導(dǎo)語：如何才能寫好一篇電容測量儀，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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關(guān)鍵詞：STC89C52；555振蕩器；電容測量；數(shù)碼管顯示

中圖分類號：F425 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 02-0000-01

數(shù)字電容測量計(jì)設(shè)計(jì)主要包括測量電路，記數(shù)電路和顯示電路三部分。測量電路的核心部分是555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。記數(shù)電路是由74LS160和74LS161構(gòu)成的計(jì)數(shù)器以及74LS273鎖存器構(gòu)成。顯示電路由譯碼器和數(shù)碼管構(gòu)成，測量方法使用測脈寬法，測脈寬法利用記數(shù)控制電路中的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在被測電容CX上的充放電規(guī)律，將電容容值轉(zhuǎn)換為脈沖寬度TX，再與標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號相與得到TX內(nèi)的脈沖數(shù)N，通過記數(shù)顯示就可以得到容值。本設(shè)計(jì)選擇用閘門信號來控制時(shí)鐘信號產(chǎn)生的CP脈沖個(gè)數(shù)，使其來反映被測電容Cx的數(shù)值。用測脈寬法得到的數(shù)值比較容易通過數(shù)碼管來顯示。

一、單元電路設(shè)計(jì)與分析

（一）測量電路

圖1是由兩個(gè)555定時(shí)器接成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器所構(gòu)成的電容測量電路，C3為被測電容，當(dāng)被測電容CX接入電路后，由于電容充放電效應(yīng)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈寬與被測電容大小成正比的閘門信號，同時(shí)多諧振蕩器會(huì)產(chǎn)生脈沖信號CP，閘門信號與脈沖信號CP同時(shí)經(jīng)過與門運(yùn)算，得到一個(gè)新的脈沖信號，再將此信號送入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器由555定時(shí)器接成，當(dāng)接入被測電容時(shí)，通過被測電容C3充放電，使電壓在0到2/3VCC之間振蕩，最后脈沖由3端輸出。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出電壓脈寬：TX=RCXln3≈1.1RCX，這種電路產(chǎn)生的脈沖可以從幾微秒到數(shù)分鐘。當(dāng)R固定時(shí)，則TW為正比于電容。C越大，則Tw時(shí)間內(nèi)通過與門的時(shí)鐘脈沖就越多，則計(jì)數(shù)電路實(shí)現(xiàn)T與C正比。多諧振蕩器輸出電壓脈寬：T=（R1+2R2）Cln2≈0.69（R1+2R2）C。

經(jīng)過與門后得到的信號滿足：RCxln3=N（R1+2R2）Cln2，令參考電容C=1uf進(jìn)過整理得：CX=N（R1+2R2）Cln2/Rln3，即當(dāng)（R1+2R2）Cln2/Rln3=1時(shí)，閘門信號內(nèi)單位脈沖數(shù)N×10就得到被測電容CX的容值。

（二）計(jì)數(shù)電路

計(jì)數(shù)電路由74LS161計(jì)數(shù)器74LS160計(jì)數(shù)器和74LS273鎖存器構(gòu)成，兩片計(jì)數(shù)器通過置數(shù)法將兩片計(jì)數(shù)器連接成百進(jìn)制計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)范圍為0到99。時(shí)鐘信號由閘門信號和脈沖信號相與得到，當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到99時(shí)，再經(jīng)過一個(gè)脈沖時(shí)鐘信號74LS161的輸出端Q3和Q1輸出1。兩片計(jì)數(shù)器輸出端接74LS273鎖存器輸入端，鎖存器時(shí)鐘信號由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出信號經(jīng)過反相得到，經(jīng)過反相器是為了使鎖存器在計(jì)數(shù)結(jié)束時(shí)開始鎖存。計(jì)數(shù)部分由74LS161十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器和74LS160十進(jìn)制計(jì)數(shù)器構(gòu)成，74LS160計(jì)數(shù)器的EP和ET端接高電平，使之保持在工作狀態(tài)，時(shí)鐘信號由測量電路輸出提供，其進(jìn)位輸出端接到74LS161計(jì)數(shù)器的EP和EP端，使其在進(jìn)位時(shí)讓計(jì)數(shù)器U3工作。兩片計(jì)數(shù)器的MR端和LOAD端均接測量電路的單穩(wěn)態(tài)輸出端，保證計(jì)數(shù)器在有效技術(shù)范圍內(nèi)計(jì)數(shù)。當(dāng)超出計(jì)數(shù)范圍時(shí)，Q3和Q1為1通過74LS08與門輸入到下一級電路。計(jì)數(shù)電路中的鎖存功能由鎖存器74LS273完成，D0到D7端為數(shù)據(jù)輸入端，分別對應(yīng)接到計(jì)數(shù)器的輸出端。MR端為異步清零端，接高電位使其保持在工作狀態(tài)。時(shí)鐘信號由測量電路中的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出端經(jīng)過反相得到，使其在技術(shù)結(jié)束時(shí)進(jìn)行鎖存。Q0到Q7端為輸出端，分別接到下一級顯示電路的譯碼器輸入端。

顯示電路主要包括譯碼器7448和數(shù)碼管兩部分，計(jì)數(shù)電路的鎖存器輸出端分別接到譯碼器輸入端，譯碼器LT，RBI均接高電位使其保持工作狀態(tài)，QA到QG為譯碼器輸出端分別接到數(shù)碼管輸入端，同時(shí)Vcc接限流電阻接到輸入端。當(dāng)接入被測電阻電路工作時(shí)，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)再通過鎖存器將計(jì)數(shù)結(jié)果送入7448譯碼器，譯碼器將相應(yīng)數(shù)值譯成高低電平送入數(shù)碼管，數(shù)碼管顯示相應(yīng)數(shù)值。顯示驅(qū)動(dòng)電路，A0到A3為輸入端，當(dāng)LI和RBI同時(shí)置高電位時(shí)譯碼器工作。Ya到Y(jié)g為輸出端，分別接數(shù)碼管各端驅(qū)動(dòng)顯示。

二、結(jié)束語

在這次設(shè)計(jì)中雖然遇到了許多的困難，首先在設(shè)計(jì)總電路的時(shí)候就有好多方案，是經(jīng)過了多次的實(shí)驗(yàn)測量選擇出了最合適的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過與同伴、老師進(jìn)行商議討論，最終完成了設(shè)計(jì)方案的確定，通過查閱相關(guān)參考文獻(xiàn)對STC89C52單片機(jī)的各個(gè)管腳進(jìn)行了了解。以及電路中各個(gè)芯片的使用，每個(gè)管腳的作用都要有所熟悉才能夠進(jìn)行本次設(shè)計(jì)。在進(jìn)行555定時(shí)器產(chǎn)生單脈沖信號時(shí)脈沖信號出現(xiàn)了小毛刺，對設(shè)計(jì)結(jié)果產(chǎn)生了不小的影響，后經(jīng)過上網(wǎng)查閱資料得知信號干擾的解決方法可以在多諧振蕩器輸出端加入74HC08使輸出波形毛刺減少，從而使單片機(jī)測量結(jié)果變精確。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡輝.單片機(jī)原理及應(yīng)用設(shè)計(jì)[M].北京：中國水利水電出版社，2005.

[2]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）第四版[M].北京：高等教育出版社，1999.

