單一平面電容式漏水檢測傳感器的研究

楊亭　粘丹妮

摘 要： 針對北方地區冬季暖氣管道漏水可能導致的大型設備機房或重要儀器損壞的問題，提出了一種用于管道漏水檢測的單一平面電容式傳感器的設計方案。該裝置利用平面電容原理，檢測水滴落在平面電容上時引起的電容變化，采用微電容測量電路將電容轉換成頻率，然后通過單片機處理后計算出電容值，通過和預先設定的閾值電容的比較來判斷平板上是否漏水。經實際試驗，該方案實施的平面電容式漏水檢測傳感器應用于管道漏水檢測具有結構簡單、成本便宜、性能可靠的特點。

關鍵詞： 平面電容； 傳感器； 漏水檢測； 微電容

中圖分類號： TN911.7?34； TM932 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）11?0158?03

Abstract： In order to prevent the damage of the large scale equipments caused by heating pipe leakage， a design scheme of single planar capacitance water sensor is proposed to detect the pipe leakage. The principle of the planar capacitance is adopted in the device to detect the capacitance variation when water drop drips down on the planar capacitor. The micro?capacitor detecting circuit is used to transfer the capacitance to frequency， and then calculate capacitance value by a single chip microcomputer to judge whether the water leakage has happened by comparing it with the previously?set value. The test results show that the device has the characteristics of simple structure， low cost and reliable performance in water leakage detection.

Keywords： planar capacitance； sensor； water leakage detection； micro?capacitor

0 引 言

電容器的電容量是構成電容器的極板形狀、大小、相互位置及電介質介電常數的函數，利用這種可變參數的性質，人們制造出了許多具有不同用途的電容傳感器，如測量位移、壓力、加速度、材料厚度、成分含量[1]。電容器上的漏水將改變電容器的介電常數，所以采用電容傳感器檢測漏水具有可行性。針對北方冬季的暖氣管道漏水可能導致一些重要機房的設備損壞的問題，目前的漏水檢測設備具有結構復雜、成本昂貴等缺點，采用電容式傳感器檢測漏水具有結構簡單、成本便宜、性能可靠的特點。

1 原理概述

平面電容式漏水檢測傳感器檢測管道漏水是基于平面電容式的原理，平面電容式極板上的兩個極板可組成一個兩端子電容器[2]，平面電容式傳感器是利用電容器的邊緣電場（Fringing Electric Field，FEF） 進行檢測[3]。實際應用中，平面電容式傳感器不僅能夠將檢測面和鍍膜面分離開來從而防止傳感器損壞，而且能夠增加電容器的抗干擾能力。傳感器的兩個極板是很薄的金屬膜片，它通過光學鍍膜的方式或機械的方式安裝于玻璃基底上。

傳感器采用耐磨玻璃作為基底，考慮到水的介電常數為48～80，空氣的介電常數為1，玻璃的介電常數為4～11，通過測量傳感器極間電容值變化來判斷雨量是可行的[4]。當傳感器的檢測面干燥時，兩極板間的介電常數約為一定值。如果將平面電容漏水檢測傳感器的水量檢測面置于液體中，此時兩極板間的介電常數將發生顯著變化，從而導致兩極板間的電容發生變化。正是由于這種微小的電容變化，可以通過測量極板上的微小電容變化，將電容變化轉換成頻率變化由單片機進一步處理，從而判斷出極板上是否有水量變化。

需要注意的是，由于該電容變化值很小只有幾十pF，一般實際測量中需要將多個傳感器并聯使用，從而提高電容變化量。但是單個傳感器的寄生電容在特定環境下仍會嚴重影響到測量電容的變化值，在電路中需要采取有效的措施來抑制外界的干擾。圖1給出了平面電容式漏水檢測傳感器的結構示意圖，其中圖（a）是鍍膜面的示意圖，圖（b）是檢測面的示意圖。A和B是平面電容的引出電極，分別接至電容?頻率電路輸入端。

