CN101285673A - 电容比值式覆冰厚度传感器及其检测方法 - Google Patents

Abstract

电容比值式覆冰厚度传感器及其检测方法特征是：由传感器内部单片机，双路电容数字转换器，极板之间充满被检测介质覆冰或空气，几何结构与基准平行极板检测电容器完全相同并且按固定标尺刻度间距位置排列的一组平行极板检测电容器，双路可编程控制刻度选通电路组成相对电容值检测回路；在单片机控制下将各相对电容值检测回路检测所获得的电容值与由传感器内部单片机，双路电容数字转换器，基准平行极板检测电容器组成基准电容值检测回路检测所获得的基准电容值进行比较计算，通过对比值结果进行分析判断来实现对传感器表面覆冰厚度的测量。该传感器在冰雨或冰冻条件下可以对悬空输电线及塔架，建筑物或设备表面，树枝等的覆冰厚度进行连续自动检测。

Description

电容比值式覆冰厚度传感器及其检测方法

技术领域

电容比值式覆冰厚度传感器及其检测方法属于自动化检测技术领域的一项发明。它是一种用于冰雨或冰冻条件下对物体表面覆冰层厚度进行定点自动连续检测的传感器及其检测方法。

背景技术

在冰雨或冰冻条件下对悬空输电线、高压输电线、固定塔架，建筑物或各种静止或移动的物体表面、悬空支架、树枝等覆冰厚度进行定点连续自动检测的传感器装置及其检测方法可归纳为如下三种类型：

一类是直接测量法，它依靠人工用尺即直接测量物体表面覆冰厚度，它的其优点是数据可靠，但缺点是自动化程度低，不能够保证在同一地点自动定时检测或在多地点同步进行自动化连续检测，当测量高压输电线及其塔架、移动的飞机机翼表面、船舶、钻井架等物体表面覆冰厚度时具有很大的危险性，影响到物体表面覆冰的生消预测预报；

第二类是通过摄像装置通过对物体表面覆冰情况进行连续摄像监测并将获得的物体表面覆冰图象视频信号传输到监测中心处理，其优点是适宜于对大面积物体表面覆冰监测，缺点是无法掌握覆冰层结构内部的生消变化过程；

第三类方法是通过电磁学、光学等物理探测方法，如超声波、红外探测法等。经查阅资料和检索我们发现的覆冰厚度传感器有：

1)2003年，欧洲科学家发明了一种新型冰层传感器，它可以鉴别出飞机等机械表面凝结的厚度在0.1mm以上的冰层。本项目由这一由欧盟资助，的科研项目由欧洲多国科学家参加并完成。这种冰层传感器主要是由钢材料制成的新型传感器内部有一套复杂的光学系统，以及两个或多个半导体薄片。在外部气候条件发生改变化的情况下，半导体薄层内的电子移动会随之发生改变。经过与之相配的光学镜像系统进行处理后，这套系统最终能够释放出激光束。通过对激光束的特性进行测量，控制人员就可以精确获知感应器探头上形成的冰层厚度(欧洲发明新型冰层传感器，传感器世界，2004.1.16)

2)1993年美国科罗拉多州林姆技术有限公司的G·L·斯托拉齐克(公开号：CN1094812A)一种“对固体材料表面上的液体水和冰层的检测设备与方法”发明专利，其系统构成及原理为：一个天线，用于放在受到冰和/或水层积累的表面位置，并具有一个谐振频率和含有实数项的输入导纳；与该天线耦合的麦克斯韦电桥装置，用于检测所述谐振频率、所述输入导纳和所述实数项；以及频率扫描装置，用于在接近于所述谐振频的多个频率上驱动天线，其中所述谐振频率、所述输入导纳和所述实数项可以被确定。

3)公开号为CN1560560的一种“冰层厚度传感器及其检测方法”发明专利，冰层厚度传感器及其检测方法[申请(专利)号200410012164.2]是利用水，冰，空气电阻值差异进行冰层厚度检测的一种传感器，其构成特征是由传感器内部检测电源正极经传感器内、外侧壁中间空间内充满的被检测介质，包括水，冰，空气，与按标尺刻度位置排列的传感器每一个金属检测触点，内部刻度译码开关电路，电导识别电路与检测电源负电极组成检测回路，通过传感器内部单片机控制电路按一定编码顺序产生刻度译码开关控制信号依次接通各金属检测触点对应的检测电路进行冰层厚度测量的传感器。