[3]邱關(guān)源.電路（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

篇2

1、記錄移動(dòng)電源總?cè)萘?，在移?dòng)電源的外殼和說明書上即可查看；

2、給移動(dòng)電源充滿電；

3、記錄手機(jī)電池容量，可通過查網(wǎng)站、查看說明書和打開電池蓋查看；

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關(guān)鍵詞：橡膠樹；容柵原理；樹皮厚度；精度分析

中圖分類號：TP212.9；S794.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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

天然橡膠兼具農(nóng)業(yè)與資源屬性，是四大基礎(chǔ)工業(yè)原料中惟一的可再生資源，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防等領(lǐng)域[1]。橡膠樹經(jīng)濟(jì)壽命的長短主要取決于割膠的耗皮量，沒有樹皮，橡膠樹就失去了特有的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[2]，橡膠樹樹皮厚度不僅能夠預(yù)測病蟲危害、樹木生長和遺傳變異等情況，還能夠評估出樹皮中經(jīng)濟(jì)成分的含量[3]，并對割膠過程進(jìn)行充分的指導(dǎo)[4]。因此，對橡膠樹樹皮及樹皮厚度進(jìn)行研究意義重大。

目前，國內(nèi)對樹皮厚度的測量仍然處于基礎(chǔ)階段，即用刀切出一塊樹皮，然后采用鋼尺或游標(biāo)卡尺進(jìn)行直接測量的方法。該測量方法不僅效率低，而且對樹皮損傷較嚴(yán)重，同時(shí)不同的測量人員切取的樹皮區(qū)域存在一定的差異，因而人為因素易造成同一部位測量的樹皮厚度值有較大的誤差。國際上只有瑞典研發(fā)了一款樹皮厚度測量器，其價(jià)格高，量程0～50 mm，而且該測量器仍處于機(jī)械讀數(shù)階段，讀數(shù)慢，效率低，同時(shí)讀數(shù)存在主觀誤差，這些問題使得測量器的推廣受到了限制[5]。綜合考慮以上原因，研發(fā)了一種便攜式、高效、成本低、精度高的電子測量儀，且價(jià)格低廉。

1 測量儀基本工作原理

1.1 容柵傳感器

容柵式傳感器是在變面積型電容式傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型傳感器。它同時(shí)具有多極電容帶來的平均效應(yīng)與電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)，并且采用閉環(huán)反饋式等測量電路，從而降低了寄生電容的影響，提高了抗干擾能力及測量精度。它與光柵、感應(yīng)同步器等其他數(shù)字式位移傳感器相比，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、準(zhǔn)確度和分辨率高、測量速度快、功耗小、成本低、對使用環(huán)境要求不高等優(yōu)點(diǎn)，因此在電子測量技術(shù)中占有十分重要的地位。

1.2 容柵傳感器測長基本原理

容柵位移傳感器與電容兩極板之間的間隙d和介電常數(shù)ε有關(guān)，其原理為在一定的條件下，電容變化量ΔC的大小與耦合面積變化量Δs呈正比，即ΔC=（ε×Δs）/d。另外，容柵位移傳感器又可分為長容柵位移傳感器和圓容柵角位移傳感器。本設(shè)計(jì)所涉及的是長容柵位移傳感器。

2 智能測量儀設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1、圖2和圖3所示，分別為設(shè)計(jì)的橡膠樹樹皮厚度測量儀的主視圖、俯視圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，包括插刀刀片2、鎖緊螺釘3、插刀固定部件4、彈簧9、位置限制叉1、顯示部件8、塑料手柄6、多功能按鍵5等。其中插刀刀片2插入到插刀固定部件4的槽中，通過鎖緊螺釘3進(jìn)行固定；顯示部件8安裝在插刀固定部件4上，并且在插刀固定部件4的中部兩側(cè)有限位突起11，彈簧9纏繞在固定部件4的尾部上，且插刀固定部件4的端部與手柄6相連；限位叉1緊貼插刀柄4，且其尾部插入彈簧9的內(nèi)部，限位叉上設(shè)有插刀刀片2，并設(shè)有限位擋塊10；其中，插刀固定部件4、限位叉1的后半部及顯示部件8、彈簧9等均在手柄6的內(nèi)部。另外，插刀柄4上設(shè)有定柵，限位叉1上設(shè)有動(dòng)?xùn)拧?/p>

2.2 部件設(shè)計(jì)及功能分析

1）手柄。手柄的前端安有透明顯示窗口，多功能按鍵設(shè)置在手柄中部，尾部設(shè)有端蓋。手柄采用符合人體工程力學(xué)的造型，使用更為舒適。材質(zhì)為工程塑料，表面涂有樹脂材料，手接觸的地方設(shè)置有凸點(diǎn)，進(jìn)一步防止打滑，便于操作。

2）顯示部件。顯示部件由集成電路、傳感器、介電層、顯示屏等組成，并連接有多功能按鍵。其中，集成電路設(shè)計(jì)有示數(shù)鎖定、自動(dòng)關(guān)機(jī)等功能。

3）多功能按鍵。開關(guān)機(jī)、零點(diǎn)校正等功能均可通過多功能按鍵實(shí)現(xiàn)。在測量裝置關(guān)機(jī)時(shí)，輕按一下則開機(jī)；在開機(jī)狀態(tài)下，長按按鍵則啟動(dòng)零點(diǎn)校正功能，短按一下則關(guān)閉測量裝置。

4）位置限制叉（圖4）。叉上設(shè)有插刀刀片，整體緊貼插刀固定部件，尾部插入在彈簧內(nèi)，并設(shè)置有限位突起。

2.3 操作分析

啟動(dòng)：輕按按鍵，裝置自動(dòng)開機(jī)。

測量：用手握住手柄，將插刀插入樹皮，鋒利的插刀可以將樹皮刺穿，而位置限制叉則被樹皮阻擋在外部，絕對位置不變。在插入樹皮的過程中，位置限制叉向后滑動(dòng)從而壓縮彈簧，當(dāng)插刀插入到木質(zhì)層時(shí)，因木質(zhì)層具有較高的硬度而無法繼續(xù)刺入，對彈簧的壓縮因而停止。拔出插刀，便可在顯示屏上讀出示數(shù)。顯示示數(shù)將鎖定5 s以方便讀數(shù)，隨后自動(dòng)清零以便下一次測量。另外，該裝置如果超過1 min未進(jìn)行新的測量或零點(diǎn)校正操作，則儀器自動(dòng)關(guān)機(jī)。

零點(diǎn)校正：為消除裝置間隙以及刀片的長度引起的測量誤差，在開機(jī)狀態(tài)下用手握住手柄，將位置限制叉在硬質(zhì)平面上壓下，直到插刀刀片與平面接觸，長按多功能按鍵，系統(tǒng)將記錄此時(shí)位置限制叉與插刀固定部件的相對位置并設(shè)置為零，即可完成校正。

3 測量儀的測量及數(shù)據(jù)分析

為了對該儀器進(jìn)行較準(zhǔn)確的精度、準(zhǔn)確度與穩(wěn)定性分析，將該裝置與目前普遍使用的精度最高的游標(biāo)卡尺測量法進(jìn)行了對比試驗(yàn)。根據(jù)不同年齡橡膠樹的樹皮硬度及厚度的差異，分別選取了橡膠樹1、2、3作為試驗(yàn)對象。選取該3棵橡膠樹距離地面1 m處10 mm×10 mm的方形平整區(qū)域作為測量范圍，20次重復(fù)取平均值。為避免主觀因素的影響，由同一個(gè)試驗(yàn)員進(jìn)行3棵橡膠樹的樹皮厚度測量和讀數(shù)，兩種方法測得的數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1可知，每一棵樹由設(shè)計(jì)電子厚度測量儀所測得的樹皮厚度的標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于游標(biāo)卡尺所測數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)偏差越小，其偏離平均值就越少。另外，3次試驗(yàn)中，游標(biāo)卡尺測出數(shù)據(jù)的方差分別為電子厚度測量儀測得的7.9、3.1、3.6倍，在充分利用試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)估計(jì)試驗(yàn)誤差的情況下可判斷，電子厚度測量儀的精度明顯高于游標(biāo)卡尺測量法。游標(biāo)卡尺測出數(shù)據(jù)的極差分別為電子厚度測量儀的2.4、1.8、1.6倍，因此電子厚度測量儀作為分散性數(shù)據(jù)的測量儀器具有很高的穩(wěn)定性。經(jīng)電子厚度測量儀測量的數(shù)據(jù)變異系數(shù)均小于經(jīng)游標(biāo)卡尺測量得出數(shù)據(jù)的變異系數(shù)，進(jìn)一步說明前者數(shù)據(jù)精密度好于后者。

3棵樹兩種測量方法所得結(jié)果的散點(diǎn)分布圖見圖5、圖6和圖7。

由圖5、圖6、圖7顯示的數(shù)據(jù)變動(dòng)幅度可以得出，經(jīng)電子厚度測量儀測量的數(shù)據(jù)上下波動(dòng)幅度較游標(biāo)卡尺測量所得的數(shù)據(jù)小。另外，相對于中心點(diǎn)的分布情況，數(shù)據(jù)集中度較好，并不發(fā)生很尖銳的變動(dòng)。電子厚度測量儀測量數(shù)據(jù)的彼此符合程度明顯優(yōu)于游標(biāo)卡尺所測數(shù)據(jù)，因此有更高的精密度，能反映重復(fù)分析測定均一樣品所獲得的測定值之間的較高的一致性程度。