2 硬件方案設計

漏水檢測硬件電路由P89C51單片機最小系統、RS 232接口電路、電容?頻率轉換電路、報警電路、溫度補償電路、電源電路等組成。為了提高測量電容值的抗干擾能力，設計中采用了以下幾種措施[5]：

（1） 平面電容的電極A和B到電容頻率轉換電路的電纜長度應盡量短，同時電纜采用雙絞屏蔽線來提高信號的抗干擾能力。

（2） 電路中選用的電阻電容等元器件，應選溫度系數好的RJ?1或RJ?2金屬膜精密電阻，電容應選溫度特性好的陶瓷電容[6]抑制溫度對測量精度的影響。

（3） 初始電容的抵消，采用實測電容和初始電容之差[ΔCx=Cx-Cx0]檢測。

（4） 根據多次試驗結果選擇合適的閾值電容[ΔCref]。

單片機最小系統、電源電路、報警電路和RS 232接口電路方案框圖如圖2所示。

微電容的測量通過電容?頻率轉換電路完成，其核心是一個555振蕩電路[7]將微電容轉換成頻率后輸出給P89C51單片機，單片機通過內部的計數器T1來對輸入的頻率計數，通過頻率?電容反演計算后得到電容值。采用傳感器檢測面干燥時的電容值作為初始電容[Cx0，]當傳感器的檢測面上漏水后，導致其輸出的電容變化為[Cx，]電容變化量[ΔCx]為：

[ΔCx=Cx-Cx0]

通過試驗設定一個閾值頻率[ΔCref，]當[ΔCx>ΔCref]時，認為檢測面上有檢測到足夠的水量，然后單片機控制報警電路實現報警，否則認為極板上未檢測到水量，圖3是電容?頻率變換電路檢測微電容示意圖[8]。

上述電路能夠將A、B兩端的電容[Cx]轉換成頻率輸出，然后在單片機內部對頻率計數計算出頻率值，通過頻率反演出電容值[Cx。]對上述電容?頻率電路的pspice對[Cx]做參數仿真[9]，選取[Cx]的值分別是10 pF，50 pF，100 pF，得到仿真結果如圖4所示。

由于平面電容傳感器單個傳感器的容量較小，單片傳感器的容值一般在幾十pF。而P89C51單片機采集到的是經過電容?頻率轉換電路后的頻率值，為了得到傳感器上的實際電容值，需要根據電容?頻率曲線反演出傳感器采集到的電容值。表1是電容從10～100 pF的電容?頻率仿真數據，在小電容變化范圍內，可近似認為電容?頻率曲線是線性變化的。圖5是電容?頻率轉換曲線。軟件反演過程中，需要對電容?頻率曲線做線性分段擬合[Cx=a*f+b，]將10～100 pF分成10個線性區間，得到每個區間的線性系數，從而單片機能夠反演出傳感器采集到的微電容值。

3 軟件設計

單片機內部軟件采用C51編寫，主要是通過軟件實現以下幾個功能：

（1） 單片機硬件初始化，主要是Timer1定時器、UART，INT0的初始化。

（2） 通過T1計數器在一定時間內利用外脈沖觸發（INT0）的方式對頻率計數。

（3） 根據當前頻率計數值，通過線性擬合系數反演出當前的電容值，并和初始電容值之差來計算兩極板間電容變化量。

（4） 通過電容變化量和閾值電容量比較，軟件給出是否有漏水判斷。如果漏水判斷結果標識位置位，單片機的某一個IO輸出特定頻率的方波，驅動蜂鳴器報警。

（5） 單片機通過RS 232接口將電容量和漏水檢測結果發送給計算機。

單片機內部軟件執行流程如圖6所示。

4 試驗驗證

實際測試過程中，在25 ℃的實驗室內采用注射器針頭注射直徑約1 mm的水滴到傳感器的檢測面上來驗證該傳感器的檢測水量的功能，傳感器檢測面干燥時的初始電容值經測定約為10 pF，表2是試驗測試的傳感器水量和電容變化值的關系。

