專(zhuān)利名稱(chēng)：電容比值式覆冰厚度傳感器及其檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
電容比值式覆冰厚度傳感器及其檢測(cè)方法屬于自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的一項(xiàng)發(fā)明。它是一 種用于冰雨或冰凍條件下對(duì)物體表面覆冰層厚度進(jìn)行定點(diǎn)自動(dòng)連續(xù)檢測(cè)的傳感器及其檢測(cè)方 法。
背景技術(shù)：
在冰雨或冰凍條件下對(duì)懸空輸電線(xiàn)、高壓輸電線(xiàn)、固定塔架，建筑物或各種靜止或移動(dòng) 的物體表面、懸空支架、樹(shù)枝等覆冰厚度進(jìn)行定點(diǎn)連續(xù)自動(dòng)檢測(cè)的傳感器裝置及其檢測(cè)方法 可歸納為如下三種類(lèi)型-
一類(lèi)是直接測(cè)量法，它依靠人工用尺即直接測(cè)量物體表面覆冰厚度，它的其優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)可 靠，但缺點(diǎn)是自動(dòng)化程度低，不能夠保證在同一地點(diǎn)自動(dòng)定時(shí)檢測(cè)或在多地點(diǎn)同步進(jìn)行自動(dòng)化連 續(xù)檢測(cè)，當(dāng)測(cè)量高壓輸電線(xiàn)及其塔架、移動(dòng)的飛機(jī)機(jī)翼表面、船舶、鉆井架等物體表面覆冰厚度 時(shí)具有很大的危險(xiǎn)性，影響到物體表面覆冰的生消預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)；
第二類(lèi)是通過(guò)摂像裝置通過(guò)對(duì)物體表面覆冰情況進(jìn)行連續(xù)摂像監(jiān)測(cè)并將獲得的物體表面覆 冰圖象視頻信號(hào)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心處理，其優(yōu)點(diǎn)是適宜于對(duì)大面積物體表面覆冰監(jiān)測(cè)，缺點(diǎn)是無(wú)法 掌握覆冰層結(jié)構(gòu)內(nèi)部的生消變化過(guò)程；
第三類(lèi)方法是通過(guò)電磁學(xué)、光學(xué)等物理探測(cè)方法，如超聲波、紅外探測(cè)法等。經(jīng)査閱資料 和檢索我們發(fā)現(xiàn)的覆冰厚度傳感器有
D 2003年，歐洲科學(xué)家發(fā)明了一種新型冰層傳感器，它可以鑒別出飛機(jī)等機(jī)械表面凝結(jié)的 厚度在0. l咖以上的冰層。本項(xiàng)目由這一由歐盟資助，的科研項(xiàng)目由歐洲多國(guó)科學(xué)家參加并完成。
這種冰層傳感器主要是由鋼材料制成的新型傳感器內(nèi)部有一套復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，以及兩個(gè)或多個(gè) 半導(dǎo)體薄片。在外部氣候條件發(fā)生改變化的情況下，半導(dǎo)體薄層內(nèi)的電子移動(dòng)會(huì)隨之發(fā)生改z變。
經(jīng)過(guò)與之相配的光學(xué)鏡像系統(tǒng)進(jìn)行處理后，這套系統(tǒng)最終能夠釋放出激光束。通過(guò)對(duì)激光束的特 性進(jìn)行測(cè)量，控制人員就可以精確獲知感應(yīng)器探頭上形成的冰層厚度(歐洲發(fā)明新型冰層傳感 器，傳感器世界，2004.1.16)
2) 1993年美國(guó)科羅拉多州林姆技術(shù)有限公司的G *L ，斯托拉齊克(公開(kāi)號(hào)CN1094812A) 一種"對(duì)固體材料表面上的液體水和冰層的檢測(cè)設(shè)備與方法"發(fā)明專(zhuān)利，其系統(tǒng)構(gòu)成及原理為 一個(gè)天線(xiàn)，用于放在受到冰和/或水層積累的表面位置，并具有一個(gè)諧振頻率和含有實(shí)數(shù)項(xiàng)的輸 入導(dǎo)納；與該天線(xiàn)耦合的麥克斯韋電橋裝置，用于檢測(cè)所述諧振頻率、所述輸入導(dǎo)納和所述實(shí)數(shù) 項(xiàng)；以及頻率掃描裝置，用于在接近于所述諧振頻的多個(gè)頻率上驅(qū)動(dòng)天線(xiàn)，其中所述諧振頻率、所述輸入導(dǎo)納和所述實(shí)數(shù)項(xiàng)可以被確定。
