（检测技术与自动化装置专业论文）液滴检测与分析技术的研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 液滴的检测分析技术在环境监测、医药、食品和生命科学等领域起着十分重 要的作用。本文探索出一种既可以实现液滴流量检测又可以进一步实现液滴分析 的简单方法，解决了液滴检测过程中的小电容测量、零点漂移以及液滴断点位置 影响等技术难点。 首先，本文提出了三种可用于计量液滴流量的方法：图像处理技术、涡流检 测技术阻及电容检测技术，实验结果表明：电容检测技术更适用于液滴流量的计 量，从而选择电容法计量液滴流量。 在推导出平行极板和圆柱面极板的电容变化量计算公式的基础上合理选择 了极板结构( 匾柱面极板) ，并确定了谐振法测量小电容以及脉冲数定时测频法 测量频率；根据液滴电容传感器的特点，合理选择了极板半径，提高了传感器的 灵敏度；并理论分析了液滴断点位置的影响。 完成了液滴流量计量装置的研制工作，对该装置硬件设计和软件功能作了详 尽分析，同时对系统误差作了详尽的理论分析，在此基础上提出了减小系统误差 的相关措施，重点讨论了振荡电路的构成和采用两光电开关、一个电容传感器短 时间测量微小电容变化量的方法，有效地消除了液滴断点位置的影响和克服了零 点漂移问题。 利用液滴流量计量装置对水滴的流量进行了计量，其实验结果验证了测量方 案的可行性和合理性，并证明了水滴流量与累计脉冲差值之间成线性关系，其测 量精度已经远高于一般的雨量计和输液器。 最后，以假设条件为前提，建立了液滴传感器的数学模型，分析了液滴体积、 速度对过程曲线的影响；采用不同直径的钢珠模拟液滴的下落过程，实验结果得 出了钢珠通过极板的实际过程眭线，并在过程曲线的基础上，得出了液滴直径与 频率变化曲线积分面积的关系，为液滴分析技术的进一步研究打好了基础。 关键词：液滴检测分析、小电容测量、零点漂移 占堂奎堂堡主堂垡堡塞 a bs t r a c t d r o p d e t e c t i o na n d a n a l y s i s a r e v e r yi m p o r t a n t i n m a n yf i e l d s ，s u c h a s e n v i r o n m e n t a lm o m t o f i n g ，p h a r m a c e u t i c s ，b e v e r a g ea n dl i f es c i e n c e s i nt h i sp a p e r , a n e wm e t h o dt od e t e c ta n da n a l y z et h ed r o pi sp r e s e n t e d t h i sm e t h o ds o l v e ss o m ek e y p r o b l e m si n c l u d i n g s m a l lc a p a c i t a n c em e a s u r e m e n t ，z e r od r i f ta n d d r o p p i n gp o i n t t h ep a p e rp r e s e n t st h r e em e t h o d s ：i m a g ep r o c e s s i n g ，e d d yc u r r e n tt e s t i n ga n d c a p a c i t a n c et e s t i n g ，a n dt h e l a s to n ei sp r o v e dt ob em u c hf i t t e rf o rm e a s u r i n gt h ed r o p f l o w b y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h es t r u c t u r eo f p l a t ei ss e l e c t e di nr e a s o nb yc a l c u l a t i n gt h ec a p a c i t a n c eo f t h e c y l i n d r i c a l s u r f a c ea n dp l a n a rp l a t e a n dt h er e s o n a n tm e t h o dt om e a s u r es m a l l c a p a c i t a n c ea n dt h em m e t h o dt om e a s u r ef r e q u e n c ya r ec o n f i r m e d t h e nt h es e m i d i a m e t e ro f p l a t ei ss e l e c t e dt oi n c r e a s es e n s i t i v i t yo n t h ec h a r a c t e r i s t i c so f c a p a c i t i v e d r o ps e n s o r a