一种绝缘体表液体自动测试系统.pdf

第31卷 第1 期 仪 器 仪 表 学 报 Vol.31 No.1 2010 年 1 月 Chinese Journal of Scientific Instrument Jan.2010 一种绝缘体表液体自动测试系统*李 楠1，郭宝龙1，黄 川2（1 西安电子科技大学机电工程学院智能控制与图像处理研究所 中国西安 710071；2 英国曼彻斯特大学电气电子工程学院 英国 曼彻斯特 M60 1QD）摘 要：提出一种绝缘体表液体自动测试系统的设计方案，在保证系统测试性能的同时能够大幅降低设计成本。通过对系统数据采集数据转换，以及系统控制部分的工作与设计原理的分析，设计三种相邻电容传感器，讨论分析传感器设计关键参数，并给出了最终设计参数；简单解释了测量数据转换部分和控制部分的系统设计思想。实验部分采用有限元仿真技术模拟了电容传感器的性能；通过阻抗分析仪对测得的数据进行分析、比对、讨论了测量噪声对系统检测的影响，并提出解决方法；实验结果表明，电容探测传感技术应用于绝缘体表液体自动测试系统中的可行性与重要性，设计的系统硬件部分能够实现自动探测分级报警功能。关键词：相邻电容传感器；电容边缘效应；阻抗分析 中图分类号：TP212.9 文献标识码：A 国家标准学科分类代码：510.804 Automatic detection system for liquid on isolated surface Li Nan1,Guo Baolong1,Huang Chuan2(1 Institute of Intelligent Control and Image Engineering,Xidian University,Xian 710071,China;2 Department of Electrical and Electronic Engineering,University of Manchester,Manchester,M60 1QD,UK)Abstract：An automatic detection system for liquid on isolated surface is presented,which aims to reduce the system cost.The data acquisition part,data conversion and system control parts are discussed.Three types of sensors are designed based on the principle of capacitance fringe effect,and the design parameters of the sensors are discussed and determined.The design idea about the system data conversion part and control unit is presented.Finite element simulation technologies are used to evaluate the performance of the designed sensors.An imped-ance analyzer is used for practical measurements of the capacitance between each electrode pair.The system noise occurred in measurement is discussed and the solutions are provided.Experimental results indicate that the ca-pacitance based sensing technique can be used in the system for liquid detection on isolated surface,and the de-signed system can realize the desired function.Key words：proximity capacitance sensor;capacitance fringe effect;impedance analysis 1 引 言 传感器技术已经广泛的应用于军事中武器系统的改进与民用工业生产，并在多个领域取得了不同程度的成功。像压电传感技术成功应用于震动波探测方面，而声波与超声波传感技术应用于军事特殊环境的测距领域，光电传感技术与红外传感技术作为新兴技术，通常应用于高端探测技术领域1-3，但昂贵的传感器部件与系统维护成本以及该技术对测量环境的挑剔是其不能成为“平民商品”的最大阻碍。