3)公開(kāi)號(hào)為CN1560560的一種"冰層厚度傳感器及其檢測(cè)方法"發(fā)明專(zhuān)利，冰層厚度傳 感器及其檢測(cè)方法[申請(qǐng)(專(zhuān)利)號(hào)200410012164. 2]是利用水，冰，空氣電阻值差異進(jìn)行冰 層厚度檢測(cè)的一種傳感器，其構(gòu)成特征是由傳感器內(nèi)部檢測(cè)電源正極經(jīng)傳感器內(nèi)、外側(cè)壁中間 空間內(nèi)充滿(mǎn)的被檢測(cè)介質(zhì)，包括水，冰，空氣，與按標(biāo)尺刻度位置排列的傳感器每一個(gè)金屬 檢測(cè)觸點(diǎn)，內(nèi)部刻度譯碼開(kāi)關(guān)電路，電導(dǎo)識(shí)別電路與檢測(cè)電源負(fù)電極組成檢測(cè)回路，通過(guò)傳 感器內(nèi)部單片機(jī)控制電路按一定編碼順序產(chǎn)生刻度譯碼開(kāi)關(guān)控制信號(hào)依次接通各金屬檢測(cè)觸
點(diǎn)對(duì)應(yīng)的檢測(cè)電路進(jìn)行冰層厚度測(cè)量的傳感器。
本發(fā)明研制成功了一種基于空氣與冰酌電容特性差異、通過(guò)基準(zhǔn)平行板電容器在極板空 間為被測(cè)介質(zhì)(空氣或覆冰)與極板空間為空氣介質(zhì)時(shí)所測(cè)電容值的比值判斷來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)物體 表面覆冰層厚度進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量的傳感器及其檢測(cè)方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種對(duì)物體表面覆冰層厚度進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量的傳感器及其檢測(cè)方法。 利用該傳感器和檢測(cè)方法在冰雨或冰凍條件下可以對(duì)懸空輸電線(xiàn)，高壓輸電線(xiàn)固定塔架，建 筑物或各種靜止或移動(dòng)設(shè)備、懸空支架，以及樹(shù)枝等的覆冰厚度進(jìn)行定點(diǎn)連續(xù)自動(dòng)檢測(cè)。它 可準(zhǔn)確地測(cè)量附作在被測(cè)物體表面的覆冰層厚度的變化。
電容比值式覆冰厚度傳感器是一種基于空氣與冰的電容特性差異，通過(guò)將檢測(cè)獲得的電 容值與極板空間介質(zhì)為空氣的基準(zhǔn)平行極板檢測(cè)電容器電容值進(jìn)行比較實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)檢測(cè)物 體表面覆冰厚度的傳感器。
電容比值式覆冰厚度傳感器特征是傳感器由外部安裝有懸掛固定鉤的矩型金屬屏蔽保 護(hù)外殼l，嵌入在矩型金屬屏蔽保護(hù)外殼l內(nèi)部的單片機(jī)2，由專(zhuān)用集成電路AD7746構(gòu)成的 雙路電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器3，極板之間空間內(nèi)始終充滿(mǎn)空氣介質(zhì)、兩電容極板與雙路電容數(shù)字轉(zhuǎn) 換器3中某一路信號(hào)輸入端相連接的基準(zhǔn)平行極板檢測(cè)電容器4，極板之間空間內(nèi)充滿(mǎn)被檢測(cè) 介質(zhì)覆冰或空氣、幾何結(jié)構(gòu)與基準(zhǔn)平行極板檢測(cè)電容器完全相同并且按固定標(biāo)尺刻度間距位 置排列的一組平行極板檢測(cè)電容器5，由兩片通用集成電路CD4067構(gòu)成的雙路可編程控制刻 度選通電路6，絕緣保溫密封添充材料7和接線(xiàn)插座8構(gòu)成；其中，單片機(jī)2可以采用MSC-51 系列及其兼容8位單片機(jī)或MSP-430系列及其兼容16位單片機(jī)，雙路可編程控制刻度選通電 