該橡膠樹樹皮電子厚度測量儀大大提高了測量效率，在滿足測量要求的前提下，統(tǒng)計(jì)了兩種測量儀器一次工作所需的時(shí)間并分別計(jì)算其效率。樹皮厚度測量儀只需將插刀插入樹干即可測量樹皮厚度，統(tǒng)計(jì)該儀器對每種樹進(jìn)行測試所需時(shí)間；而游標(biāo)卡尺測量需要鑿開樹皮進(jìn)行測量，對每棵樹則進(jìn)行一次測量。其測量時(shí)間結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，橡膠樹樹皮電子厚度測量儀的測量時(shí)間遠(yuǎn)短于傳統(tǒng)游標(biāo)卡尺的測量時(shí)間，其效率是游標(biāo)卡尺測量法的17～19倍。

4 小結(jié)

基于對容柵技術(shù)的測長位移傳感器的研究和橡膠樹皮厚度的物理特性分析，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單的橡膠樹樹皮電子厚度測量儀。測量數(shù)據(jù)結(jié)果表明，橡膠樹樹皮電子厚度測量儀的精密度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)電子游標(biāo)卡尺測量法，且變異系數(shù)均小于傳統(tǒng)的卡尺測量，效率是游標(biāo)卡尺的17～19倍，采用本設(shè)計(jì)的橡膠樹樹皮厚度儀在測量精密度、穩(wěn)定性、效率等方面均明顯優(yōu)于傳統(tǒng)測量方法。該測量儀不僅結(jié)構(gòu)簡單，便于攜帶，而且成本低、易操作、使用方便，測量樹皮厚度迅速準(zhǔn)確，測量方法便捷，測量結(jié)果顯示直觀，將對中國生態(tài)儀器的研究有著重要的推進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 祁棟靈，王秀全，張志揚(yáng)，等.世界天然橡膠產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及科技對其推動(dòng)力分析[J]. 熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，33（1）：61-66.

[3] 王曉林，蔡可旺，姜立春.落葉松樹皮厚度變化規(guī)律的研究[J].森林工程，2011.2（27）：8-11.

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關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng)；ATmega128；糧食水分測量儀；AVR單片機(jī)

中圖分類號：TP301文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2012)16-3998-02

Researches on the Technology of Grain Moisture Measurement Based on 555 Integrated Circuit

WAN Zhi-qiang1, DONG Yu-de1, ZANG Jun1, YANG Xian-long2,YE Fei2, SHI De-cai2

(1.School of Mechanical & Automotive Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China;2.QuanJiao JinZhu Mechani? cal Manufacturing Co., LTD, Chuzhou 239500, China）

Abstract: In order to quickly and accurately detect the food contained in the water, and also to better storage and maintain commissariat to various physiological properties and eating quality .A method based on the 555 integrated circuit of grain moisture detection is used in this paper,containing some moisture of grain is equivalent to corresponding dielectric constant,it can produce a different frequency signal in composed of 555 chips moisture detection circuit.The grain moisture detection method reported in this paper is based on this principle to achieve. This paper has focused on the 555 integrated circuit of grain moisture detection circuit principle, and finally the final effect dia? gram has been gived.

Key words: control system; ATmega128; grain moisture measurement; AVR microcontroller

傳統(tǒng)的糧食水分檢測方法，由于測量的周期較長，難以滿足在線測量和精確測量的要求。當(dāng)前糧食水分檢測方法原理上大概有：電阻法、電容法、微波法、核磁共振法等[1]。微波法和核磁共振法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，不能滿足檢測對象的專用性[2]；電阻法和電容法原理簡單、測量結(jié)果準(zhǔn)確，同時(shí)也有抗干擾性差等缺點(diǎn)，但成本低廉，硬件和軟件都易于實(shí)現(xiàn)。文中所提出的基于555集成電路的糧食水分檢測技術(shù)，正是基于電容法原理而實(shí)現(xiàn)的。

2.1主控制芯片

系統(tǒng)的主控制芯片采用的是愛特梅爾公司（ATMEL）生產(chǎn)的ATmega128控制芯片。ATmega128單片機(jī)的最大特點(diǎn)是處理速度快，端口資源豐富，可以提供多達(dá)64個(gè)端口。這就可以為糧食水分測量系統(tǒng)提供各自獨(dú)立的端口資源[4]。

2.2溫度傳感器

溫度傳感器采用的是美國DALLAS公司生產(chǎn)的數(shù)字溫度傳感器DS18B20。該傳感器結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，采用“一線總線”的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可用一根I/O數(shù)據(jù)線既供電又傳輸數(shù)據(jù)。與ATMEL128微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20傳感器的雙向通訊[5]。

整個(gè)糧食水分測量控制系統(tǒng)由主控制板、溫度和濕度電路板、電源和電機(jī)電路板、按鍵電路板共4快電路板組成。整個(gè)糧食水分測量儀實(shí)物圖如圖2所示。

糧食水分測量儀控制系統(tǒng)整個(gè)工作流程是：在給控制系統(tǒng)接上電源并開機(jī)后，控制系統(tǒng)首先開始自檢并進(jìn)行參數(shù)的初始化，分配對應(yīng)的端口地址，按照設(shè)置好的測量參數(shù)，分別采集溫度信號和濕度信號，并把采集來的信號進(jìn)行處理，把測量結(jié)果顯示在液晶顯示器上，然后根據(jù)各個(gè)功能按鍵的指令，執(zhí)行相應(yīng)的測量功能。至此，糧食水分測量儀的整個(gè)控制系統(tǒng)便開始進(jìn)入正常工作的狀態(tài)。系統(tǒng)的主流程圖如圖3所示。

該文分析了基于555集成電路的糧食水分檢測技術(shù)，提出了采用電容法檢測原理，并給出了電路檢測原理圖。在此基礎(chǔ)上，完成了硬件電路設(shè)計(jì)。由于影響糧食水分測量的因素較多，測量時(shí)因充分考慮各種因素帶來的影響。該文在大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出了糧食水分含量、溫度、重量等幾個(gè)參數(shù)的關(guān)系。通過實(shí)驗(yàn)室大量實(shí)驗(yàn)表明，該測量儀具有結(jié)構(gòu)簡單、精度較高等優(yōu)點(diǎn)。目前由于程序的單一性，對稻谷水分可以實(shí)現(xiàn)較為精確的測量。下步隨著程序的不斷完善，可以測量更多品種糧食的水分（高粱、小麥、大豆等）。

[1]張永林,張勝全,劉文生.糧食水分在線測量評述[J].武漢工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2003,22(4) .

[2]金永君,艾延寶.核磁共振技術(shù)及應(yīng)用[J].物理與工程,2002,12(1):47-48.

[3]沈建良,趙文宏,賈玉坤,等.ATmega128單片機(jī)入門與提高[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2009.

篇5

關(guān)鍵詞：非接觸式智能IC卡；諧振頻率；LCRMeter；頻譜分析儀

1 引言

近年來，大到金融、公共交通和社會(huì)保障，小到圖書館、校園和門禁等，智能卡的應(yīng)用領(lǐng)域日益多元化，相關(guān)的智能卡設(shè)計(jì)、生產(chǎn)企業(yè)越來越多。由于智能卡被完全密封，對其整體電氣參數(shù)L、C、R的測量造成了困難，而諧振頻率作為能夠反映智能卡天線端口部分電氣參數(shù)的重要指標(biāo)，被各企業(yè)及研發(fā)單位廣泛用于設(shè)計(jì)或生產(chǎn)參考，長期以來被大量使用。但到目前為止，對于諧振頻率的測量方法，業(yè)界尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，業(yè)界在提及諧振頻率值的時(shí)候，往往忽略其測量方法以及明確的誤差范圍，因此在智能卡測量領(lǐng)域，諧振頻率這一參數(shù)的真實(shí)性和可靠性長期被忽視。

2 諧振頻率測量方法概述

以符合ISO/IEC14443標(biāo)準(zhǔn)的智能卡為例，協(xié)議規(guī)定了通信用載波頻率為13.56 MHz，但對智能卡本身的諧振頻率未規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)值，因此，客觀上造成了目前流通的智能卡諧振頻率的多樣性。目前，按照智能卡的形態(tài)，業(yè)界常用的智能卡諧振頻率的測量方法主要有兩種：