1969 年，Noltingk 第一次将电容边缘效应应用于高精度测量试验中4，在随后的几十年中相继出现了许多基于相邻传感器的探测成像系统，如电容层析成像技术5，以及基于电容传感器的微距测量技术。该技术优点在于：1)非侵入式的探测方式。相邻电容传感器通过边缘效应原理进行测量，对被测量物质进行非收稿日期：2009-08 Received Date：2009-08*基金项目：国家自然科学基金(60802077)、国家 863 高技术研究发展计划项目(2006AA01Z127)资助 第 1 期 李 楠 等：一种绝缘体表液体自动测试系统 39 物理接触式的测量；2)快速响应，高灵敏度与高鲁棒性。电容传感器在探测低电导率物质时，可以获得与光电传感技术不相上下的灵敏度；3)低廉的传感器部件与系统维护成本。工业生产中由于仪器工作环境温度，湿度变化容易出现仪器观测窗表面凝水或雾化，导致仪器测量误差，甚至造成工业事故，因此需要对观测窗表面液体进行检测处理。由于凝水与雾化现象不会产生震动，对温度的影响也不明显，因此无法使用压电传感技术与红外传感技术。光电传感技术与相邻电容传感技术都可以用来解决该问题，但基于相邻电容传感技术的系统具有更高的性价比。2 系统设计 物体表面液体探测系统由四部分构成：数据采集部分传感器部分；数据转换传输部分基于 CDC(capacitance-to-digital converter）的电容传感器接口电路；系统控制部分控制（PIC）芯片；液体处理的报警部分或执行部分LED 指示灯或烘干系统。2.1 相邻电容传感器设计 系统使用的电容传感器以相邻多电极极板结构为基础，激励电极与接收电极间通过边缘效应形成稳定电场，当物体表面存在液体时由于极板间介电常数的变化，导致极间电容产生的变化，通过电容变化进而判断液体的存在以及液体特性，工作原理如图 1 所示。图 1 相邻电容传感器工作原理 Fig.1 Working principle of proximity capacitance sensor 通常情况下的平行板电容，电容值与极间液体电容值分布的关系如式(1)：1()()dQCssVV=(1)式中：(s)表示电容传感器探测区域中的电容率分布；V表示相邻极板间电势差；(s)表示电势分布；表示电极板表面。然而，对于相邻电容传感器，由于电容值变化的非线性和复杂程度，针对不同相邻电容传感器结构，并没有简单统一的数学模型和公式方程，对于不同结构的相邻电容值的计算也只有近似值，如典型的两极板构成的环形相邻电容传感器6，电容值的近似值计算如式(2)：110112112111112()4()()()()()()FirsnSSI nCRI nI nK nI nK n=+(2)其中11Rd=，2iRd=和sSd=。式中：R1，Ri和 S 分别表示环形电容传感器的内环激励电极半径，外环接收电极半径和内外环形电极间绝缘隔离层厚度；d 表示传感器到探测物之间的距离（即待测物体表面厚度），I1和 K1分别表示一阶第一类和第二类修正贝塞尔函数。由上式可以看出，传感器电容值的大小与传感器极板面积，极板间距，以及传感器与待测物体间的距离，待测物表面液体的电容率（介电常数）都有着很大的关系。电场线穿透深度是衡量相邻电容传感器的关键参数之一，它决定着电场线能够穿透多厚的待测物体表面，从而测量物体表面的液体分布和液体层厚度。关于计算电容传感器的穿透性的公式复杂而且并不统一。电场线穿透性近似正比于传感器激励电极与接收电极间的距离，距离越大，电场线穿透越深。而在实现中，极板间距是有限的，传感器测量范围也需要考虑，而决定传感器测量范围的另一个参数是极板面积。极板面积越大，相应的测量范围越大。通过实验可得，通常情况下，极板设计间距最大不超过传感器长宽或直径的40%为宜。在给定传感器尺寸，规定测量区域的情况下，传感器有效电极板长度也是影响相邻电容传感器灵敏度的一个重要参数7，实验表明，电极板有效长度与传感器灵敏度成正比。设计三种传感器形式结合以上参数设计进行性能比较，如图2，测试性能结果在文章实验部分给出。(a)圆阵电容传感器(a)round array capacitance sensor (b)多环形电容传感器(b)multi-ring capacitance sensor 40 仪 器 仪 表 学 报 第 31 卷 (c)花型电容传感器(c)flower-shaped capacitance sensor 图 2 三种实验传感器设计 Fig.2 Three types of the designed sensor 2.2 数据转换与传输电路设计 多种测量技术可以运用于电容传感测量系统中，测量所得电容值变化经过处理可以转换为相应的频率，相位或者电压的变化，进而转化为数字信号进行分析和处理7-10。系统数据采集部分中的相邻电容传感器极板间电容值通常小于1 pF级，采用电容-电压电荷放大器原理将测量电容值转换为电压值，通过模电-数电转换电路将模拟电压信号转换为数字信号。