路6中兩片CD4067集成電路各對(duì)應(yīng)輸入端通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)按相同順序分別與各平行極板檢測(cè)電容器 5兩側(cè)的電容極板相連接，公共輸出端通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)與雙路電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器3中另一路信號(hào)輸入 端相連接；暴露于被測(cè)空間的各平行極板檢測(cè)電容器兩極片空間充滿(mǎn)被檢測(cè)介質(zhì)，包括覆冰， 空氣。使用時(shí)，首先將傳感器垂直固定在被測(cè)物體表面或下方，檢測(cè)時(shí)外部電源通過(guò)傳感器接 線(xiàn)插座8給傳感器內(nèi)部檢測(cè)電路接通工作電源后，傳感器內(nèi)部單片機(jī)2通過(guò)固化在內(nèi)部ROM存 儲(chǔ)器內(nèi)的程序經(jīng)自己的I/O接口 ，同時(shí)向構(gòu)成雙路可編程控制刻度選通電路6的兩片CD4067 禁止端15腳發(fā)送低電平控制信號(hào)，然后按照從1到16的BCD碼編碼順序同時(shí)向兩片CD4067 的譯碼選通端10腳、11腳、13腳、14腳發(fā)出譯碼選通控制信號(hào)，使兩片CD4067的16個(gè)輸 入端按照從1到16順序與各自的公共輸出端接通，也就是將電容兩側(cè)極板分別與兩片CD4067 的16個(gè)輸入端順序相聯(lián)結(jié)的各平行極板檢測(cè)電容器5與雙路電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器3中的另一路電 容數(shù)字轉(zhuǎn)換器信號(hào)輸入端接通，這樣就由傳感器內(nèi)部單片機(jī)2，雙路電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器3中的 另一路電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器，雙路可編程控制刻度選通電路6，被接通的平行極板檢測(cè)電容器5， 被接通的平行極板檢測(cè)電容器5極板空間內(nèi)的被測(cè)介質(zhì)形成電容檢測(cè)回路，由于平行極板檢 測(cè)電容器5極板空間內(nèi)的被測(cè)介質(zhì)可能會(huì)是空氣或覆冰兩種狀態(tài)，其不同的介電常數(shù)導(dǎo)致平 行極板檢測(cè)電容器呈現(xiàn)不同的電容數(shù)值，這一數(shù)值被雙路電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器3轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù) 字量形式后輸出并被單片機(jī)2采集，存儲(chǔ)；與此同時(shí)，由傳感器內(nèi)部單片機(jī)2，雙路電容數(shù) 字轉(zhuǎn)換器3，基準(zhǔn)平行極板檢測(cè)電容器4構(gòu)成基準(zhǔn)電容值檢測(cè)回路，由于基準(zhǔn)平行極板檢測(cè) 電容器4極板空間內(nèi)的介質(zhì)是空氣，在一定溫度下其呈現(xiàn)確定的電容數(shù)值，這一數(shù)值被雙路 電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器3轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量形式后輸出后也被單片機(jī)2按照預(yù)先編制的程序采集， 存儲(chǔ)，并把已測(cè)得的各平行極板檢測(cè)電容器5、皮檢測(cè)電容值進(jìn)行比較、判斷；按照我們?cè)趯?shí)驗(yàn) 室所做大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明(見(jiàn)秦建敏，程鵬.電容式冰層厚度傳感器及其檢測(cè)方法的研究[J]. 