n d t h ee f f e c to f d r o p p i n gp o i n ti sd i s c u s s e d a f t e r i n t r o d u c i n g t h e d e v e l o p m e n t o ft h e d r o p f l o wm e a s u r e m e n t i n s t r u m e n t ，t h ep a p e rg i v e sad e t a i l e da n a l y s i so f h a r d w a r ea n d s o f t w a r e o nt h i sb a s i s ， s o m er e l a t e dm e t h o d st od e c r e a s et h eg a u g ee r r o ra r eg i v e n ，a n de m p h a s i si sp u to n t h es t r u c t u r eo fo s c i l l a t i o nc i r c u i ta n dt h em e a s u r e m e n to fs m a l lc a p a c i t a n c e t h e s e m e t h o d s a v a i l a b l ye l i m i n a t e t h ee f f e c to f d r o p p i n gp o i n ta n d z e r od r i f t t h ef e a s i b i l i t ya n dr a t i o n a l i t yo ft h e s em e t h o d sa r ev a l i d a t e db yt h ew a t e rd r o p m e a s u r e m e n t ，a n dt h er e l a t i o nb e t w e e nt h ed r o pf l o wa n d t h et o t a lo f p u l s ed i s p e r s i o n i sg i v e n t h i sr e l a t i o np r o v e st h a tt h ep r e c i s i o no fi n s t r u m e n ti sh i g h e rt h a nu s u a lt h e o m b r o m e t e ra n di n f u s e n t h e s i m p l i f i e dm a t h e m a t i c a lm o d e l f o rt h ec a p a c i t i v ed r o ps e n s o ri sc o n s t r u c t e d ， a n dt h ee f f e c to fv o l u m ea n dv e l o c i t yo nt h ep r o c e s si sd i s c u s s e d t h en c t u a l c u r v ei s a c h i e v e db ys i m u l a t i n gt h ed r o pf a l l i n gp r o c e s sw i t ht h es t e e lb a l l t h er e l a t i o n b e t w e e nt h e d r o p d i a m e t e ra n dt h e i n t e g r a l a r e ai s g i v e n ，t h u sc r e a t i n gg o o d c o n d i t i o n sf o rf l l n h e rr e s e a r c h k e y w o r d s d r o p d e t e c t i o na n d a n a l y s i s ，s m a l lc a p a c i t a n c em e a s u r e m e n t ，z e r o d r i f t i i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名口期 上海大学硕士学位论文 前言 液滴虽然是自然界一种常见的流体流动现象，然而它具有可重复、可更新和 无需容器壁且体积一定等独一无二的特性，如果单独或是与其他技术相结合应用 于科学领域，就能产生一些新颖而独特的分析装置和应用。早在一个多世纪以前， t a t e 和r a y l e i g h 就注意到了应用单个液滴可以使得物理和化学测定更为容易， 随后基于液滴的计量分析技术在很多领域得到了发展，如流量的计量、表面科学 和界面张力现象等等。液滴能很快的形成，重现性好，它们有趣的界面现象可以 用于发展新的分析技术，增强许多分析技术的性能。 