1）公式計(jì)算加儀器測量。（測量出基本參數(shù)值，代入公式計(jì)算諧振頻率）

2）頻譜分析儀或網(wǎng)絡(luò)分析儀配合自制裝置測量。（直接測量密封智能卡的諧振頻率）

2.1 公式計(jì)算法

智能卡在物理結(jié)構(gòu)上，主要由三部分組成，1：IC芯片，2：耦合天線，3：封裝材料，如圖1所示，其中封裝材料通常為絕緣材質(zhì)，不引入電氣參數(shù)，故本文不做深入分析。智能卡的諧振頻率fres公式如下：fres=■，可見，fres取決于等效電路中的電感值和電容值。

圖1中，虛線La/Lb右邊，為IC芯片端口部分與諧振頻率相關(guān)的電氣參數(shù)，Rab為IC芯片端口電阻值的總和，Cic為IC芯片端口電容值的總和，Cmount其含義為IC芯片封裝成模塊時(shí)引入的電容值，如芯片不需要進(jìn)行模塊封裝，則可忽略Cmount。虛線左邊，為耦合天線部分與諧振頻率相關(guān)的電氣參數(shù)，Lcoil為耦合天線的電感值，Rcoil為耦合天線的電阻值，Ccoil為耦合天線的電容值，Cpack其含義為耦合天線在制卡過程中引入的封裝電容值，其值與制卡過程中多種因素相關(guān)，視具體情況而定。依據(jù)圖1的等效電路結(jié)構(gòu)，我們將智能卡fres的計(jì)算公式擴(kuò)充如下：

當(dāng)我們有了詳細(xì)的計(jì)算公式，是否就可以計(jì)算出準(zhǔn)確的fres呢？實(shí)際情況并非如此。接下來，我們介紹各L、C參數(shù)的測量方法，以及誤差來源。

目前IC芯片較為常見的模塊封裝形式有XOA2和COB兩種，而且由于Cmount會(huì)受到各模塊加工廠的技術(shù)水平、用料以及靜電防護(hù)等綜合因素的影響，所以各模塊加工廠出產(chǎn)的模塊其Cmount存在差異，且無法給出準(zhǔn)確值 ，至此，用智能卡的fres計(jì)算公式引入了第一個(gè)參數(shù)誤差；同時(shí)在智能卡的制卡環(huán)節(jié)，由于Cpack會(huì)受到各制卡廠的技術(shù)水平、用料以及加靜電防護(hù)等綜合因素的影響，所以各值卡廠出產(chǎn)的卡片其Cpack也存在差異，且無法給出準(zhǔn)確值，由此引入了第二個(gè)參數(shù)誤差。在實(shí)際計(jì)算中，上述兩個(gè)參數(shù)通常采用經(jīng)驗(yàn)值，由此計(jì)算得到的fres就會(huì)存在誤差。因此要求我們在使用fres的時(shí)候，需明確其誤差范圍。特別要強(qiáng)調(diào)的是，對于不同的條件下加工得到的智能卡，上述兩個(gè)參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值是不可以通用的。

用Agilent 4285A（LCR Meter）配合測量夾具Agilent 16047E，對等效電路中的Cic、Lcoil和Ccoil進(jìn)行測量。由于耦合天線和IC芯片的寄生參數(shù)都會(huì)給測量結(jié)果帶來誤差，所以選擇合適的等效電路模型，可以有效降低寄生參數(shù)的影響。（測量步驟略）通過測量得到Lcoil和Lm，代入公式計(jì)算出耦合天線的Ccoil。

我們對如圖2所示帶有模塊底座的耦合天線樣本進(jìn)行了測試，為了說明模塊底座對測量結(jié)果的影響，我們分別測量耦合天線帶有模塊底座與去除模塊底座后的Lcoil和Ccoil，如表1所示（表中數(shù)據(jù)均為測量了10次以后的平均值，有效位數(shù)保留到小數(shù)點(diǎn)后2位，下同）。比較表1的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，該模塊底座的存在對該耦合天線樣本的Lcoil無影響， 但會(huì)使Ccoil增加0.16 pf。

接下來，我們討論如何測量IC芯片的端口電容Cic，樣本如圖3所示，選用的芯片為NXP S50，左邊為模塊底座（同圖2中的底座模塊），右邊為完成完成模塊封裝（XOA2）后的樣本外觀，所以下文中得到的電容值構(gòu)成為“Cic+ Cmount（Cmount中包含了C模塊底座）”。

由表2可見，測量頻率對于Cic+ Cmount之和的影響很小，但不同的測量電壓，對于Cic+ Cmount之和的影響很大，主要是因?yàn)镃ic是各部分電容的總和，當(dāng)測量電壓從小到大增加時(shí)，Cic隨著IC芯片內(nèi)部電路的逐漸開啟而減小，當(dāng)測量電壓增加到IC芯片電路能夠正常工作時(shí)，Cic將維持穩(wěn)定。因此，以測量頻率13.56 MHz為例，測量電壓從0.5Vrms增加至2Vrms的過程中，IC芯片會(huì)處于3 種狀態(tài)，第一，IC芯片完全不工作（0.5Vrms），第二，IC芯片端口電路部分開啟（1~1.5Vrms），第三，IC芯片端口電路全部開啟（2Vrms）。

不同的測量電壓條件，反映到諧振頻率中又是如何？我們還需要對特定環(huán)境下加工的Cmount和Cpack給出經(jīng)驗(yàn)值，由于本文在IC芯片電容的測量結(jié)果中已經(jīng)包含了Cmount，所以此處僅需給出Cpack，其經(jīng)驗(yàn)值為1.5 pf，然后分別將13.56 MHz頻率下，將各電容值和電感值帶入公式進(jìn)行計(jì)算，可得到表3。

可見從0.5Vrms至2.0Vrms，fres出現(xiàn)了約0.83 MHz的波動(dòng)，考慮到計(jì)算參數(shù)還中包含了經(jīng)驗(yàn)值Cpack，一方面經(jīng)驗(yàn)值的估算是否準(zhǔn)確尚存疑問；另一方面測量值Ccoil、Lcoil和Cic+Cmount，目前業(yè)界尚無統(tǒng)一的測量方法，不同測量條件下，得到的結(jié)果相去甚遠(yuǎn)；更有甚者，在fres的計(jì)算中直接忽略了Cmount和Cpack兩個(gè)參數(shù)。因此，同樣是采用計(jì)算公式，面對相同的樣本，大家得到的fres很難達(dá)到統(tǒng)一，那么我們在使用fres進(jìn)行設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、生產(chǎn)時(shí)不得不小心謹(jǐn)慎，避免由于計(jì)算結(jié)果的不準(zhǔn)確產(chǎn)生對產(chǎn)品特性的誤判。

2.2 使用儀器及相應(yīng)測量裝置，直接測量諧振頻率

當(dāng)我們的測量樣本為密封狀態(tài)的智能卡時(shí)，目前業(yè)界主要采用如下三種測量方法進(jìn)行智能卡諧振頻率的測量：

1：帶跟蹤信號發(fā)生器（RF輸出）功能的頻譜分析儀，配合自制夾具。

2：不帶跟蹤信號發(fā)生器的頻譜儀（成本較低），配合信號發(fā)生器（相當(dāng)于頻譜分析儀的跟蹤信號發(fā)生器）及自制夾具。

3：矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，配合自制夾具。

上述三種測量儀器，原理基本相同，即在某個(gè)頻率區(qū)間內(nèi)以額定的功率發(fā)射信號，無諧振時(shí)，在測量儀器的屏幕上顯示的功率曲線為一條直線，當(dāng)某個(gè)頻率恰好與待測智能卡的fres相吻合時(shí)，測量系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生諧振，使得輸入端檢測到的功率值達(dá)到最大，此時(shí)觀察測量儀器的屏幕會(huì)出現(xiàn)一個(gè)波峰（或者波谷），該波峰對應(yīng)的頻率值即被稱為智能卡的fres。下文中以頻譜分析儀HP8591E為例介紹第一種測量方法。

