液体材料介电常数测试方法研究

1、2010年第3期福建电脑(下转第28页基金项目:南通大学自然科学基金(06Z016液体材料介电常数测试方法研究朱兆青,朱楠楠,张浩(南通大学理学院江苏南通226019【摘要】:本文介绍了利用同轴圆柱电容传感器精确测定液体相对介电常数实验测试方法,给出了测量原理、实验测量方法以及测量电路原理图,并利用单片机、USB 等技术实现了该智能化实验测量系统.【关键词】:液体介质,相对介电常数,电容传感器、单片机,USB 接口1.引言电介质材料在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场,原外加电场(真空中与最终介质中电场比值即为介电常数。常用电介质材料介电常数(瓷器、云母、玻璃、塑料等见于电介质经常是绝缘体,有

2、些液体和气体也可以作为好的电介质材料1。液体电介质在外电场的作用下会产生极化现象,通常可用相对介电常数r 来表征电介质材料的属性.一般地对于各向同性均匀电介质,r 是一个没有单位的纯数.对于r 的测量可使用我们自行设计的液体电容传感器和智能介电常数测试仪来测定.图1液体介质相对介电常数的测量若要测定液体电介质的相对介电常数为r ,选用适用于液体介质的测试传感器,即采用如图1所示的圆柱形电容器传感器,其没有冲入被测液体前的电容值可写为:(6式中,l 为圆柱面极板的高度,R ,r 分别为两个同心圆柱面的半径.设被测的液体电介质在传感器内的高度为x ,则此时的电容为:(7冲入被测液体电介质前后的电容

3、变化为:(8测出传感器的电容改变即可测出r ,即(92.2%测量电路及原理将待测的液体介电质材料注入到如图1所示的传感器中,构成一个可变的电容器C ,将该电容器接入由NE555、R 1、R 2等构成的振荡电路2,3中,该电路将电容值C 转变为与之成反比的方波振荡信号(由U1的3脚输出,可直接被AT89C52单片机U2所采集,单片机采集的频率数据经处理后送入LCM 液晶显示模块,显示频率f 和电容器C 值,同时也利用USB 接口芯片CH372送到个人计算机处理,测量液体相对介电常数的电路如图2所示.振荡电路的两个暂稳态输出频率变化的方波信号,输出高电平时间为3,4t H =0.693(R 1+R

4、 2C ,输出低电平时间为t L =0.693R 2C ,因此输出方波信号的周期为T=t H +t L =0.693(R 1+2R 2C ,即:(10因此,所测电容C 的容量为:(11由(9和(11式,得:(12式(12中,f 1,f 2是注入液体介质材料前后的频率,可测出求出待测液体电介质的相对介电常数,电容-输出频率的关系如图3所示.图2振荡电路、单片机和USB 接口电路252010年第3期福建电脑!(上接第25页 图3电容-输出频率关系3.测试实验数据处理测试实验数据要全部在单片机AT89C52所构成下位机中处理,涉及到输入数据的硬件接口、输入测量参数和变量较多,硬件电路和编写汇编程序就

5、显得十分复杂5,因此在下位机仅通过P1口、P2.1、P2.2、P2.3端口驱动1602LCM 液晶显示模块,显示频率f 和电容器C 值,简化了仪器开发硬件电路和下位机处理软件,同时,所显示的频率f 和电容器C 值也通过USB 接口芯片6CH372送到个人计算机(上位机,利用可视化高级编程语言7Delphi 7.0在Windows 2000环境下实现了数据通讯和各种参数的在上位机输入、处理、误差分析计算等过程,强化了仪器的功能.4.结语本设计利用单片机技术测量了液体电介质相对介电常数,使用USB 接口技术简化了下位机的硬件复杂性和数据处理过程,实验表明该测试系统具有较高的测量精度、方便可靠,是一

6、种智能化实验测试系统.参考文献:1凌邦国、朱兆青、杨诚成编著.大学物理实验M,苏州:苏州大学出版社,2003.92丁镇生编著.传感及其遥控遥测技术应用M,北京,电子工业出版社,2003.14郝鸿安,555集成电路实用电路集M,上海,上海科学普及出版社,1989.35Atmel Corporation ,8-bit Microcontroller with 8K Bytes Flash AT89C52,2002.27胡争辉编著.Delphi 7跨平台控件开发与应用M,北京,中国铁道出版社,2003.11护带宽上。目前对于轮询周期的下限还讨论不多。除了上面介绍的轮询机制以外,带宽分配机制将对Dif

