电容测量仪范文

电容测量仪范文第1篇

关键词:电子技术;实践;电容测量;调试

中图分类号:TM932 文献标识码:A 文章编号:1674-7712 (2012) 12-0021-02

一、引言

电子技术基础(包括模拟电子技术和数字电子技术)是自动控制、电子信息类专业最重要的基础课程。模拟电子技术研究的是处理仿真信号的模拟电路,数字电子技术研究的是各种逻辑门电路、集成器件的功能及其应用。模拟电路以基本概念、方法为主;数字电路以电路功能、应用为主。课程结合线性、非线性电路,概念抽象,逻辑关系复杂,有很大的学习难度。

在对学习电子技术的困难进行分析后,发现通过实验的学习,特别是综合实验设计的训练,能够更深刻理解模拟电路与数字电路的基本理论知识并能够提高相关技能。下面以电容测量仪的设计为例,探讨电子线路的学习与训练。

二、实验电路设计

综合设计是基础实验的综合与提高,更是理论与实际的结合。“电容测量显示仪”需要综合运用模拟电路与数字电路的知识,是一个很好的设计类课题。

设计要求:设计一个可测量电容值的电路,测量范围为1-20uF并能实现电容的测试与显示,电源±5V。

题目分析:先将电容量通过电路转换成电压、时间等参量,然后再将这些量以适当的方式显示出来。利用电容充电、放电的时间与容量值之间的关系,将容量值的测量转化为电压、电流的测量或者时间的测量,通过简单量的测量间接求得电容量值。

设计思路:将电容量转换成时间间隔,然后通过数字方式显示出时间间隔(电容量),由一个多谐振荡器和一个单稳态组成。当R不变时改变电容C则输出脉宽TW也随之改变,由TW的脉宽就可求出电容的大小。TW的脉宽可通过与门转化成若干标准脉冲,送给计数器计得TW的脉宽,当标准脉冲选择合理即脉冲宽度小于最小误差并在合理范围内,译码驱动电路显示计数数值即电容值。

三、实验原理图

根据设计框图和设计要求,具体电路采用如下设计。

(一)脉冲源电路

利用555定时器组成多谐振荡器,用作脉冲发生装置。接通电源后,电容不断充电、放电,输出在高低电平之间不断变换,产生一个方波作为计数脉冲。f不要太高常选200Hz,先令f=200Hz然后再调整其他元件参数。

(二)门控电路

利用555定时器组成单稳态触发器,把被测电容的大小转换成脉冲的宽度,把单稳态触发器的输出脉冲与频率固定的方波相与得到计数脉冲。定时器输出稳态脉冲宽度TW为目标值,接入电容后,归零装置将触发器置于稳态,输入脉冲使电路从稳态跳转到暂稳态,持续时间由TW和充放电容Cx决定,最后电路回到稳态。

只要适当调整阻抗参数,便可在一个VI周期内输出多个周期的VO进行计数。令N=Cx得R4=4.3kΩ、R1=7.5kΩ、R2=30kΩ, =55.5%接近50%,f =211Hz接近200Hz。

(三)微分加法电路

主要为了提高精度,使触发脉冲变窄从而减小误差。先通过微分器求导,得到尖波(峰值±5V)然后通过加法电路抬高电位,这就得到符合实验条件的波形来充当单稳态触发器输入的电压,得到了比较合适的触发信号。

选择小电阻R9=0.2kΩ限制输入电流,反馈电阻上并联稳压二极管限制输出电压,保证运放始终工作在放大区,小电容C5=0.01uF与反馈电阻并联以补偿相位且满足RC

(四)开关电路

采用带正沿触发双D触发器74LS74和组合逻辑电路作开关电路,在单稳态触发器进入暂稳态时CLK边沿触发电路切断单稳态触发器触发端的脉冲信号从而使暂稳态只出现一次,实现单周期计数。在单稳触发器输出脉冲波形的时间间隔里,单稳输入端的低电平信号消失不影响到输出脉冲的宽度。74LS74是上升沿触发的,摁下开关的瞬间清零单稳输出低电平,撒手后低电平信号单稳触发产生一个上升沿触发D触发器,D输出高电平,单稳触发信号消失。

按键开关的接地电阻的选择是通过实验的方法确定的。R11=10Ω取的过大或过小都不行,不能限流或导致低电平过高而不能被IC正确的识别,试验结果为110Ω(低电平为0.1V符合IC判别条件)。

(五)计数电路

多谐振荡器输出的标准脉冲和单稳态触发器的输出脉冲相与后得到一定周期数的信号,通过计数器计算周期个数N,然后通过译码、锁存、驱动装置最后通过七段数码管显示。选取CD40110和七段数共阴码管实现计数、显示功能。数码管的外接电阻不能太大(影响实验效果)或太小(电流大烧坏芯片)最后取470Ω。

(六)设计小结

本设计不但要求有扎实的理论功底,还必须与工程实际结合。电路中许多参数的选择和设定是依据实际的电路效果和元件的规格并非完全依据理论推导。通过这些练习可以很好地提高解决实际问题的能力。

四、电路搭建与调试

在面包板上实现电子线路,方便、简易、可行,易于调试、修改线路。

电路的调试过程一般是从初级单元电路开始,逐级向后进行测试、调整。

利用双踪示波器观察各单元电路的输出波形,先分块调试后联调的方法,按照信号传输的顺序对各单元电路进行调试,使各个单元符合其基本指标,最后进行整体调试。具体调试步骤:①测试多谐振荡器是否波形输出。②用函数发生器提供方波输入单稳态触发器测试输出端波形。③多谐振荡器的波形输入单稳态触发器测试输出波形。④测试触发器各引脚的输出波形(先清零)。⑤测试计数器各引脚的波形(先清零)。⑥观察数码管显示。⑦换测试电容并重新观测。

调试中面临的最大问题就是锁存问题,数字一直跳,每次锁的数字不同,但是只要综合分析定时器的输出波形与锁存周期就不难解决。

五、总结

综合实验是对理论知识和基本实验的综合应用,是培养学生电子工程实践能力的一个重要环节。通过小型的综合设计并搭建实际电路,实现综合实验的可操作性,在目前的教学情况下,是可行的方法之一,有较强的推广价值。

参考文献:

[1]童诗白,华成英.模拟电子技术基础(第四版)[M].北京:高等教育出版社,2006

[2]阎石.数字电子技术基础(第五版)[M].北京:高等教育出版社,2006

[3]吕念玲.电工电子基础工程实践[M].北京:机械工业出版社,2007

电容测量仪范文第2篇

关键词：单片机；多谐振荡器；电容测量；电阻测量

1 方案设计

本设计采用的是STC89C52芯片作为主控芯片，由于单片机只能检测二进制的高低电平并不能直接测量模拟量，因此，需要一个电路模块将电阻阻值或电容容值转换为高低电平的方式来供单片机检测。由电阻、电容、555芯片构成的多谐振荡电路可以在相应阻值或容值不同时产生不同频率的方波。本设计将多谐振荡电路产生的方波送入单片机来测量其频率并通过频率与相应的容值或阻值的对应关系来计算出电阻值或电容值。测量电阻和电容是两个独立的测量模块，所以加入档位选择功能，通过两个按键来选择测量方式，相应的两路信号通过一个多路复用器CD4052来选择对应的信号输送至单片机。显示电路通过一个LCD来实现，读取方便。

