用于电容传感器信号转换的集成电路CAV424

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差动电容式传感器的灵敏度高（1）引言差动电容式传感器的灵敏度高、非线性误差小，同时还能减小静电引力给测量带来的影响，并能有效地改善由于温度等环境影响所造成的误差，因而在许多测量控制场合中，用到的电容式传感器大多是差动式电容传感器。

然而，电容式传感器的电容值十分微小，必须借助信号调理电路，将微小电容的变化转换成与其成正比的电压、电流或频率的变化，这样才可以显示、记录以及传输。

目前，大多数电容式传感器信号调理电路使用分立元件或者专门去开发专用集成电路(ASIC)。

因为差动电容式传感器的电容量很小，传感器的调理电路往往受到寄生电容和环境变化的影响而难以实现高精度测量；而由德国AMG公司开发的CA V424集成电路则能有效地减小这些影响所带来的误差，因而具有较大的应用灵活性。

设计中的倾角传感器是新型变质面积电容式倾角传感器。

该倾角传感器技术是为数不多的能够兼有结构简单、可靠性高、有通用传感器集成电路等优点的倾角传感器技术之一。

在测量仪器仪表、建筑机械、天线定位、机器人技术、汽车四轮定位等方面有广泛应用。

1 系统工作原理系统硬件结构模块框图如图1所示，主要由差动电容、CA V424、运放、单片机和显示电路等组成。

系统由差动电容检测到倾角传感器安装位置的倾斜角度，并把角度变化转换成电容量变化。

此差动电容在一个增大的同时另一个减小，然后把两个电容的变化值分别送入2片CA V424中，由2片CA V424把电容的变化值转换成两个不同的电压值。

这两路电压经过差动放大后送入单片机进行处理。

最后由显示电路显示出被检测对象的倾斜角度大小。

由上述原理可知，被检测对象的倾斜角度经过了三级差动处理，同时CA V424自带有温度传感器。

此传感器的输出信号又送入单片机内进行温度补偿处理。

因而该系统具有较高的精度和灵敏度。

介电常数法监测汽车发动机润滑油技术李喜武;苏建;刘玉梅【摘要】为了快速监测润滑油质量,达到及时更换润滑油的目的,应用介电常数理论分析法,研究了润滑油的铁磨粒含量、水分含量、总酸值与介电常数增量之间的相关性,润滑油中的铁磨粒含量、水分含量、总酸值的增加,导致润滑油介电常数增加.在此基础上开发了润滑油的实时监测设备.试验结果表明:该监测设备能实时监测汽车发动机中润滑油质量,实现了按质更换润滑油；需更换润滑油的介电常数上、下限分别为4.7和4.2.%In order to monitor the quality of lubricating oil quickly so as to replace the oil timely, a theoretical analysis method of dielectric constant was used to study the correlation between the iron abrasive grit content, moisture content and total acid value of the lubricating oil and the dielectric constant increment. The results reflect that the dielectric constant would increase with the iron grits content, moisture content, and total acid value of lubricant oil. On this basis, a lubricant dynamic monitoring device was developed. Experimental results show that the device can monitor the quality of lubricating oil of automotive engines in real time, so that the lubricating oil can be replaced timely according to the oil quality once the dielectric constant value of lubricating oil is out of the range from 4.7 to 4.2.【期刊名称】《西南交通大学学报》【年(卷),期】2011(046)005【总页数】5页(P831-835)【关键词】润滑油;介电常数;平板电容;传感器;单片机【作者】李喜武;苏建;刘玉梅【作者单位】吉林大学交通学院,吉林长春130022;吉林农业大学工程技术学院,吉林长春130118;吉林大学交通学院,吉林长春130022;吉林大学交通学院,吉林长春130022【正文语种】中文【中图分类】U467.5根据美国环保局测得的典型汽车能量分布情况可知，在汽车各种摩擦损失中，燃料消耗使发动机摩擦产生的损失占4.5%，在发动机故障中，摩擦造成的故障占47.2%［1］.