微納電子技術(shù)，2007,7/8: 185-187)，對(duì)相同幾何結(jié)構(gòu)的平行極板電容器，當(dāng)極板空間為冰 與空氣兩種不同的介質(zhì)材料時(shí)，其電，比值要大于等于2，根據(jù)這一特點(diǎn)，如果已測(cè)得的傳 感器某一刻度垂直水平切面平行極板檢測(cè)電容器5被檢測(cè)電容值相對(duì)于測(cè)得的基準(zhǔn)電容值比 值大于等于2，則可斷定這一刻度垂直水平切面平行極板檢測(cè)電容器5極板空間內(nèi)被測(cè)介質(zhì) 是覆冰，反之為空氣，最后對(duì)獲取的各平行極板檢測(cè)電容器5電容值進(jìn)行比較判斷后，當(dāng)標(biāo) 尺刻度間距為事先確定好的固定長(zhǎng)度值時(shí)，根據(jù)各平行極板檢測(cè)電容器5對(duì)應(yīng)的標(biāo)尺位置與 極板空間介質(zhì)為覆冰的平行極板檢測(cè)電容器個(gè)數(shù)，可以確定傳感器表面 覆冰厚度=固定長(zhǎng)度值x介質(zhì)為覆冰的平行極板檢測(cè)電容器個(gè)數(shù)。
雖然平行極板電容器的電容值會(huì)隨溫度的變化發(fā)生偏移，但由于采用被測(cè)電容值的比值 進(jìn)行結(jié)果判斷，這一偏移在比較過(guò)程中基本被抵消，所以傳感器具有很好的溫度穩(wěn)定性。
本發(fā)明電容比值式覆冰厚度傳感器可以在冰雨或冰凍條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)懸空輸電線(xiàn)，高壓輸
電線(xiàn)固定塔架，建筑物，樹(shù)枝或各種靜止或移動(dòng)設(shè)備表面、懸空支架，樹(shù)枝等的覆冰厚度進(jìn)
行定點(diǎn)連續(xù)自動(dòng)檢測(cè)，它可準(zhǔn)確地測(cè)量附作在被測(cè)物體表面的覆冰層厚度的變化。本發(fā)明是基于空氣與冰的電容特性差異，結(jié)合電子信息處理技術(shù)研制出的一種對(duì)物體表 面覆冰層厚度進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量的傳感器和一種新的覆冰厚度檢測(cè)方法。在整個(gè)檢測(cè)過(guò)程中，控 制信號(hào)與電容檢測(cè)數(shù)據(jù)都是數(shù)字量，雖然平行極板電容器的電容值會(huì)隨溫度的變化發(fā)生偏移， 但由于采用被測(cè)電容值的比值進(jìn)行結(jié)果判斷，這一偏移在比較過(guò)程中基本被抵消，傳感器具 有很強(qiáng)的抗干擾能力和溫度穩(wěn)定性，覆冰厚度判斷計(jì)算方法簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低 廉以及安裝方便，可以在惡劣環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)物體表面覆冰厚度的連續(xù)自動(dòng)檢測(cè)。


圖1是本發(fā)明電容比值式覆冰厚度傳感器的正視結(jié)構(gòu)俯視示意圖 圖2是圖1的俯視結(jié)構(gòu)示意圖
圖中1:矩型金屬屏蔽保護(hù)外殼 2:單片機(jī) 3:雙路電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器 4:基準(zhǔn) 平行極板檢測(cè)電容器 5:平行極板檢測(cè)電容器 6:雙路可編程控制刻度選通電路 7: 絕緣保溫密封添充材料 8:接線(xiàn)插座具體實(shí)施方式
實(shí)施方式舉例一
樹(shù)枝懸浮覆冰厚度的檢測(cè)-
首先，將附圖中所示傳感器垂直懸掛并固定在被測(cè)樹(shù)枝任一部位，通過(guò)屏蔽多芯防水電
纜將傳感器導(dǎo)線(xiàn)連接插座8與固定在樹(shù)干上的工作電源和信號(hào)發(fā)射裝置相連。