2 电路设计

2.1 电路工作原理

本电阻电容测量仪设计的电路原理图如图1所示。

2.2 555多谐振荡器

如图2所示，555多谐振荡器通过门限端与触发端相连，方波频率由外部电阻R1，R2和C1决定。C2用于增加电路稳定性。555芯片内部三个串联的电阻分压构成基准电压，加上外部的电路，通过不断给电容C1充电和放电而一直循环，所以输出一定频率的方波信号。方波的频率公式为f=1.44/（R1+2R2）C1。通过设置R1和R2可调整输出的方波占空比，公式为（R1+R2）/（R1+2R2）*100%。本设计是通过单片机来检测电平的变化而测频率的，所以占空比越接近50%越好。根据此原理即可逆向通过测出方波频率来计算出对应的电阻或电容的大小。

2.3 多路复用器的应用

多路复用器可以通过输入不同信号来选择对应通道的通断，可以通过单片机来简便的实现自动控制。本设计采用了三个多路复用器。两个多谐振荡器模块分别采用一个多路复用器来作档位选择。这两个多路选择器的作用都是通过选择不同的电容或电阻来使多谐振荡电路产生的方波频率在一定的范围内而不会超出单片机的检测范围造成测量结果错误，STC89C52单片机内部的定时/计数器可存储的最大值为65535，测量频率较为有限，此多路复用器的使用弥补了这一不足。最后一个多路复用器输入端为两个多谐振荡电路的信号输出端，测电阻或电容时，按下对应按键，单片机便控制多路复用器来选择相应的信号来输入。本设计通过三个多路复用器实现了档位选择和测量模式选择。

3 程序设计

本设计的程序部分主要为档位选择和频率测量。两个多谐振荡电路的档位选择都是通过单片机来自动控制的。编程的基本思路为默认为最小档位，判断其频率，当频率刚好在合适的范围内时就根据频率和相应的档位进行相应的运算并将结果输送至显示电路，当其频率大于某一值时便选择下一个档位来重新执行之前的命令，直到最后显示出测量结果。档位选择则是通过判断测量时按下的按键来控制多路复用器选择对应的信号作为输入。需要说明的是，多路复用器并非理想的开关，对数字电路具有一定的影响，这最终通过程序进行参数修正可修正由多路复用器本身的特性而造成的误差。频率测量则较为简单，通过单片机内部的定时/计数器来计数一定时间内输入的方波数并计算出频率，本设计是通过对一秒内的电平变化进行计数，计数值即为频率值，单片机将得到的频率值通过预设的公式进行计算，最终将结果通过LCD显示出来。

4 结束语

本设计可以方便地用来测量电阻和无极性电容，测量时直接将待测电阻或电容插入对应座子，按下测量按键即可，显示方式为数字式，读取方便准确。设计本身较为简单，成本低廉，测量可靠，一般万用表在测量时需要选择不同档位来使用，而本设计档位是根据被测电阻或电容的大小来自动切换，被测电阻或电容固定在接线端子上，也避免了普通万用表由表笔接触问题造成的测量误差，在电子设计或产品开发中有较大的使用价值。

参考文献

[1]谭思佳，阳泳，江世明，等.电容参数测量仪的设计[J].电子测试，2015（8）.

电容测量仪范文第3篇

关键词：STC89C52；555振荡器；电容测量；数码管显示

中图分类号：F425 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2014） 02-0000-01

数字电容测量计设计主要包括测量电路，记数电路和显示电路三部分。测量电路的核心部分是555定时器构成的单稳态触发器和多谐振荡器。记数电路是由74LS160和74LS161构成的计数器以及74LS273锁存器构成。显示电路由译码器和数码管构成，测量方法使用测脉宽法，测脉宽法利用记数控制电路中的单稳态触发器在被测电容CX上的充放电规律，将电容容值转换为脉冲宽度TX，再与标准脉冲信号相与得到TX内的脉冲数N，通过记数显示就可以得到容值。本设计选择用闸门信号来控制时钟信号产生的CP脉冲个数，使其来反映被测电容Cx的数值。用测脉宽法得到的数值比较容易通过数码管来显示。

一、单元电路设计与分析

（一）测量电路

图1是由两个555定时器接成的单稳态触发器和多谐振荡器所构成的电容测量电路，C3为被测电容，当被测电容CX接入电路后，由于电容充放电效应，单稳态触发器会产生一个脉宽与被测电容大小成正比的闸门信号，同时多谐振荡器会产生脉冲信号CP，闸门信号与脉冲信号CP同时经过与门运算，得到一个新的脉冲信号，再将此信号送入计数器进行计数。单稳态触发器由555定时器接成，当接入被测电容时，通过被测电容C3充放电，使电压在0到2/3VCC之间振荡，最后脉冲由3端输出。单稳态触发器输出电压脉宽：TX=RCXln3≈1.1RCX，这种电路产生的脉冲可以从几微秒到数分钟。当R固定时，则TW为正比于电容。C越大，则Tw时间内通过与门的时钟脉冲就越多，则计数电路实现T与C正比。多谐振荡器输出电压脉宽：T=（R1+2R2）Cln2≈0.69（R1+2R2）C。

经过与门后得到的信号满足：RCxln3=N（R1+2R2）Cln2，令参考电容C=1uf进过整理得：CX=N（R1+2R2）Cln2/Rln3，即当（R1+2R2）Cln2/Rln3=1时，闸门信号内单位脉冲数N×10就得到被测电容CX的容值。

（二）计数电路

计数电路由74LS161计数器74LS160计数器和74LS273锁存器构成，两片计数器通过置数法将两片计数器连接成百进制计数器，计数范围为0到99。时钟信号由闸门信号和脉冲信号相与得到，当计数达到99时，再经过一个脉冲时钟信号74LS161的输出端Q3和Q1输出1。两片计数器输出端接74LS273锁存器输入端，锁存器时钟信号由单稳态触发器输出信号经过反相得到，经过反相器是为了使锁存器在计数结束时开始锁存。计数部分由74LS161十六进制计数器和74LS160十进制计数器构成，74LS160计数器的EP和ET端接高电平，使之保持在工作状态，时钟信号由测量电路输出提供，其进位输出端接到74LS161计数器的EP和EP端，使其在进位时让计数器U3工作。两片计数器的MR端和LOAD端均接测量电路的单稳态输出端，保证计数器在有效技术范围内计数。当超出计数范围时，Q3和Q1为1通过74LS08与门输入到下一级电路。计数电路中的锁存功能由锁存器74LS273完成，D0到D7端为数据输入端，分别对应接到计数器的输出端。MR端为异步清零端，接高电位使其保持在工作状态。时钟信号由测量电路中的单稳态触发器输出端经过反相得到，使其在技术结束时进行锁存。Q0到Q7端为输出端，分别接到下一级显示电路的译码器输入端。

显示电路主要包括译码器7448和数码管两部分，计数电路的锁存器输出端分别接到译码器输入端，译码器LT，RBI均接高电位使其保持工作状态，QA到QG为译码器输出端分别接到数码管输入端，同时Vcc接限流电阻接到输入端。当接入被测电阻电路工作时，计数器计数再通过锁存器将计数结果送入7448译码器，译码器将相应数值译成高低电平送入数码管，数码管显示相应数值。显示驱动电路，A0到A3为输入端，当LI和RBI同时置高电位时译码器工作。Ya到Yg为输出端，分别接数码管各端驱动显示。

二、结束语

在这次设计中虽然遇到了许多的困难，首先在设计总电路的时候就有好多方案，是经过了多次的实验测量选择出了最合适的方案进行设计。通过与同伴、老师进行商议讨论，最终完成了设计方案的确定，通过查阅相关参考文献对STC89C52单片机的各个管脚进行了了解。以及电路中各个芯片的使用，每个管脚的作用都要有所熟悉才能够进行本次设计。在进行555定时器产生单脉冲信号时脉冲信号出现了小毛刺，对设计结果产生了不小的影响，后经过上网查阅资料得知信号干扰的解决方法可以在多谐振荡器输出端加入74HC08使输出波形毛刺减少，从而使单片机测量结果变精确。

参考文献：

[1]胡辉.单片机原理及应用设计[M].北京：中国水利水电出版社，2005.