发动机工作过程中，润滑油形成的油膜需达到正常厚度，才能起到润滑作用，润滑不良将加重摩擦造成的故障［2］.可见润滑对节约能量消耗和减少发动机故障是至关重要的［3］.目前大多数汽车按行驶里程数或按使用时间的方法更换发动机的润滑油，而不是根据润滑油的实际质量状况进行更换，容易造成润滑油延期使用，引起发动机故障或者过早更换造成浪费［4］.因此，开发一种汽车发动机润滑油的监测技术是十分必要的.文献［5-6］从实验和理论方面研究了润滑油监测技术.但是没有将理论研究应用到实际的监测中.本文首先通过实验验证润滑油的理化指标与介电常数的相关性，然后在此基础之上设计开发了润滑油监测装置.1 润滑油理化指标与介电常数的关系评价润滑油性能的理化指标有多种，其中对润滑油品质影响比较大的有水分含量、铁含量及总酸值［7］.为了通过实验得到上述3个指标与润滑油介电常数之间的关系，在综合考虑润滑油的质量等级和粘度等级、发动机工作条件的苛刻程度、机油容量与压缩比、燃料性质等因素的基础上，分别选取不同类型和级别的润滑油为研究对象，它们是SL10W-40、SL20W-30、SM20W-30、SM10W-30 共4种润滑油.便于描述，分别将其定义为1#、2#、3#、4#润滑油.为了验证在一定的温度条件下，3个理化指标与润滑油介电常数之间是否存在某种关系，是否能够用介电常数表征润滑油劣化程度，所有的实验均在20℃的环境温度下进行.虽然与实车工作状况有差异，但这里仅证明润滑油与介电常数的某种关系，具体的劣化阈值在实车试验中进行测定.此处及以后相应实验中润滑油的介电常数的测定均使用RZJ-2A 型介电常数分析仪进行检测.1.1 水分含量发动机中的燃烧气体冷凝、冷却液泄漏及清洗等工作环节，使得一定的水分进入润滑油中.虽然清净分散剂能够溶解少量水分，但仍有过量水分存在，这些水分促进油液氧化并加速发动机的腐蚀.发动机在正常工作时，大部分自由状态的水会蒸发，但是当自由状态的水碰到热物质的表面变成水蒸气时，会破坏润滑油膜，导致局部磨损，甚至会造成灾难性的后果［8］.新润滑油水分含量一般低于0.01%，在典型的运行温度下，一般吸水率达到0.02% ～0.03%.水本身的介电常数很大，可以达到80，微量水分对润滑油的介电常数的影响显著［9-11］.按照 GB/T 8028—94 国家标准［12］，油品的含水量如果低于0.02%，认为是没有水分的，如果水分含量超过0.20%就应该更换了.为了说明水分与介电常数的关系，用微量滴定管依次向润滑油中加入不同质量的蒸馏水，配置了水分含量从 0.02%，0.04%，0.06%，…，0.26%均匀递增的13份样品，对其进行介电常数与水分含量的关系试验.试验结果如图1所示.由图1可知，介电常数随水分的增加而增加，当含水量超过0.2%时，介电常数随水分的增加而快速增加，润滑油的介电常数对水分的改变很敏感.图1 介电常数与水分的关系Fig.1 Relationship between clielectric constantand moisture content1.2 铁磨粒含量发动机的缸套、曲轴、活塞、轴瓦等在运行过程中产生摩擦，如果润滑不理想，这种摩擦将加剧.而摩擦的后果是产生的金属磨粒混入润滑油中，进而影响润滑油的润滑效果及介电常数［6］.汽车发动机正常工作磨损所产生的金属颗粒一般为0.5 ～15.0 μm，小于5.0 μm 的颗粒对润滑油的性能基本无影响，出现大于12.0 μm的颗粒时，属于较严重的摩擦［8］.在试验中考虑正常磨损工作状态，选取直径为 5.0～12.0 μm 的铁粉颗粒，将不同质量的铁粉依次加入到100 g的润滑油中，利用玻璃棒搅拌后加热，配制得到充分混合的铁磨粒含量(质量分数)为0.25‰，0.50‰，0.75‰，…，2.25 ‰均匀递增的润滑油试样.然后进行测试，得到介电常数增值与铁磨粒含量的关系如图2所示.图2 介电常数与铁磨粒含量的关系Fig.2 Relationship between dieleltric constant and iron abrasive grit content由图2可知:在铁粉颗粒浓度小于1.50‰以内，二者之间呈现近似线性关系，表明介电常数随铁磨粒含量的增加而增大.由于金属磨粒自身的扩散能力以及附着能力都远不如水，所以其对介电常数的影响远不如水明显;铁粉含量超过1.50‰后，随着铁粉含量的增加，介电常数增加趋势变缓.1.3 总酸值发动机在运行过程中，润滑油中的基础油逐渐被氧化，其中的添加剂也被逐渐消耗，使润滑油中的有机酸增加.此外，燃料燃烧的产物亦会渗入其中，使油中的无机酸增加.这样最终会导致润滑油中的总酸值升高，加重对发动机的腐蚀，不利于其正常工作.按照 GB/T 8028—94［12］国家标准，润滑油的酸值增加量大于2.0 mg KOH/g时应该更换润滑油.为了考察润滑油的介电常数与总酸值之间的关系，采用向润滑油中加入过氧乙酸的办法配制得到试样.对于4种润滑油，分别利用微量滴定管依次向13份、各10 g的润滑油中滴入不同质量的过氧乙酸，最终配制得到酸值增值分别为0.20～2.60 mg KOH/g均匀递增的润滑油试样.试验测试结果得到介电常数增值与总酸增值的关系如图3所示.从图3中可知，介电常数随总酸值的增加而增大，表明二者之间有很好的相关性.