檢測(cè)時(shí)外部電 源通過(guò)傳感器接線(xiàn)插座8給傳感器內(nèi)部檢測(cè)電路接通工作電源后,傳感器內(nèi)部單片機(jī)2通過(guò)固 化在內(nèi)部ROM存儲(chǔ)器內(nèi)的程序經(jīng)自己的1/0接口，同時(shí)向構(gòu)成雙路可編程控制刻度選通電路 6的兩片CD4067禁止端15腳發(fā)送低電平控制信號(hào)，然后按照從1到16的BCD碼編碼順序同 時(shí)向兩片CD4067的譯碼選通端10腳、11腳、13腳、14腳發(fā)出譯碼選通控制信號(hào)，使兩片 CD4067的16個(gè)輸入端按照從1到16順序與各自的公共輸出端接通，也就是將電容兩側(cè)極板 分別與兩片CD4067的16個(gè)輸入端順序相聯(lián)結(jié)的各平行極板檢測(cè)電容器5與雙路電容數(shù)字轉(zhuǎn) 換器3中的另一路電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器信號(hào)輸入端接通，這樣就由傳感器內(nèi)部單片機(jī)2，雙路電 容數(shù)字轉(zhuǎn)換器3中的另一路電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器，雙路可編程控制刻度選通電路6，被接通的平 行極板檢測(cè)電容器5，被接通的平行極板檢測(cè)電容器5極板空間內(nèi)的被測(cè)介質(zhì)形成電容檢測(cè) 回路，由于平行極板檢測(cè)電容器5極板空間內(nèi)的被測(cè)介質(zhì)可能會(huì)是空氣或覆冰兩種狀態(tài)，其不 同的介電常數(shù)導(dǎo)致平行極板檢測(cè)電容器呈現(xiàn)不同的電容數(shù)值，這一數(shù)值被雙路電容數(shù)字轉(zhuǎn)換 器3轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量形式后輸出并被單片機(jī)2采集，存儲(chǔ)；與此同時(shí)，由傳感器內(nèi)部單 片機(jī)2，雙路電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器3，基準(zhǔn)平行極板檢測(cè)電容器4構(gòu)成基準(zhǔn)電容值檢測(cè)回路，由于 基準(zhǔn)平行極板檢測(cè)電容器4極板空間內(nèi)的介質(zhì)是空氣，在一定溫度下其呈現(xiàn)確定的電容數(shù)值，這一數(shù)值被雙路電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器3轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量形式后輸出后也被單片機(jī)2按照預(yù)先 編制的程序采集，存儲(chǔ),并把已測(cè)得的各平行極板檢測(cè)電容器5被檢測(cè)電容值進(jìn)行比較、判斷; 按照我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室所做大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明(見(jiàn)秦建敏，程鵬.電容式冰層厚度傳感器及其檢測(cè) 方法的研究[J].微納電子技術(shù)，2007,7/8: 185-187)，對(duì)相同幾何結(jié)構(gòu)的平行極板電容器， 當(dāng)極板空間為冰與空氣兩種不同的介質(zhì)材料時(shí)，其電容比值要大于等于2，根據(jù)這一特點(diǎn)， 如果已測(cè)得的傳感器某一刻度垂直水平切面平行極板檢測(cè)電容器5被檢測(cè)電容值相對(duì)于測(cè)得 的基準(zhǔn)電容值比值大于等于2，則可斷定這一刻度垂直水平切面平行極板檢測(cè)電容器5極板 空間內(nèi)被測(cè)介質(zhì)是覆冰，反之為空氣，最后對(duì)獲取的各平行極板檢測(cè)電容器5電容值進(jìn)行比 較判斷后，當(dāng)標(biāo)尺刻度間距為事先確定好的固定長(zhǎng)度值時(shí)，根據(jù)各平行極板檢測(cè)電容器5對(duì) 應(yīng)的標(biāo)尺位置與極板空間介質(zhì)為覆冰的平行極板檢測(cè)電容器個(gè)數(shù)，可以確定傳感器表面 覆冰厚度-固定長(zhǎng)度值x介質(zhì)為覆冰的平行極板檢測(cè)電容器個(gè)數(shù)。這一數(shù)值可以通過(guò)固定在 輸電線(xiàn)塔架上的信號(hào)發(fā)射裝置(如GSM調(diào)制解調(diào)器或GPRS調(diào)制解調(diào)器等)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中 心進(jìn)行進(jìn)一步處理。 實(shí)施方式舉例二.