[2]康华光.电子技术基础（模拟部分）第四版[M].北京：高等教育出版社，1999.

[3]邱关源.电路（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4]崔瑞雪，张增良.电子技术动手实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

电容测量仪范文第4篇

关键词：电感电容；LC振荡电路；AT89S51；频率测量电路

中图分类号：TP216文献标识码：B

文章编号：1004373X(2008)2202002

Design of Digital Inductance Capacitance Measuring Apparatus

HE Fuyun,LUO Xiaoshu

(Physics & Electronic Engineering College,Guangxi Normal University,Guilin,541004,China)

Abstract：Measuring the value of the inductance capacitance in traditional measuring mostly utilizes AC bridge and resonance.But these methods often read the value by scale meter,so the display isn′t pared with the traditional method,the design of digital inductance capacitance measuring apparatus is based on the principle of LC oscillation circuit and the frequency measuring circuit which uses AT89S51 as the core.Detailed circuit principle and program diagram are given.The measuring principle is also expatiated in detail.The innovation of the design is measuring LC based on the principle of LC oscillation circuit.

Keywords：inductance capacitance;LC oscillation circuit;AT89S51;frequency measuring circuit

1 测量原理

整个测量仪原理框图如图1所示，其测量原理为。

图1 测量仪原理框图

LC振荡电路不接入待测电感或电容，自由振荡产生一频率为F1的正弦波，由LC振荡电路原理有：

该正弦波经分频器100分频后，变为一幅度为5 V的方波，该方波从单片机AT89S51的P3.4脚引入，由定时器T1产生200 μs的闸门时间，在定时器T1定时1 s期间内由计数器T0对外部脉冲进行计数，所获得的计数值m即为被测脉冲信号的频率。这时测得的频率F1为后续的数据处理作准备。当AT89S51完成对自由振荡期振荡频率F1的测量后，校准电容Cb自动接入LC振荡电路，这时产生一新的振荡频率Fb。

当待测电感或电容通过选择开关接入LC振荡电路，振荡频率将会发生变化。如果一待测电感Lx接入电路，和已知电感值的L1是串联的，因而电路中总的电感为L1+Lx，这导致振荡频率变为：

同理如果一待测电容Cx接入电路，但和已知电容值的C1是并联的，因而电路中总的电感为C1+Cx，这导致振荡频率变为：

从上述关系可以看出，基准电容Cb的精确度是整个系统测量精确度的关键，因此Cb选用精度高的精密电容，从而整体上提高了整个测量仪的测量精确度。

2 电路的设计与实现

2.1 AT89S51单片机介绍

单片机是整个测量仪的核心。根据测量的要求和单片机的总体性能,如运算速度、抗干扰能力、I/O端口、中断源、存贮容量、性价比等,采用性能优越的AT89S51作为处理器。AT89S51是一款低功耗,高性能的8位可在线编程的CMOS型单片机。它带有4 kB可编程和擦除的读写存储器,128 B RAM，4个8 b的并行I/O口,2个16 b定时器/计数器,6个中断源，1个全双工串行口。AT89S51的应用范围广，既可以用于简单的测控系统，又可以用于复杂的逻辑控制,而且应用系统组成灵活、方便、性能稳定。图2为AT89S51的引脚图。

图2 AT89S51引脚图

2.2 100分频电路

因为单片机所能测出的频率有一定的上限值，而由LC振荡电路振荡出来的频率为0.4~3 MHz，经100分频后，变为频率范围为4~30 kHz，落在单片机所能测出频率的范围内。74HC390是二-五进制计数器，可以接成100进制的计数器。100分频电路如图3所示。

图3 100分频电路

2.3 LCD显示电路

点阵字符型液晶显示器专门用于显示数字、字母、图形符号及少量自定义符号的显示器。这类显示器把LCD控制器/点阵驱动器/字符存贮器全做在一块印刷板。这里采用日立公司的HD44780液晶显示模块来显示测量结果。HD44780具有简单而功能较强的指令集，可实现字符移动/闪烁等功能。与MCU的传输可采用8位并行传输或4位并行传输2种方式。LCD显示电路如图4所示。

图4 LCD显示电路

2.4 LC振荡电路

LC振荡电路采用电容三点式的电容反馈式振荡器。该振荡电路的主要特点是容易起振、频率稳定度高、频带宽。频带的宽窄，直接影响着所能测试的电感和电容的范围。因此，如何尽最大可能扩大LC振荡电路的工作频带，成为影响整个测量仪性能的关键因素之一。该电路原理如图5所示。

图5 LC振荡电路

3 程序设计

由于采用单片机测量频率和处理相关的运算，其涉及到浮点数的运算，如果采用汇编语言来编写浮点数的运算，工作量将很繁重。因而选择C51来编写程序，使得浮点数运算的程序编写量大大简化。并且整个程序设计结构采用标准的函数模块方式，使整个程序的结构清晰。整个测量程序的流程图如图6所示。

图6 测量程序流程图

4 结 语

该电感电容测试仪采用单片机智能控制，数字显示、操作简单、使用方便。其所能测量的电容，电感的范围及测量精度，都能满足一般应用场合的需要。

参考文献

［1］何立民.单片机高级教程应用与设计［M］.北京:北京航空航天大学出版社,1999.

［2］曾兴雯,刘乃安,陈键.高频电路原理与分析［M］.3版.西安:西安电子科技大学出版社,2001.

［3］王建校,杨建国,宁改娣,等.51系列单片机及C51程序设计［M］.北京:科学出版社,2002.

［4］刘大茂.智能仪器(单片机应用系统设计)［M］.北京:机械工业出版社,1998.

［5］林秋华,王兢,刘志远.LCR自动测试系统［J］.计算机应用 2001(1):31-33.

［6］徐Z,张银玲.基于虚拟仪器技术的LCR测试仪的设计［J］.广西轻工业,2008(1):59-60,87.

［7］周生景.高精度LCR测量系统的设计研究［J］.电子测量与仪器学报,2003,17(3):1-5.

［8］李念强,刘亚,经亚枝.一种新型RLC数字电桥的研究［J］.南京航空航天大学学报,2001,33(5):490-494.

［9］郑景华,刘忠民.电流负反馈电容三点式振荡电路［J］.河南大学学报:自然科学版,1995(9):84-86.

［10］张静,赵世平,胥尚昆.用于调频式电感传感器的高稳定性LC振荡电路［J］.工具技术,1997(1):38-40.

［11］叶树亮,李东升.改进型高稳定度LC振荡电路的研究［J］.中国计量学院学报,2003,14(3):174-177.