本发明研制成功了一种基于空气与冰2的电容特性差异、通过基准平行板电容器在极板空间为被测介质(空气或覆冰)与极板空间为空气介质时所测电容值的比值判断来实现对物体表面覆冰层厚度进行自动测量的传感器及其检测方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种对物体表面覆冰层厚度进行自动测量的传感器及其检测方法。利用该传感器和检测方法在冰雨或冰冻条件下可以对悬空输电线，高压输电线固定塔架，建筑物或各种静止或移动设备、悬空支架，以及树枝等的覆冰厚度进行定点连续自动检测。它可准确地测量附作在被测物体表面的覆冰层厚度的变化。

电容比值式覆冰厚度传感器是一种基于空气与冰的电容特性差异，通过将检测获得的电容值与极板空间介质为空气的基准平行极板检测电容器电容值进行比较实现连续自动检测物体表面覆冰厚度的传感器。

电容比值式覆冰厚度传感器特征是：传感器由外部安装有悬挂固定钩的矩型金属屏蔽保护外壳1，嵌入在矩型金属屏蔽保护外壳1内部的单片机2，由专用集成电路AD7746构成的双路电容数字转换器3，极板之间空间内始终充满空气介质、两电容极板与双路电容数字转换器3中某一路信号输入端相连接的基准平行极板检测电容器4，极板之间空间内充满被检测介质覆冰或空气、几何结构与基准平行极板检测电容器完全相同并且按固定标尺刻度间距位置排列的一组平行极板检测电容器5，由两片通用集成电路CD4067构成的双路可编程控制刻度选通电路6，绝缘保温密封添充材料7和接线插座8构成；其中，单片机2可以采用MSC-51系列及其兼容8位单片机或MSP-430系列及其兼容16位单片机，双路可编程控制刻度选通电路6中两片CD4067集成电路各对应输入端通过导线按相同顺序分别与各平行极板检测电容器5两側的电容极板相连接，公共输出端通过导线与双路电容数字转换器3中另一路信号输入端相连接；暴露于被测空间的各平行极板检测电容器两极片空间充满被检测介质，包括覆冰，空气。

使用时，首先将传感器垂直固定在被测物体表面或下方，检测时外部电源通过传感器接线插座8给传感器内部检测电路接通工作电源后，传感器内部单片机2通过固化在内部ROM存储器内的程序经自己的I/O接口，同时向构成双路可编程控制刻度选通电路6的两片CD4067禁止端15脚发送低电平控制信号，然后按照从1到16的BCD码编码顺序同时向两片CD4067的译码选通端10脚、11脚、13脚、14脚发出译码选通控制信号，使两片CD4067的16个输入端按照从1到16顺序与各自的公共输出端接通，也就是将电容两側极板分别与两片CD4067的16个输入端顺序相联结的各平行极板检测电容器5与双路电容数字转换器3中的另一路电容数字转换器信号输入端接通，这样就由传感器内部单片机2，双路电容数字转换器3中的另一路电容数字转换器，双路可编程控制刻度选通电路6，被接通的平行极板检测电容器5，被接通的平行极板检测电容器5极板空间内的被测介质形成电容检测回路，由于平行极板检测电容器5极板空间内的被测介质可能会是空气或覆冰两种状态，其不同的介电常数导致平行极板检测电容器呈现不同的电容数值，这一数值被双路电容数字转换器3转换成相应的数字量形式后输出并被单片机2采集，存储；与此同时，由传感器内部单片机2，双路电容数字转换器3，基准平行极板检测电容器4构成基准电容值检测回路，由于基准平行极板检测电容器4极板空间内的介质是空气，在一定温度下其呈现确定的电容数值，这一数值被双路电容数字转换器3转换成相应的数字量形式后输出后也被单片机2按照预先编制的程序采集，存储，并把已测得的各平行极板检测电容器5被检测电容值进行比较、判断；按照我们在实验室所做大量实验数据表明(见秦建敏，程鹏.电容式冰层厚度传感器及其检测方法的研究[J].微纳电子技术，2007，7/8：185-187)，对相同几何结构的平行极板电容器，当极板空间为冰与空气两种不同的介质材料时，其电容比值要大于等于2，根据这一特点，如果已测得的传感器某一刻度垂直水平切面平行极板检测电容器5被检测电容值相对于测得的基准电容值比值大于等于2，则可断定这一刻度垂直水平切面平行极板检测电容器5极板空间内被测介质是覆冰，反之为空气，最后对获取的各平行极板检测电容器5电容值进行比较判断后，当标尺刻度间距为事先确定好的固定长度值时，根据各平行极板检测电容器5对应的标尺位置与极板空间介质为覆冰的平行极板检测电容器个数，可以确定传感器表面：覆冰厚度＝固定长度值×介质为覆冰的平行极板检测电容器个数。

