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电容测量仪范文1
关键词： 单片机 555定时器 电容 电阻 测量
一 前言
测量电子元器件集中参数R、C的仪表种类较多，方法也各有不同，但都有其优缺点。一般的测量方法都存在计算复杂、不易实现自动测量而且很难实现智能化。例如，目前常用的电容测量仪器，大多是模拟电路，如电桥电路等， 若用数字显示就必须采用A/D转换器.测量的方法主要是通过电感耦合交流电桥， 双T型网络等，这些方法均存在不足之处。双T型网络虽然能够进行精密电容测量，但是需要有高精度标准电容和调节平衡的熟练工人， 仪器结构复杂，操作不便。而电阻测量的方法更是多种多样。随着单片机技术的发展，它在智能化测量仪表中的应用越来越广泛。它适用于机、电、仪一体化的智能产品，具有精度高低功耗、控制功能强、小巧等优点。利用单片机的软件来代替硬件功能，可使产品的体积缩小、功能增强实现不同程度的智能化以及仪表测量的自动化，并能进行数据分析处理，以达到仪表的高可靠性、高精度和多功能。
二 系统硬件部分介绍
1.C8051F系列单片机简介
C8051F系列单片机是一种典型的高性能单片机，是Cygnal 公司开发的产品。C8051F系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片（SOC），具有与MCS-51完全兼容的指令内核，采用流水线处理技术，不再区分时钟周期和机器周期，能在执行指令期间预处理下一条指令，提高了指令的执行效果。大部分C8051F单片机具备控制系统所需的模拟和数字外设，包括看门、ADC、DAC、电压比较器、电压基准输出、定时器、PWM、定时器捉和方波输出等，并具备多种总线接口。C8051F系列单片机采用Flash ROM技术，集成JTAG，支持在线编程和调试[6]。
2. 555电路
555定时器是一种模拟和数字电路相混合的集成电路内部电路如图2-1。它结构简单、性能可靠、使用灵活，外接少量阻容元件，即可组成多种波形发生器、多谐振荡器、定时延迟电路、报警、检测自控及家用电器电路，其应用非常之广。[2]
三 ，电容测量原理
1C/f变换
如果把555定时器集成电路接成多谐振荡器， 则其输出脉冲波形的周期T与外接电容C值成正比.外接电容C经R1和R2充电，其充电时间常数为T1=（R1+R2）*C，但放电只通过R2，其放电时间常数为T2=0.7R2C。如果电容在1/3VCC和2/3VCC之间充放电，则输出波形周期为：
T≈T1+T2=0.7（R1+2R2）*C……（1）
这里固定R1与R2，则T与C成正比，因此如果能够测出波形的周期，则电容值就容易确定。
在通常被测电容范围内，从（1）式计算出的周期很小、故改被测波形频率不仅测量容易，而且测量准确度也高。 将（1）式改写成（2）式：
f=1/0.7（R1+2R2）*C）…… （2）
从（2）式看出，只要测量输出波形的频率，就能够确定被测电容值，实现了c/f变换。
2 f/c变换
利用单片机计数器，测出输出波形的频率，可测出被测电容值。电容值与频率值成反比，利用软件编程实现频率值与电容值的转换。从（2） 式可推出f/c变换式（3）式：
C=1/[0.7（R1+2R2）*f]……（3）
由于单片机计数器有位数的限制，所以电容的量程也受到限制，因此要扩展量程，一方面可通过改变定时器的定时时间及计数器的重载实现，另一方面可通过改变电阻的数量级实现.
四.电阻测量原理
1R/f变换
如果把555定时器集成电路接成多谐振荡器， 则其输出脉冲波形的周期T与外接电阻（R1+2R2）的值成正比。外接电容C经R1和R2充电，其充电时间常数为T1=（R1+R2）*C，但放电只通过R2，其放电时间常数为T2=0.7R2C。如果电容在1/3VCC和2/3VCC之间充放电，则输出波形周期为：
T≈T1+T2=0.7（R1+2R2）*C……（1）
这里固定C，则T与（R1+2R2）成正比，而R1的值已知因此如果能够测出波形的周期，则电阻R2的值就容易确定。
在通常被测电阻范围内，从（1）式计算出的周期很小、故改变被测波形频率不仅测量容易，而且测量准确度也高。 将（1）式改写成（2）式：
f=1/0.7（R1+2R2）*C）……（2）
从（2）式看出，只要测量输出波形的频率，就能够确定被测电阻值，实现了R/f变换。
2 f/R变换
利用计数器，测出输出波形的频率，可测出被测电阻值。频率值和电阻值的转换可通过单片机实现.从（2） 式可推出R/c变换式（3）式：
R2=（1/（f*C）-R1）/2 ……（3）
要测量电阻的量程可通过改变555外接电容电阻的数量级实现，在测量大电阻时也可以通过软件改变定时时间来实现不过这样不实用.
五 软件设计
本课题研究的是如何利用C8051单片机对外部RC震荡电路产生的波形的频率进行测量，并把频率值最终转换成电阻、电容值送数码管显示。完成这个任务需要用到C8051单片机的内部定时器T0、T1和T3，T3作为定时器，T0和T1作为计数器。T3定时通过T0和T1计数这段时间外部RC震荡电路所产生的方波的个数，从而计算出方波的频率。并通过软件计算求出电阻、电容值，把电阻值直接送数码管显示，电容值转变成相对应的电容型号然后再送数码管显示。
六 结论
实现了通过C8051F005单片机测量电容电阻的目的，能够精确的测量0.002μF～1μF的电容，并通过数码管显示电容的型号。同时能够测量200Ω～300KΩ电阻的阻值并通过数码管显示出来。测量电阻、电容的误差在±5%以内。
参考文献
[1]董传岱，于云华主编.数字电子技术. 石油大学出版社，2003.
