单一平面电容式漏水检测传感器的研究

杨亭　粘丹妮

摘 要： 针对北方地区冬季暖气管道漏水可能导致的大型设备机房或重要仪器损坏的问题，提出了一种用于管道漏水检测的单一平面电容式传感器的设计方案。该装置利用平面电容原理，检测水滴落在平面电容上时引起的电容变化，采用微电容测量电路将电容转换成频率，然后通过单片机处理后计算出电容值，通过和预先设定的阈值电容的比较来判断平板上是否漏水。经实际试验，该方案实施的平面电容式漏水检测传感器应用于管道漏水检测具有结构简单、成本便宜、性能可靠的特点。

关键词： 平面电容； 传感器； 漏水检测； 微电容

中图分类号： TN911.7?34； TM932 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）11?0158?03

Abstract： In order to prevent the damage of the large scale equipments caused by heating pipe leakage， a design scheme of single planar capacitance water sensor is proposed to detect the pipe leakage. The principle of the planar capacitance is adopted in the device to detect the capacitance variation when water drop drips down on the planar capacitor. The micro?capacitor detecting circuit is used to transfer the capacitance to frequency， and then calculate capacitance value by a single chip microcomputer to judge whether the water leakage has happened by comparing it with the previously?set value. The test results show that the device has the characteristics of simple structure， low cost and reliable performance in water leakage detection.

Keywords： planar capacitance； sensor； water leakage detection； micro?capacitor

0 引 言

电容器的电容量是构成电容器的极板形状、大小、相互位置及电介质介电常数的函数，利用这种可变参数的性质，人们制造出了许多具有不同用途的电容传感器，如测量位移、压力、加速度、材料厚度、成分含量[1]。电容器上的漏水将改变电容器的介电常数，所以采用电容传感器检测漏水具有可行性。针对北方冬季的暖气管道漏水可能导致一些重要机房的设备损坏的问题，目前的漏水检测设备具有结构复杂、成本昂贵等缺点，采用电容式传感器检测漏水具有结构简单、成本便宜、性能可靠的特点。

1 原理概述

平面电容式漏水检测传感器检测管道漏水是基于平面电容式的原理，平面电容式极板上的两个极板可组成一个两端子电容器[2]，平面电容式传感器是利用电容器的边缘电场（Fringing Electric Field，FEF） 进行检测[3]。实际应用中，平面电容式传感器不仅能够将检测面和镀膜面分离开来从而防止传感器损坏，而且能够增加电容器的抗干扰能力。传感器的两个极板是很薄的金属膜片，它通过光学镀膜的方式或机械的方式安装于玻璃基底上。

传感器采用耐磨玻璃作为基底，考虑到水的介电常数为48～80，空气的介电常数为1，玻璃的介电常数为4～11，通过测量传感器极间电容值变化来判断雨量是可行的[4]。当传感器的检测面干燥时，两极板间的介电常数约为一定值。如果将平面电容漏水检测传感器的水量检测面置于液体中，此时两极板间的介电常数将发生显著变化，从而导致两极板间的电容发生变化。正是由于这种微小的电容变化，可以通过测量极板上的微小电容变化，将电容变化转换成频率变化由单片机进一步处理，从而判断出极板上是否有水量变化。

需要注意的是，由于该电容变化值很小只有几十pF，一般实际测量中需要将多个传感器并联使用，从而提高电容变化量。但是单个传感器的寄生电容在特定环境下仍会严重影响到测量电容的变化值，在电路中需要采取有效的措施来抑制外界的干扰。图1给出了平面电容式漏水检测传感器的结构示意图，其中图（a）是镀膜面的示意图，图（b）是检测面的示意图。A和B是平面电容的引出电极，分别接至电容?频率电路输入端。

2 硬件方案设计

漏水检测硬件电路由P89C51单片机最小系统、RS 232接口电路、电容?频率转换电路、报警电路、温度补偿电路、电源电路等组成。为了提高测量电容值的抗干扰能力，设计中采用了以下几种措施[5]：