虽然平行极板电容器的电容值会随温度的变化发生偏移，但由于采用被测电容值的比值进行结果判断，这一偏移在比较过程中基本被抵消，所以传感器具有很好的温度稳定性。

本发明电容比值式覆冰厚度传感器可以在冰雨或冰冻条件下实现对悬空输电线，高压输电线固定塔架，建筑物，树枝或各种静止或移动设备表面、悬空支架，树枝等的覆冰厚度进行定点连续自动检测，它可准确地测量附作在被测物体表面的覆冰层厚度的变化。

本发明是基于空气与冰的电容特性差异，结合电子信息处理技术研制出的一种对物体表面覆冰层厚度进行自动测量的传感器和一种新的覆冰厚度检测方法。在整个检测过程中，控制信号与电容检测数据都是数字量，虽然平行极板电容器的电容值会随温度的变化发生偏移，但由于采用被测电容值的比值进行结果判断，这一偏移在比较过程中基本被抵消，传感器具有很强的抗干扰能力和温度稳定性，覆冰厚度判断计算方法简单、准确，结构简单，成本低廉以及安装方便，可以在恶劣环境下实现对物体表面覆冰厚度的连续自动检测。

附图说明

图1是本发明电容比值式覆冰厚度传感器的正视结构俯视示意图

图2是图1的俯视结构示意图

图中：1：矩型金属屏蔽保护外壳  2：单片机  3：双路电容数字转换器  4：基准平行极板检测电容器  5：平行极板检测电容器  6：双路可编程控制刻度选通电路  7：绝缘保温密封添充材料  8：接线插座

具体实施方式

实施方式举例一

树枝悬浮覆冰厚度的检测：

首先，将附图中所示传感器垂直悬挂并固定在被测树枝任一部位，通过屏蔽多芯防水电缆将传感器导线连接插座8与固定在树干上的工作电源和信号发射装置相连。检测时外部电源通过传感器接线插座8给传感器内部检测电路接通工作电源后，传感器内部单片机2通过固化在内部ROM存储器内的程序经自己的I/O接口，同时向构成双路可编程控制刻度选通电路6的两片CD4067禁止端15脚发送低电平控制信号，然后按照从1到16的BCD码编码顺序同时向两片CD4067的译码选通端10脚、11脚、13脚、14脚发出译码选通控制信号，使两片CD4067的16个输入端按照从1到16顺序与各自的公共输出端接通，也就是将电容两側极板分别与两片CD4067的16个输入端顺序相联结的各平行极板检测电容器5与双路电容数字转换器3中的另一路电容数字转换器信号输入端接通，这样就由传感器内部单片机2，双路电容数字转换器3中的另一路电容数字转换器，双路可编程控制刻度选通电路6，被接通的平行极板检测电容器5，被接通的平行极板检测电容器5极板空间内的被测介质形成电容检测回路，由于平行极板检测电容器5极板空间内的被测介质可能会是空气或覆冰两种状态，其不同的介电常数导致平行极板检测电容器呈现不同的电容数值，这一数值被双路电容数字转换器3转换成相应的数字量形式后输出并被单片机2采集，存储；与此同时，由传感器内部单片机2，双路电容数字转换器3，基准平行极板检测电容器4构成基准电容值检测回路，由于基准平行极板检测电容器4极板空间内的介质是空气，在一定温度下其呈现确定的电容数值，这一数值被双路电容数字转换器3转换成相应的数字量形式后输出后也被单片机2按照预先编制的程序采集，存储，并把已测得的各平行极板检测电容器5被检测电容值进行比较、判断；按照我们在实验室所做大量实验数据表明(见秦建敏，程鹏.电容式冰层厚度传感器及其检测方法的研究[J].微纳电子技术，2007，7/8：185-187)，对相同几何结构的平行极板电容器，当极板空间为冰与空气两种不同的介质材料时，其电容比值要大于等于2，根据这一特点，如果已测得的传感器某一刻度垂直水平切面平行极板检测电容器5被检测电容值相对于测得的基准电容值比值大于等于2，则可断定这一刻度垂直水平切面平行极板检测电容器5极板空间内被测介质是覆冰，反之为空气，最后对获取的各平行极板检测电容器5电容值进行比较判断后，当标尺刻度间距为事先确定好的固定长度值时，根据各平行极板检测电容器5对应的标尺位置与极板空间介质为覆冰的平行极板检测电容器个数，可以确定传感器表面：覆冰厚度＝固定长度值×介质为覆冰的平行极板检测电容器个数。这一数值可以通过固定在输电线塔架上的信号发射装置(如GSM调制解调器或GPRS调制解调器等)发送到数据处理中心进行进一步处理。

