基于CAV444的电容式冰厚传感器及其检测系统的研究

论文摘要

本课题是在国家自然科学基金项目“冰层厚度传感器及其检测方法的研究”(项目编号:60672028)、“山西省研究生优秀创新项目重点资助项目”(项目编号:20081009)资助下进行的一项应用基础研究。近年来,极地冰川消融导致海平面不断上升,给人类的生存环境、动植物的生长以及全球气候变化带来了巨大的影响。另外,北方冬季普遍存在的河道结冰现象,使得许多水利工程设施的安全运行存在隐患。黄河流域冰凌灾害更是严重威胁到沿岸人民的生命财产和各种水电大坝的安全。从保护环境、冬季水文水资源管理和水工结构物抗冰能力设计等各方面考虑,我们都需要了解冰的基本特性。由太原理工大学秦建敏教授等提出并研制的基于空气、冰和水电阻特性差异检测原理的冰厚传感器已在中国第21、22、24次南极科学考察海冰观测项目中得到了应用,但是在工程应用中仍存在一些检测机理和系统结构方面的问题有待解决。比如,冰层的上界面和下界面的判定方法就是国家自然科学基金资助项目“冰层厚度传感器及其检测方法的研究”(项目编号:60672028)的一个重要研究课题,为此,国家自然科学基金项目组提出了基于空气、冰和水的电容特性差异进行冰厚检测的新思路,以便寻求一种可以精确判断冰层上、下界面的新途径。项目组成员曾利用TH2618B电容测量仪在实验室进行了大量的机理实验,然而,实验并不能完全准确的模拟实际的冰厚检测场景。本文作者设计了一套基于CAV444的电容式冰厚检测系统,较好地解决了这个问题,实现了电容值和温度值的自动采集、存储和显示,并且利用该系统进行了系统的实验室实验,获得了大量宝贵的实验数据,较好地完成了国家自然科学基金项目预定的科研任务。结合本次实验,论文对以下内容进行了系统的研究探讨:1)介绍了课题研究背景和意义,分析了国内外冰厚监测的现状。2)针对多种不同的电容传感器试验装置,进行了大量的空气、冰和水的电容差异机理实验。3)重点介绍了电容转电压集成电路CAV444的工作原理及典型应用。简单介绍了一些其它的电容测量电路。4)详细阐述了基于CAV444的电容式冰厚传感器及其检测系统的硬件电路和软件设计。5)运用该系统进一步完成了空气、冰和水的电容差异机理实验以及冰强度和冰电容的对比实验。大量实验表明,新设计的自动检测检测系统运行比较稳定,能够比较准确的反映冰厚检测的现场情况,为利用空气、冰和水的电容特性差异实现对冰层厚度和冰层内部的物理状态的自动检测提供了可行的技术手段。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景意义
• 1.2 国内外冰层厚度检测技术现状
• 1.3 课题的主要工作
• 1.4 本文的组织结构
• 第二章 利用空气、冰和水电容差异进行冰厚检测的机理研究
• 2.1 空气、冰和水的电容物理特性
• 2.2 电容式冰厚传感器实验装置及实验方案设计
• 2.2.1 根据实验室现有冰厚传感器试验装置进行的机理试验
• 2.2.2 插针电容式冰厚传感器试验装置及数据分析
• 2.2.3 平行极板电容式冰厚传感器试验装置
• 2.3 本章小结
• 第三章 电容值测量电路
• 3.1 电容转电压集成电路介绍
• 3.1.1 CAV424 集成电路介绍
• 3.1.1.1 CAV424 封装及引脚介绍
• 3.1.1.2 CAV424 集成电路特点
• 3.1.1.3 CAV424 集成电路工作原理
• 3.1.1.4 CAV424 集成电路典型应用
• 3.1.2 CAV444 集成电路介绍
• 3.2 电容电压转换电路调试
• 3.2.1 电路调试软件介绍
• 3.2.2 CAV444 周围电路调试结果
• 3.3 其它电容测量电路
• 3.3.1 直流充放电电容测量电路
• 3.3.2 基于V/T 变换电容测量电路
• 3.3.3 基于电荷放大原理的电容测量电路
• 3.3.4 AC 电桥电容测量电路
• 3.3.5 交流锁相放大电容测量电路
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于cav444 的电容式冰厚传感器及其检测系统的硬件电路设计
• 4.1 系统总体结构设计
• 4.2 数据采集部分
• 4.2.1 电容式冰层厚度传感器
• 4.2.2 温度传感器测量电路
• 4.3 数据处理电路
• 4.3.1 AT89S52 单片机介绍
• 4.3.1.1 AT89S52 单片机的主要功能特性
• 4.3.1.2 AT89S52 单片机的引脚功能
• 4.3.2 单片机复位电路
• 4.3.3 模拟开关电路
• 4.3.4 A/D 转换电路
• 4.3.5 实时时钟电路
• 4.3.6 外部数据存储器电路
• 4.3.7 液晶显示和小键盘电路
• 4.3.8 串口通讯电路
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于CAV444 的电容式冰厚传感器及其检测系统的软件设计
• 5.1 主程序设计
• 2C 总线介绍'>5.2 I²C 总线介绍
• 5.3 系统初始化
• 5.4 数据采集程序
• 5.4.1 电容采集子程序
• 5.4.2 温度采集子程序
• 5.5 外部数据存储子程序
• 5.6 液晶显示子程序
• 5.7 键盘扫描子程序
• 5.8 串口通信子程序
• 5.9 本章小结
• 第六章 应用试验与数据分析
• 6.1 实验室内空气、冰和水的电容特性检测机理实验
• 6.2 冰强度与冰电容的对比实验
• 6.3 内蒙古黄河中上游河道现场冰情检测实验
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 附录1 实验室内空气、冰和水的电容机理实验数据
• 附录2 冰强度与冰电容的对比实验数据
• 附录3 内蒙古黄河中上游河道现场冰情检测实验
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文、科研及获奖情况