[2]鲍可进主编.C8051F单片机原理及应用.中国电力出版社，2006.
电容测量仪范文2
Abstract： Bushing test is the project that verifies the transformer performance meets the standards or technical conditions， so as to detect transformer main insulation， capacitive bushing ground insulation resistance， dielectric loss of bushing， capacitance and partial discharge amount etc. In this paper， cause of abnormal changes in electric capacity measurement of bottom shielding of bushing was analyzed.
关键词： 变电站；套管试验；异常变化
Key words： substation；bushing test；abnormal changes
中图分类号：TM7 文献标识码：A 文章编号：1006—4311（2012）28—0113—02
0 引言
变压器套管是将变压器内部的高、低压引线引到油箱外部的出线装置。套管作为引线对地的绝缘，它可以进行固定引线。因此，它一定要有规定的电气和机械强度。如果末屏没有很好的接地，不管是什么原因，那么末屏对地会形成一个比套管本身的电容小很多的电容，据电容串联原理，这个电容会在末屏与地间形成一个悬浮电压，这个电压非常高，造成末屏对地放电，使周围的绝缘物被烧毁，甚至会造成套管爆炸事故。
1 变压器高压套管试验
作为电力变压器非常重要的一部分的变压器高压套管，一旦出现问题就不能保障主变的安全及可靠运行，所以我们要对套管的环境温湿度、检修时间、施工安装工艺等进行严格把关。预防性试验规程中对高压套管预防性试验的“主绝缘及电容型套管末屏对地绝缘电阻测量”和“主绝缘及电容型套管对地末屏tanδ与电容量测量”项目规定如下。
1.1 主绝缘及电容型套管末屏对地绝缘电阻测量 用2500V 兆欧表进行主绝缘及电容型套管末屏对地绝缘电阻测量，按规程要求应为：①运行满3年；②变压器套管、电抗器套管在变压器、电抗器大修后；③红外测温发现套管发热，套管油位异常或气体压力异常。
事实上，依据变压器、电抗器的运行决定变压器套管、电抗器套管的试验周期是重中之重。主绝缘的绝缘电阻值通常情况下要高于或等于下列数值：大于或等于110kV电压等级的，电阻值为10000MΩ；35kV电压等级的，电阻值为5000MΩ；而末屏对地的绝缘电阻值要高于或等于1000MΩ。
1.2 主绝缘及电容型套管对地末屏tanδ与电容量测量 主绝缘及电容型套管对地末屏tanδ与电容量测量，按规程应为：①运行满3年；②变压器套管、电抗器套管在变压器、电抗器大修后；③红外测温发现套管发热，套管油位出现异常，20℃时的tanδ（%）值要小于或等于表1中数值。当电容型套管的电容值与出厂值或前一次试验值的差大于±5%时，要详查其原因。如果电容型套管末屏对地绝缘电阻比1000MΩ小，应测量末屏对地tanδ，其值小于或等于2%。测量变压器套管tanδ时，与被试套管相连的所有绕组端子连在一起加压，其余绕组端子均应接地，末屏接电桥，正接线测量。
2 试验概况
我局某变电站#3主变A相套管试验合格后，检修班在安装该套管过程中，220KV套管不慎受到碰撞，当时外观检查良好，安装后为了检查套管绝缘是否受损，试验人员对套管再进行了介损试验。试验时却发现该套管末屏电容量有明显变化，其试验数据与安装前数据列入表2。
由表1数据可见：
①两次试验中，一次对末屏tgδ%及电容量变化不大。
②安装后末屏对地数据与安装前相比，电空量明显增大，增大值为50pF左右，tgδ%值则略小于安装前试验值。
在两次试验中环境温度和相对湿度变化不大，相对湿度小于80%的试验要求，两次试验均采用AI—6000变频电桥，具有很强的抗干扰能力，测试精度达到D=2%D+0.0002。
是否碰撞后套管绝缘损伤导致末屏对地电容量增大呢？为了了解套管末屏电容量变化的原因，试验人员分别抽取A、B、C三相主变各一只套管进行试验，横向对比并与安装前比较分析，试验数据见表3。
从表2可以看出，安装后3只套管末屏电容量与安装前比均增大了50—64pF左右，因此，基本上可以否定A相220kV套管存在绝缘问题。为什么两次试验中电容量存在较大偏差？看来还是应该从试验回路进行分析。试验人员再对测量结线和连接情况进行检查，发现电桥Cx测量线串接了一段约3米的非屏蔽导线接至套管末屏，经研究分析可能正是这段非屏蔽导线对地的杂散电容影响了测量结果。为了证实这一原因，试验人员用一段屏蔽导线与Cx测量线串接，重新对4只套管进行了试验。试验数据见表4。
从表4数据可以看出，串接屏蔽线后末屏对地tgδ%和电容量与安装前相比基本一致，可以判定#3主变A相220KV套管安装时发生碰撞并没有导致绝缘损伤，该套管可以投入运行。
3 原因分析
套管安装后由于离地面较远，电桥Cx测量线（屏蔽线）较短，试验人员把Cx测量线与非屏蔽线串接后，导致在这段导线上产生对地杂散电容。反接法测量中，杂散电容与试品电容并联，根据电容并联公式可得：
实测电容：C′x=C■+C■
实测介损：tgδ=■
由于一般情况下C■〈C■，且tgδ■ 较小，C■〈C■+C■。则公式简化为tgδ■〈tgδ■，试品电容越小，tgδ与电容的偏差越大，分析结果与测量数据相符。结果表明，测量套管末屏对地tgδ和电容时，Cx测量线应采取屏蔽措施，否则会产生电容量增大和介损减少的情况。同时，还应屏蔽套管一次导电杆，否则也会引起电容量的增大和介损偏差。
4 相关建议
针对设备安装、试验过程中出现的某些状况，有必要采取一些措施进行控制：
①在打开电容式高压套管测量端子的盖子时，若用粗大、尖利的工具推动铜套是不正确的，这样能更好的保证铜螺杆与铜套接触面的松紧度；恢复封盖前应检查铜套是不是能很好的活动、是不是有一个合适的表面粗糙程度，并测量其接地有没有问题，正常与否。
②在未进行电容式高压套管试验的时候，适当对套管表面进行清洁，避免对地杂散电容的影响必要时可考虑采用屏蔽措施。
③进行套管介损试验时，必须使用屏蔽导线，并且试验导线不得缠绕在套管瓷套上，否则可能引起测量结果的偏差。
5 结束语
变压器套管、互感器设备末屏装置在质量上有问题的话，不能保证设备的安全及可靠运行，所以对变压器套管、互感器设备末屏日常维护工作一定不能马虎。检修和试验人员应对各种末屏装置的结构有个深入认识，使那些对设备末屏损坏的人为因素不出现，同时在完成安装、检修和试验后及时将末屏接地复位。
参考文献：
[1]李克.220kV穿墒套管未屏烧损的原因分析及故障处理[J].电力设备，2005.6（7）：64.