电路设计以AC作为激励源，如图3虚线框内所示，放大电路输出电压值为式(3)：1xforefffj C RVVj C R=+(3)式中：Cx为传感器电极对电容值，Vref为激励电压，Vo为与测量电容值相对应的转换输出电压，Rf和Cf分别为参考电阻和参考电容，用来调节放大器增益，Cs1和Cs2为寄生的电容。放大器为反向放大器，有两种工作模式，电容反馈模式和电阻反馈模式，分别由式(4)，式(5)所示：当1ffRC，有xoreffCVVC=(4)当1ffRC1/；由式(5)可知，电阻反馈模式需要AC激励源为相邻电容传感器提供稳定的信号频率，相反，该工作模式瞬变过程较短，时常数1/。图3给出系统工作原理。图 3 系统工作框图 Fig.3 Block diagram of the system2.3 系统控制部分设计 系统控制部分通过PIC芯片对CDC芯片(AD7142)转换的数字信号进行处理，并通过分析做出正确判断和恰当的执行。对于微控制器的选择需要考虑一下几个方面：1)系统所需要的输入/输出口数量，即需要指定芯片至少拥有的I/O口；2)芯片I/O口的类型。由于本系统采集的电容信号通过AD7142转换为数字信号输入控制芯片，因此控制芯片中的A/D模块就不需要考虑；3)程序存储器的容量，芯片时钟频率也是重要的选择参数，时钟速度能够决定指令执行速度，时钟频率越高，控制芯片处理任务越快。根据以上原则，控制芯片选择PIC18F452，该芯片有三个8位端口，用于测试的电容传感器被设计为4极板结构，因此控制芯片能够在满足实验测量的基础上进行进一步的功能扩展。PIC18F452的片上线性程序存储器地址空间与线性数据存储器地址空间分别为32 kb和1.5 kb。此外该芯片还可提供一个DC-40MHz的时钟输入口和一个410 MHz的带锁相环的时钟输入口。该控制芯片拥有16位的指令宽度和8位的数据宽度，拥有丰富的外围设备接口，如MSSP(master synchronous serial port)模块，CCP(Capture/Compare/PWM)模块以及USART(address-able universal synchronous asynchronous receiver transmitter)模块。本系统利用芯片MSSP模块，这是由于MSSP能够第 1 期 李 楠 等：一种绝缘体表液体自动测试系统 41 工作于两种模式下，SPI(serial peripheral interface)模式和I2C(inter-integrated circuit)模式。本系统分别使用SPI模式与I2C模式进行测试，在文章实验部分仅给出SPI模式下的设计电路原理图。3 系统实验与测试结果 3.1 传感器性能测试 通过COMSOL对给定参数，同测量环境下的三组相邻电容传感器进行电场分布仿真，并使用阻抗分析仪进行设计传感器敏感度的同步实际测试。三种电容传感器电场分布通过有限元仿真，结果如图4所示。圆阵电容传感器以四个圆形电极作为接收电极，而激励电极环绕四个接收电极。由于接收电极非常小，因此激励电极与接收电极间的电势差微小（1 pF），传感器灵敏度多数无法达到实际应用要求，由图4(a)能够清楚地看到电压值变化约为0.049 V；多环形电容传感器以中心电极为激励电极，四个环形接收电极等相邻间隔由近及远式分布，从仿真结果可以看到靠近激励电极的相邻接收电极间电势差最为明显，但远离激励电极的最外围相邻接收电极间电势差变化微弱，因此传感器检测范围较小，传感器电容检测平均值不高，由图4(b)可知，传感器最大电压变化约为1.270 V。通过调节多环形电容传感器的极板间距离或激励极板与接收极板的面积，能够改进多环形传感器的性能。(a)圆阵电容传感器(a)round array capacitance sensor (b)多环形电容传感器(b)multi-ring capacitance sensor (c)花型电容传感器(c)flower-shaped capacitance sensor 图 4 三种相邻电容传感器的电场分布 COMSOL 仿真 Fig.4 The potential distribution of the three types of sensors simulated by COMSOL 花型电容传感器，结合了圆阵电容传感器与多环形电容传感器的结构优点，在相同尺寸和激励电压下，增大了激励电极的面积，并增大了激励电极与接收电极的有效公共边缘，从而增加了边缘电容，提高了传感器灵敏度。此外花型电容传感器的四个接收电极与激励电极间距相同，便于比较各电极对的电容变化差异，能够有效的降低系统控制单元的误判情况，由图4(c)可知，传感器电压变化约为0.697 V。应用阻抗分析仪对基于PCB板的三组相邻电容传感器进行实际性能测试，三组相邻电容传感器外径为50 mm，均由一个激励电极与四个接收电极组成。