海上石油鉆井塔架懸浮覆冰厚度的檢測(cè)
首先，將附圖中所示傳感器垂直懸掛并固定在海上石油鉆井塔架任一部位，通過(guò)屏蔽多
芯防水電纜將傳感器導(dǎo)線(xiàn)連接插座8與固定在海上石油鉆井塔架上的工作電源和信號(hào)發(fā)射裝 置相連。檢測(cè)時(shí)外部電源通過(guò)傳感器接線(xiàn)插座8給傳感器內(nèi)部檢測(cè)電路接通工作電源后，傳感 器內(nèi)部單片機(jī)2通過(guò)固化在內(nèi)部ROM存儲(chǔ)器內(nèi)的程序經(jīng)自己的I/O接口 ，同時(shí)向構(gòu)成雙路可 編程控制刻度選通電路6的兩片CD4067禁止端15腳發(fā)送低電平控制信號(hào)，然后按照從1到 16的BCD碼編碼順序同時(shí)向兩片CD4067的譯碼選通端10腳、11腳、13腳、14腳發(fā)出譯碼 選通控制信號(hào)，使兩片CD4067的16個(gè)輸入端按照從1到16順序與各自的公共輸出端接通， 也就是將電容兩側(cè)極板分別與兩片CD4067的16個(gè)輸入端順序相聯(lián)結(jié)的各平行極板檢測(cè)電容 器5與雙路電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器3中的另一路電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器信號(hào)輸入端接通，這樣就由傳感器 內(nèi)部單片機(jī)2，雙路電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器3中的另一路電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器，雙路可編程控制刻度選 通電路6，被接通的平行極板檢測(cè)電容器5，被接通的平行極板檢測(cè)電容器5極板空間內(nèi)的被 測(cè)介質(zhì)形成電容檢測(cè)回路，由于平行極板檢測(cè)電容器5極板空間內(nèi)的被測(cè)介質(zhì)可能會(huì)是空氣 或覆冰兩種狀態(tài)，其不同的介電常數(shù)導(dǎo)致平行極板檢測(cè)電容器呈現(xiàn)不同的電容數(shù)值，這一數(shù) 值被雙路電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器3轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量形式后輸出并被單片機(jī)2采集，存儲(chǔ)；與此 同時(shí)，由傳感器內(nèi)部單片機(jī)2，雙路電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器3，基準(zhǔn)平行極板檢測(cè)電容器4構(gòu)成基準(zhǔn)
電容值檢測(cè)回路，由于基準(zhǔn)平行極板檢測(cè)電容器4極板空間內(nèi)的介質(zhì)是空氣，在一定溫度下其呈現(xiàn)確定的電容數(shù)值，這一數(shù)值被雙路電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器3轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量形式后輸出 后也被單片機(jī)2按照預(yù)先編制的程序采集，存儲(chǔ)，并把已測(cè)得的各平行極板檢測(cè)電容器5被檢 測(cè)電容值進(jìn)行比較、判斷；按照我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室所做大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明(見(jiàn)秦建敏，程鵬.電容 式冰層厚度傳感器及其檢測(cè)方法的研究[J].微納電子技術(shù)，2007,7/8: 185-187)，對(duì)相同幾 何結(jié)構(gòu)的平行極板電容器，當(dāng)極板空間為冰與空氣兩種不同的介質(zhì)材料時(shí)，其電容比值要大 于等于2，根據(jù)這一特點(diǎn)，如果己測(cè)得的傳感器某一刻度垂直水平切面平行極板檢測(cè)電容器5 被檢測(cè)電容值相對(duì)于測(cè)得的基準(zhǔn)電容值比值大于等于2，則可斷定這一刻度垂直水平切面平 行極板檢測(cè)電容器5極板空間內(nèi)被測(cè)介質(zhì)是覆冰，反之為空氣，最后對(duì)獲取的各平行極板檢 測(cè)電容器5電容值進(jìn)行比較判斷后，當(dāng)標(biāo)尺刻度間距為事先確定好的固定長(zhǎng)度值時(shí)，根據(jù)各 平行極板檢測(cè)電容器5對(duì)應(yīng)的標(biāo)尺位置與極板空間介質(zhì)為覆冰的平行極板檢測(cè)電容器個(gè)數(shù)， 可以確定傳感器表面