电容测量仪范文3
【关键词】倾角测量仪；MSP430；加速度传感器；低功耗
1.引言
本超低功耗倾角测量仪的设计中，使用了TI公司的MSP430、TPS61070、TPS61040和TPS54331等器件和加速度传感器，实现了超低功耗高精度角度测量仪的制作。首先，我们使用MSP430单片机，此单片机不仅具有处理能力强、运算速度快、片内资源丰富等优点，而且具有超低功耗和间歇工作的优势。其在工作时工作电流只有200uA左右，当处于休眠状态时其工作电流在1uA左右，较好的满足了超低功耗和控制运算的需求。在实际使用中，我们让它工作在2.5V，省电模式下RAM数据保持在低功耗模式，消耗电流仅0.1μA。其次，设计中还使用了TI公司的芯片TPS61070和TPS61040组成两级BOOST升压电路，相对于反激式升压电路相比，该方案不但效率高，而且有利于降低电源损耗。在选择降压电路方案中，使用了TI公司的TPS54331芯片组成BUCK降压电路。当25V将至2.5V时普通的线性降压芯片效率只有10%，但是这块芯片在轻载情况下效率也可达到30%以上，而且功耗低。此次设计中，主要使用TI的芯片，性能很好，对制作的实现起到了促进作用。
2.方案设计与论证
本设计要求通过测量重力加速度进行角度测量，并保证精度达到±1度以内，用2200uF电容供电，在工作情况下能持续工作60秒以上，并用1.5V干电池给电容充电。
2.1 控制系统的比较与选择
方案一：采用DSP，具有高精度，运算速度快的优点，但DSP功耗高，不满足本设计低功耗要求。
方案二：采用ATML的12C5A16AD，这款单片机价格便宜，但是运算速度比较慢，功耗大，不符合本设计的要求。
方案三：采用TI公司的MSP430单片机为控制系统。此单片机不仅具有运算速度快的特点而且具有间歇工作的优势。在工作时其电流在200uA左右，当处于休眠状态时其电流在1uA左右，较好的满足了超低功耗的要求和控制运算需求。
综上论证选取方案三。
2.2 测角传感器比较与选择
方案一：MMA7455，它是10位精度三轴数字加速度传感器，具有I2C，SPI通信接口，但是测量结果偏差较大，需要校正。
方案二：MMA8452加速度传感器，此传感器是一款智能、低功耗、三轴、电容式微机加速度传感器，具有体积小，重量轻和丰富嵌入式的特点，可以减少整体功耗，有利于实现系统的超低功耗运行。此传感器具有12位高精度，偏差小，不需要校正的优点，而且能够返回数字信号，有利于信号采集与功能实现。
综上论证选取方案二。
2.3 供电降压电路选择
方案一：用7805组成线性降压电路。选用7805虽然能将电压降到要求值，但是，7805的工作原理就是将额外的压降加在了芯片上，当电压由25V降到5V时，7805会严重发热，功耗很大，在超低功耗下很难工作。
方案二：用TPS54331芯片构成开关型BUCK降压电路。TI的TPS54331芯片集成了MOSFET与控制系统的功能，可以实现25v到3.3v的稳压。用此芯片实现的开关型BUCK降压电路功能，比功耗小，效率也高。
综上论证选择方案二。
2.4 充电升压电路选择
方案一：用反激击式升压电路，此电路虽然实现输入输出隔离，但是此方案工作效率低，功耗大，不利于1.5v蓄电池长期使用。且反激式电路需绕制高频变压器，占用空间较大，不利于使用。
方案二：用TI公司的芯片TPS61070和TPS61040组成两级boost升压电路，相对反激式升压电路相比，该方案效率高，易于低功耗设计的实现。
综上论证选择方案二。
2.5 系统总体结构设计
通过以上方案选取我们的系统总体结构为通过boost升压电路，将1.5V电压升到充电电压25V给电容充电。用充好电的电容通过BUCK电路降压对测量仪进行供电，通过测试按键发出信号后测量仪进行测量后显示。系统设计框图如图1。
3.理论分析和计算
3.1 倾角的计算方法
低功耗单片机控制，通过MMA8452加速度传感器将加速度在X、Y、Z轴上（芯片坐标轴如图2）的分量通过I2C通信传到单片机里，根据几何关系进行角度计算后由HT1621驱动的4位LCD角度显示。显示分辨率为0.1度，精度达±1V，测角范围为0-90度。
从倾角传感器输出到单片机的是重力加速度的XYZ轴分量，通过以下公式计算出：设X轴与水平面仰角α度，将坐标系投影到XZ平面，可得一平面坐标系，由此可求得各轴上的静态加速度值：
经传感器采集后输送给单片机Ax、Ay、Az三个数字量，其中，，，角度值。
3.2 理论功耗分析
3.2.1 单片机功耗
MSP430此单片机不仅具有运算速度快的特点而且具有间歇工作的优势，在工作时其电流在200uA左右，当处于休眠状态时其电流在1uA左右，较好的满足了超低功耗的要求和控制运算需求。