作者简介

何富运 男，1982年出生，广西陆川人，硕士研究生。主要从事自动化测量与控制方面的研究。

电容测量仪范文第5篇

【关键词】正交采样；智能识别；在线测量；量程自动转换

1.引言

在对电子元器件使用时，必须首先了解它的参数，电阻有阻值、电容有容值。这就要求能够对元器件的参数进行精确的测量。电阻的阻值相对比较容易测量，用伏―安法就可以精确的测量出来。但是对电容的测量就比较麻烦了，最初人们还是通过万用表来对电容值进行估算，这种方法不但麻烦而且测量精度也比较低。随着微电子技术、计算机技术、软件技术的快速发展及其在电子测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断涌现。人们对仪器的要求也在逐渐提高，本文设计了一款更智能化、体积更小、功能强大的便携式RC测量仪。

2.硬件电路设计与实现

总体硬件电路主要包括四部分：正弦信号电路、前端控制电路、单片机控制电路、LCD显示电路。

2.1 主控芯片

本系统采用PIC16F877单片机作为控制核心，PIC16F877单片机是PIC系列单片机的中级产品，采用RISC指令系统，一共只有35条单字指令，简单易用；工作速度快，可接收DC-20MHz时钟输入，指令周期可达到200ns；存贮空间大，具有高达8K字的FLASH程序存储器和368字节的数据存储器。除此之外，它具有14个内部/外部中断源和8级硬件堆栈，便于编程；带有片内RC振荡器的监视定时器，保证其可靠工作；可根据不同需要选择不同的振荡器工作方式以减小功耗，同时在保持低价的前提下增加了A/D、内部EEPROM存储器、比较输出、捕捉输入、PWM输出、SP1接口、异步串行通信（USART）接口、模拟电压比较器、LCD驱动等许多功能。

2.2 正弦信号电路设计

测量仪是以正弦波做为测量信号供单片机进行正交采样，正弦波的频率直接影响到测量的精度，要求正弦波频率精度高，并且频谱纯度和稳定度也要高。因此本系统采用DDS合成芯片AD9850来产生正弦波。AD9850是美国AD公司生产的高集成度的DDS合成芯片。它采用32位相位累加器，截断成14位，输入正弦查询表，查询表输出截断成10位，输入到DAC。DAC输出两个互补的模拟电流，接到滤波器上。但是AD9850直接产生的信号幅度只有2V左右，而且是单极性的。而测试的时候需要的是双极性的正弦信号，因此DDS输出的信号还要经过隔直和放大。AD9850输出的信号经过RC高通滤波器，将直流分量滤除，输出交流信号，再经放大器放大，电压跟随，输出幅度适当、带载能力较强的信号源。电路如图1所示。

2.3 前端电路模块

前端电路主要是实现量程电阻的切换，增益控制。本方案采用电阻分压法，量程电阻与待测元件进行分压，再由单片机控制模拟开关分别选通量程电阻和待测元件的信号通道，将它们分压所得到的信号分别送入差分式放大电路。将由差分式放大电路出来的正弦波经过电位提升电路后，再由单片机采集，在此过程中，量程电阻的自动切换，以及减小模拟开关对测试过程带来的误差是设计的难点。前端电路是影响系统测量范围和测量精度的关键。

图3 软件流程图

2.3.1 量程电阻选择方案设计

量程电阻R的切换是通过单片机控制模拟开关CD4052来实现。模拟开关存在导通电阻和漏电流，如果太大会对测试精度产生很大影响。当RS+Zx较小时，模拟开关的导通电阻就不可忽略。因此消除导通电阻对电路的影响十分重要。通过实验，采用如图2所示的原理电路。图2中选用4X2的模拟开关，Ron（1，2，3，4）、Ron（1，2，3，4）是模拟开关的导通电阻；Rs（1，2，3，4）为标准电阻；Z为被测元件。采用该电路减小了导通电阻对测试精度的影响。

2.3.2 增益控制

在测量时，如果由于某种原因使得正弦信号幅度变小，那么在分压的时候就有可能出现某个元件分压得到的信号非常微小的情况。由于单片机可以对0―5V的模拟信号进行8位的A/D转换，所以A/D转换的精度可以算得为5/256=0.02V，也就是说如果信号过于微小而低于0.02V时，A/D转换就会产生转换误差，所以我们需要对增益进行控制，以使测量仪在正弦信号的幅度变化时依然能正常工作。

增益控制电路如图2所示，经过分压后的信号都会送入一个由集成运放所构成的差分式放大电路。因为差分式放大电路是对两个输入端之间的差值进行放大，而且对干扰信号输入的共模信号有很强的抑制作用，所以使用其做为放大电路可以有效的提高测量精度和测量仪的抗干扰性。

2.4 电位提升电路

本次设计采用的是PIC的ADC模块实现模拟信号的数据采集，并选择了电源电压（5V）作为参考基准电压，所以单片机只能够正确采集0到5伏之间的电压，而正弦波输入的是一个交流信号，在负半周期是负电位，使得单片机不能正确的采样，所以在将信号送入单片机以前需要对交流信号进行电位提升，使整个正弦信号任意时刻的电位都大于或等于0，电位提升电路。

将输入信号通过一个放大倍数为1的集成运放，在运放的信号输入脚3上由R1和R3提供一个直流电位，通过改变R1的阻值将直流电位调节到的2.5V，这样正弦信号就可以调节到如图2所示的形状，再供给单片机采样。

单片机采样经过电位提升以后的信号所得到的值并不能直接进行计算，而还需要将这些值减掉2.5V的直流电位才可以计算。

2.5 LCD显示电路

显示电路选用的是LCD模块RC1602，液晶显示模块主要由点阵式液晶显示屏（LCD）、微控制器、驱动电路三部分组成。电路如图1所示。

3.软件设计与实现

根据各部分功能要求，整个系统的软件程序由初始化程序，量程电阻选择程序，AD转换程序，增益控制程序，数据处理程序，ASII码转换程序以及显示程序等子程序组成。最后调用各模块，将它们联系起来，形成一个有机的整体，从而实现对仪器的全部管理功能。以上面所述的思路为基础，通过研究最后得到整个软件程序设计的流程图，如图3所示。

4.结语

本测量仪能自动的识别出待测元件是电阻还是电容。由单片机控制根据待测元件电抗值的大小自动转换到合适的基准电阻档位，以实现量程的自动转换。解决了旧的测量仪器在测量前需要人工判断待测元件参数范围，然后再手动的选择合适量程档位的弊端。

参考文献

[1]苏涛，强生斌，吴顺君.数字正交采样和脉压的高效算法及实现[M].现代雷达，2001，23（1）：39-41.

[2]孙晓兵，保铮.中频正交采样理论[M].机载预警雷达技术交流会，1993：189-196.

[3]康华光，陈大钦.电子技术基础模拟部分[M].高等教育出版社（第4版），2000：394-440.

[4]康华光，邹寿彬.电子技术基础数字部分[M].高等教育出版社（第4版），2000：300-470.

[5]庄绍雄，张迎春.单片机控制的电阻电容在线测量仪[M].电子测量与仪器学报，1993，7（4）：40-45.

作者简介：

王彪，河南职业技术学院助教，主要研究方向：单片机技术、汽车电子技术。

电容测量仪范文第6篇

关键词：电容电感，测量仪，设计

Abstract: This paper introduces a FPGA as the core controller for testing system of measuring method of capacitance and inductance, compared with the traditional capacitance and inductance tester, obviously improves the accuracy of measurement, hope that through this paper design to faster development of electronic products have some help.