图3 介电常数与酸值的关系Fig.3 Relationship between dieleltric constantand acid value从以上3个测试实验可以得出:润滑油中水分含量、铁磨粒含量以及总酸值的增加，都会导致润滑油介电常数的增加，即3个理化指标的变化趋势与介电常数的变化趋势一致，对介电常数影响最大的是水含量.由于3个理化指标是评价润滑油品质的主要指标，因此，润滑油的介电常数是衡量其劣化程度的指标.2 润滑油介电常数的测量2.1 传感器原理测量润滑油介电常数的传感器采用平板电容传感器.将平板电容器置于润滑油中，如果忽略平板电容传感器的边缘电场效应，则待测润滑油流经电容器时，电容器的电容量［13］为式中:s为极板的面积(m2);ε为流经电容传感器的润滑油的相对介电常数(F/m);d为极板间距(m).如果保持s、d为恒定值，则有CX是介电常数ε的函数.当润滑油的介电常数发生改变时，导致CX改变.因此，测量CX值可间接反映润滑油品质的变化［14］.2.2 测量装置设计润滑油的介电常数受温度的影响较大，即使同一份润滑油样品，在不同的环境温度下，介电常数也有较大的差别［15］.针对润滑油这种特性，监测装置中设计了一个油样池，每次更换新油时将少许新油即样品油存放于油样池中.该油样池和油路监测部分为一体.在稳定工作状态下，样品油的温度与油路中的油温是一致的.将2个物理尺寸完全相同的电容，分别放入样品油和在用油中，取二者的电容差值作为检测的结果，达到了消除温度对润滑油介电常数影响的目的.为了实现这个设计，利用CAV424集成芯片进行电容测量.介电常数测量的原理如图4所示.图4 介电常数测量的原理Fig.4 Schematic diagram of measuring dieleltric constant图4中，CAV424内部有2个相位恒定和周期相同的对称构造的积分器，其振荡器的频率由2脚所接电容COSC确定.CAV424内部的2个积分器的振幅分别由图中16、14脚所接电容 CX1和 CX2确定［16］.将CX1作为测量备份样品润滑油电容值的电容，CX2为被测在用润滑油电容值的电容.比较2个积分器的电压振幅差值就可以得出电容CX1和CX2的相对电容变化差值，即得到在用润滑油相对纯净的样品油的相对介电常数的变化值.CAV424将电容差值信号转换为模拟电压信号，反映电容差值大小的模拟电压信号由CAV424输出后，再经两级放大，输入到 A/D转换器，转换后的数字量输入89S51单片机，这个值与更换新油时测得的新油即样品油的介电常数相加后，作为在用油的介电常数进行数据的处理.3 系统试验为了验证理论的准确性和设备的可靠性，将本文中设计的监测设备应用到实际运行的车辆上进行测试.先后将4个级别的润滑油应用到不同的6台汽油出租车上，这6台车是同一批次出厂并同时投入运营的，而且车况大体一致.出租车的运营范围在长春市区内，试验的时间是整个换油周期大约20～30 d，车所走的路况总体是一致.由于出租车驾驶员均有丰富的出租车驾驶经验，驾驶行为大体一致.每辆车在装入新润滑油之前均更换了滤清器，然后车辆每运行500 km取样1次，对样品进行理化指标的化验.根据国家颁布的理化指标试验方法，测取这些车辆润滑油的各个理化指标，同时利用RZJ-2A型介电常数分析仪测量其介电常数值是否与开发的设备介电常数指示值相同，进而判断所开发的设备是否能够正确监测出润滑油的受污染程度.根据国家标准汽油机油换油标准GB/T 8028—94 中的规定［12］:在酸值增加量大于 2.0、铁磨粒含量大于1.50‰、闪点低于165、100℃、运动粘度变化率大于25%、水分大于0.2%、正戊烷不溶物大于2.0%中的某一指标达到这一标准程度时，就应该更换润滑油［17］.如果样品中某一理化指标超过国家的规定，则终止试验，记录试验结果如表1所示.试验结果表明，车辆的行驶里程均超过以往按厂家给出5000 km参考值，有的行驶里程甚至超出2000 km，增加了润滑油的利用时间，达到节约的目的.表1 试验结果数据Tab.1 Data of experimental results4 结论(1)润滑油的水含量、铁磨粒含量、总酸值和介电常数具有相同的变化趋势;(2)当润滑油的某个理化指标超出国家标准时，润滑油的介电常数位于4.2～4.7之间(温度20℃).得出需要更换润滑油的介电常数上、下限分别为4.7 和 4.2.参考文献:【相关文献】［1］熊云，王九，王崇强.车用油液基础及应用［M］.北京:中国石化出版社，2005:5-97.［2］秦萍，阎兵，谭达明.利用声发射诊断滑动轴承接触摩擦故障的研究［J］.西南交通大学学报，2001，36(3):272-275.QIN Ping，YAN Bing，TAN Daming.Study on fault diagnosis 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收稿日期:2006-11-22 收修改稿日期:2007-07-09数字式旋转变压器轴角传感器于相斌,李小奇,臧 岩(空军航空大学控制工程系,吉林长春 130022)摘要:提出了一种由单片机直接对旋转变压器进行激磁,并测量输出感应电势来获得轴角的方法。