我们选用的MSP430单片机在典型的200KHZ时钟、2.5V电压下工作时，仅消耗2.5μA，在1MHZ时钟、2.5V电压下工作时有250μA，在RAM数据保持在低功耗模式下消耗电流仅0.1μA。它具有5种工作模式，不同模式下消耗在0.1～400μA间，待机模式下消耗仅0.8μA。将CPU置为省电模式，可以大大减小能耗。
3.2.2 显示器功耗
HT1621驱动的段位显示屏，此显示屏虽然屏幕比较小，显示内容有限，但是此显示屏可以在极低功耗下工作，外接32KHZ晶振，而不用内置时钟源，可以将工作电流控制在60μA以下。与普通的LCD显示屏相比，此显示屏不用背光，断码显示，用I2C总线传值，功耗更低。此显示器驱动芯片有间歇模式，处理完指令后可以进入间歇模式，等待激活后继续处理数据。这样可以大大降低功耗。
3.2.3 加速度传感器功耗
我们用的MM8452加速度传感器可以低功耗和正常两种模式。
如图3所示，此传感器开启后可以工作在唤醒和休眠2种模式下，当可以设定工作时长，节省能耗。低功耗模式下工作电流仅为14μA，正常模式下工作电流为24μA。
3.2.4 供电电路功耗
用TPS54331芯片构成开关型BUCK降压电路。TI的TPS54331芯片集成了MOSFET与控制系统的功能，可以实现25v到0.8-5v的稳压。用此芯片实现的开关型BUCK降压电路功能，比线性电源功耗小，效率也高。
我们为了进一步降低功耗，将单片机供电调整到2.5V，可以使MSP430工作在极低功耗下。
4.电路与程序设计
4.1 电路设计
4.1.1 Buck降压电路
由于电容电压为25V，所以必须采用降压电路将电压降到2.5V后对电压和加速度传感器供电。为了减小功耗采用TI公司的的TPS54331芯片组成buck电路。此芯片组成的Buck电路最大极限是由28V降到0.8V，且该芯片稳定性好，精度准，功耗低等优点。Buck电路图如图4。
4.1.2 充电装置电路
用1.5V干电池对电容进行充电，要求充电到25V。所以要将1.5V电压经过升压电路升到25V。我们采用TI公司的TPS61040和TPS61070芯片组成两个Boost电路，分两级将1.5V升到5V再生到25V。TPS61040芯片最大升压范围是由1.8V到28V。TPS61070芯片最大的升压范围是由0.9V到5.5V。所以由单独一片芯片不能制成由1.5V到25V的Boost升压电路，故采用两级升压。这两种芯片都具备稳定好，精度高，功耗低等特点，对充电稳定有重要意义。充电装置电路图如图5-1。
TPS16070芯片将电池1.5V电压升至5V，参数R1，R2及确定：根据芯片要求R2取180KΩ，R1=R2（Vo/VB-1）=180k*（5/0.5-1）=1.62MΩ，电容C2=3pF（200k/R2-1）=0.33pF。TPS61040芯片将上级输出升至25V，通过调节电位器R5来调节输出，其中输出Vout=1.233（1+R4/R3），通过调节R3与R4值可以改变输出电压。
4.1.3 加速度传感器电路
测试按键与单片机相连控制是否进行测试，单片机与MMA8452加速度传感器通过I2C通信，由单片机与显示器连接进行显示，加速度传感器电路图如图6。
4.1.4 总体设计电路图（如图7、8）
4.2 程序结构与设计
程序流程判断图如图9所示。
系统供电后，单片机启动首先进入休眠状态，并实时监测是否有键按下，若无键按下，继续等待；若有键按下则根据按键功能进入测量状态或模式转换显示，然后由液晶显示新测量的数值，单片机重新进入休眠状态，继续检测是否有键按下。
5.测试方案和结果
5.1 测试方案
调整好水平台，将斜坡放在水平台上，将电容充好电后尽快的接入测量仪中，然后调整斜坡进行测试观察电容能工作时间和测量的角度。
5.2 测试结果
如表1、表2所示，2200uF电容供电，以每5秒一次的频率进行测量时，测量仪工作时间约3分钟。
100uF电容供电，可工作时间约为20秒。
6.结论
本超低功耗倾角测量仪由于设计合理，结构简单，方案选取恰当，单片机、芯片和电阻电容等参数选取合适，所以很好的满足基本和发挥要求，真正实现超低功耗的功能。本设计以超低功耗为目标，设计制作，较好的完成了超低功耗工作的目标，并实现了较高的精度，成功的完成了设计目。该作品可用于实际测量，在实验室及工业生产中可作进一步推广。
参考文献
[1]马光.单片机原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2006（1）.