实施方式举例二.

海上石油钻井塔架悬浮覆冰厚度的检测：

首先，将附图中所示传感器垂直悬挂并固定在海上石油钻井塔架任一部位，通过屏蔽多芯防水电缆将传感器导线连接插座8与固定在海上石油钻井塔架上的工作电源和信号发射装置相连。检测时外部电源通过传感器接线插座8给传感器内部检测电路接通工作电源后，传感器内部单片机2通过固化在内部ROM存储器内的程序经自己的I/O接口，同时向构成双路可编程控制刻度选通电路6的两片CD4067禁止端15脚发送低电平控制信号，然后按照从1到16的BCD码编码顺序同时向两片CD4067的译码选通端10脚、11脚、13脚、14脚发出译码选通控制信号，使两片CD4067的16个输入端按照从1到16顺序与各自的公共输出端接通，也就是将电容两側极板分别与两片CD4067的16个输入端顺序相联结的各平行极板检测电容器5与双路电容数字转换器3中的另一路电容数字转换器信号输入端接通，这样就由传感器内部单片机2，双路电容数字转换器3中的另一路电容数字转换器，双路可编程控制刻度选通电路6，被接通的平行极板检测电容器5，被接通的平行极板检测电容器5极板空间内的被测介质形成电容检测回路，由于平行极板检测电容器5极板空间内的被测介质可能会是空气或覆冰两种状态，其不同的介电常数导致平行极板检测电容器呈现不同的电容数值，这一数值被双路电容数字转换器3转换成相应的数字量形式后输出并被单片机2采集，存储；与此同时，由传感器内部单片机2，双路电容数字转换器3，基准平行极板检测电容器4构成基准电容值检测回路，由于基准平行极板检测电容器4极板空间内的介质是空气，在一定温度下其呈现确定的电容数值，这一数值被双路电容数字转换器3转换成相应的数字量形式后输出后也被单片机2按照预先编制的程序采集，存储，并把已测得的各平行极板检测电容器5被检测电容值进行比较、判断；按照我们在实验室所做大量实验数据表明(见秦建敏，程鹏.电容式冰层厚度传感器及其检测方法的研究[J].微纳电子技术，2007，7/8：185-187)，对相同几何结构的平行极板电容器，当极板空间为冰与空气两种不同的介质材料时，其电容比值要大于等于2，根据这一特点，如果已测得的传感器某一刻度垂直水平切面平行极板检测电容器5被检测电容值相对于测得的基准电容值比值大于等于2，则可断定这一刻度垂直水平切面平行极板检测电容器5极板空间内被测介质是覆冰，反之为空气，最后对获取的各平行极板检测电容器5电容值进行比较判断后，当标尺刻度间距为事先确定好的固定长度值时，根据各平行极板检测电容器5对应的标尺位置与极板空间介质为覆冰的平行极板检测电容器个数，可以确定传感器表面：

覆冰厚度＝固定长度值×介质为覆冰的平行极板检测电容器个数。这一数值可以通过固定在石油钻井塔架上的信号发射装置(如数传电台等)发送到数据处理中心进行进一步处理。

Claims (2)