從上述測量結果可以看出，傳感器的電容值隨著傳感器檢測面上的水量增加而增大，并且趨于一個最大值。需要注意的是，電容值和水量的定量關系受很多因素的影響，比如環境溫度、水滴大小、水滴含雜質成分、檢測面上玻璃的潔凈度、玻璃材料和厚度、極板面積以及電路中測電容的誤差等。不同的溫度通常導致不同的液體介電常數，以水為例，在0 ℃時水的介電常數為87.9，而在常溫25 ℃時，介電常數變為[10]78.4。測試過程中，由于采用注射器添加水滴量，因此還存在人為誤差。測量到的電容值實際上是上述因素的綜合結果，測量的電容值誤差會比較大。但是考慮到實際應用過程中，只需要檢測傳感器的檢測面上是否有足夠多的水存在，所以只要選擇合適的電容量的閾值，就可以判斷出傳感器檢測面上是否有水，從而單片機給出報警信號。

5 結 論

本文主要的創新是提出了一種適用于管道漏水檢測的平面電容式傳感器，并給出了其在漏水檢測裝置中的應用方案，然后通過進一步的硬件和軟件設計給出了實驗驗證。針對現有的管道漏水檢測裝置結構復雜、價格昂貴、使用不夠靈活等缺點，本方案實施的漏水檢測裝置簡單易行、穩定可靠、成本極低。

參考文獻

[1] 劉少剛，安進華，羅躍生，等.單一平面電容傳感器數學模型及有限元解法研究[J].哈爾濱工程大學學報，2011，32（1）：79?80.

[2] LI Xiao?bei， LARSON S D， ZYUZIN A S. Design principles for multichannel ringing electric field sensors [J]. IEEE Sensors Journal， 2006， 6（2）： 434?440.

[3] 王挺，范文茹，郝魁紅，等.平面電容式傳感器陣列激勵模式研究[J].傳感器與微系統，2012，31（9）：71?72.

[4] 李楠，郭寶龍，王湃.車輛雨刷自動控制系統中相鄰電容傳感器設計[J].機械工程學報，2010，46（14）：12?16.

[5] 王幸之.單片機應用系統抗干擾技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2000.

[6] 肖志紅.平板式電容傳感器測量電路研究[J].現代電子技術，2004，27（17）：105?106.

[7] 婁銀霞.基于電容式雨水傳感器的智能雨刷控制系統研究[J].河南科學，2013，31（4）：453?454.

[8] 毛國華，張琪，張馨少.微型高精度寬范圍電容頻率轉換電路的研制[J].通信電源技術，2013，30（4）：42?43.

[9] 郭文強，侯勇嚴.基于PSPICE的555定時器電路仿真分析[J].陜西科技大學學報，2006（4）：92?93.

[10] MASTIN Chaflin. Water properties （including heavy water data） [EB/OL]. （2008?10?22） [2009?05?15]. http：//www.lsbu.ac.uk/water/data.

微電容的測量通過電容?頻率轉換電路完成，其核心是一個555振蕩電路[7]將微電容轉換成頻率后輸出給P89C51單片機，單片機通過內部的計數器T1來對輸入的頻率計數，通過頻率?電容反演計算后得到電容值。采用傳感器檢測面干燥時的電容值作為初始電容[Cx0，]當傳感器的檢測面上漏水后，導致其輸出的電容變化為[Cx，]電容變化量[ΔCx]為：

[ΔCx=Cx-Cx0]

通過試驗設定一個閾值頻率[ΔCref，]當[ΔCx>ΔCref]時，認為檢測面上有檢測到足夠的水量，然后單片機控制報警電路實現報警，否則認為極板上未檢測到水量，圖3是電容?頻率變換電路檢測微電容示意圖[8]。

上述電路能夠將A、B兩端的電容[Cx]轉換成頻率輸出，然后在單片機內部對頻率計數計算出頻率值，通過頻率反演出電容值[Cx。]對上述電容?頻率電路的pspice對[Cx]做參數仿真[9]，選取[Cx]的值分別是10 pF，50 pF，100 pF，得到仿真結果如圖4所示。