[2]马淑华，王凤文，张美金.单片机原理与接口技术（第二版）[M].北京：北京邮电大学出版社，2007.
[3]张加胜，张磊.电力电子技术[M].东营：中国石油大学出版社，2004（6）.
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[10]王志辉，康绍峥，李宁等.无线数字式倾角测量系统设计[J].
基金项目：国家大学生创新创业训练项目（编号：20111080）。
电容测量仪范文4
【关键词】磁弹效应；钢索应力测量；磁通量传感器
0 引言
斜拉桥的斜拉索、系杆拱桥的吊杆和系杆、悬索桥的缆索体系、预应力结构的体外索和预应力筋等是工程结构的关键受力构件之一，对其施工阶段及运营阶段的张力大小监控具有重要的意义。传统的索力或应力测量方法，如振动频率法、压力传感器测定法和应变片测定法等[1]，都存在明显的缺陷，限制了它们在工程中的应用范围。近年来，国外提出了基于磁弹效应法测试钢索应力的新方法，工程界对于此方法的研究，正是想弥补传统的索力或应力测量方法的不足。虽然磁弹效应法也存在测量过程中一些固有的弱点，但是其测量系统往往具有极低的成本，同时又不容易损坏，有着很长的使用寿命。随着全球经济的进一步发展，必然有更多的大型建筑需要更低成本检测方案，因此从长远来看磁弹效应法是最具有潜力的一种钢索应力测量方式[2-3]。国际上对磁弹效应法测量钢结沟应力的主要研究集中在欧洲、日本和美国等一些研究机构里。国内也有些大学和研究机构进行磁弹效应法测量钢索应力的研究，但尚处于理论研究和实验室开发阶段，国内有企业（如柳州欧维姆机械股份有限公司）生产了适合磁弹效应法测量的磁通量传感器，但国内没有与之相配套的测量仪表，只能采用国外的仪表。因此，研发设计一套能运用于实际工程的钢索应力测量仪表成为必要，本文将介绍自主研发的测量仪表样机研况和实验测试结果。
1 测量理论[4-5]
利用磁致伸缩效应可以使磁能（实际上是电能）转换为机械能，而利用磁致伸缩的逆效应可以使机械能转变为磁能（电能）。磁弹索力传感器正是利用这种磁弹效应来实现索力测量的。当钢索受到轴向应力时（拉力或压力），其轴向发生形变，使得其磁化强度发生变化，而索力与磁导率的变化成正比，通过测量增加磁导率可计算出应力值。
直接测量磁通量或磁通量密度是比较困难的，可采用变通的方法，依据磁感应原理可简便的研究一个材料磁化的磁性质。利用两个线圈来进行，一个初级线圈，一个次级线圈，将被测材料作为线圈的铁心。在初级线圈的两端加一个脉冲激励能量，就会产生一个随时间而变化的变化磁场，其增加磁导率μ一般由磁场强度变化ΔH和磁通量密度变化ΔB之间的关系来描述：
可通过某时间段的积分电压Vout和V0计算出增加磁导率，进而计算出应力值。
2 实施方法分析
由上述理论分析可由两个积分电压计算出钢索应力值，但在实际工程应用中，影响积分电压测量的因素很多，在钢索应力一样的情况下各种不良影响因素均能引起积分电压Vout和V0有不同的测量结果，这些因素包括：传感器一次侧的励磁能量的大小；积分时间段的选择；由于现场连接传感器导线长度的差异而引起励磁电路参数的变化；钢索材料铁磁特性的不同；另外根据铁磁材料磁导率的特性，铁磁材料温度的变化会导致磁导率的变化，进而影响积分电压值。
首先，分析上述的各种因素，根据应用现场运用情况实施方法可分为：①通过算法可补偿的因素，传感器安装位置不同导致连接导线长度的差异和环境温度引起钢索温度的差异，导线长度的差异由初级线圈励磁电压和积分时间段的初级线圈电流通过特殊算法补偿积分电压，温度的差异可设定标定温度和实测温度通过温度补偿算法补偿积分电压；②通过参数设制可控制的因素，对需施工的钢索预先进行标定实验，避免钢索材料的影响，根据钢索达到磁饱和但又不能产生大量磁涡流的原则确定初级线圈励磁电压值，积分时间段的选择根据钢索将近达到磁饱和而又未饱和的原则确定积分时间段开始时的初级线圈电流值；③通过针对需施工的钢索预先进行标定的实验，确定没有钢索时的空载积分电压V0的值，确定标定时钢索温度和温度补偿系数的值，以及确定4个增加磁导率与应力值关系的3次线性方程的系数。
钢索应力测量仪表首先检测初级线圈电流曲线、次级线圈电压曲线和钢索温度三组物理变量，对初级线圈电流曲线和次级线圈电压曲线进行滤波等数字信号处理，再依据积分时间段计算次级线圈积分电压值，该值经过导线长度补偿和温度补偿计算后得到最终积分电压值，运用公式（7）算出增加磁导率，最后依据增加磁导率与应力值关系的3次线性方程计算出钢索应力值。
3 硬件实现
依据钢索应力计算所需的物理量要求，仪表必须测得初级线圈电流、次级线圈电压、初级线圈励磁电压和钢索温度四个物理量数据以及数据的处理计算，硬件电路主要包括单片机系统、励磁控制电路和模拟量测量电路三个部分组成，如图1。
图1 硬件电路框图
3.1 单片机系统[6]
单片机系统最关键的是处理器的选择，依据测量要求，处理器必须有足够的存储器存储初级线圈电流曲线和次级线圈电压曲线的数据，以及能快速处理数字信号处理和计算能力，因此选择高性价比的处理器芯片LPC2378芯片，它内嵌ARM7TDMI-S处理器，32KB的SRAM，高达72MHz的工作频率。采用MAX485芯片与处理器UART接口组成RS485通讯链路与计算机通讯。
3.2 励磁控制电路