在一定条件下，液滴体积相对不变的特性与光电技术相结合产生出的计量液 滴流量的装置已经在雨量计和输液器中得到了应用；基于气液界面的表面物理化 学现象，利用光纤和电容测试技术制成的特殊液滴传感器，可以获得经过液滴的 光强信号随液滴生长变化的规律以及有关液滴体积的信息：红外光谱技术也在这 一领域得到了应用，其研究正处于初级阶段。 本课题的主要目的是研究一种新的监测手段用以实现液滴流量的在线测量 和分析。本课题的研究成果证实了采用电容传感器和光电传感器相组合的液滴检 测和分析技术有较强的理论与应用价值。 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 液滴检测分析技术概况 液滴检测分析技术起源于药学家t a t e 在1 8 6 4 年提出的，经过l o h n s t e i n ， 特别是h a r k i n s 和b r o w n 1 的细致工作，发展成为简便、准确的测定液体表面张 力的方法。此法的基本原理是：当液体在管口成滴落下时，落滴重量与管口半径、 液体表面张力有关，可从落滴重量推算液体表面张力。直接测定落滴重量的口q 做 滴重法；通过测量液滴体积而推算的叫做滴体积法。如果液滴自管口完全脱落， 则落滴重量与表面张力有如下关系： m g = 2 y ( 卜1 ) 其中m 为落滴重量：g 为重力加速度；r 为管口半径，在液体能润湿管壁时 为外径，否则为内径；f 为圆周率；y 为表面张力。式( 卜1 ) 的涵义是：沿管口 周边作用豹表面张力产生支持液滴悬挂的力，此力与重力方向相反；液滴在所受 重力超过支持悬挂力是就全部自管口脱落。 由式( 1 1 ) 可知，液滴检测分析技术包括液滴计量( 例如：重量、体积的计量) 和液滴分析( 例如：表面张力的分析) 两大部分。 液滴计量是在被测液体形成液滴以及做自由落体的下落过程中，采用各种手 段对液滴实施监测，观察、测量液滴的外在现象。 而液滴分析是在液滴外在现象的基础上进一步揭示被测液体内在的物理、化 学持性。气液界面的表面物理化学现象，奠定了液滴分析的理论基础。换句话说， 在一定条件下( 压力、温度等) ，液滴的形状、体积以及生成过程，都是由液体本 身所特有的性质决定的。 随着科学技术的不断发展，越来越多的检测手段和分析方法已经应用到这一 研究领域，以获得更加直接准确的反映被测液体特性的有用信息。下面是该研究 领域国内外所采用的主要技术方法。 2 上海大学硕士学位论文 1 2 液滴计量技术研究 随着国民经济的发展和现代生产过程自动化程度的不断提高，流量作为主要 的过程参数之一，已成为判断生产过程的效率、工作状况及经济性能的重要指标。 因此测量液滴的流量成为了液滴计量技术的主要研究工作。液滴流量的测量已广 泛应用于降雨量、输液点滴等的流量测量。 1 2 1 降雨量的测量 雨量计的核心技术主要是液滴流量的测量，现将国内外的雨量计发展情况简 单汇总一下，以供参考。 1 2 1 1 光电水滴式分钟雨强计1 2 1 国际上对分钟雨强的测量和研究工作十分重视，欧洲各国、日本和加拿大已 使用快速响应的雨量计。 其测量原理为：无降雨时，贮水器内水位保持一个固定的水位，滴水嘴中水 柱重力、滴水嘴外半球水滴的重力与该半球水滴表面张力相平衡，滴水嘴不滴水。 当外界降水时，其水位升高，致使平衡破坏，滴水嘴滴水。水滴下落时，通过光 电检测器中红外发光管的光路。球形水滴表面，使光发生反射，致使光敏三极管 的光照中断其光敏特性改变从而产生脉冲信号，经c m o s 电路双单稳触发器进行 整形输出光脉冲信号至计数器。通过光路的水滴大小，滴出快慢，取决于滴水嘴 直径和外界降雨强度。记录出单位时间内的水滴数，便可求出降水强度和累计降 雨量。其精度为4 ，刚刚达到雨量计所允许的最大计量误差，并且环境条件的 改变、雨滴内部化学成分的不稳定性( 造成水滴大小的变化) 都将加大仪器的计 量误差。 1 2 1 2 光学雨量计【3 】国外的光学雨量计( o r g ) 是利用降雨液滴所产生的光闪 烁原理制成的。在光源与光接收器之间有一个“采样体积”，当光波峰面在采样 体积内遇到降落雨滴时，产生的阴影被投射到接收板上。阴影的移动，会引起接 收板上光强度的变化( 光闪烁) 。光闪烁是雨滴沿着光程随机下落产生的，降雨 率可以从观测、分析闪烁出现率而得到。美国科学技术公司( s c t i ) 已成批生 产这种雨量计，并应用在海上船只和浮标上。 上海大学硕士学位论文 1 2 1 3 发光二级管天气识别仪【4 】 发光二级管天气识别仪( l e d w i ) 是一种技术上更为先进的雨量计。该仪器 是利用红外线在传播路径中，受到垂直运动降水物尘埃的影响，其载频将发生变 化，从而根据其变化来确定降水的性度与大小。即使极微小的降水也能在极短的 时间内做出反应；没有外界因素对降水物施加影响，降水处于“纯自然”状态， 不存在蒸发或溅洒误差。但是由于仪器复杂，对个别元器件要求较高，成本较高， 故通常设在高速公路、铁路沿线或机场中，以防山岩塌方，或为飞机安全降落识 别天气类型。 1 2 2 输液点滴流量的测量 目前临床上使用的国内外生产的自动输液器大多是蠕动泵式输液器，以蠕动 速度来控制单位输液量，以泵出的总量来确定总输液量，一般只有堵液报警和总 量完成报警的功能，不具有监、控单位输液量的功能，这就给护理人员和患者带 来诸多不便。