Keywords: capacitance and inductance, measuring instrument, design

中图分类号： S611文献标识码：A文章编号：

一、引言

目前国内外的电容电感测量仪，往往硬件设计庞大复杂，功能众多，操作复杂且价格昂贵。本文正是应此发展需求，设计开发一种体积小可便携、测量精度高、操作简单但功能强大的电容电感测量仪。系统抛弃了传统的电桥法、谐振法，采用经典的伏安法，按照阻抗定义设计——五端测量电路；由FPGA设计——DDS发生器，产生频率连续可调的正弦波信号作为测量激励源；数字式全波鉴相器有效去除各种谐波影响，相位分离后得到的分量被高精度高速AD采样后，经过一系列计算处理后，得到测量结果。

二、系统总体方案设计

系统总体设计方案如下图所示。系统架构采用FPGA＋MCU模式。系统首先由FPGA生成各种频率信号波形数据，送至外部高速DAC转换成模拟信号，经过幅度调整、低通滤波和功率放大，进入前端测量电路；待测电抗元件放入五端连接器，接入测量电路，系统会分时通过差分电路取出压降，后通过双AD603级联组成的宽范围可编程增益放大器，调整到最佳幅值，送入相敏检波器的乘法DAC中，进行信号的相位分离；相敏检波器是双路同时工作，生成待处理信号在相差90°的两坐标轴上的投影分量，经过有源低通滤波器和电压抬升电路后，由最终的高速ADC采样，进行数字积分与滤波算法后，计算得到测量结果和各种参数值。系统由单片机At-mega64来检测用户输入和结果显示输出，相应档位的快速自动选择与切换由FPGA完成。

三、系统硬件设计

基于此架构的电容电感测量仪硬件部分主要包括信号发生器、前端测量电路、数字相敏检波器、A/D转换器等组成。

3.1、信号发生器模块

设计要求信号频率范围为20～100kHz，且可以对频率进行步进调节设置。 传统的无源 RC＋运放或LC谐振回路都无法满足要求，故采用FGPA实现DDS原理的设计方案。设计功能框图如下图所示。信号发生器模块硬件部分主要包括分频器、相位累加器、波形存储器、DA 转换、幅度调节、滤波电路和功率放大。本系统采用Cyclone系列的FPGA芯片EP4CE10E144。

在整个信号发生模块里，FPGA内部分别设计这三个模块：数字分频器、相位累加器和波形存储RAM表。数字分频器将FPGA系统时钟分频为要求的频率值，并控制相位累加器、寻址RAM表的对应波形数据，通过高速DA转换为模拟信号。其中，数字分频器接收来自外部输入16位分频数，并输出控制时钟信号到RAM表，相位累加器有一个控制命令输入端，用来控制整个波形发生。

本设计中，选用了AD公司的数模转换器AD5424。它是一种高带宽、8位并行接口的乘法DAC，高达10MHz的带宽满足设计要求。将FPGA输出的数字信号接到AD5424 的数据端口，Vref接一片幅值调节DAC的输出，通过程序配置可将正弦信号在0～5V倍数范围内放大或衰减。其中的幅值调节DAC选用AD公司的AD5314，它具有10位输出精度 ，四通道电压输出，剩余的三路输出将接到后续的程控放大部分的输入。

随后信号经过一高速运放设计的跟随器后，进入LC低通滤波器滤除高频杂波。为了在性能和电路复杂度均衡，本设计选用7阶巴特沃斯滤波器作为高速DAC输出滤波，其通带频率为40MHz，最后由LM7171进行功率放大后，进入前端测量电路。其原理图如下图所示。

3.2、前端测量电路

该部分设计依据伏安法测量原理，待测阻抗元件为Zx，参考元件为Zs，将它们串联组成基本电桥。测量时，激励正弦波信号由四端子中的HC输入，流经Zx后由LC端子引到Zs参考阻抗元件，形成电流通路。为了提高测量精度，阻抗元件Zs共设置了10Ω、100Ω、1kΩ、10kΩ、100kΩ这几个档的标准电阻。

由于激励源是交流信号，换挡开关以及差分运放需要双电源供电，这里选用NXP公司的74HC4051作为标准量程电阻的换挡开关，量程电阻与待测电阻的切换开关则选用MAXIM公司的DG411模拟开关芯片。两级可编程增益放大器AD603通过软件控制，根据最终的采样数据反馈调节，最终将信号幅值限制为不大于1V。根据测量控制信号，切换开关分时将Zx或Zs上的矢量电压值取出，经差分放大和AD603进行幅值调整后，进入后面的A/D采样部分。

3.3、相敏检波器

元件参数测量的关键，就是分离出矢量电压的实部和虚部，并测出向量模值大小，这部分工作由相敏检波器和A/D采样电路共同完成。传统相敏检波采用模拟开关方式，缺点是对信号中的奇次谐波无明显的衰减，精确度被降低。本设计采用全波乘法检波方式，用与信号同频的正弦波去与之相乘，这样可以无差别的同时排除信号中偶次谐波和奇次谐波影响，具有线性好、漂移小等特点，最大程度地提高测量精度。 这里选用两片AD公司的AD5424，它是高带宽、四象限乘法型DAC，由它们构成双路通道同时对检波信号进行两相位的分离。

为了相位基准信号和信号源信号频率的严格一致，FPGA中的分频模块需要同时控制相位累加器和三个波形存储RAM表，以产生同步的写信号和各自对应的数字信号数据输出。 相比激励信号发生模块，鉴相RAM中共存储了初始相位分别为0°/90°、180°/270°的两组正弦波数据，每组共有对应8位地址线的256个数据点，它们的寻址采用相同的地址线 A[0．．7]，而波形的选择则由各自的两根根控制信号来完成。

3.4、A/D采样电路

在传统电容电感测量仪设计中，一般采用双积分式AD转换器。因其原理是将输入电压转换成与平均值成正比的时间间隔，故对于采用模拟开关式相敏检波器来说比较合适，具有高精度、低价格、电路简单的优点。但缺点也很明显，为提高测量精度，积分电容体积大，预设档位多，转换速度慢，且随着时间推移因器件老化和温度变化导致时漂和温漂。因此，在设计便携且采用数字鉴相器的电容电感仪器时，选用双积分ADC则不太合适。

本设计选用AD公司的AD9248芯片，它是14位逐次逼近式模数转换芯片，其最高速度可达65MSPS，允许2Vpp 量程范围的信号输入，拥有2个独立的输入通道，可满足同时对鉴相器相位分离后的分量进行高速采集要求。设计框图如下图所示。

鉴相后的相差为90°的两信号分量，首先经过二阶有源低通滤波器，滤除来自鉴相器引入的无用的交流分量。此时得到的信号为一与相位偏移量有关的直流分量，纹波Vpp大约为5mV到10mV之间。电平抬升电路选用一片高精度参考电压源ADR3412，产生1.2V电压作为信号的正向偏置电压，使信号幅值达到AD9248的输入量程范围之内。信号采样时，FPGA 将根据激励信号频率控制AD9248的采样速率，得到合适数量的样点数据来进行处理和计算测量结果。

四、结束语

实验证明，本文所设计的电容电感测量系统具有操作简便、自动测量、高精度和低成本的优点，因此具有较高的使用价值和良好的市场前景。

参考文献

[1] 韦炜.电容器和电感器交流参数测量方法的对比研究[J].现代电子技术.2012(13)

[2] 何富运,罗晓曙.数字式电感电容测量仪的设计[J].现代电子技术.2008(22)

[3] 刘军,李智.基于单片机的高精度电容电感测量仪[J].国外电子测量技术.2007(06)

电容测量仪范文第7篇

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.