根据测量原理，必须给传感器初级线圈一高压脉冲激励，使得构件磁化，并进入磁饱和区。高压脉冲的获得是通过一高压大容量急充放电电解电容放电实现。处理器LPC2378控制400V120mA的高压模块给急充放电电容充电，处理器启动高压模块后，不断的通过励磁电压测量电路测量实际的电容电压值，并与励磁电压参数做比较，当实际的电容电压值达到目标电压后，处理器停止高压模块输出，充电停止，处理器发出控制信号，经过光耦隔离开通可控硅，给初级线圈施与励磁能量。
3.3 模拟量测量电路
依据力值的计算原理，需要采集4路模拟量信号：第一路模拟量信号为给初级线圈放电的电容电压，在电容两端用分压电阻的方式采集电压信号，再经过运放电路处理电压信号；第二路模拟量信号为初级线圈施加励磁能量后的电流信号，通过高精度测流电阻（50mΩ）获取的电流值的电压信号，再经过运放电路处理电压信号；第三路模拟量信号为初级线圈施加励磁能量后次级线圈产生的感应电压，从次级线圈产生的电压信号经过过压保护和浪涌保护电路后，再经过运放电路处理电压信号；第四路模拟量为温度信号测量，温阻信号经过处理和过压浪涌保护后，再经过运放电路处理电压信号。运放后4路模拟量信号，经过一独立双通道4路16位高精度A/D转换器AD7654，把模拟量信号转换为数字信号，输入到处理器芯片。
4 实验测试结果
钢索应力测量仪表试制样机出来后，在柳州欧维姆机械股份有限公司试验室的拉索静载试验的台座上，分别对磁通量传感器CCT18B、CCT20J测量单根钢绞线进行多次重复加载测试。测试实验在650T试验台座上进行，标准传感器采用30T应变片压力传感器，其不确定度为0.5%。试验最大荷载为180KN（0.69倍公称破断索力）。
CCT18B对单根光面钢绞线进行测量试验，分别在不同温度和传感器连接导线长度进行实验，励磁电容电压在50米以下、100米、150米的情况下分别设置为120V、130V、140V电压，数据如表1：
表1
注：测试条件为相对固定环境温度和传感器连接导线长度；拉力单位为千牛.
CCT20J对环氧喷涂无粘结钢绞进行测量试验，分别在不同温度和传感器连接导线长度进行实验，励磁电容电压在50米以下、100米、150米的情况下分别设置为120V、130V、140V电压，数据如表2：
表2
注：测试条件为相对固定环境温度和传感器连接导线长度；拉力单位为千牛.
根据上面的实验测试数据，在3米连接导线分别在20°C和35°C室温的情况下对比仪表测量力值结果，以及在25°C室温50米、100米、150米的情况下，仪表测量的力值与参照标准力值的误差都小于2%。
5 结语
根据实验结果表明，研制出的基于磁弹效应的钢索应力测量仪表的样机基本能避免实际工程应用中影响电压积分测量的各种因素，精度小于2%，基本达到工程应用要求。
【参考文献】
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[4]Ю.И.雷巴利琴科.磁弹性扭矩传感器[M].北京：计量出版社，1985，10.
电容测量仪范文5
关键词： 原油库 液位仪 沉降罐
1 油库液位仪表的使用现状
目前油库液位仪表种类繁杂，先进程度不一，质量参差不齐，仪表精度较低。下面按仪表引进年代逐个介绍。
20世纪80年代中期大部分油库引进了浮子钢带液位仪，比较典型的有兰州东升仪表厂生产的HIC-B型和YZJ-1型恒力弹簧液位仪，几乎装备了所有储罐，目前在小容量储罐上还有一定的占有量。这种液位仪表利用了重力平衡式原理和弹簧平衡式原理，编码采用码盘编码。该表优点是精度较高，维护简单，现场一次表指示清楚，价格低；缺点是对安装要求较高，机械结构过为复杂，机械摩擦力、安装精度和钢带线性膨胀等都会影响测量精度。特别是一次仪表内传动机构复杂如同钟表一般，任何一个零件失效将直接影响仪表运行。由于二次仪表码盘制造比较粗糙，铜质电路板转动时间较长容易磨损和受到油气腐蚀，使得触点接触失效，二次仪表显示错误，很容易形成安全隐患。该类仪表目前已经淘汰停产，油库也在陆续淘汰。上世纪90年代初各油库引进安装了一批差压液位仪，比如某油库引进了兰炼仪表厂生产的FPA35WB1型差压液位仪。这种仪表属静压式储罐计量仪表，是利用帕斯卡定理进行测量的。该表优点是无需安装罐内仪表，具有性能稳定可靠，便于操作、易于计算机网络化管理等优点。根据该表的原理及理论计算公式P=（ρgh）可知，理论误差几乎是不存在的，但是实际使用过程中并非如此。该仪表的误差主要是从测量仪表如压力、温度变送器的测量误差引入的；还有一个重要的影响因素就是密度，就目前大部分油库使用情况来看，密度是在每次质检分析部门测得后才输入的，然而由于收发油的影响，密度变化很大，与同实际情况多有不同，因此导致计算机计算值误差也很大，一般在30～50mm。该表要求安装条件也比较高，首先压力变送器取压孔依位于储罐上油品相对静止的地方，以防止进油或发油时产生油品扰动，而可能产生附加压力；其次压力变送器的固定支架应与罐壁成一体，以防止外力施加与变送器上使变送器受力从而增大测量误差。该表还有一个缺点就是一次仪表校验比较麻烦，必须倒掉罐内油品并拆下仪表进行校验，在生产紧张时仪表将长时间得不到维修和标定。从某些油库的使用情况来看，只能作为监测目的使用。
近年来，随着变送器和计算机技术的发展，人们将静压测量仪表的变送器增加到2～3个，从而消除影响仪表精度的一些不确定因素，从而消除认为测量密度产生的误差对仪表精度的影响。该种改进表称为HTG系列静压测量系统。但是也有不足之处，比如由于实际存在的储液温度和密度的分层，是影响该表精度的主要原因，当然也存在压力、变送器的测量误差，但较之单变送器静压液位仪表来说已经相当精确了。另外该表还可以实现对储罐内介质密度、液位、温度、体积、质量等变量的测量。