具體測量方法如下：

1）在HP8591E的輸出端和輸入端各接一個(gè)線圈（天線），將兩只線圈以水平方式上下疊加，制做成固定的測量夾具（如圖4所示，圖中智能卡樣本為上海公交卡）。

2）然后設(shè)定起始頻率和截止頻率。

3）設(shè)定發(fā)射功率，RF端有功率輸出。

4）然后將待測智能卡放置在夾具上方。（智能卡與天線的間距小于1 cm）

5）按PK SEARCH鍵，頻譜儀界面就會(huì)將MARKER點(diǎn)標(biāo)記到頻譜中功率的最高點(diǎn)，如圖5所示。此波峰點(diǎn)對應(yīng)的頻率即為智能卡的fres。

在了解了測量方法后，我們選取了部分目前上海市場中較常見的智能卡作為測量樣本，如圖6所示（包括上海市民卡1張、上海公交卡2張、上海地鐵單程票2張、世博海寶交通卡1張、杉德萬通卡1張和華虹餐廳就餐卡1張）。

在測量前，我們需要設(shè)定發(fā)射天線的功率值，為保證測量到的fres能夠真實(shí)反映各種智能卡的電氣特性，我們設(shè)置的起始頻率和截止頻率范圍是10 MHz 至20 MHz，設(shè)置的發(fā)射天線功率值通常在10 dbm以下，或者是控制輸出電流小于等于20 mA。在上述測量條件確定以后，我們得到了每張智能卡的fres。

表4中諧振頻率的測量結(jié)果，驗(yàn)證了前文中提到的，目前流通的智能卡諧振頻率的多樣性。但本文強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)在于，我們采用上述方法，測量fres得到了表4中的結(jié)果，那么同樣的樣本，不同的測量儀器，諧振頻率的測量結(jié)果會(huì)相同嗎？對此，我們以上海公交卡為樣本，在如圖7所示的測量儀器及配套的測量夾具上進(jìn)行了測量，測量原理同前，讀取儀器屏幕中波峰值對應(yīng)的頻率點(diǎn)即為智能卡的fres（如表5所示）。但因?yàn)槟壳皹I(yè)界對測量夾具中天線的線徑、匝數(shù)、面積、間距、材料和相對位置等參數(shù)尚無統(tǒng)一的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，因此使用圖7中的測量夾具時(shí)，智能卡需要放置于兩個(gè)天線之間。（我們稱該裝置為“方法4”，以區(qū)別于2.2節(jié)開始時(shí)提到的那三種方法。）

通過對表5的測量數(shù)據(jù)的分析，不難發(fā)現(xiàn)，對于上海公交卡1，使用方法1和方法4測量到的fres差值達(dá)到了2.02 MHz，波動(dòng)比例分別達(dá)到12%和11%，，而對于上海公交卡2，fres差值達(dá)到了 1.7 MHz，波動(dòng)比例分別達(dá)到10%和9%。至此，回答了前文中提出的疑問，同樣的智能卡在不同的測量方法下，fres測量結(jié)果相差極大，面對這樣的測量結(jié)果，顯然缺乏進(jìn)行比較的基礎(chǔ)。此時(shí)，即使我們加入了測量方法的描述，但是由于測量儀器的不同，測量夾具不規(guī)范，很顯然，單純的討論fres是沒有意義的。

那么同樣的樣本，采用同樣的測量儀器，但是不同的測量方法，fres的測量結(jié)果會(huì)相同嗎？我們?nèi)砸陨虾９豢闃颖荆捎梅椒ㄒ患捌渑涮诇y量夾具，僅改變測量方法中的第4點(diǎn)，即待測智能卡與測量夾具的間距，然后測量fres。如表6所示，以樣本與測量夾具的間距作為變量，隨著樣本遠(yuǎn)離測量夾具，得到的fres呈現(xiàn)單調(diào)下降趨勢。盡管在表6中fres從 0 mm至20 mm僅降低了0.35 MHz，該差值的絕對值并不算大，但是亟待確認(rèn)的是，在什么樣的測量間距下，得到的fres才最接近真實(shí)值？另外，測量環(huán)境的射頻噪聲對fres的影響也不容忽視，如果測量環(huán)境附近有高頻信號發(fā)射裝置，或者有大的金屬物體，都會(huì)對測量結(jié)果造成影響，作為實(shí)驗(yàn)室測量環(huán)境應(yīng)該避免射頻噪聲的影響，本文對此不再展開。

篇6

不確定度的含義是指由于測量誤差的存在，對被測量值的不能肯定的程度。反過來，也表明該結(jié)果的可信賴程度。它是測量結(jié)果質(zhì)量的指標(biāo)。不確定度愈小，所述結(jié)果與被測量的真值愈接近，質(zhì)量越高，水平越高，其使用價(jià)值越高；不確定度越大，測量結(jié)果的質(zhì)量越低，水平越低，其使用價(jià)值也越低。在報(bào)告物理量測量的結(jié)果時(shí)，必須給出相應(yīng)的不確定度，一方面便于使用它的人評定其可靠性，另一方面也增強(qiáng)了測量結(jié)果之間的可比性。檢測標(biāo)準(zhǔn)為《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》（12348－2008），不確定度按照J(rèn)JF1059－1999進(jìn)行評定。工作溫度－10℃～50℃，相對濕度20％～90％RH，某企業(yè)廠界。檢測儀器為HS5670B型積分平均聲級計(jì)。

2測量原理和數(shù)學(xué)模型

2．1測量原理

由傳聲器將聲音轉(zhuǎn)換成電信號，再由前置放大器變換阻抗，使傳聲器與衰減器匹配。放大器將輸出信號加到計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)，對信號進(jìn)行頻率計(jì)權(quán)（或外接濾波器），然后再經(jīng)衰減器及放大器將信號放大到一定的幅值，送到有效值檢波器（或外按電平記錄儀），在指示表頭上給出噪聲聲級的數(shù)值。聲級計(jì)中的頻率計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)有A、B、C3種標(biāo)準(zhǔn)計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)。A網(wǎng)絡(luò)是模擬人耳對等響曲線中40方純音的響應(yīng)，它的曲線形狀與340方的等響曲線相反，從而使電信號的中、低頻段有較大的衰減。B網(wǎng)絡(luò)是模擬人耳對70方純音的響應(yīng)，它使電信號的低頻段有一定的衰減。C網(wǎng)絡(luò)是模擬人耳對100方純音的響應(yīng)，在整個(gè)聲頻范圍內(nèi)有近乎平直的響應(yīng)。聲級計(jì)經(jīng)過頻率計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)測得的聲壓級稱為聲級，根據(jù)所使用的計(jì)權(quán)網(wǎng)不同，分別稱為A聲級、B聲級和C聲級，單位記作dB（A）、dB（B）和dB（C）。

2．2數(shù)學(xué)模型

被測量地點(diǎn)的噪聲值為：Lc＝Li×fmen×fz。式中Lc為噪聲測量值；Li為積分平均聲級計(jì)顯示值，單位：dB；fmen為實(shí)驗(yàn)室人員對測量結(jié)果的影響引入的修正因子；fz為環(huán)境條件對測量結(jié)果的影響引入的修正因子。上述fmen、flab兩個(gè)因子的數(shù)學(xué)期望值均為1，即：E（fmen）＝E（flab）＝1。2．3測量不確定度的來源不確定度來源主要包括以下方面：重復(fù)測量的重現(xiàn)性帶來的不確定度、測量儀器的計(jì)量性能局限性引入的不確定度、標(biāo)定儀器所用的標(biāo)準(zhǔn)電容傳聲器引入的不確定度及測量人員、環(huán)境引入的不確定度。由于本測量所用的方法為國家標(biāo)準(zhǔn)方法《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》（12348－2008），故不考慮方法本身的誤差，因此在測量不確定度評定中只需考慮與測量過程有關(guān)的不確定度分量。因?yàn)橹挥袧M足環(huán)境條件、具備能力資質(zhì)的實(shí)驗(yàn)人員才能進(jìn)行測量，測量人員、環(huán)境條件對測量結(jié)果的影響的數(shù)學(xué)期望值均為1，可不引入。

3測量不確定度的評定

3．1A類不確定度

重復(fù)測量帶來的不確定度屬于A類不確定度，對同一地點(diǎn)進(jìn)行平行測量10次，結(jié)果見表1。X的最佳估計(jì)值可以用10次測量結(jié)果的平均值來表示：X＝∑10i＝1Xi10＝47．1（dB），標(biāo)準(zhǔn)不確定度（平均值的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差）：Li＝∑10i＝1（Xi－X）210（10－1槡）＝0．08692，相對不確定度為：Urel1＝L1X＝0．001845。