[3]刘毅刚.单片机原理及应用[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2004.

电容测量仪范文第8篇

关键词：MSP430F413；ADXL345；超低功耗；倾角测量

中图分类号：TN492 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）16-3923-03

Abstract： In this paper， based on the completion of a three-axis accelerometer ADXL345 ultra-low power design angle measurement instrument. System uses Msp430F413 as the control system including ADXL345 angle measurement circuitry， segment LCD circuits， etc.， for the complete design of its hardware and software， through commissioning tests， the gauge angle measurement range of 0 to 90 degrees， compact design novel high integration.

Key words： MSP430F413； ADXL345； ultralow power； dip angle measurement

随着机械自动化程度越来越发达，倾角测量仪被广泛应用于工程机械、道路桥梁检测、水平测量、电力监控、建筑与钻探机械等多个行业的角度测量，并对测量提出了更高的精度和抗冲击要求。该文遵循结构简单而可靠性高的原则，设计了一款基于ADXL345的超低功耗倾角测量仪。该测量仪采用MSP430单片机作为控制核 心，通过硬件和软件的设计以及调试测试，该测量仪倾角测量范围0到90度，设计小巧新颖，集成度高。

1 总体方案

本系统主要由Msp430f415单片机、电源电路、三轴加速度传感器电路、功能按键、显示电路等模块组成，系统框图如图 1 系统组成所示。

2 系统单元电路设计

2.1 三轴加速度传感ADXL345电路

三轴加速度传感ADXL345电路如图2所示。

ADXL345为数字型三轴加速度传感器，具有超低功耗特性，在供电电压为2.5V时，测量模式下电流低至25uA，待机模式下电流仅为0.1uA。分辨率高（13位），能够测量不到1.0°的倾斜角度变化，重力加速度的测量范围达± 16g。数字输出数据为16位二进制补码格式，可通过SPI（3线或4线）或I2C数字接口访问。芯片的控制管脚直接与核心。

2.2 电源模块电路设计

升压电路（电容充电电路）如图3所示。

采用两级升压电路，第一级可将1.5V电压升至4.5V左右，第二级可将电压继续升高至25V。第一级升压电路采用TI公司升压转换器TPS61070，其电源转换效率高达90%。器件静态电流达19uA（典型值），输入电压范围为0.9V至5.5V，输出最高可达5.5V。第二级升压电路采用TPS61040，其输入电压范围1.8V至6V，输出电压最高可达8V，器件静态电流达28uA（典型值），可提供400mV电流输出，能够迅速为电容充电至25V。

降压电路如图4所示。

降压电路使用LTC3632电源转换芯片。LTC3632是一种高效率，高电压降压型DC / DC转换器，空载时仅消耗12μA（典型值）的DC电源电流，同时保持输出电压稳定。LTC3632可提供高达20mA负载电流，调整其输出端电压后，足以保证以最低的损耗给整个系统正常供电。

2.3 显示模块电路设计

显示模块采用低功耗4位半段式液晶，使用Msp430F413单片机内部LCD驱动，使得电路大大简化，系统功耗降到相当低的程度。在单片机直接驱动的情况下，静态工作电流能降至nA级别。段式液晶端口分为segment端和com端，通过在segment端和com端加上交流信号，驱动相应的段显示。

2.4 控制模块电路设计

控制芯片采用Msp430f413超低功耗单片机，该系列单片机带有硬件段式液晶驱动程序，能直接驱动段式液晶程序。电路为单片机经典电路。显示模块与控制模块的连接也较简单，只需直接将段式液晶的segment口和com口与单片机对应的端口相连，无需任何外部电阻电容，由单片机产生交流信号直接驱动。

2.5 倾角计算

倾角计算通过ADXL345返回的三轴加速度值，测量静止物体的重力，这个重力反映在每个轴上的分量为：Ax=g*cos（a），Ay=g*cos（b），Az=g*cos（c）。其中a，b，c就是X，Y，Z轴与重力方向的夹角。

三个分量的加速度值转换成以重力加速度为单位，则满足三个方向分量平方和为重力加速度G。[Gx2+Gy2+Gz2=G]将XY方向所确定的面定为测量正面，即XY平面与测量坡度面平行，则测量的倾角满足关系式：

[Angle=tan-1GzGx2+Gy2]

3 软件设计

系统在开机后首先进行IO口、加速度模块、液晶模块的初始化，在初始化后，进入低功耗模式，并开启中断，等待按键中断的唤醒。通过对按键功能的判断实现不同的功能。

其软件设计流程图如图5所示。

4 测量测试结果以及分析

4.1 角度测量测试

将倾角测量仪分别放置在30度，45度和60度的斜面上，每按下一次倾角测量键进行一次倾角测量并显示，不同倾角斜面分别测量五次，记录显示数据。在数据处理表格中，分别计算出每次测量结果与真实值的绝对误差和相对误差，并记录五次测量中最大的相对误差。 结果如表格 1角度测试表格示。

由于测试平台存在不平整的地方，所以在测试时，发现测量数据有一定变化，在对系统进行校正之后，测量结果误差减小。

4.2 电容电压测试

a.用自制的为电容充电的装置给2200uF电容充电。充电完成后用万用表测量电容两端的电压，并记录数据。

b.用自制的为电容充电的装置给100uF电容充电。充电完成后用万用表测量电容两端的电压，并记录数据。

在测试过程中采用了相同型号不同的电容，电容的容量有所差异，且外界环境也有所影响，所以在测试工作时间时，呈现不同的时间。

4.3 工作时间测试

a.用容量为2200uF的电容充电到25V后，接入倾角测量仪中。每五秒按下一次倾角测量键，用秒表记录最长工作时间。

b.用容量为100uF的电容充电到25V后，接入倾角测量仪中。每五秒按下一次倾角测量键，用秒表记录最长工作时间。

测量数据以及结果分析如表格 2电容电压测试以及工作时间测试所示。

5 结束语

基于ADXL345三轴加速度传感器设计的超低功耗倾角测量仪测量范围0到90度，设计小巧新颖，集成度高。

经过测试，达到设计要求。具有比较好的市场前景。

参考文献：

[1] 段晓敏，李杰，刘文怡，等.基于MEMS加速加速度计的数字倾角测量仪的设计[J].电子设计工程，2009，17（8）：71-72.

[2] 穆伟平，马文忠，赵仁德，等.超低功耗倾角测量仪的设计[J].电子世界，2011，25（2）：142-144.

[3] 郝骞，冯敦超，马慧卿，等.基于MEMS传感器技术的倾角测量仪设计[J].电子测试，2013（5）：12-14.

[4] 李杭晋，潘为刚，李易庭，等.低功耗便携式倾角测量仪的设计[J].山东交通学院学报，2013，21（3）：80-83.

[5] 安博文，陈桂林.高精度转炉倾角测量仪的应用研究[J].红外技术，2005，27（6）.

电容测量仪范文第9篇

关键词：橡胶树；容栅原理；树皮厚度；精度分析

中图分类号：TP212.9；S794.1 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）15-3756-04

DOI：10.14088/ki.issn0439-8114.2015.15.046

Abstract： Based on capacitive principle，a set of intelligent rubber tree bark thickness measuring instrument was designed， and through the measurement test of rubber tree bark thickness， the numerical difference of standard deviation and variation were obtained. Results showed that compared with the traditional measurement method， the efficiency of the intelligent rubber tree bark thickness measuring instrument increased by 17～19 times， with the characteristics of portability， low cost， high precision， good stability and so on， which will play a pioneer role in the field of ecological instrument measuring thickness of the bark of rubber trees in China.