（1） 平面电容的电极A和B到电容频率转换电路的电缆长度应尽量短，同时电缆采用双绞屏蔽线来提高信号的抗干扰能力。

（2） 电路中选用的电阻电容等元器件，应选温度系数好的RJ?1或RJ?2金属膜精密电阻，电容应选温度特性好的陶瓷电容[6]抑制温度对测量精度的影响。

（3） 初始电容的抵消，采用实测电容和初始电容之差[ΔCx=Cx-Cx0]检测。

（4） 根据多次试验结果选择合适的阈值电容[ΔCref]。

单片机最小系统、电源电路、报警电路和RS 232接口电路方案框图如图2所示。

微电容的测量通过电容?频率转换电路完成，其核心是一个555振荡电路[7]将微电容转换成频率后输出给P89C51单片机，单片机通过内部的计数器T1来对输入的频率计数，通过频率?电容反演计算后得到电容值。采用传感器检测面干燥时的电容值作为初始电容[Cx0，]当传感器的检测面上漏水后，导致其输出的电容变化为[Cx，]电容变化量[ΔCx]为：

[ΔCx=Cx-Cx0]

通过试验设定一个阈值频率[ΔCref，]当[ΔCx>ΔCref]时，认为检测面上有检测到足够的水量，然后单片机控制报警电路实现报警，否则认为极板上未检测到水量，图3是电容?频率变换电路检测微电容示意图[8]。

上述电路能够将A、B两端的电容[Cx]转换成频率输出，然后在单片机内部对频率计数计算出频率值，通过频率反演出电容值[Cx。]对上述电容?频率电路的pspice对[Cx]做参数仿真[9]，选取[Cx]的值分别是10 pF，50 pF，100 pF，得到仿真结果如图4所示。

由于平面电容传感器单个传感器的容量较小，单片传感器的容值一般在几十pF。而P89C51单片机采集到的是经过电容?频率转换电路后的频率值，为了得到传感器上的实际电容值，需要根据电容?频率曲线反演出传感器采集到的电容值。表1是电容从10～100 pF的电容?频率仿真数据，在小电容变化范围内，可近似认为电容?频率曲线是线性变化的。图5是电容?频率转换曲线。软件反演过程中，需要对电容?频率曲线做线性分段拟合[Cx=a*f+b，]将10～100 pF分成10个线性区间，得到每个区间的线性系数，从而单片机能够反演出传感器采集到的微电容值。

3 软件设计

单片机内部软件采用C51编写，主要是通过软件实现以下几个功能：

（1） 单片机硬件初始化，主要是Timer1定时器、UART，INT0的初始化。

（2） 通过T1计数器在一定时间内利用外脉冲触发（INT0）的方式对频率计数。

（3） 根据当前频率计数值，通过线性拟合系数反演出当前的电容值，并和初始电容值之差来计算两极板间电容变化量。

（4） 通过电容变化量和阈值电容量比较，软件给出是否有漏水判断。如果漏水判断结果标识位置位，单片机的某一个IO输出特定频率的方波，驱动蜂鸣器报警。

（5） 单片机通过RS 232接口将电容量和漏水检测结果发送给计算机。

单片机内部软件执行流程如图6所示。

4 试验验证

实际测试过程中，在25 ℃的实验室内采用注射器针头注射直径约1 mm的水滴到传感器的检测面上来验证该传感器的检测水量的功能，传感器检测面干燥时的初始电容值经测定约为10 pF，表2是试验测试的传感器水量和电容变化值的关系。

从上述测量结果可以看出，传感器的电容值随着传感器检测面上的水量增加而增大，并且趋于一个最大值。需要注意的是，电容值和水量的定量关系受很多因素的影响，比如环境温度、水滴大小、水滴含杂质成分、检测面上玻璃的洁净度、玻璃材料和厚度、极板面积以及电路中测电容的误差等。不同的温度通常导致不同的液体介电常数，以水为例，在0 ℃时水的介电常数为87.9，而在常温25 ℃时，介电常数变为[10]78.4。测试过程中，由于采用注射器添加水滴量，因此还存在人为误差。测量到的电容值实际上是上述因素的综合结果，测量的电容值误差会比较大。但是考虑到实际应用过程中，只需要检测传感器的检测面上是否有足够多的水存在，所以只要选择合适的电容量的阈值，就可以判断出传感器检测面上是否有水，从而单片机给出报警信号。

5 结 论

本文主要的创新是提出了一种适用于管道漏水检测的平面电容式传感器，并给出了其在漏水检测装置中的应用方案，然后通过进一步的硬件和软件设计给出了实验验证。针对现有的管道漏水检测装置结构复杂、价格昂贵、使用不够灵活等缺点，本方案实施的漏水检测装置简单易行、稳定可靠、成本极低。

参考文献

[1] 刘少刚，安进华，罗跃生，等.单一平面电容传感器数学模型及有限元解法研究[J].哈尔滨工程大学学报，2011，32（1）：79?80.