1）圆阵电容传感器的接收极板（圆阵）半径为2 mm，传感器激励电极与接收电极的间距为6 mm；2）多环形电容传感器中心激励电极半径为4 mm，首（最近）接收电极与激励电极间距为3 mm，其余相邻接收电极间距均为2 mm，接收电极环宽3 mm；3）花型电容传感器中心校正电极与激励电极间距为1 mm，接收电极与激励电极间距均为6 mm。通过芯片AD7142为传感器提供3 V的激励电压与传感器屏蔽零电势进行传感器性能测试。与有限元仿真结果吻合，在相同测量环境与测量方式下，以水作为实验待测液体，对传感器表面水膜厚度由薄到厚进行30组测试，水膜起始厚度约为0.2 mm，依次以约0.2 mm的幅度递增测量，抽取其中10组实验结果进行比较分析。圆阵电容传感器对于水膜厚度增加的电容响应微弱，电极对的电容值平均变化约为0.011 5 pF；多环形电容传感器的首电极，对水膜厚度增加时的电容响应强烈，电容值变化最大，但其余电极对的电容响应由于距离变化迅速下降，最外层接收电极基本没有电容响应，传感器电容平均值变化为0.074 9 pF；花型电容传感器对水膜厚度的 42 仪 器 仪 表 学 报 第 31 卷 增加变化明显，电容值平均变化约为0.125 0 pF，显然花型电容传感器比其他两种电容传感器更灵敏，因此选择花型电容传感器作为系统传感器单元。由于多环形电容传感器的接收电极与激励电极，构成的电极对不是等距离电极对，因此，为了比较三种电容传感器的测量性能，取各电容传感器的电容变化均值进行比较，实验所得电容值均值分布如图5所示。图 5 电容传感器测量电容平均值的比较 Fig.5 The comparison of mean capacitance measured by the designed capacitance sensors 3.2 传感器噪声分析 由于相邻电容传感器测量值通常1 pF，因此，对于传感器噪声分析和抑制也是必要的。通常噪声主要来源于两方面，传感器自身噪声和环境噪声。通常传感器屏蔽用来降低传感器自身噪声，屏蔽面积越大，噪声影响越小,在PCB设计中可以降低噪声影响。需要注意的是，在系统设计的时候，传感器屏蔽应该与数据传输、转换电路共用屏蔽，此外，连接相邻传感器与数据转换传输电路的传输线也应该尽可能的短，用以降低传输噪声，增加测量精度；环境噪声包括灰尘，潮湿空气等的影响，其中温度是最主要的环境噪声。不同的温度通常导致不同液体的电容率r发生变化，以水为例，在0的时候水的电容率r为87.9，而在常温25左右的时候，电容率变为78.411。在实验测试中，由于使用人工水膜添加器控制水膜厚度，因此还存在人为误差。通过式(7)对测量电容进行归一化，能够明显的看出噪声在测量结果中的影响。minmaxminssMSNSS=(7)式中：Ns是归一化结果，Ms为在不同液体覆盖条件下的实际测量电容值；Smin表示电容传感器无液体覆盖时的测量电容值；Smax表示电容传感器覆盖液体膜最厚时的测量电容值。以花型电容传感器为例，测量电容归一化后取10组数据，如图6。在第8，9，10组测试数据时出现了噪声，出现测量数据下降。通过实验结果分析，得出由于水膜覆盖的不均匀，导致花型传感器接收电极电容值差异较大，但不影响传感器整体性能。并且该噪声对系统的影响可以通过传感器自校正电路或者控制系统中的功能芯片片上电容自校正功能，降低对测量准确性和精确度的影响。图 6 花型电容传感器测量电容值归一化 Fig.6 The normalized capacitance of the flower-shaped sensor 3.3 CDC 数据转换部分及系统控制部分电路设计 AD7142有14个输入口用来支持多极板电容传感器数据输入，在基于AD7142芯片的系统数据转换部分设计中，AD7142为传感器激励电极提供频率为250 kHz的方波电压信号，并为整个系统数据采集部分（传感器部分）提供屏蔽端口。控制部分芯片使用MSSP模块中SPI工作模式，由于AD7142，PIC18F452与其他部件集成在同一PCB上，数据发送芯片(AD7142)与数据接收处理芯片(PIC18F452)的传输距离非常短，因此系统使用同步通信模块，SPI的数据率最高为10Mbps。PIC芯片作为主芯片对系统进行初始化和控制，为从芯片提供时钟并控制通信率。主芯片通过SDO(serial data output)口向从芯片发送时钟信号和8位的控制信号，从芯片通过片上SDI(serial data input)口接收控制信号。同一时间，传感器采集到的电容值数据通过从芯片转换后进行反方向传输到主芯片的SDI口。整体的测试系统PCB设计与实物如图7所示。第 1 期 李 楠 等：一种绝缘体表液体自动测试系统 43 图 7 绝缘体表液体自动探测系统 Fig.7 The automatic detection system for liquid on isolated surface 4 结 论 通过COMSO软件仿真以及阻抗分析仪实际的测试，证明了电容传感器能够作为系统数据测量采集部分，不仅能够大幅度降低成本，并且能够保证所需的测量精度（pF级变化）。