从1995年起某些油库开始引进内存码多功能液位仪，代表产品比如温州达达仪表厂生产的型号为ZD-B10型液位仪表。该表一次表是钢带浮子式，外部钢带为信息码带，刻有读数和大小一样的信息码孔，当钢带产生位移时变送器将移过探头的信息码孔数量进行累加统计，然后换算成长度后加上初始值即得到液位。该表优点是一次仪表测量精度很高，缺点是由于初始值必须在仪表加电后输入（即输入人工检尺值或相应信息码孔边的读数），所以每次在掉电后都必须重新输入初始值。
在引进内存码多功能液位仪表后不久，光导液位仪表就出现了，比较具有代表性的是由航天部三院三部智控所研制的UBG系列光导液位仪。这种仪表从根本上解决了东升表，内存码多功能液位仪存在的问题。UBG系列光导液位仪一次表同钢带浮子式液位仪一样采用重力平衡方式，但是它的变送器采用了光导测量原理。该表的信息码带信息码孔不同于多功能液位仪，每一种孔型代表一种数字编码，并且采用多排并列，码带的任一位置代表唯一的液位读数，因此不需要再输入初始值，当仪表加电后变送器即刻读出码带上的液位信息，不需要再进行别的运算。当然信息码带上也印有刻度值，可供肉眼读取。目前该表的测量精度可达2mm。从油库应用情况看，放映较好。该种仪表应是油库中小型油库液位仪表的首选类型。
2 新型液位测量仪表使用状况
（1）分段式电容物位计。2001年10月在大庆油田采油六厂四矿290#污水站2000m3沉降罐上使用分段式电容物位计进行油水界面的检测试验。分段电容物位计检测原理的主要特征就是将原来电容物位计1根全量程长度的检测电极与罐壁构成一个传感电容的结构，改变为用从上至下相同长度若干段（9段）独立电极，相互串联，相互绝缘，独立引线，与罐壁形成从上至下9个传感电容，相当于从上至下9个1/9量程小物位计共同来检测全量程的总料位。安装量程为400cm，总段数为40段。在该污水站进行调试，取得了令人满意的结果。
（2）超声波物位计。2002年12月在大庆油田采油六厂四矿喇II-I联合站污水池安装了一块超声波物位计。该仪表的特点是换能器表面可自清洁，防止发射头表面结露、结霜、积尘；微处理器程序控制、智能信号处理技术，使物位计能够适应固体、液体、粉尘等复杂工况；一体化设计，外形精巧美观，并带有液晶现场显示；红外线遥控编程全数字化参数设置，操作简单可靠。与同类产品相比更能适应恶劣环境。
3 油库液位仪表的发展趋势
油库液位仪表的发展趋势应该紧跟国内和国际的形势，要朝高精度、多功能、高度自动化方向发展。
从目前的应用情况来看，对于中小容量储罐，UBG或UGZ系列光导液位仪表是首选，其次是HTG系列液位仪测量系统。而对于大容量储罐来说雷达液位仪是首选，其次是光导液位仪表。另外值得一提的是现在很多国产仪表的生产技术在引进和消化国外先进技术后已经接近或超过国外仪表，比如国产雷达液位仪在拥有同国外产品同样功能的基础上，价格只有进口表的一半不到，这将给我们降低仪表采购成本，加快储罐区仪表自动化带来契机。
参考文献
[1] 周绍骑.油罐储量测量方法研究[J].油气储运，1993，6（3）：1-3.
电容测量仪范文6
关键词：单片机；交流阻抗特性；等效电路参数
中图分类号：TP216 文献标识码 A 本文由wWW. DyLw.NeT提供，第一 论 文 网专业写作教育教学论文和毕业论文以及服务，欢迎光临DyLW.neT
Design of Equivalent Circuit Parameter Analyzer for
Two Port Passive Circuit
TANG Zhengming1 ， ZHANG Sanmei2 ， Zeng Jing1
（1 School of Electronic Information and Engineering， China West Normal University， Nanchong Sichuan 637009，China；
2 Experiment Center， China West Normal University， Nanchong Sichuan 637009， China）
Abstract： Equivalent circuit parameter is very important for the process of circuit analysis and design. Based on the refined numerical algorithm of AC impedance， a digital equivalent circuit parameter analyzer is designed. In this system， MCU is used to control frequency synthesizer to generate excitation signal. By adjusting the capacitance and current trends ， the load impedance characteristic is determined. Finally， the AC impedance and equivalent circuit parameter are displayed， which can be obtained under different operating frequency.