[2] LI Xiao?bei， LARSON S D， ZYUZIN A S. Design principles for multichannel ringing electric field sensors [J]. IEEE Sensors Journal， 2006， 6（2）： 434?440.

[3] 王挺，范文茹，郝魁红，等.平面电容式传感器阵列激励模式研究[J].传感器与微系统，2012，31（9）：71?72.

[4] 李楠，郭宝龙，王湃.车辆雨刷自动控制系统中相邻电容传感器设计[J].机械工程学报，2010，46（14）：12?16.

[5] 王幸之.单片机应用系统抗干扰技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2000.

[6] 肖志红.平板式电容传感器测量电路研究[J].现代电子技术，2004，27（17）：105?106.

[7] 娄银霞.基于电容式雨水传感器的智能雨刷控制系统研究[J].河南科学，2013，31（4）：453?454.

[8] 毛国华，张琪，张馨少.微型高精度宽范围电容频率转换电路的研制[J].通信电源技术，2013，30（4）：42?43.

[9] 郭文强，侯勇严.基于PSPICE的555定时器电路仿真分析[J].陕西科技大学学报，2006（4）：92?93.

[10] MASTIN Chaflin. Water properties （including heavy water data） [EB/OL]. （2008?10?22） [2009?05?15]. http：//www.lsbu.ac.uk/water/data.

微电容的测量通过电容?频率转换电路完成，其核心是一个555振荡电路[7]将微电容转换成频率后输出给P89C51单片机，单片机通过内部的计数器T1来对输入的频率计数，通过频率?电容反演计算后得到电容值。采用传感器检测面干燥时的电容值作为初始电容[Cx0，]当传感器的检测面上漏水后，导致其输出的电容变化为[Cx，]电容变化量[ΔCx]为：

[ΔCx=Cx-Cx0]

通过试验设定一个阈值频率[ΔCref，]当[ΔCx>ΔCref]时，认为检测面上有检测到足够的水量，然后单片机控制报警电路实现报警，否则认为极板上未检测到水量，图3是电容?频率变换电路检测微电容示意图[8]。

上述电路能够将A、B两端的电容[Cx]转换成频率输出，然后在单片机内部对频率计数计算出频率值，通过频率反演出电容值[Cx。]对上述电容?频率电路的pspice对[Cx]做参数仿真[9]，选取[Cx]的值分别是10 pF，50 pF，100 pF，得到仿真结果如图4所示。

由于平面电容传感器单个传感器的容量较小，单片传感器的容值一般在几十pF。而P89C51单片机采集到的是经过电容?频率转换电路后的频率值，为了得到传感器上的实际电容值，需要根据电容?频率曲线反演出传感器采集到的电容值。表1是电容从10～100 pF的电容?频率仿真数据，在小电容变化范围内，可近似认为电容?频率曲线是线性变化的。图5是电容?频率转换曲线。软件反演过程中，需要对电容?频率曲线做线性分段拟合[Cx=a*f+b，]将10～100 pF分成10个线性区间，得到每个区间的线性系数，从而单片机能够反演出传感器采集到的微电容值。