Key words： rubber tree； capacitive principle； bark thickness； accuracy analysis

天然橡胶兼具农业与资源属性，是四大基础工业原料中惟一的可再生资源，已被广泛应用于工业、农业、国防等领域[1]。橡胶树经济寿命的长短主要取决于割胶的耗皮量，没有树皮，橡胶树就失去了特有的经济价值[2]，橡胶树树皮厚度不仅能够预测病虫危害、树木生长和遗传变异等情况，还能够评估出树皮中经济成分的含量[3]，并对割胶过程进行充分的指导[4]。因此，对橡胶树树皮及树皮厚度进行研究意义重大。

目前，国内对树皮厚度的测量仍然处于基础阶段，即用刀切出一块树皮，然后采用钢尺或游标卡尺进行直接测量的方法。该测量方法不仅效率低，而且对树皮损伤较严重，同时不同的测量人员切取的树皮区域存在一定的差异，因而人为因素易造成同一部位测量的树皮厚度值有较大的误差。国际上只有瑞典研发了一款树皮厚度测量器，其价格高，量程0～50 mm，而且该测量器仍处于机械读数阶段，读数慢，效率低，同时读数存在主观误差，这些问题使得测量器的推广受到了限制[5]。综合考虑以上原因，研发了一种便携式、高效、成本低、精度高的电子测量仪，且价格低廉。

1 测量仪基本工作原理

1.1 容栅传感器

容栅式传感器是在变面积型电容式传感器的基础上发展起来的一种新型传感器。它同时具有多极电容带来的平均效应与电容式传感器的优点，并且采用闭环反馈式等测量电路，从而降低了寄生电容的影响，提高了抗干扰能力及测量精度。它与光栅、感应同步器等其他数字式位移传感器相比，具有体积小、结构简单、准确度和分辨率高、测量速度快、功耗小、成本低、对使用环境要求不高等优点，因此在电子测量技术中占有十分重要的地位。

1.2 容栅传感器测长基本原理

容栅位移传感器与电容两极板之间的间隙d和介电常数ε有关，其原理为在一定的条件下，电容变化量ΔC的大小与耦合面积变化量Δs呈正比，即ΔC=（ε×Δs）/d。另外，容栅位移传感器又可分为长容栅位移传感器和圆容栅角位移传感器。本设计所涉及的是长容栅位移传感器。

2 智能测量仪设计

2.1 结构设计

如图1、图2和图3所示，分别为设计的橡胶树树皮厚度测量仪的主视图、俯视图及内部结构图，包括插刀刀片2、锁紧螺钉3、插刀固定部件4、弹簧9、位置限制叉1、显示部件8、塑料手柄6、多功能按键5等。其中插刀刀片2插入到插刀固定部件4的槽中，通过锁紧螺钉3进行固定；显示部件8安装在插刀固定部件4上，并且在插刀固定部件4的中部两侧有限位突起11，弹簧9缠绕在固定部件4的尾部上，且插刀固定部件4的端部与手柄6相连；限位叉1紧贴插刀柄4，且其尾部插入弹簧9的内部，限位叉上设有插刀刀片2，并设有限位挡块10；其中，插刀固定部件4、限位叉1的后半部及显示部件8、弹簧9等均在手柄6的内部。另外，插刀柄4上设有定栅，限位叉1上设有动栅。

2.2 部件设计及功能分析

1）手柄。手柄的前端安有透明显示窗口，多功能按键设置在手柄中部，尾部设有端盖。手柄采用符合人体工程力学的造型，使用更为舒适。材质为工程塑料，表面涂有树脂材料，手接触的地方设置有凸点，进一步防止打滑，便于操作。

2）显示部件。显示部件由集成电路、传感器、介电层、显示屏等组成，并连接有多功能按键。其中，集成电路设计有示数锁定、自动关机等功能。

3）多功能按键。开关机、零点校正等功能均可通过多功能按键实现。在测量装置关机时，轻按一下则开机；在开机状态下，长按按键则启动零点校正功能，短按一下则关闭测量装置。

4）位置限制叉（图4）。叉上设有插刀刀片，整体紧贴插刀固定部件，尾部插入在弹簧内，并设置有限位突起。

2.3 操作分析

启动：轻按按键，装置自动开机。

测量：用手握住手柄，将插刀插入树皮，锋利的插刀可以将树皮刺穿，而位置限制叉则被树皮阻挡在外部，绝对位置不变。在插入树皮的过程中，位置限制叉向后滑动从而压缩弹簧，当插刀插入到木质层时，因木质层具有较高的硬度而无法继续刺入，对弹簧的压缩因而停止。拔出插刀，便可在显示屏上读出示数。显示示数将锁定5 s以方便读数，随后自动清零以便下一次测量。另外，该装置如果超过1 min未进行新的测量或零点校正操作，则仪器自动关机。

零点校正：为消除装置间隙以及刀片的长度引起的测量误差，在开机状态下用手握住手柄，将位置限制叉在硬质平面上压下，直到插刀刀片与平面接触，长按多功能按键，系统将记录此时位置限制叉与插刀固定部件的相对位置并设置为零，即可完成校正。

3 测量仪的测量及数据分析

为了对该仪器进行较准确的精度、准确度与稳定性分析，将该装置与目前普遍使用的精度最高的游标卡尺测量法进行了对比试验。根据不同年龄橡胶树的树皮硬度及厚度的差异，分别选取了橡胶树1、2、3作为试验对象。选取该3棵橡胶树距离地面1 m处10 mm×10 mm的方形平整区域作为测量范围，20次重复取平均值。为避免主观因素的影响，由同一个试验员进行3棵橡胶树的树皮厚度测量和读数，两种方法测得的数据如表1所示。

从表1可知，每一棵树由设计电子厚度测量仪所测得的树皮厚度的标准偏差均小于游标卡尺所测数据，标准偏差越小，其偏离平均值就越少。另外，3次试验中，游标卡尺测出数据的方差分别为电子厚度测量仪测得的7.9、3.1、3.6倍，在充分利用试验所得的数据估计试验误差的情况下可判断，电子厚度测量仪的精度明显高于游标卡尺测量法。游标卡尺测出数据的极差分别为电子厚度测量仪的2.4、1.8、1.6倍，因此电子厚度测量仪作为分散性数据的测量仪器具有很高的稳定性。经电子厚度测量仪测量的数据变异系数均小于经游标卡尺测量得出数据的变异系数，进一步说明前者数据精密度好于后者。

3棵树两种测量方法所得结果的散点分布图见图5、图6和图7。

由图5、图6、图7显示的数据变动幅度可以得出，经电子厚度测量仪测量的数据上下波动幅度较游标卡尺测量所得的数据小。另外，相对于中心点的分布情况，数据集中度较好，并不发生很尖锐的变动。电子厚度测量仪测量数据的彼此符合程度明显优于游标卡尺所测数据，因此有更高的精密度，能反映重复分析测定均一样品所获得的测定值之间的较高的一致性程度。

该橡胶树树皮电子厚度测量仪大大提高了测量效率，在满足测量要求的前提下，统计了两种测量仪器一次工作所需的时间并分别计算其效率。树皮厚度测量仪只需将插刀插入树干即可测量树皮厚度，统计该仪器对每种树进行测试所需时间；而游标卡尺测量需要凿开树皮进行测量，对每棵树则进行一次测量。其测量时间结果如表2所示。从表2可以看出，橡胶树树皮电子厚度测量仪的测量时间远短于传统游标卡尺的测量时间，其效率是游标卡尺测量法的17～19倍。

4 小结

基于对容栅技术的测长位移传感器的研究和橡胶树皮厚度的物理特性分析，设计了一种结构简单的橡胶树树皮电子厚度测量仪。测量数据结果表明，橡胶树树皮电子厚度测量仪的精密度明显优于传统电子游标卡尺测量法，且变异系数均小于传统的卡尺测量，效率是游标卡尺的17～19倍，采用本设计的橡胶树树皮厚度仪在测量精密度、稳定性、效率等方面均明显优于传统测量方法。该测量仪不仅结构简单，便于携带，而且成本低、易操作、使用方便，测量树皮厚度迅速准确，测量方法便捷，测量结果显示直观，将对中国生态仪器的研究有着重要的推进作用。

参考文献：

[1] 何焯亮，王 涛，成满平.可调节式橡胶树割胶机的设计[J].湖北农业科学，2014，53（17）：4195-4198.

