极所有杂散电容的等效电容，厶由激励信号源驱动，它的存在对流过被测电容的电流 无影响。电容在测量过程中始终处于虚地状态，两端无电压差，因而它也对电容测 量无影响，因此整个电路对杂散电容的存在不敏感。 基于电荷放大原理的电容测量电路，一方面该电路对被测电容只进行一次充放电， 就可完成对电容的测量，由于测量结果是直流稳定信号，不存在脉动成分，故电路中无 需滤波器。因此大大提高了基于该电路的数据采集系统的数据采集速度。同时该电路具 有很强的抗杂散电容的性能。另一方面该电路可以对各开关的控制时序进行合理的设 计，用以较好的解决了电子开关的电荷注入效应对测量精度的影响问题捌【2 3 】。使电路达 到了较高的分辨率。现在此电路成功应用于1 2 电极e c t 系统中，在不实时成像的情况 下数据采集速度可达6 0 0 幅s ，对杂散电容具有较强的抑制能力，系统灵敏度4 8 v p f ， 可达最高分辨率为5x1 0 。1 5 f 【2 4 】f 2 5 1 。 3 2 6 交流激励测量电路 交流激励电容测量电路的c v 转换电路基本原理如图3 - 8 所示。正弦信号v j ( t ) 对被 测电容进行激励，激励电流流经由反馈电阻r ，、反馈电容c ，和运放组成的检测器d 转 换成交流电压玑p ) ： 图3 - 8 交流激励电容测量电路 f i g 3 8t h ea cc a p a c i t a n c em e a s u r i n gc i r c u i t u 。( ，) = 一丽j c o r f c , u i ( ，) ( 3 8 ) u 。( 7 ) = 一丽( ，) 3 8 ) 若j c o r ，c i ，则( 3 - 8 ) 式为 一和r ， 协 式( 3 9 ) 表明，输出电压值正比于被测电容