针对这种情况，天津医科大学将单片机技术和传统的输液器相结合， 研制了具有新功能的自控输液器口】。此新型自控输液器，同时有自动控制输液量、 自动监控输液速度、实时显示输液滴数、无液报警、堵液报警等功能。而且体积 小、造价低、操作简单。可替代现有的价格高、体积大、操作复杂的自动输液器。 1 3 液滴分析技术研究 液体的分析检测在环境监测、工业用液和保障人民生活质量方面起着十分重 要的作用。本文介绍的液滴分析技术研究是指在被测液体形成液滴的过程中，采 用各种手段对被测液滴实施监测，以获得被测液体有关物理、化学特性参数的技 术。用曲线图来表达检测信号随液滴生长过程的变化关系。由于该图对确定被测 液体具有唯一性，故称其为被测液体的“液滴指纹图”。 液滴分析技术研究的意义在于可以直接或间接同时测出液体的多种物理、化 学特性参数，如，表面张力、折射率、黏度、吸光度、浑浊度、颜色、浓度、蒸 发率、液体的化学成分和有关的液体电持性参数。而且，运用液滴分折技术得到 的液滴指纹图还可以作为鉴别两种液体细微差别的依据。 从目前的一些初步研究成果来看，液滴分析技术不但综合功能强，而且容易 上海大学硕士学位论文 实现在线测量，可以用在环境保护、制药工艺、食品饮料等所有涉及液体检测的 领域。特别值得注意的是液滴指纹图的细微综合鉴别功能，既可以用来监控液体 生产的工艺环节，也可以用来鉴别液体的质量状况( 如工业清洗液的质量控制， 酒类、药液和饮料的鉴别等) 。这些工作若用传统的分析方法，需要分别使用多 种仪器，各种数据相关性不好，判断难度也因此加大。 随着科学技术的不断发展，越来越多的新技术、新方法已经应用到这一研究 领域。下面是国内外在研究中所采用的主要技术方法。 1 3 1 光纤液滴传感器研究状态闻 光纤液滴传感器的工作原理是由光源发出的光，经过输入光纤导入液滴。光 线经液滴反射、吸收等作用，部分进入输出光纤作为信号输出。这部分传出来的 光强度变化，包含了液滴的物理、化学综合特性信息。 光纤液滴传感器主要由液滴滴头、输入光纤、输出光纤和供液毛细管组成， 其几种结构形式如图1 - 1 、1 - 2 、1 - 3 所示。 图1 。1圆柱形光纤直插液滴传感器图1 - 2圆柱形光纤斜插液滴传感器 供藏毛翔f 图1 - 3圆锥形光纤液滴传感器 图1 - 4 为在一定测试条件下( 环境温度、滴头结构、光纤位置等) ，对于准平 上海大学硕士学位论文 衡状态下的纯水，输出光纤接收的光信号随其液滴生长过程的变化而变化的曲 线，即“液滴指纹图”。图中横坐标的时间序列是按程序设定的时间间隔采样的 序号，纵坐标的光纤信号强度是未标定的输出信号数值。通过特征提取、数据建 模与信息识别，液滴指纹图可以用于液体的细微鉴别，进一步标定还可以测量液 体的物理特性参数，如表面张力、浓度等。 图1 - 4纯水的液滴指纹图 1 3 2 电容液滴传感器研究状态m 光纤液滴分析技术从光学角度出发，探求被测液体的特性，它不能直接测出 液滴的体积。而电容液滴分析技术是从电学角度出发，利用图1 5 所示的特殊设 计的电容传感器，将液滴形成过程中的形状变化信息转变为电容传感器的电容量 变化，进而达到监测液滴生长过程和测量液滴体积的目的。 烘溃毛细管 环形金属极 图i - 5电容液滴传感器 环形金属板与滴头形成一个特殊电容器，当被测液体在滴头形成液滴时，如 i十#*-* 上海大学硕士学位论文 果被测液体是绝缘体，相当于改变了该电容器两板间的复合介质；当被测液体是 导体时，相当于改变了该电容器的极间距离和形状。两种情况都会使电容值变化， 采集电容变化的信息，就可以分析出被测液体有关的物理、化学特性。 将电容传感器的电容量变化通过振荡电路变成频率变化，然后经f 厂v 转换进 入计算机，由程序记录液滴生长每一时刻的信号变化量，可以计算出液滴体积与 时间的关系，如图1 - 6 所示。 时同啊 图1 - 6纯水的液滴体积变化与时间的关系 1 3 3 光纤、电容液滴分析技术研究状态8 光纤、电容液滴分析技术实质上是将光纤液滴分析技术与电容液滴分析技术 结合起来。如图1 7 所示。 图1 7光纤、电容液滴分析技术的传感器结构原理 利用电容、光纤液滴分析技术可以同时获得与液滴生长过程相关的光信号和 h塞* 上海大学硕士学位论文 电容信号。 在此基础上构建出以液滴体积为基准变量的液滴指纹图。其意义在于无需非 常精确稳定的供液系统就能保障测量的重复性，解决了以时间为基准变量的液滴 指纹图受供液系统液流量稳定性影响的难题，保证液滴指纹图的唯一性，提高了 液滴指纹图可比性。 1 4 本课题的研究目的和研究内容 表1 1各种测量仪器的优缺点 测量仪器优点缺点 光电水滴式分钟雨强计已有成熟产品计量误差大 光学雨量计已有成熟产品 结构复杂、成本较高 发光二极管天气识别仪已有成熟产品技术复杂，成本较高 t l 控输液器用于定量供液计量精度低 光纤液滴传感器用于液滴分析还处于研究阶段 电容液滴传感器用于液滴分析还处于研究阶段 光纤电容液滴分析技术用于液滴分析还处于研究阶段 图像式液滴传感器用于液滴分析还处于研究阶段 红外光谱技术用于液滴分析还处于研究阶段 表1 1 对上述各种仪器进行了比较。