[2] 祁栋灵，王秀全，张志扬，等.世界天然橡胶产业现状及科技对其推动力分析[J]. 热带农业科学，2013，33（1）：61-66.

[3] 王晓林，蔡可旺，姜立春.落叶松树皮厚度变化规律的研究[J].森林工程，2011.2（27）：8-11.

[4] 闫喜强，廖宇兰.橡胶树割胶技术的探索[A].海南省机械工程学会.创新装备技术给力地方经济――第三届全国地方机械工程学会学术年会暨海峡两岸机械科技论坛论文集[C].海南省机械工程学会，2013.4.

电容测量仪范文第10篇

Abstract: The humidity sensor test system studied in this thesis is built up by the Virtual Instrument technology. LabVIEW is applied to humidity capacitor test system in this research, and data collection, processing, analysis and display are realized. The method of the instrument control and data collection through the serial port is designed. The LabVIEW test system can resolve many problems such as personnel, time, precision and stability, the operator can see the test result through the screen of PC monitor, and save the result into computer to analysis.

关键词： LabVIEW；虚拟仪器；湿敏电容；数据采集

Key words: Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench；virtual instrument；humidity capacitance；data acquisition

中图分类号：TM93文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）18-0045-01

0引言

在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境湿度进行测量及控制。近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。湿度传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度/温度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平,因此对批量生产的湿度传感器的检测具有重要意义。本文研究的湿度传感器测试系统就是用虚拟仪器技术组建的。这个测试系统与目前国内生产中使用的同类设备相比检测速度将得到大大提高，并使湿度传感器中湿敏元件的测试实现了智能化、自动化，测量精度也将得到一定的提高。由于采用了虚拟仪器技术，用户可以在计算机的虚拟面板上进行所有操作，具有使用方便、功能强及性能可扩展等优点，与传统仪器相比在数据处理、人机交换等方面显示出了巨大的优势，因此将在湿度传感器的科研和批量生产测试中得到广泛应用。

1系统的整体设计

1.1 测量湿敏电容的电容值（C）、耗散因数（D）、品质因数（Q）、电阻值（R）；试验箱内的环境状况测量，包括温度值、湿度值。

采用LCR测量仪，测量出湿敏电容的C、D（Q）、R值。由于放置湿敏电容的试验箱是多通道的，而LCR测量仪同一时间只能对一个通道进行测量，因此用程控开关对多个通道进行选择控制。选择的LCR测量仪具备校准功能，因为所使用的测试电缆、测试柱、程控开关对测量值都有一定的影响。

1.2 对仪器的控制及对测量的数据进行采集、分析处理与显示LabVIEW软件通过收发指令来控制开关的选择和仪器的测量。将测量后的值采集到计算机中，用于分析处理。测量仪测出的量并不能直接显示出湿敏电容传感器的性能，因此需要通过测量量计算出传感器的各个性能指标：灵敏度、湿滞、非线性、温度系数、时漂、长期稳定性和响应时间；再根据得出的值绘出线性曲线、温度系数曲线、时漂曲线、长期稳定性曲线和响应时间曲线等来表征传感器的性能，通过LabVIEW软件在计算机上显示出来；最后根据上面的分析计算将传感器分档，为以后的研究和使用做准备。

终端控制系统有三方面的作用，一是用于数据分析，二是数据显示，三是图形显示；程控开关的作用是切换不同的通道；湿敏元件试验箱即湿度发生器，用于存放湿敏元件；LCR测量仪用于测量出经程控开关切换的电容。

2系统硬件组成

硬件组成图如图1所示，各个部分之间通过RS-232总线进行通信。控制系统主要由软件组成，软件通过RS-232接口控制测量仪是否开始测量，控制开关的选通和被测元件所在环境的温湿度。测量仪与开关之间也是通过RS-232总线进行连接。

3系统软件设计

软件是测试系统的灵魂，几乎测试系统的全部工作都是在软件的控制下进行的，软件的设计质量直接影响测试系统的性能。虚拟面板是测试系统与用户交流信息的桥梁，通过精心布局、合理配置，设计出具有界面友好、操作简单、功能全面的虚拟面板。本测试系统的虚拟面板具有如下特点：高度的人机交互性--用户的每一步操作都能得到提示和响应；功能键之间的互锁性――提高了用户操作的准确性；被测信号实时显示――测量过程中被测信号可动态显示。

使用LabVIEW编程语言在Windows XP系统上构建测试系统的软件平台。软件由两部分组成，一是信号控制部分，通过对前面板上参数或按钮的设置，对试验箱的温湿度、程控开关的通道选择和LCR测量仪进行控制；一是数据采集部分，将测量仪测得的数据采集到计算机中，然后进行分析处理和计算，显示出所需要的技术指标，最终实现采集存储、定时存储、数据记录、数据分档等功能。对仪器的控制和对数据的读取，我们都是通过对串口进行操作来实现的。因为串口操作简单，而且所用的仪器本身带有串口，十分方便。

由于我们要对测得的数据进行分析处理，因此需要把测得的数据先存储到计算机中，等待测数据都测量完毕后再进行计算。这些都离不开文件I/0操作。文件I/0操作也是LabVIEW和外部交换数据的重要方式。文件I/0格式取决于所读写的文件格式。LabVIEW可读写的文件格式由文本文件、二进制文件和数据记录文件3种。使用何种格式的文件取决于采集和创建的数据及访问这些数据的应用程序。

4结论

本文所设计的基于LabVIEW的湿敏电容测试系统，由于采用了虚拟仪器技术，用户可以在计算机的虚拟面板上进行所有操作，具有使用方便、功能强及性能可扩展等优点，与传统仪器相比在数据处理、人机交换等方面显示出了巨大的优势，并使湿度传感器中湿敏元件的测试实现了智能化、自动化，测量精度也将得到一定的提高，为批量生产的湿敏元件的测试带来了方便并提供了新的思路，因此将在湿度传感器的科研和批量生产测试中得到广泛应用。

参考文献：

[1]WIDMER A M.，CARVETH C J，KEFFLER J W，et al.Design of a computerized，temperature-Controlled,recirculating aquaria system[J].Aquacultural

Engineering 2006(9):81-86.

[2]FARACO G，GABRIELE L.Using LabVIEW for applying mathematical models in representing phenomena[J].Computers&Education，2006：96-112P.

[3]李杨，郑莹娜，朱铮涛.图形化编程语言LabVIEW环境及其开放性[J].计算机工程.1999，25（4）：63-65.