3．2測量儀器的計(jì)量性能局限性引入的不確定度

測量儀器的計(jì)量性能局限性引入的不確定度屬于B類不確定度。儀器的測量范圍為25～135dB，最大允許誤差為2．0dB，取均勻分布（如果對影響量的分布情況沒有任何信息時(shí)，則較合理的估計(jì)是將其近似看作均勻分布）。L2＝2．0／135槡3＝0．0086，則相對不確定度為：Urel2＝L2135＝0．0086135＝0．0000637。

3．3標(biāo)定儀器所用的標(biāo)準(zhǔn)電容傳聲器引入的不確定度

標(biāo)定儀器所用的標(biāo)準(zhǔn)電容傳聲器引入的不確定度屬于B類不確定度，根據(jù)黑龍江省計(jì)量檢定測試院出具的檢定證書，其不確定度為：L3＝0．1dB，測量范圍為：10～20000Hz，則相對不確定度為：Urel3＝L320000＝0．0000005。

3．4測量結(jié)果的合成標(biāo)準(zhǔn)相對不確定度

由于3．1、3．2和3．3之間不存在相關(guān)性，故合成相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度可表示為：Urel＝Urel12＋Urel22＋Urel3槡2＝0．00185，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：U＝Urel?X＝0．09。

3．5擴(kuò)展不確定度：

取包含因子k＝2，則擴(kuò)展不確定度為：U（p）＝k?U＝0．18。測量結(jié)果為p＝47．1±0．18dB。

篇7

關(guān)鍵詞：電壓互感器鐵磁諧振措施

一.引言

互感器是一種利用電磁原理進(jìn)行電壓、電流變換的變壓器類設(shè)備，在電力系統(tǒng)廣泛被使用,它是將電力系統(tǒng)一次回路中的電量信息按一定的比例關(guān)系傳遞到二次回路提供給測量儀表和繼電保護(hù)裝置等二次設(shè)備，對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視、測量和保護(hù)。電壓互感器廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，主要用于測量和繼電保護(hù)。通過電壓互感器將高電壓按一定比例變成低電壓，以便進(jìn)行測量和監(jiān)視，同時(shí)，由于電壓互感器自身的特點(diǎn)，可以使電力系統(tǒng)二次側(cè)與一次側(cè)隔離，降低了對測量儀表和繼電器的絕緣強(qiáng)度要求，使測量儀表和保護(hù)裝置標(biāo)準(zhǔn)化、小型化，并使其結(jié)構(gòu)輕巧，便于屏內(nèi)安裝。

二.電壓互感器的基本知識

電壓互感器是將電力系統(tǒng)的高電壓變換成標(biāo)準(zhǔn)的低電壓(或)的電器。它與測量儀表配合時(shí)測量電壓和電能，與繼電保護(hù)裝置配合時(shí)則可對電力系統(tǒng)進(jìn)行繼電保護(hù)。電壓互感器有電磁式和電容式之分，電磁式電壓互感器實(shí)際上就是一種小容量、大電壓比的降壓變壓器,因而其基本原理與變壓器沒有任何區(qū)別。它的一次繞組與電源、二次繞組與負(fù)載都遵守并聯(lián)接線原則。

電壓互感器二次繞組不能短路運(yùn)行，因?yàn)殡妷夯ジ衅饕笞儞Q電壓準(zhǔn)確，通常內(nèi)阻抗很小，短路阻抗壓降很小。短路時(shí)二次側(cè)產(chǎn)生很大的電流，電壓互感器有燒壞的危險(xiǎn)。由于電壓互感器一次側(cè)與高電壓直接連接，若在運(yùn)行中互感器的絕緣被擊穿，高電壓即竄入二次回路，將危及二次設(shè)備和人身安全，所以二次側(cè)繞組必須一端接地。

三.鐵磁諧振產(chǎn)生的原因

在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，正常運(yùn)行時(shí)，由于三相對稱，且電壓互感器的勵(lì)磁阻抗很大，大于系統(tǒng)對地電容，兩者并聯(lián)后可等值為某電容c，從而系統(tǒng)的對地阻抗呈現(xiàn)容性。在系統(tǒng)諧振時(shí)，電壓互感器將產(chǎn)生過電壓使電流激增，此時(shí)除了造成一次側(cè)熔斷器熔斷外，還將導(dǎo)致電壓互感器燒毀。個(gè)別情況下，還會(huì)引起避雷器、變壓器、斷路器的套管發(fā)生閃絡(luò)或爆炸。

造成鐵磁諧振的原因有很多，下面簡單介紹一下：

⑴單相接地，使健全相的電壓突然升高至線電壓；

⑵由于雷擊或其他原因造成線路瞬時(shí)接地，進(jìn)而引起系統(tǒng)單相弧光接地，使健全相電壓突然上升，產(chǎn)生很大的涌流；

⑶在電壓互感器突然合閘時(shí)，其一相或兩相繞組內(nèi)出現(xiàn)巨大的涌流；

⑷電壓互感器的高壓熔絲不對稱故障；

⑸關(guān)合閘時(shí)三相不同期等，都可造成電壓互感器三相鐵心出現(xiàn)不同程度的飽和，系統(tǒng)中性點(diǎn)出現(xiàn)較大的位移，位移電壓可能是工頻，也可能是分頻或高頻，飽和后的電壓互感器勵(lì)磁電感變小，此時(shí)若系統(tǒng)的對地電感與對地電容相匹配，就形成三相或單相共振回路，可激發(fā)各種鐵磁諧振過電壓。

工頻和高頻鐵磁諧振過電壓的幅值一般較高，可達(dá)額定值的3倍以上，起始暫態(tài)過程中的電壓幅值可能更高，危及電氣設(shè)備的絕緣。分頻鐵磁諧振可導(dǎo)致相電壓低頻擺動(dòng)，勵(lì)磁感抗成倍下降，過電壓并不高，感抗下降會(huì)使勵(lì)磁回路嚴(yán)重飽和，勵(lì)磁電流急劇加大，電流大大超過額定值，導(dǎo)致鐵心劇烈振動(dòng)，使電壓互感器一次側(cè)熔絲過熱燒毀。電網(wǎng)發(fā)生鐵磁諧振過電壓較明顯的現(xiàn)象為系統(tǒng)有接地信號，電壓表計(jì)指針不停地?cái)[動(dòng)，電氣設(shè)備有較強(qiáng)烈的電暈聲。

四.電壓互感器的諧振措施

1.pt中性點(diǎn)經(jīng)消諧器和小電阻接地

中性點(diǎn)串入的電阻等價(jià)于每相對地接入電阻，能夠起到消耗能量、阻尼和抑制諧波的作用。在線路單相接地時(shí)，由于中性點(diǎn)對地帶有一定電位，故能相應(yīng)減少非故障相pt繞組的電壓，使pt的飽和程度降低，不至于發(fā)生鐵磁諧振。在線路出現(xiàn)較長時(shí)間單相接地時(shí)，消諧器上將出現(xiàn)千余伏電壓，電阻下降，使其不至于影響接地指示裝置的靈敏度，同時(shí)非線性電阻片的熱容量相當(dāng)大，可滿足放電電流的要求。

2.改變接線方式

在中性點(diǎn)加pt，使得系統(tǒng)零序阻抗增大，各pt在故障下承受較小的電壓，該電壓不至于使pt鐵芯飽和，也不會(huì)給pt高壓保險(xiǎn)造成沖擊。

3.互感器的選擇

r>

選用勵(lì)磁特性和伏安特性較好的電磁式電壓互感器或改用電容式電壓互感器。

4.消弧線圈的安裝

選擇消弧線圈安裝位置時(shí),應(yīng)盡量避免由于電網(wǎng)運(yùn)行方式的改變而使部分電網(wǎng)失去消弧線圈。

5.互感器的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)互感器線路時(shí)，減少同系統(tǒng)中電壓互感器的組數(shù)和中性地接地組數(shù)，增大系統(tǒng)感抗。對于高壓側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)隔離開關(guān)接地的電壓互感器，當(dāng)相鄰母線并列運(yùn)行時(shí)，將其中一組電壓互感器中性點(diǎn)隔離開關(guān)拉開，有利于增大系統(tǒng)感抗。