1.电容比值式覆冰厚度传感器，内部含有单片机、双路电容数字转换器、基准平行极板检测电容器、一组平行极板检测电容器、双路可编程控制刻度选通电路，其特征是：传感器由外部有悬挂固定钩的矩型金属屏蔽保护外壳(1)，嵌入在矩型金属屏蔽保护外壳(1)内部的单片机(2)，由专用集成电路AD7746构成的双路电容数字转换器(3)，极板之间空间内始终充满空气介质、两电容极板与双路电容数字转换器(3)中某一路信号输入端相连接的基准平行极板检测电容器(4)，极板之间空间内充满被检测介质覆冰或空气、几何结构与基准平行极板检测电容器完全相同并且按固定标尺刻度间距位置排列的一组平行极板检测电容器(5)，由两片通用集成电路CD4067构成的双路可编程控制刻度选通电路(6)，绝缘保温密封添充材料(7)和接线插座(8)构成；其中，单片机(2)可以采用MSC-51系列及其兼容8位单片机或MSP-430系列及其兼容16位单片机，双路可编程控制刻度选通电路(6)中两片CD4067集成电路各对应输入端通过导线按相同顺序分别与各平行极板检测电容器(5)两侧的电容极板相连接，公共输出端通过导线与双路电容数字转换器(3)中另一路信号输入端相连接；暴露于被测空间的各平行极板检测电容器两极片空间充满被检测介质，包括覆冰，空气。

2.权利要求1所述的电容比值式覆冰厚度传感器的检测方法特征在于，使用时，首先将传感器垂直固定在被测物体表面或下方，检测时外部电源通过传感器接线插座(8)给传感器内部检测电路接通工作电源后，传感器内部单片机(2)通过固化在内部ROM存储器内的程序经自己的I/O接口，同时向构成双路可编程控制刻度选通电路(6)的两片CD4067禁止端15脚发送低电平控制信号，然后按照从1到16的BCD码编码顺序同时向两片CD4067的译码选通端10脚、11脚、13脚、14脚发出译码选通控制信号，使两片CD4067的16个输入端按照从1到16顺序与各自的公共输出端接通，也就是将电容两侧极板分别与两片CD4067的16个输入端顺序相联结的各平行极板检测电容器(5)与双路电容数字转换器(3)中的另一路电容数字转换器信号输入端接通，这样就由传感器内部单片机(2)，双路电容数字转换器(3)中的另一路电容数字转换器，双路可编程控制刻度选通电路(6)，被接通的平行极板检测电容器(5)，被接通的平行极板检测电容器(5)极板空间内的被测介质形成电容检测回路，由于平行极板检测电容器(5)极板空间内的被测介质可能会是空气或覆冰两种状态，其不同的介电常数导致平行极板检测电容器呈现不同的电容数值，这一数值被双路电容数字转换器(3)转换成相应的数字量形式后输出并被单片机(2)采集，存储；与此同时，由传感器内部单片机(2)，双路电容数字转换器(3)，基准平行极板检测电容器(4)构成基准电容值检测回路，由于基准平行极板检测电容器(4)极板空间内的介质是空气，在一定温度下其呈现确定的电容数值，这一数值被双路电容数字转换器(3)转换成相应的数字量形式后输出后也被单片机(2)按照预先编制的程序采集，存储，并把已测得的各平行极板检测电容器(5)被检测电容值进行比较、判断；按照我们在实验室所做大量实验数据表明(见秦建敏，程鹏.电容式冰层厚度传感器及其检测方法的研究[J].微纳电子技术，2007，7/8：185-187)，对相同几何结构的平行极板电容器，当极板空间为冰与空气两种不同的介质材料时，其电容比值要大于等于2，根据这一特点，如果已测得的传感器某一刻度垂直水平切面平行极板检测电容器(5)被检测电容值相对于测得的基准电容值比值大于等于2，则可断定这一刻度垂直水平切面平行极板检测电容器(5)极板空间内被测介质是覆冰，反之为空气，最后对获取的各平行极板检测电容器(5)电容值进行比较判断后，当标尺刻度间距为事先确定好的固定长度值时，根据各平行极板检测电容器(5)对应的标尺位置与极板空间介质为覆冰的平行极板检测电容器个数，可以确定传感器表面：

覆冰厚度＝固定长度值x介质为覆冰的平行极板检测电容器个数。

虽然平行极板电容器的电容值会随温度的变化发生偏移，但由于采用被测电容值的比值进行结果判断，这一偏移在比较过程中基本被抵消，所以传感器具有很好的温度稳定性。

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