Keywords： MCU； AC Impedance Characteristics； Equivalent Circuit Parameters
0引 言
电路交流阻抗随信号源的频率变化，其具体表现为一定电阻R、电容C和电感L的串联、并联或混联在给定信号频率下所得到的等效阻抗。频率相对较高时，电路还可能产生相对较大的寄生电容、电感，从而出现寄生阻抗。如何快捷准确地获取电路在不同工作频率下的等效电路参数，对电路的分析与设计来说有着特殊重要的现实意义[1]。
已有的交流参数测试仪，其测量对象主要锁定在对交流电路频率、有效值、功率，或者单个元件阻值、电感量、电容量的测试，而对交流阻抗的智能化测量的探讨研究仍旧较少，且未曾涉及到负载为黑盒子电路（其可能为RLC元件，某用电器或电路模块，以下统称为负载电路）的等效参数测量[2-6]。本设计所实现的电路交流等效电参数分析仪的核心即为交流阻抗特性分析，通过采用单片机产生激励信号，能分析出给定工作频率下负载电路的交流阻抗特性，并进一步得到其等效电路参数。
1硬件电路
系统原理框图如图1所示。主要电路模块包括单片机（MCU）、放大电路、整流滤波电路、含双可调电容的RC振荡器等[7-8]。
图1 等效电参数分析仪原理图
Fig.1 Schematic diagram of equivalent circuit parameter analyzer
MCU的型号为MSP430F169。放大电路用于将采集到的弱信号放大，再送入整流滤波电路，便于单片机（MCU）接收识别，放大电路型号为AD620。整流滤波电路，用于将采样信号转化为单向脉动波并滤除附带产生的杂波信号，使有用信号免受干扰，易于下一级电路的操作处理。可变电容C结合555定时电路模块构成RC振荡器，所产生的信号频率送入单片机识别，进而确定出接入电路的电容值。其中，可调电容C与电路的连接通过开关控制，该可调电容C为特制的双可调电容（构成RC振荡器的电容与接入测量电路的电容相同，并由同一旋钮控制调节），这样，可在隔离电路影响的情况下，获得接入电路电容的精确值。 为定值电阻，主要起限流作用，如当电路串联谐振时，使电路电流不至于过大，损坏仪器。 为采样电阻，为小阻值锰铜电阻，用于将负载电流转换为电压信号，再送入放大电路。 为负载电路。
2算法设计
根据有效值、功率因素的计算结果[9]，可得到电路总阻抗
（1）
其中， 、 、 分别表示电路电压有效值、电流有效值、功率因素。 的正负与负载的特性有关，若负载为非电容性；则 ，若负载为非电感性则 。令 ，则有
（2）
系统采用调节可变电容C并结合单片机采集到的电流大小变化情况的方法，确定（2）中的正负符号，即实现负载阻抗特性的判定。由于可调电容与被测负载并联，设被测负载的电导和电纳分别为 和 ， 可调电容电纳为 ，其等效电路如图2所示。
图2 阻抗特性的判断原理图
Fig.2 Schematic diagram for the judgement of impedance characteristic当端电压有效值恒定时，电流有效值
（3）
即： （4）
可见，当 与 同号，即被测负载为电容性时，电容增大，电流 单调上升；而当 与 异号，即被测负载为电感性负载时，电容增大，电流 将先减小而后增大。因此，单片机可根据电容调节过程中采集到电流变化情况，判断出负载的阻抗特性。在此基础上，设负载 的等效阻抗为 ，由于测量电路为可调电容C与负载 并联，然后再与定值电阻 串联，根据电路串并联关系，则有：
（5）
联立（1）-（2）和（5），在已判断得到负载的特性的情况下，便可以解出 中的电阻R和电抗X。结合频率值即可得
（6）
（7）
因此，对于给定负载（如某单元电路），该测试仪能够获得给定工作频率下的交流等效电路参数，便于电路的分析与设计。
3 系统测试
系统设计完成后，通过键盘设定激励信号幅值和频率，调节电容旋钮，即可读出负载的等效电路参数。首先测试并选取了三个R、L、C电路元件，其参数值分别为10，10mH，1uF。再将电路元件安插在万用板上，借助万用板连接线使其形成简单的串联电路和并联电路，并同时具有典型的二端口结构，然后分别测试了信号频率为1KHz时，负载的等效电路参数。用 Idealization（I）和Test （T）分别表示理论值和测量值，结果如表1所示。
表1 测试结果
Tab.1 Test results
电阻（） 电感（mH） 电容（uF） 串联（；uF） 并联（，mH）
I T I T I T I T I T
10 10.02 10 10.33 1 0.97 10 ； 1.65 9.97；1.59 9.91；0.15 10.04；0.23
测量 结果表明，在1KHz频率下，所搭建的串联电路具有阻容特性，而并联电路具有阻感特性。等效电路参数测量结果与理论值存在一定差异的可能原因主要在于：除工艺等因素外，导线等所引入的分布阻抗。
4 结束语
本文设计了一种电路交流等效电参数分析仪，可用于完成无源二端口电路的等效电参数测量。在测量交流等效参数时（特别在用作RLC测试仪的情况下），若测量频率较高，分布参数影响将较为显著，对低标称值元件的测量尤为不利。如何减小分布参数对测量结果的影响，还有待进一步研究。
参考文献：
[1]陈鹏，李固，边雁，等.采用RLC激励的EMAT圆柱探头设计参数分析[J].传感器与微系统2012，31（2）：77-80. 本文由wWW. DyLw.NeT提供，第一 论 文 网专业写作教育教学论文和毕业论文以及服务，欢迎光临DyLW.neT
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