6.pt開口三角繞組接電阻或分頻消諧裝置

由于電阻接在開口三角繞組兩端，必然會(huì)導(dǎo)致一次側(cè)電流增大，也就是說pt的容量要相應(yīng)增大。從抑制諧波方面考慮，r值越小，效果越顯著，但pt的過載現(xiàn)象越嚴(yán)重，在諧振或單相接地時(shí)間過長時(shí)甚至?xí)?dǎo)致保險(xiǎn)絲熔斷或pt燒毀。要很好地抑制鐵磁諧振，降低pt一次側(cè)電流，同時(shí)亦保持了接地指示裝置對零序電壓幅值和相位的靈敏度，其優(yōu)點(diǎn)相當(dāng)突出，故可采了如下措施：

⑴長遠(yuǎn)來說，將用單相pt替代消諧器串接在中性點(diǎn)上，目前暫不更動(dòng)以繼續(xù)觀察消諧器的運(yùn)行效果。

⑵在新變電站安裝時(shí)采用抗諧振型pt。

參考文獻(xiàn)：

[1]呂俊霞電壓互感器常見故障的處理方法[j]電工文摘2009.6

[2]劉議華,顧皓亮,吳曉華,翁頂立電壓互感器的運(yùn)用及常見問題分析[j]低壓電器2011

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中圖分類號:TN710-34文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)18-0028-02

Design and Realization of Intelligent Capacitance TesterBased on Single Chip Microcomuter

XU Si-cheng

(Department of Mechanical and Electrical Engineering, Henan Quantity Engineering Vocation College, Pingdingshan 467002, China)

Abstract: A new scheme for design and implementation of the intelligent capacitance tester is proposed based on the analysis and comparison of traditional capacitance measuring instrument. Taking MCS-51 SCM as a control core of the instrument, the instrument was realized in combination with multichannel harmonic oscillator, multi-way switch and fewer external resources, and the measurement process intellectualization, simple structure, low cost and digital display were achieved. The system testing and application prove that the system has reliable performance, high accuracy of measurement, and achieves the desired effect of the design.Keywords: single chip micro-controller; intelligent capacitance tester; multivibrator; digital display

0 引 言

測量電容元件集中參數(shù)值的儀表種類較多,方法也各有不同,但都有其優(yōu)缺點(diǎn)。一般的測量方法都存在計(jì)算復(fù)雜,不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測量,而且很難實(shí)現(xiàn)智能化的不足。該設(shè)計(jì)打破了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式,首先把較難測量的電容元件參數(shù)利用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器轉(zhuǎn)換成簡易測量的頻率信號[1-2],然后使用單片機(jī)計(jì)數(shù)后再運(yùn)算求出電容值,最后送數(shù)碼顯示電路,實(shí)現(xiàn)了智能化測量,避免了由指針讀數(shù)引起的誤差。

1 電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 電路設(shè)計(jì)方案及說明

系統(tǒng)分為測量電路、通道選擇和控制電路三大部分[3],如圖1所示。測量電路的核心是由555定時(shí)器[4]構(gòu)成的多諧振蕩器,通道選擇由集成數(shù)據(jù)選擇器實(shí)現(xiàn),控制通道由MCS-51[5-6]構(gòu)成。根據(jù)所選通道,通過P0.3口和P0.4口向模擬開關(guān)發(fā)送兩位地址信號,取得振蕩頻率,然后根據(jù)所測頻率判斷是否轉(zhuǎn)換量程,或者是把數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后,得出相應(yīng)的參數(shù)值。

1.2 各部分電路設(shè)計(jì)

1.2.1 電容測量電路

電容的測量采用脈沖統(tǒng)計(jì)法[7],如圖2所示。由555電路構(gòu)成的多諧振蕩電路,通過計(jì)算振蕩輸出的頻率來計(jì)算被測電容的大小。555定時(shí)器接成多諧振蕩器的形式。該電路的振蕩周期為:

T=T1+T2=Cx(ln 2)(R+2R3)(1)

有:

fx=1/T=1Cx(ln 2)(R+2R3)(2)

所以:

Cx=1/T=1fx(ln 2)(R+2R3)(3)

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為了使振蕩頻率保持在這一段單片機(jī)計(jì)數(shù)的高精度范圍內(nèi),在選擇合適R的前提下,所測電容分為兩檔:

(1) 當(dāng)0.001 μF≤Cx≤0.1 μF,且P3.0接高電平,P3.2接低電平時(shí),R=R1=R3=483 Ω,C3取0.01 μF。由式(2)可知,對應(yīng)頻率fx的范圍為10 kHz≤fx≤1 000 kHz,所以Cx=13fxR1ln 2。

(2) 當(dāng)0.000 01 μF≤Cx≤0.001 μF,且P3.1接高電平,P3.3接低電平時(shí),R=R2=R3=48.3 kΩ,同樣C3取0.01 μF。由式(2)可知,對應(yīng)頻率fx的范圍為10 kHz≤fx≤1 000 kHz,所以Cx=13fxR2ln 2。

圖2 電容測試電路

1.2.2 多路選擇開關(guān)電路

利用74LS253實(shí)現(xiàn)測量類別的轉(zhuǎn)換,74LS253是雙四選一的模擬開關(guān)選擇器件[4]。當(dāng)選擇了某一通道的頻率后,輸出頻率通過P3.4作為CPU定時(shí)器的時(shí)鐘源,并開始計(jì)數(shù)(P3.5懸空),當(dāng)計(jì)數(shù)后讀出計(jì)數(shù)器的值,除以24就得到了被測C所對應(yīng)產(chǎn)生的頻率,通過計(jì)算得到要被測值,如圖3所示。

圖3 選擇電路

1.2.3 數(shù)碼管顯示電路

圖4是四位LED靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)電路。

該電路具有鎖存、譯碼、驅(qū)動(dòng)功能的CD4511[4]作為鎖存/譯碼/驅(qū)動(dòng)電路,筆段測試輸入LT及消隱輸入BI接高電平(無效),鎖存輸入端LE分別接P1.7,P1.6,P1.5,P1.4。當(dāng)LE為低電平時(shí),譯碼輸出由ABCD輸入端編碼決定;當(dāng)LE由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí),鎖存輸入端ABCD的狀態(tài),譯碼輸出也相應(yīng)地保持不變,且具有超量程顯示功能[3,8]。

圖4 四位LED靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)電路

圖4中數(shù)碼管顯示顯示內(nèi)容如圖5所示。

圖5 內(nèi)容顯示

2 系統(tǒng)測試及整機(jī)指標(biāo)

為了檢測該儀表的整機(jī)性能,該表和DT9508B型數(shù)字萬用表的實(shí)測數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測試數(shù)據(jù)pF

電容(理論值)萬用表讀數(shù)本儀表讀數(shù)

7066.767.8

400420410

850810821

5 0004 8104 870

20 00020 60020 400

80 00076 80077 500

經(jīng)檢測該儀表指標(biāo)達(dá)到了如下要求:

(1) 測量范圍:0.000 01 μF≤Cx≤0.1 μF;

(2) 測量精度:±5%;

(3) 制作4位數(shù)碼管顯示器,顯示測量數(shù)值,且能超量程顯示。

3 結(jié) 語

與傳統(tǒng)的電容測量儀表相比,基于單片機(jī)技術(shù)簡化了電路板的空間,提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性,實(shí)現(xiàn)了測量過程的智能化[9-10]。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行檢驗(yàn),儀表性能穩(wěn)定可靠,測量精度高,響應(yīng)速度快,且基本不受電源波動(dòng)的影響,抗外界電磁干擾能力強(qiáng),受周圍外界環(huán)境的影響小,因此有著廣泛的應(yīng)用空間。

參考文獻(xiàn)

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篇9

關(guān)鍵詞：電流互感器；特點(diǎn)；故障

電流互感器是提供保護(hù)、測量用二次電流的一種重要電氣設(shè)備，其一次側(cè)與一次高壓設(shè)備相連，二次側(cè)與二次設(shè)備相連，它不僅能使測量儀表和繼電器保護(hù)等二次電氣設(shè)備與高壓電器裝置有效的隔離，保證工作人員的安全，還能使測量儀表和繼電器標(biāo)準(zhǔn)化和小型化，并可采用小截面的電線、電纜進(jìn)行遠(yuǎn)距離的測量；當(dāng)高壓側(cè)發(fā)生斷路時(shí)，電流互感器還能保護(hù)測量儀表的電流線圈不受大電流的損害。

1 電流互感器特點(diǎn)