7、fServ 5的处理反映在了轮询机制上。OLT 对同一优先级的用户进行集中授权,这样做的好处就是保证了高优先级业务的带宽,提高服务质量。为了算法的需要,则是将数据与控制帧分离,此时ONU 上报的队列长度更加接近上传时刻的队列长度值,可以减小时延,同样它也需要增加保带宽。总之,轮询机制是时隙分配机制的一个组成部分,根据不同的算法和追求目标的不同,可以适当选择自己的轮询分配机制,同时也可以通过轮询机制来弥补算法中的不足。3、带宽分配算法带宽的分配主要分为静态和动态两种:静态带宽分配(SBA ,又叫固定时隙分配按照各ONU 预定的带宽进行初始配置,运行期间不管实际的网络状况如何该值不变。SBA 简单

8、,容易实现,但是没有实现带宽的统计复用,带宽的利用率低。动态带宽分配(.DBA是指OLT 根据即时的网络业务情况对每一个ONU 逐个分配带宽,一个周期更新一次,很明显,DBA 的带宽利用率比SBA 要高,上行带宽毕竟是有限的,为了让所有的终端用户都能尽可能的满意,DBA 更能满足要求。下面就来分析几个主要的DBA 算法。:3.1带宽受限分配算法(LBALBA 通过REPORT/GATE 来跟踪业务量,每个ONU 的可分配的最大带宽根据用户等级、业务类别等来确定。如果请求的带宽长度小于这个值时,就分配给它请求的带宽,否则就按这个值来授权。LBA 通过报告队列长度的方式来跟踪业负载,由于业务流量是

9、动态的,所以它的分配时隙大小也是变化的,因为每个轮询分配的时隙也是不同的,所以最终导致它的轮询周期也是变化的。LBA 的保守性表现在通过对每个ONU 的授权的限制来抑制了带宽的恶性竞争,不会出现业务量大的用户独霸着带宽,业务量小的用户得不到带宽的现象。LBA 也是目前使用最广泛,性能最好的DBA 算法之一,它的带宽利用率比较高。3.2基于信用的带宽分配算法(CBA在REPORT/GATE 机制下,每个ONU 发送完REPORT 帧后都经历了一段等待时间后才能继续发送缓冲区内的数据。ONU 在t1时刻上报队列长度,在t3时刻开始上传数据,在t1到t3这段等待时间内,仍然有可能有新数据进入缓冲区内

10、。如果在t1时刻上报队列长度时,对下面等待时间内可能新到的业务量进行估算,那么新到的数据帧就不需要多等一个周期再发送。CBA 就是把这部分等待周期内可能新进入的数据帧也考虑进去,在原来上报的队列长度的基础上再加上了一个信用C ,这里C 可以是常数,也可以是线性表达式。线性信用是基于网络业务的可预测性,因为一般长突发业务会持续一段时间,前一周期的信息对后一周期的等待周期的新增业务量具有价值,可以进行一定程度的预测。这种带估算的带宽分配方法的好处在于可以减小部分帧时延,但是估算要根据不同业务的特点来设计,而且也不是任何估算都是有益的,因为以太帧是不定长的,如果估算分配的带宽不足以满足实际的帧通过,

11、很可能带来新的带宽浪费。3.3弹性带宽分配算法(EBAEBA 是在LBA 的基础上的一个变通。LBA 中每一个ONU 都有一个最大开窗,每个ONU 的授权都不可以超过这个值,E -BA 中取一个最大总授权带宽值,所有轻负载ONU 使用完后残余的那部分带宽,在一个周期内进行再此分配。很明显这种分配方式往往是收集完所有的ONU 的信息之配处理的,它必须与相应的轮询机制结合使用,同时这种算法容易实现公平性分配,是使用比较广泛的算法。4、结论EPON 作为众多宽带接入的最佳方案之一,有着协议简单成熟、标准化程度高、建设维护成本低廉的巨大优势,要更好的满足用户的Qos ,对EPON 的带宽分配算法进行研究有着非常重要的意义。本文从EPON 的工作原理入手,深入讨论了各种带宽分配算法的优势和劣势,不同的算法必须采用相应的轮询机制,对性能参数的制约也各有不同,因此必须进一步根据具体的网络用户的需求来设计制定带宽分配方案。参考文献:1Kramer G ,Pesavento G.Ethernet Passive Optical Network (EPON:Building a Next-Generation Optical Access Net