用于液滴流量检测的仪器主要是采用光 电技术，有的结构简单，但计量误差大；而有的测量精度高，但是结构复杂，价 格昂贵。用于液滴分析的仪器在研究阶段普遍采用了比较先进的技术，仪器的设 计、加工都需要很高的要求。因此，我们需要综合考虑各种因素，探索出一种既 可以实现液滴流量检测又可以进一步实现液滴分析的简单方法，使它具有上述仪 器的优点，又可以克服它们的缺点。 本课题的研究目的就是研究一种新的液滴检测方法。新的方法不但要实现一 种精确的液滴计量装置，同时也可将该方法应用于需测量液滴瞬时流量、物理、 化学特性的其它场合。 本课题的研究内容主要包括以下几部分： 上海大学硕士学位论文 1 液滴计量技术研究： 2 测量小电容方法的选择； 3 液滴电容传感器的设计： 4 系统硬件与软件的设计； 5 液滴流量的测量实验与分析； 6 液滴分析技术研究； 7 工作总结及下一步工作展望。 上海大学硕士学位论文 第二章液滴计量技术研究 u 0 嚣芸 。 图2 - 1落滴过程不意图 用高速摄影机拍摄的液滴滴落过程示意图2 1 ”。液滴总是先发生变形，形成 “细颈”；再在“细颈”处断开。因此液滴的流量不是连续的流量，而是间断的 流量，测量连续液体流量的方法难以用来检测液滴的流量。由表面化学的相关知 识可知，不同温度、压力条件下，同一性质的液体其断点位置以及大小是不同的； 假设温度、压力不变的条件下，具有不同物理、化学特性的液体其断点位置毗及 大小也是不同的。 本章将综合考虑上述因素对计量液滴流量造成的影响，探索出一种有效的监 测手段。 2 1 各种方案的对比分析 2 1 1 基于图像处理技术的可行性分析 计算机图像处理技术，是在2 0 世纪6 0 年代初期，从文字识别、医用图像处 理、物体识别、航天图片的增强等方面开始发展的，属于门新兴学科。尽管它 的产生和形成历史不长，但却显示出了极其强大的生命力。 若将一般的图像处理技术应用于球形液滴的计量，我们发现图像的获取与处 理算法的设计都会有一定的难度。选用宇讯通科技的y x t 5 0 0 摄像头对下落的液 滴进行拍照。其技术参数为：3 0 万像素c m o s ；视像解像度：6 4 0 ( 水平) x 4 8 0 ( 垂直) 像素：帧率：3 0 帧秒。 上海大学硕士学位论文 假设摄像头的取像范围为2 0 c m x 2 0 c m ，液滴在距取像上边界l c m 处断开， 若视为无阻力自由落体，雨滴从图像上边界点到下边界点的时间为0 1 5 7 s ， y x t 5 0 0 摄像头拍出的将是一些连续、重叠的液滴图像，只有获得高清晰的单个 液滴的图像，才能用以测量液滴的体积及速度参数，这样就需要使用高帧率的摄 像头，但这类摄像头的价格比较贵。 由分析可知，只有用高速摄像头以及图像处理技术才可实现液滴的检测，而 降雨量、输液点滴流量的计量不可能采用这么昂贵的设备。因此目前图像处理技 术不适合应用于液滴流量的测量。 2 1 2 涡流检测技术的可行性分析 基于电涡流效应的涡流传感器e c s ( e d d yc u r r e n ts e n s o r ) 具有结构简单、 灵敏度高、适用性强、易于进行非接触测量 1 0 】。 涡流检测是以电磁感应为基础的，对工件及其周围空间领域的电磁场列出麦 克斯韦方程及定解条件，然后进行求解，以确定检测线圈阻抗特征的变化与被检 工件各种影响因素之间的关系。 倒2 2涡流传感器的基本原理 涡流传感器的基本原理如图2 - 2 所示，当激励线圈通以高频电流时，其周围 产生一交变磁场中。线圈靠近被测导体时，导体中将产生与此磁场相交链的电 涡流。此涡流又将产生一交变磁场巾，来阻碍线圈磁场的变化。由于被测导体 中存在涡流损耗和磁损耗，这种相互交链的结果，使线圈的等效电感发生变化。 一般说来，在线圈结构一定的前提下，线圈等效电感三的变化与被测导体的 电导率口、磁导率、激励频率厂、线圈与被测物体的间距占等有关，即 上海大学硕士学位论文 l = p ，从，占) ( 2 - 1 ) 但当口，f 一定时，三就成为占的单值函数，即 l = ，( d ) ( 2 - 2 ) 理论上，由于球形液滴是导体，当其被置于变化的磁场中，将会按照上述规 律使线圈的等效电感发生变化，液滴的大小及线圈与液滴的距离的不同，产生的 涡流的大小也不同，从而达到检测液滴大小的目的。 直接测量电感的变化具有一定的难度，实际应用中常常利用l c 振荡电路将 其转换为频率进行测量。为了提高涡流传感器的稳定性，选用性能稳定的集成 l c 振荡器m c l 6 4 8 ，以避免通常分立元件电路所存在的可靠性较差的问题 1 1 】。 图2 - 3涡流检测实验装置 按图2 - 3 所示实验装置进行实验。实验结果表明，将电感线圈靠近盛有水的 玻璃杯过程中，由线圈l 和谐振电容器c 构成的回路振荡频率f 的改变量很微小， 即线圈的阻抗变化很小，难以检测水的存在。因此本课题中涡流检测技术不适用 于液滴流量的计量。 2 1 3 电容检测技术的可行性分析 电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件，将被测物理量的变化为 电容量的变化2 1 。因此电容式传感器的基本工作原理可用图2 4 所示的平板电容 器来说明。