電流互感器一般有電磁式與電容式兩種形式，它的一次繞組直接串連在電力線路中，匝數(shù)很少，一次繞組中的電流完全取決于被測線路的電流；二次繞組的匝數(shù)較多，串接在測量儀表或繼電保護(hù)回路里。電流互感器在工作時(shí)，它的二次回路始終是閉合的，但因測量儀表和繼電保護(hù)裝置的串連線圈阻抗很小，電流互感器的工作情況接近短路，并且它的一次電流與二次回路的阻抗無關(guān)。電流互感器的二次側(cè)額定電流一般為5A或1A。運(yùn)行中的電流互感器二次回路不允許開路，因?yàn)槎蝹?cè)開路會(huì)產(chǎn)生很高的電壓，直接影響設(shè)備和運(yùn)行人員的安全。為了保證工作人員在接觸測量儀表測量儀表和繼電器時(shí)的安全，電流互感器二次側(cè)必須可靠接地，通常開斷電流互感器的二次回路前，應(yīng)先將其二次端子用銅線短接。

2 電流互感器故障類型

⑴過熱。電流互感器發(fā)生過熱、冒煙、流膠等現(xiàn)象，其原因可能是一次側(cè)接線接觸不良、二次側(cè)接線板表面氧化嚴(yán)重、電流互感器內(nèi)匝線間短路或一、二次側(cè)絕緣擊穿引起；⑵二次側(cè)開路。此時(shí)電流表突然無指示，電流互感器聲音明顯增大，在開路處附近可嗅到臭氧味和聽到輕微的放電聲；⑶內(nèi)部有放電聲或放電現(xiàn)象。若電流互感器表面有放電現(xiàn)象，可能是互感器表面過臟使得絕緣降低。內(nèi)部放電聲是電流互感內(nèi)部絕緣降低，造成一次側(cè)繞組對二次側(cè)繞組以及對鐵芯擊穿放電；⑷內(nèi)部聲音異常。原因有：電流互感器鐵芯緊固螺絲松動(dòng)、鐵芯松動(dòng)，硅鋼片震動(dòng)增大，發(fā)出不隨一次負(fù)荷變化的異常聲；某些鐵芯因硅鋼片組裝工藝不良，造成在空負(fù)荷或停負(fù)荷時(shí)有一定的嗡嗡聲；二次側(cè)開路時(shí)因磁飽和及磁通的非正弦性，使硅鋼片震蕩且震蕩不均勻發(fā)出較大的噪聲；電流互感器嚴(yán)重過負(fù)荷，使得鐵芯震動(dòng)聲增大；⑸充油式電流互感器嚴(yán)重漏油。當(dāng)電流互感器在運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)有以上現(xiàn)象之一者，應(yīng)轉(zhuǎn)移負(fù)荷，立即進(jìn)行停電處理。

3 電流互感器開路故障

電流互感器開路現(xiàn)象：回路儀表指示異常，一般是電流表指示降為零，有功、無功表表的指示降低或有擺動(dòng)，電度表轉(zhuǎn)慢或停轉(zhuǎn)。如表計(jì)指示時(shí)有時(shí)無則可能處于半開路狀態(tài)；電流互感器本體有異常響聲或震動(dòng)不均勻、嚴(yán)重發(fā)熱、冒煙等現(xiàn)象，當(dāng)然這些現(xiàn)象在負(fù)荷較小時(shí)并不明顯；電流互感器二次端子、元件線頭有放電、打火現(xiàn)象。

故障處理：發(fā)現(xiàn)電流互感器二次開路，應(yīng)先分清故障屬哪一組電流回路、開路的相別，對保護(hù)有無影響。盡量減小一次負(fù)荷電流。若電流互感器嚴(yán)重?fù)p傷，應(yīng)轉(zhuǎn)移負(fù)荷停電檢查處理；盡快設(shè)法在就近的試驗(yàn)端子上，將電流互感器二次短路，再檢查處理開路點(diǎn)。短接時(shí)，應(yīng)使用兩好的短接線，并按圖紙進(jìn)行，穿絕緣靴，帶絕緣手套。若短接時(shí)發(fā)現(xiàn)有火化，說明短接有效。故障點(diǎn)在短接點(diǎn)以下的回路中，可進(jìn)一步查找。若短接時(shí)沒有火化，可能短接無效。故障點(diǎn)可能在短接點(diǎn)以前的回路中，可以逐點(diǎn)向前變換短接點(diǎn)，縮小范圍。為了減少電流互感器開路時(shí)間，最好先從電流互感器端子箱排處短接。

4 電流互感器運(yùn)行維護(hù)

電流互感器的運(yùn)行過程中，運(yùn)行人員要定期對其進(jìn)行維護(hù)檢查，通常采用目測、耳聽和鼻嗅三種方法進(jìn)行檢查，具體檢查內(nèi)容有：⑴目測。接線端子是否過熱、變色。一二次回路接線應(yīng)牢固，各接頭無松動(dòng)現(xiàn)象。油位是否正常，有是否變色，油位計(jì)是否滲漏油。套管是否清潔，有無裂紋和閃烙痕跡檢查二次側(cè)接地是否牢固，二次側(cè)的儀表等接線是否緊密，檢查二次端子是否接觸良好，有無開路放電或打火。檢查端子箱是否清潔，有無雜物；⑵耳聽。是否有異常音響，電流互感器有無由于固定不緊而產(chǎn)生較大的嗡嗡聲，有無由于二次開路產(chǎn)生異常聲響等；⑶鼻嗅。是否因有過負(fù)荷而產(chǎn)生的焦糊味，是否有由于接線端子接觸不良引起放電產(chǎn)生的臭氧味等。

[參考文獻(xiàn)]

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關(guān)鍵詞：C8051F360；并聯(lián)諧振；RMS；DDS

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

利用并聯(lián)諧振法，基于DDS技術(shù)的高性能、高分辨率、高穩(wěn)定度的信號源，能較好的解決頻率穩(wěn)定性的問題，通過合理的程序編寫，能較好的解決測試時(shí)間長的問題，完全可以構(gòu)成高性能RLC測量儀，故采用本方法。系統(tǒng)總體原理框圖如圖（1）。

―

―

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 DDS信號源

采用AD9833產(chǎn)生正弦波，頻率范圍為1Hz～1MHz。通過SPI串行接口與單片機(jī)相連，通過寫28位頻率字改變輸出頻率。當(dāng)外部參考時(shí)鐘為25MHz時(shí)，輸出信號可以達(dá)到小于0.1Hz的分辨率。AD9833產(chǎn)生的信號通過兩級放大，與電壓跟隨器，恒壓輸出到測試接口。

2.2 測試接口

通過兩個(gè)繼電器的開合，使電路處于測電容狀態(tài)和測電感狀態(tài)，繼電器的控制由單片機(jī)的一個(gè)I/O口控制。當(dāng)測量電容時(shí)，取2mH標(biāo)準(zhǔn)電感，電容的測量范圍為100pF～10000pF，誤差

2.3 AD637（RMS）

AD637屬于高準(zhǔn)確度的單片真有效值/直流轉(zhuǎn)換器。輸入電壓有效值0～2V時(shí)，最大非線性誤差

3軟件流程設(shè)計(jì)

程序主要實(shí)現(xiàn)電容電感測量的功能，通過按鍵來判斷是測量電容還是電感，通過P2.6通斷繼電器即可。通過寫頻率字給AD9833，產(chǎn)生正弦波。從頻率為0Hz，步進(jìn)為10000Hz開始步進(jìn)，判斷電壓與前一電壓的大小，來確定是否諧振頻率落在這一步進(jìn)范圍內(nèi)，若超出范圍，則換成下一步進(jìn)值，分別為1000Hz、100Hz、10Hz。通過循環(huán)操作找到電壓最大時(shí)的頻率值，換算顯示。

4測試方法

用示波器觀測AD9833信號發(fā)生器輸出的波形，從實(shí)際測得的波形可以看出，實(shí)際波形的頻率與設(shè)置頻率是否一致。再測試AD637，給其輸入由信號發(fā)生器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，由AD采集顯示，是否與預(yù)計(jì)的有效值電壓一致。最后接入已知電容和待測電感，以及已知電感和待測電容分別進(jìn)行多次測量，將測量值填入下表，計(jì)算相對誤差，比較分析。測量數(shù)據(jù)的相對誤差都

實(shí)際值