覆冰厚度z固定長(zhǎng)度值x介質(zhì)為覆冰的平行極板檢測(cè)電容器個(gè)數(shù)。這一數(shù)值可以通過(guò)固定在 石油鉆井塔架上的信號(hào)發(fā)射裝置(如數(shù)傳電臺(tái)等)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行進(jìn)一步處理。
權(quán)利要求
1.電容比值式覆冰厚度傳感器，內(nèi)部含有單片機(jī)、雙路電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器、基準(zhǔn)平行極板檢測(cè)電容器、一組平行極板檢測(cè)電容器、雙路可編程控制刻度選通電路，其特征是傳感器由外部有懸掛固定鉤的矩型金屬屏蔽保護(hù)外殼(1)，嵌入在矩型金屬屏蔽保護(hù)外殼(1)內(nèi)部的單片機(jī)(2)，由專(zhuān)用集成電路AD7746構(gòu)成的雙路電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(3)，極板之間空間內(nèi)始終充滿(mǎn)空氣介質(zhì)、兩電容極板與雙路電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(3)中某一路信號(hào)輸入端相連接的基準(zhǔn)平行極板檢測(cè)電容器(4)，極板之間空間內(nèi)充滿(mǎn)被檢測(cè)介質(zhì)覆冰或空氣、幾何結(jié)構(gòu)與基準(zhǔn)平行極板檢測(cè)電容器完全相同并且按固定標(biāo)尺刻度間距位置排列的一組平行極板檢測(cè)電容器(5)，由兩片通用集成電路CD4067構(gòu)成的雙路可編程控制刻度選通電路(6)，絕緣保溫密封添充材料(7)和接線(xiàn)插座(8)構(gòu)成；其中，單片機(jī)(2)可以采用MSC-51系列及其兼容8位單片機(jī)或MSP-430系列及其兼容16位單片機(jī)，雙路可編程控制刻度選通電路(6)中兩片CD4067集成電路各對(duì)應(yīng)輸入端通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)按相同順序分別與各平行極板檢測(cè)電容器(5)兩側(cè)的電容極板相連接，公共輸出端通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)與雙路電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(3)中另一路信號(hào)輸入端相連接；暴露于被測(cè)空間的各平行極板檢測(cè)電容器兩極片空間充滿(mǎn)被檢測(cè)介質(zhì)，包括覆冰，空氣。
2. 權(quán)利要求1所述的電容比值式覆冰厚度傳感器的檢測(cè)方法特征在于，使用時(shí)，首先將傳感器垂直固定在被測(cè)物體表面或下方，檢測(cè)時(shí)外部電源通過(guò)傳感器接線(xiàn)插座(8)給傳感器內(nèi)部檢測(cè)電路接通工作電源后，傳感器內(nèi)^3單片機(jī)(2)通過(guò)固化在內(nèi)部ROM存儲(chǔ)器內(nèi)的程序經(jīng)自己的I/0接口，同時(shí)向構(gòu)成雙路可編程控制刻度選通電路(6)的兩片CD4067禁止端15腳發(fā)送低電平控制信號(hào)，然后按照從1到16的BCD碼編碼順序同時(shí)向兩片CD4067的譯碼選通端10腳、11腳、13腳、14腳發(fā)出譯碼選通控制信號(hào)，使兩片CD4067的16個(gè)輸入端按照從1到16順序與各自的公共輸出端接通，也就是將電容兩側(cè)極板分別與兩片CD4067的16個(gè)輸入端順序相聯(lián)結(jié)的各平行極板檢測(cè)電容器(5)與雙路電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(3)中的另一路電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器信號(hào)輸入端接通，這樣就由傳感器內(nèi)部單片機(jī)(2)，雙路電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(3)中的另一路電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器，雙路可編程控制刻度選通電路(6)，被接通的平行極板檢測(cè)電容器(5)，被接通的平行極板檢測(cè)電容器(5)極板空間內(nèi)的被測(cè)介質(zhì)形成電容檢測(cè)回路，由于平行極板檢測(cè)電容器(5)極板空間內(nèi)的被測(cè)介質(zhì)可能會(huì)是空氣或覆冰兩種狀態(tài)，其不同的介電常數(shù)導(dǎo)致平行極板檢測(cè)電容器呈現(xiàn)不同的電容數(shù)值，這一數(shù)值被雙路電