当忽略电容器的边缘效应时，平板电容器的电容量为： c ：型：6 ，- o o a( 2 3 ) 口d 上海大学硕士学位论文 式中爿一电容器的极板面积； d 一极板问的距离； 。一真空介电常数，。= 8 , 8 5 1 0 。1 2 f m s 一极板间介质的相对介电常数； s 一介电常数，s = g o ，。 a 图2 4平板电容器 由式( 2 - 3 ) 可知，当d 、a 和s ，中的某一项或某几项有变化时，就改变了 电容器的电容量c ，从而使输出电压或电流发生变化。d 和4 的变化可以反映线 位移或角位移的变化，也可以间接反映弹力、压力等变化；的变化则可反映液 位的高度，材料的湿度等变化。 电容式传感器在实际应用时，常使d 、a 、g ，三个参数中的两个保持不变。 而改变其中一个参数来使电容量发生变化。所以电容式传感器可以分为三种类 型：改变极板间距离d 的变间隙式；改变极板面积a 的变面积式：改变介质的介 电常数s ，的变介电常数式。 变间隙式一般用来测量微小的线位移( 0 0 1 1 0 2t a n ) ；，变面积式一般用于测 角位移( 1 0 n x l o o ) 或较大的线位移；变介电常数式常用于物位测量及湿度、密 度的测量。 图2 - 5电容检测实验装置 上海大学硕士学位论文 实验中采用变介电常数式电容传感器，实验装置如图2 - 5 所示：电路仍采用 l c 振荡电路将电容的变化转换为频率的变化，在线圈阻抗不变的情况下，用两 铜片制成微小电容，极板间距为1 c m 。使水滴垂直通过两极板中间，通过示波器 观察频率的变化。实验过程中发现当有水滴和无水滴两种情况下频率的差别是很 明显的，可以达到测量的目的。 2 2 本课题采用的研究方案 通过对以上三种方法的分析，本课题选用电容法计量液滴流量。 图2 - 6电容法计量液滴流量 结构示意图如图2 - 6 所示。每个液滴的下落过程中，从电容的两个极板之间 通过，势必会改变电容的大小，将电容的变化量按c 。斗，；斗m 转换成计数 脉冲的变化，将每个液滴的m 相加得到的累计脉冲变化量反映了液滴流量 的多少。 2 3 本章小结 本章提出了三种可用于计量液滴流量的方法：图像处理技术、涡流检测技术 以及电容检测技术，并对三种方法进行了各自相关的实验，实验结果表明：电容 检测技术更适用于液滴流量的计量，从而提出了本课题的研究方案，即利用电容 法计量液滴流量。 4 叫 上海大学硕士学位论文 第三章测量小电容方法的选择 本课题所设计的电容传感器，因为其极板面积小，相应的电容变化量也很小， 所阻在检测方案中，必须综合考虑，选择适当的测量方法。 3 1 微小电容变化量的仿真分析 测量电容的变换量首先要了解电容传感器输出信号的大小，这样才可以选择 合理的测量电路。普通物理电场部分在对充有介质的电容器进行计算时，一般解 决办法是从电容的定义出发进行分析，由于液滴处于极板之间时介质的情况较复 杂，使得求解过程中计算较繁琐。若换一个角度思考该问题时，把电容视为无数 个微小电容的串并联，并按照串并联电路的特点进行计算，可以简化计算f 1 3 】。 3 1 1 平行极板电容的公式推导 ( a ) 液滴位于中间( b ) 液滴位于上方 图3 - 1平行极板 液滴位于两平行极板之间时( 如图3 - 1 ( a ) 所示) ，相当于三个平板电容串联 将液滴上移( 如图3 - 1 ( b ) 所示) ，仍然相当于三个电容串联，只不过顺序变了， 但并不影响电容值。可知，液滴的位置不影响总的电容值。 辊桶宽度方向 讲八方向 云了i 五五i 一 液滴进入方 图3 - 2 坐标系的建立 上海大学硕士学位论文 如图3 - 2 所示建立坐标系。将电容划分为a 、b 两部分，如图3 - 3 所示 图3 - 3电容的划分 为了便于计算，图3 - 3 中将液滴置于电容的中心位置。b 为外切液滴的圆柱 体、a 为除去b 剩于的部分，a 、b 相当于并联。a 为充满均匀各向同性介质的 电容，有无液滴都不会使其电容值改变。我们关心的是电容的变化量，a 可以不 加考虑，只需计算b 有无液滴时的电容变化量。 液滴不存在时，b 的电容值为：巳。= 8 r l o 。o t o z( 3 1 ) “ 式中，一液滴半径； d 一极板间的距离； s 。一真空介电常数，。= 8 8 5 1 0 - 1 2 f m ； s ，一空气的相对介电常数。 液滴存在时，b 的计算比较复杂，极板问存在液体与空气两种介质且二者的 交界面为球面，需将其视为无数个微小电容的串并联，并按照串并联电路的特点 进行计算。 按以下次序对b 进行分割： 1 垂直于x 轴方向将b 分割成无数薄片，厚度为缸且出寸0 ； 2 垂直于y 轴方向将每一薄片分割成无数条，厚度为4 y 且缈- 4 0 。 得到如图3 4 所示的微小电容。 上海大学硕士学位论文 图3 - 4微小电容 ( b ) 将图3 - 4 ( a ) 等效成图3 - 4 ( b ) 进行计算，即c 1 ( 空气介质) 与c 2 ( 液体介质) 。 a c 。、c 2 的极板面积相同为m 妙； a c 的极板间距为：d 。