由于平面電容傳感器單個傳感器的容量較小，單片傳感器的容值一般在幾十pF。而P89C51單片機采集到的是經過電容?頻率轉換電路后的頻率值，為了得到傳感器上的實際電容值，需要根據電容?頻率曲線反演出傳感器采集到的電容值。表1是電容從10～100 pF的電容?頻率仿真數據，在小電容變化范圍內，可近似認為電容?頻率曲線是線性變化的。圖5是電容?頻率轉換曲線。軟件反演過程中，需要對電容?頻率曲線做線性分段擬合[Cx=a*f+b，]將10～100 pF分成10個線性區間，得到每個區間的線性系數，從而單片機能夠反演出傳感器采集到的微電容值。

3 軟件設計

單片機內部軟件采用C51編寫，主要是通過軟件實現以下幾個功能：

（1） 單片機硬件初始化，主要是Timer1定時器、UART，INT0的初始化。

（2） 通過T1計數器在一定時間內利用外脈沖觸發（INT0）的方式對頻率計數。

（3） 根據當前頻率計數值，通過線性擬合系數反演出當前的電容值，并和初始電容值之差來計算兩極板間電容變化量。

（4） 通過電容變化量和閾值電容量比較，軟件給出是否有漏水判斷。如果漏水判斷結果標識位置位，單片機的某一個IO輸出特定頻率的方波，驅動蜂鳴器報警。

（5） 單片機通過RS 232接口將電容量和漏水檢測結果發送給計算機。

單片機內部軟件執行流程如圖6所示。

4 試驗驗證

實際測試過程中，在25 ℃的實驗室內采用注射器針頭注射直徑約1 mm的水滴到傳感器的檢測面上來驗證該傳感器的檢測水量的功能，傳感器檢測面干燥時的初始電容值經測定約為10 pF，表2是試驗測試的傳感器水量和電容變化值的關系。

從上述測量結果可以看出，傳感器的電容值隨著傳感器檢測面上的水量增加而增大，并且趨于一個最大值。需要注意的是，電容值和水量的定量關系受很多因素的影響，比如環境溫度、水滴大小、水滴含雜質成分、檢測面上玻璃的潔凈度、玻璃材料和厚度、極板面積以及電路中測電容的誤差等。不同的溫度通常導致不同的液體介電常數，以水為例，在0 ℃時水的介電常數為87.9，而在常溫25 ℃時，介電常數變為[10]78.4。測試過程中，由于采用注射器添加水滴量，因此還存在人為誤差。測量到的電容值實際上是上述因素的綜合結果，測量的電容值誤差會比較大。但是考慮到實際應用過程中，只需要檢測傳感器的檢測面上是否有足夠多的水存在，所以只要選擇合適的電容量的閾值，就可以判斷出傳感器檢測面上是否有水，從而單片機給出報警信號。

5 結 論

本文主要的創新是提出了一種適用于管道漏水檢測的平面電容式傳感器，并給出了其在漏水檢測裝置中的應用方案，然后通過進一步的硬件和軟件設計給出了實驗驗證。針對現有的管道漏水檢測裝置結構復雜、價格昂貴、使用不夠靈活等缺點，本方案實施的漏水檢測裝置簡單易行、穩定可靠、成本極低。

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微電容的測量通過電容?頻率轉換電路完成，其核心是一個555振蕩電路[7]將微電容轉換成頻率后輸出給P89C51單片機，單片機通過內部的計數器T1來對輸入的頻率計數，通過頻率?電容反演計算后得到電容值。采用傳感器檢測面干燥時的電容值作為初始電容[Cx0，]當傳感器的檢測面上漏水后，導致其輸出的電容變化為[Cx，]電容變化量[ΔCx]為：

[ΔCx=Cx-Cx0]

通過試驗設定一個閾值頻率[ΔCref，]當[ΔCx>ΔCref]時，認為檢測面上有檢測到足夠的水量，然后單片機控制報警電路實現報警，否則認為極板上未檢測到水量，圖3是電容?頻率變換電路檢測微電容示意圖[8]。