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(3)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量形式后輸出并被單片機(jī)(2)采集，存儲(chǔ)；與此同時(shí)，由傳感器內(nèi)部單片機(jī)(2)，雙路電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(3)，基準(zhǔn)平行極板檢測(cè)電容器(4)構(gòu)成基準(zhǔn)電容值檢測(cè)回路，由于基準(zhǔn)平行極板檢測(cè)電容器(4)極板空間內(nèi)的介質(zhì)是空氣，在一定溫度下其呈現(xiàn)確定的電容數(shù)值，這一數(shù)值被雙路電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(3)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量形式后輸出后也被單片機(jī)(2)按照預(yù)先編制的程序采集，存儲(chǔ)，并把已測(cè)得的各平行極板檢測(cè)電容器(5)被檢測(cè)電容值進(jìn)行比較、判斷；按照我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室所做大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明(見(jiàn)秦建敏，程鵬.電容式冰層厚度傳 感器及其檢測(cè)方法的研究[J].微納電子技術(shù)，2007,7/8: 185-187)，對(duì)相同幾何結(jié)構(gòu)的平行 極板電容器，當(dāng)極板空間為冰與空氣兩種不同的介質(zhì)材料時(shí)，其電容比值要大于等于2，根 據(jù)這一特點(diǎn)，如果已測(cè)得的傳感器某一刻度垂直水平切面平行極板檢測(cè)電容器(5)被檢測(cè)電 容值相對(duì)于測(cè)得的基準(zhǔn)電容值比值大于等于2，則可斷定這一刻度垂直水平切面平行極板檢 測(cè)電容器(5)極板空間內(nèi)被測(cè)介質(zhì)是覆冰，反之為空氣，最后對(duì)獲取的各平行極板檢測(cè)電容 器(5)電容值進(jìn)行比較判斷后，當(dāng)標(biāo)尺刻度間距為事先確定好的固定長(zhǎng)度值時(shí)，根據(jù)各平行 極板檢測(cè)電容器(5)對(duì)應(yīng)的標(biāo)尺位置與極板空間介質(zhì)為覆冰的平行極板檢測(cè)電容器個(gè)數(shù)，可 以確定傳感器表面覆冰厚度=固定長(zhǎng)度值x介質(zhì)為覆冰的平行極板檢測(cè)電容器個(gè)數(shù)。雖然平行極板電容器的電容值會(huì)隨溫度的變化發(fā)生偏移，但由于采用被測(cè)電容值的比值 進(jìn)行結(jié)果判斷，這一偏移在比較過(guò)程中基本被抵消，所以傳感器具有很好的溫度穩(wěn)定性。
全文摘要
電容比值式覆冰厚度傳感器及其檢測(cè)方法特征是由傳感器內(nèi)部單片機(jī)，雙路電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器，極板之間充滿(mǎn)被檢測(cè)介質(zhì)覆冰或空氣，幾何結(jié)構(gòu)與基準(zhǔn)平行極板檢測(cè)電容器完全相同并且按固定標(biāo)尺刻度間距位置排列的一組平行極板檢測(cè)電容器，雙路可編程控制刻度選通電路組成相對(duì)電容值檢測(cè)回路；在單片機(jī)控制下將各相對(duì)電容值檢測(cè)回路檢測(cè)所獲得的電容值與由傳感器內(nèi)部單片機(jī)，雙路電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器，基準(zhǔn)平行極板檢測(cè)電容器組成基準(zhǔn)電容值檢測(cè)回路檢測(cè)所獲得的基準(zhǔn)電容值進(jìn)行比較計(jì)算，通過(guò)對(duì)比值結(jié)果進(jìn)行分析判斷來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器表面覆冰厚度的測(cè)量。該傳感器在冰雨或冰凍條件下可以對(duì)懸空輸電線(xiàn)及塔架，建筑物或設(shè)備表面，樹(shù)枝等的覆冰厚度進(jìn)行連續(xù)自動(dòng)檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01B7/02GK101285673SQ20081005505
公開(kāi)日2008年10月15日 申請(qǐng)日期2008年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月6日
發(fā)明者崔麗琴, 崔玖菊, 張建國(guó), 秦建敏, 鵬 程 申請(qǐng)人:太原理工大學(xué)