通过比较三种实验用电容传感器用于液体检测的性能优缺点，确定以花型电容传感器作为系统传感器部分。由于系统传感器测量电容值变化微小，可以通过可编程运算放大器对转换后的电压值进行放大处理，需要注意的是噪声部分需要进行多级处理，尽量减少噪声误差对测量的影响。后续工作将针对硬件设计中仍然存在的问题包括：1)系统实验中对传感器误差 的 电 路 自 校 正 设 计 部 分；2)AD7142芯 片 与PIC18F452芯片的端口扩展以及系统的软件，包括系统初始化，数据采集和传输，报警以及警报级别控制进行完善和改进。参考文献 1 王云新,刘铁根,朱均超,等.嵌入式人体手背静脉图像采集系统的研制J.仪器仪表学报,2009,30(2):308-312.WANG Y X,LIU T G,ZHU J CH,et 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power conferenceJ.2005 IEEE,13-17 Jun.2005,1266-1269.44 仪 器 仪 表 学 报 第 31 卷 作者简介 李楠，2004，2006 年于西安电子科技大学分别获得学士，硕士学位，2006 年提前攻读电路与系统博士学位，2008 年获得英国曼彻斯特大学理学硕士学位，现为西安电子科技大学智能控制与图像工程研究所（Institute of Intelligent Control&Image En-gineering）研究员，主要研究方向：电容层析传感器设计和技术，电容层析技术的应用和研究，层析技术的改进，电容层析结果图像重组等。E-mail：Nan.lihotmail.co.uk Li Nan received his BSc degree in observation control tech-niques and instruments from Xidian University,Xian,China,in 2004,and MSc degree in sensors and electronic instrumenta-tion from University of Manchester,Manchester,UK,in 2008.He is currently pursuing PhD degree at Institute of Intelligent Control and Image Engineering(ICIE),Department of Elec-tro-Mechanical Engineering,Xidian University,Xian,China.His research interests include electrical capacitance sensor design,applications of electrical capacitance tomography,and image reconstruction for electrical capacitance tomography.郭宝龙，教授，博士生导师，1984 年，1988 年，1995 年于西安电子科技大学分别授予学士，硕士和博士学位，攻读通信与电子系统专业。1998-1999 年作为访问学者做客日本同志社大学（Doshisha University）工学部，现为西安电子科技大学智能控制与图像工程研究所所长。研究领域：神经网络，模式识别，智能信息处理，图像处理以及图像通信等。E-mail: Guo Baolong received his BSc,MSc and PhD degrees all from Xidian University in 1984,1988 and 1995,respectively,and all in communication and electronic system.From 1998 to 1999,he was a visiting scientist at Doshisha University,Japan.He is currently a full professor with Institute of Intelligent Control&Image Engineering(ICIE),Xidian University.His research interests include neural networks,pattern recognition,intelligent information processing,and image processing and image communication.