根据该方法设计的数字式旋转变压器轴角传感器电路简单,工作可靠;测量结果以RS-232串口输出,便于使用;采用插值算法,可提高旋转变压器的测量精度。

关键词:RS-232;单片机;轴角传感器;旋转变压器中图分类号:TP212 文献标识码:A 文章编号:1002-1841(2007)09-0006-03Digital Resolver Axis angle SensorYU Xiang bin,LI Xiao qi,ZANG Yan(Department of Control Engineering,Aviation University of Air Force,Changchun 130022,China)Abstract:A method to get the axis angle was introduced that the resolver is excited by the single chip computer directly and the out put induced E.M.F is measured by the single chip compu ter.The digital resolver ax i s angle sensor based on this method has the proper ties of simple circui t and high reliability.Its measuring result was sent out by RS-232interface,and it was easy to use.The measuring precision of the resolver can be increased by adopting the interpolation method.Key words:RS-232interface;single chip computer ;axis angle sensor;resolver 0 引言目前,普遍采用旋转变压器信号采集模块对旋转变压器输出的信号进行测量,并转换成与轴角相对应的数字量,然后由计算机对数字量进行处理,最后得到轴角大小[1]。

海拔对离心泵吸入性能的影响研究离心泵广泛应用于各种油料的输送，约占泵总量的70%~80%。

在高原环境下，大气压力随海拔的提升不断降低，离心泵吸入口压力相应减小，吸入能力下降影响泵正常工作，导致工作效率降低。

定量分析离心泵在不同海拔下的工作性能及变化规律，应进行实地实验，然而实地实验受场地等因素限制，设备展开、调试及撤收等较为困难，难以实施。

因此，本文利用海拔与大气压力之间的关系，采用模拟的方法对离心泵在不同海拔下的工作性能进行实验研究。

1实验装置及方法1.1实验装置1.1.1泵实验中使用的泵主要是离心泵和真空泵。

离心泵为非自吸式，由发动机驱动，为实验研究对象；真空泵是水环式，由电动机驱动，用来对真空罐抽真空。

1.1.2含气率测试仪为准确快速地监测、采集实验数据，采用了含气率测试仪。

该测试仪基于电容探测法设计而成，其基本原理是在管路上布置电容器，电容值的大小与气液混合物的介电常数以及探针与液体接触的长度有关。

当探针与被测流体接触长度发生变化，其输出电容值也发生变化，通过测量输出的电容值可推算出混合物的比率。

含气率测试仪主要包括电容传感器和电容电压转换电路两大部分。

电容传感器的两极由2根涂有聚四氟乙烯涂层的探针钢丝制成。

电容电压转换电路由两部分组成：一是电容电压转换部分，采用CAV424芯片将电容转化为标准电压信号，可输出1~4 V标准电压；二是放大电路，采用AM401将前面的输出信号放大，提高采集系统的分辨率。

1.1.3真空罐真空罐是实验中控制泵吸入口真空度的重要设备，由Q235-B型钢焊接而成，高3 m，直径1.35 m，容积4.3 m3，净重1 584 kg，设计温度0 ℃，设计压力1.1 MPa，耐压实验压力1.38 MPa，最高允许工作压力1.05 MPa。

罐身配备有真空表及液位计，真空表的测量范围为0~0.09 MPa，测量精度0.001 MPa；液位计最高液位为3 m，精度0.1 m。

CAV424 实现电容压力传感器测量
随着差动式硅电容传感器广泛应用于各行各业中，对差动电容信号的检测至关重要。

文中提出基于CAV424 电容检测芯片作为前置检测单元，实现了电容压力传感器测量电路。

该电路具有稳定性好，抗干扰性强，且通过非线性补偿有良好的线性。

实验结果表明，实际电路与理论分析具有良好的一致性。

引言
差动电容式压力传感器的输出差动电容信号通常都非常微弱，因此，如何将微小电容变化量检测及转换为后续电路容易处理的信号至关重要。

文中将采用一款电容专用检测转换芯片CAV424 作为调理电路的核心部件。

实验表明该电路稳定性高，功耗低，且非线性度在02%~ 0 1%, 非常适合使用干电池供电的仪表仪器。

1 CAV424 工作原理
1. 1 测量原理。