= d 一2 小丁= 巧 a c ：的极板间距为：d ：= 2 _ _ _ 厂 c 】：e r l t o _ a x a y ( 3 - 2 ) d a c 2 ：8 , ：6 o _ a x a y ( 3 - 3 ) d 式中，一空气的相对介电常数，s ，：一水的相对介电常数 c 。：箜丝：生! 鲨! 龇y 。 c l + a c 26 r l d 2 + 占，2 d j 7 ：_ 三型。一= c y 2 6 ，1 r 2 一x 2 一y 2 + 6 r 2 ( d 一2 r 2 一x 2 一y 2 ) 。 需对上式进行二重积分才能得出b 的电容巳 c 。繁一羽露亏篙高丽蛐( 3 _ 5 ) 液滴的存在造成电容值的改变量为：a c = c 。一c 。( 3 - 6 ) 7 一a _ 上海大学硕士学位论文 3 1 2 圆柱面极板电容的公式推导 y 翻3 - 5圆柱面极板 液滴位于圆柱面极板间的位置及坐标系的建立如图3 - 5 所示。r 为液滴半径， r 为圆柱形极板半径。与平行极板电容的计算类似，将电容划分为a 、b 两部分。 只需考虑b 近似圆柱体电容的改变量。 ，厨 黼稀树8 眦粕孰巳。一。pj 志咖( 3 - 7 ) 液滴存在时，按如平行极板的方法进行划分得到如图3 - 6 所示的微小电容。 ( a ) 图3 6微小电容 c l ( b ) 将图3 - 6 ( a ) 等效成图3 - 6 ( b ) 进行计算，即a c ，( 空气介质) 与a c ：( 液体介质) 。 a c 、a c ：的极板面积相同为a x 每 a c ，的极板间距为：d ，= 巧一2 二巧 巴的极板间距为：d ：= 2 _ _ _ = _ 厂 努 厂 上海大学硕士学位论文 嵋= 等竽 g = 等竽 巳= 丽a c l a c 2 ，】占，2 。 e r l d 2 + g 2 d x 匈， = 声喾堡垒产一：一血y 2 s ，l ，2 一z 2 - y 2 + 2 ( 拈2 一y 2 2 ，2 一x 2 一y 2 ) 。 ( 3 8 ) ( 3 9 ) ( 3 一l o ) 弘繁f 一雨露零帮亨可可蓊蝴3 - l l ， 液滴的存在造成电容值的改变量为：a c = c 。一c 。( 3 1 2 ) 从上述推导可以看出，无论是平行极板还是圆柱面极板，其电容改变量的推 导结果中都含有二重积分的计算，通过m a t l a b 的符号积分发现其结果并不是一 个通式，因此各参数需给出实际值，然后利用m a t l a b 的数值积分功能进行计算。 3 1 3 本课题选用的极板结构 假设液滴的半径为0 2 c m ，平行极板的面积为2 c m 2 ，极板间距为1 一，使圆 柱面极板的面积及极板平均间距与平行极板的相等，利用公式( 3 6 ) 、( 3 1 2 ) 计算 两种极板有无液滴造成的电容变化量。 平行极板：a c = o 0 0 4 2 口f 圆柱面极板：a c = o 0 1 3 6 口f 由计算结果可知，圆柱面极板的电容变化量大，其原因为：液滴位于两极板 之间，由于液滴的形状为球形，对于平行极板只有极板中心的部分靠近液滴，所 以液滴的有无引起的电容变化量小，可以缩小平行板极的面积，提高电容量随液 滴有无变化的百分率，但这样做也同时会使总的电容量减少。而圆柱面极板的整 个极板都靠近液滴，液滴的有无引起的电容变化量大，这种结构的极板可以使电 容的输出信号增强，避免了上述平板电容传感器的缺点。因此本课题的极板结构 选用圆柱面极板。 上海大学硕士学位论文 3 2 测量微小电容变化量方法的选择 圆柱面极板电容的输出信号相对于平板电容是增强了，但是其仍是一个微弱 的电容信号( p f 级) ，需选择合理的测量电路来辨识这一微弱信号。测量微小电 容变化量的检测方法有许多种，如谐振法、锁相技术、充放电法、开关电容网络 等等，这些方法都适合测量p f 级电容【1 4 】。 本课题选用r c 振荡电路( r c o ) 进行微小电容变化量的测量。r c o 的输出是 频率随检测电容而变化的频率信号，此测量电路的一个突出优点是很适合于后续 电路的数字化处理。 3 3 测量频率方法的选择 在利用r c 振荡电路将电容变换为谐振回路固有频率的变化时，确定电容值 的准确度要受到谐振频率测量准确度的限制，依照这个原理，应选择一种适用于 本课题的频率测量方法。 频率测量方法大致可分为如下几类 1 5 1 ： 睁爿糕 l 模拟法f 差频法 频率测量方法1l 比较法 示波法 嘉篙嘉曼形法 l 数字法 詈享喜萋妻式 直接法又称无源网络频率特性测量法；比较法是将被测频率信号与已知频率 信号相比较，获得被测信号的频率；电容充放电式计数法是利用电子电路控制电 容器充放电的次数，再用电磁式仪表测量充放电电流的大小，从而测出被测信号 的频率值；电子计数法是根据频率定义进行测量的一种方法，它是用电子计数器 显示单位时间内通过被测信号的周期个数来实现频率的测量。 利用电子计数式测量频率具有精度高、测量范围宽、显示醒目直观、测量迅 速，以及便于实现测量过程自动化等一系列优点，所以下面将重点介绍电子计数 上海大学硕士学位论文 式测量频率的几种方法。 ( 1 ) 脉冲数定时测频法( m 法) ：此法是记录在确定时间r 内待测信号的脉冲个数 m 。，则待测频率为：e = m ，l 。 