上述電路能夠將A、B兩端的電容[Cx]轉換成頻率輸出，然后在單片機內部對頻率計數計算出頻率值，通過頻率反演出電容值[Cx。]對上述電容?頻率電路的pspice對[Cx]做參數仿真[9]，選取[Cx]的值分別是10 pF，50 pF，100 pF，得到仿真結果如圖4所示。

由于平面電容傳感器單個傳感器的容量較小，單片傳感器的容值一般在幾十pF。而P89C51單片機采集到的是經過電容?頻率轉換電路后的頻率值，為了得到傳感器上的實際電容值，需要根據電容?頻率曲線反演出傳感器采集到的電容值。表1是電容從10～100 pF的電容?頻率仿真數據，在小電容變化范圍內，可近似認為電容?頻率曲線是線性變化的。圖5是電容?頻率轉換曲線。軟件反演過程中，需要對電容?頻率曲線做線性分段擬合[Cx=a*f+b，]將10～100 pF分成10個線性區間，得到每個區間的線性系數，從而單片機能夠反演出傳感器采集到的微電容值。

3 軟件設計

單片機內部軟件采用C51編寫，主要是通過軟件實現以下幾個功能：

（1） 單片機硬件初始化，主要是Timer1定時器、UART，INT0的初始化。

（2） 通過T1計數器在一定時間內利用外脈沖觸發（INT0）的方式對頻率計數。

（3） 根據當前頻率計數值，通過線性擬合系數反演出當前的電容值，并和初始電容值之差來計算兩極板間電容變化量。

（4） 通過電容變化量和閾值電容量比較，軟件給出是否有漏水判斷。如果漏水判斷結果標識位置位，單片機的某一個IO輸出特定頻率的方波，驅動蜂鳴器報警。

（5） 單片機通過RS 232接口將電容量和漏水檢測結果發送給計算機。

單片機內部軟件執行流程如圖6所示。

4 試驗驗證

實際測試過程中，在25 ℃的實驗室內采用注射器針頭注射直徑約1 mm的水滴到傳感器的檢測面上來驗證該傳感器的檢測水量的功能，傳感器檢測面干燥時的初始電容值經測定約為10 pF，表2是試驗測試的傳感器水量和電容變化值的關系。

從上述測量結果可以看出，傳感器的電容值隨著傳感器檢測面上的水量增加而增大，并且趨于一個最大值。需要注意的是，電容值和水量的定量關系受很多因素的影響，比如環境溫度、水滴大小、水滴含雜質成分、檢測面上玻璃的潔凈度、玻璃材料和厚度、極板面積以及電路中測電容的誤差等。不同的溫度通常導致不同的液體介電常數，以水為例，在0 ℃時水的介電常數為87.9，而在常溫25 ℃時，介電常數變為[10]78.4。測試過程中，由于采用注射器添加水滴量，因此還存在人為誤差。測量到的電容值實際上是上述因素的綜合結果，測量的電容值誤差會比較大。但是考慮到實際應用過程中，只需要檢測傳感器的檢測面上是否有足夠多的水存在，所以只要選擇合適的電容量的閾值，就可以判斷出傳感器檢測面上是否有水，從而單片機給出報警信號。

5 結 論

本文主要的創新是提出了一種適用于管道漏水檢測的平面電容式傳感器，并給出了其在漏水檢測裝置中的應用方案，然后通過進一步的硬件和軟件設計給出了實驗驗證。針對現有的管道漏水檢測裝置結構復雜、價格昂貴、使用不夠靈活等缺點，本方案實施的漏水檢測裝置簡單易行、穩定可靠、成本極低。

參考文獻

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[2] LI Xiao?bei， LARSON S D， ZYUZIN A S. Design principles for multichannel ringing electric field sensors [J]. IEEE Sensors Journal， 2006， 6（2）： 434?440.

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[8] 毛國華，張琪，張馨少.微型高精度寬范圍電容頻率轉換電路的研制[J].通信電源技術，2013，30（4）：42?43.

[9] 郭文強，侯勇嚴.基于PSPICE的555定時器電路仿真分析[J].陜西科技大學學報，2006（4）：92?93.

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