显然，时间疋为准确值，测量的精度主要取决于计数m ：的误差。其优点在 于：测量方法简单；测量精度与待测信号频率和门控时间有关，当待测信号频率 较低时，误差较大。 ( 2 ) 脉冲周期测频法( t 法) ：此法是在待测信号的一个周期工内，记录标准频率 信号变化次数m 。这种方法测出的频率是：c = m 。c 。 此法的特点是低频检测时精度高，但当高频检测时误差较大。 ( 3 ) 脉冲数倍频测频法( a m 法) ：此法是为克服m 法在低频测量时精度不高的缺 陷发展起来的。通过a 倍频，把待测信号频率放大a 倍，以提高测量精度。其待 n , n 率为：= m ，a r o 其特点是待测信号脉冲间隔减小，间隔误差降低；精度比m 法高a 倍，但控 制电路较复杂。 ( 4 ) 脉冲数分频测频法( a t 法) ：此法是为了提高t 法高频测量时的精度形成的。 由于t 法测量时要求待测信号的周期不能太短，所以可通过a 分频使待测信号的 周期扩大a 倍，所测频率为：e = 丑m 。l 。 其特点是高频测量精度比t 法高a 倍；但控制电路也较复杂。 ( 5 ) 脉冲平均周期测频法( m t 法) ：此法是在闸门时间t 内，同时用两个计数器 分别记录待测信号的脉冲数m ，和标准信号的脉冲数m 。若标准信号的频率为 只，则待测信号频率为：c = f o m ，m 。 m t 法在测高频时精度较高；但在测低频时精度较低。 考虑r c o 输出信号的频率及电路的实现，本课题选用脉冲数定时测频法计 量输出信号的频率。 2 上海大学硕士学位论文 3 4 本章小结 本章在推导出平行极板和圆柱面极板的电容变化量讨1 算公式的基础上合理 选择了极板结构( 圆柱面极板) ，并确定了谐振法测量微小电容变化量以及脉冲 数定时测频法测量频率。 上海大学硕士学位论文 第四章液滴电容传感器的设计 对液滴电容传感器而言，除了极板结构以及测量方法的影响外，还存在许多 内外部的影响因素，包括极板半径、液滴的断点位置等。所以传感器的设计中需 合理选择极板半径以及消除液滴断点位置的影响。 4 1 电容传感器极板尺寸设计 设圆柱面极板半径r ，极板边缘间距意，液滴半径，= k r 。基于公式( 3 1 2 ) ， 利用m a t l a b 推导出k - 与a f 的关系曲线图。 图4 1k 与，的关系 图4 - 1 可以作为选择极板半径的参考。当k 过小，极板的半径需设计得很大 且频率的变化量很微小；k 过大，频率变化明显，灵敏度高，但由于此时极板半 径和液滴半径很接近，会降低实用性。因此极板半径的选择应该使k 处于0 6 口删警锹蓬 上海大学硕士学位论文 0 8 这一区间内，这样既可以提高传感器的灵敏度，又可以保证传感器的实用性。 在前述的光电水滴式分钟雨强计中已经提到，在利用水滴计量降雨量的过程 中，水滴大小以及两水滴的间隔时间取决于滴水嘴直径和外界降雨强度。 假设承雨器直径o = 1 0 0 r a m ，得承雨器面积s = 7 8 5 0 m m 2 。按照降水量分级标 准得出不同降雨等级时2 4 小时降水体积，考虑到下一章中短时间测量微小电容 的需要，如表4 1 安排时间间隔，得到不同降雨等级时的2 4 小时内的水滴数。 表4 12 4 小时降水体积、时间间隔和水滴数的关系 降雨等级2 4 小时降水总量2 4 小时降水体积时间间隔水滴数 ( n a n )( m m 3 )( s ) 微雨ooo 0 小雨0 1 9 97 8 50 - 7 7 7 2 5 01 5 4 29 1 5 75 6 5 5 0 1 中雨1 0 0 2 4 97 8 5 0 0 0 。1 9 5 4 6 501 5 6 6 2 55 5 5 6 1 3 8 3 3 大雨 2 5 0 _ 4 9 91 9 6 2 5 0 0 - 3 9 1 7 1 5062 2 3 1 21 3 8 8 9 ，2 7 7 2 2 暴雨5 0 0 1 0 003 9 2 5 0 0 0 7 8 5 0 0 0 0 3 1 1 1 5 62 7 7 7 8 、5 5 5 5 6 大暴雨1 0 0 0 2 0 0 07 8 5 0 0 0 0 1 5 7 0 0 0 0015 6 o - 8 5 5 5 5 6 1 1 1 1 1 1 特大暴雨 2 0 0 0 1 5 7 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 l 通过2 4 小时的降水体积和水滴数得出水滴的体积大约为1 4 1 3 m m 3 ，从而计 算出水滴的直径大约为3 r a m ，然后根据上述的选择极板半径的依据，当极板的 半径处于3 7 5 5 o o m m 的范围内时，可以满足测量的需要。 4 2 液滴断点位置影响的消除 假设半径r 的液滴单位时间内通过极板时脉冲的改变量： = ，( r )( 4 - 1 ) 式中，为a n 与r 之间的函数关系 但是实际情况中，由于每个液滴的断点位置不同，从而使每个液滴通过极板 的时间t 不同，将公式( 4 - 1 ) 修正后得： a n = 矿( ，)( 4 2 ) 上海大学硕士学位论文 图4 - 2液滴的断点位置 假设极板长度为l o