3 软件设计

单片机内部软件采用C51编写，主要是通过软件实现以下几个功能：

（1） 单片机硬件初始化，主要是Timer1定时器、UART，INT0的初始化。

（2） 通过T1计数器在一定时间内利用外脉冲触发（INT0）的方式对频率计数。

（3） 根据当前频率计数值，通过线性拟合系数反演出当前的电容值，并和初始电容值之差来计算两极板间电容变化量。

（4） 通过电容变化量和阈值电容量比较，软件给出是否有漏水判断。如果漏水判断结果标识位置位，单片机的某一个IO输出特定频率的方波，驱动蜂鸣器报警。

（5） 单片机通过RS 232接口将电容量和漏水检测结果发送给计算机。

单片机内部软件执行流程如图6所示。

4 试验验证

实际测试过程中，在25 ℃的实验室内采用注射器针头注射直径约1 mm的水滴到传感器的检测面上来验证该传感器的检测水量的功能，传感器检测面干燥时的初始电容值经测定约为10 pF，表2是试验测试的传感器水量和电容变化值的关系。

从上述测量结果可以看出，传感器的电容值随着传感器检测面上的水量增加而增大，并且趋于一个最大值。需要注意的是，电容值和水量的定量关系受很多因素的影响，比如环境温度、水滴大小、水滴含杂质成分、检测面上玻璃的洁净度、玻璃材料和厚度、极板面积以及电路中测电容的误差等。不同的温度通常导致不同的液体介电常数，以水为例，在0 ℃时水的介电常数为87.9，而在常温25 ℃时，介电常数变为[10]78.4。测试过程中，由于采用注射器添加水滴量，因此还存在人为误差。测量到的电容值实际上是上述因素的综合结果，测量的电容值误差会比较大。但是考虑到实际应用过程中，只需要检测传感器的检测面上是否有足够多的水存在，所以只要选择合适的电容量的阈值，就可以判断出传感器检测面上是否有水，从而单片机给出报警信号。

5 结 论

本文主要的创新是提出了一种适用于管道漏水检测的平面电容式传感器，并给出了其在漏水检测装置中的应用方案，然后通过进一步的硬件和软件设计给出了实验验证。针对现有的管道漏水检测装置结构复杂、价格昂贵、使用不够灵活等缺点，本方案实施的漏水检测装置简单易行、稳定可靠、成本极低。

参考文献

[1] 刘少刚，安进华，罗跃生，等.单一平面电容传感器数学模型及有限元解法研究[J].哈尔滨工程大学学报，2011，32（1）：79?80.

[2] LI Xiao?bei， LARSON S D， ZYUZIN A S. Design principles for multichannel ringing electric field sensors [J]. IEEE Sensors Journal， 2006， 6（2）： 434?440.

[3] 王挺，范文茹，郝魁红，等.平面电容式传感器阵列激励模式研究[J].传感器与微系统，2012，31（9）：71?72.

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[8] 毛国华，张琪，张馨少.微型高精度宽范围电容频率转换电路的研制[J].通信电源技术，2013，30（4）：42?43.

[9] 郭文强，侯勇严.基于PSPICE的555定时器电路仿真分析[J].陕西科技大学学报，2006（4）：92?93.

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微电容的测量通过电容?频率转换电路完成，其核心是一个555振荡电路[7]将微电容转换成频率后输出给P89C51单片机，单片机通过内部的计数器T1来对输入的频率计数，通过频率?电容反演计算后得到电容值。采用传感器检测面干燥时的电容值作为初始电容[Cx0，]当传感器的检测面上漏水后，导致其输出的电容变化为[Cx，]电容变化量[ΔCx]为：

[ΔCx=Cx-Cx0]

通过试验设定一个阈值频率[ΔCref，]当[ΔCx>ΔCref]时，认为检测面上有检测到足够的水量，然后单片机控制报警电路实现报警，否则认为极板上未检测到水量，图3是电容?频率变换电路检测微电容示意图[8]。

上述电路能够将A、B两端的电容[Cx]转换成频率输出，然后在单片机内部对频率计数计算出频率值，通过频率反演出电容值[Cx。]对上述电容?频率电路的pspice对[Cx]做参数仿真[9]，选取[Cx]的值分别是10 pF，50 pF，100 pF，得到仿真结果如图4所示。

由于平面电容传感器单个传感器的容量较小，单片传感器的容值一般在几十pF。而P89C51单片机采集到的是经过电容?频率转换电路后的频率值，为了得到传感器上的实际电容值，需要根据电容?频率曲线反演出传感器采集到的电容值。表1是电容从10～100 pF的电容?频率仿真数据，在小电容变化范围内，可近似认为电容?频率曲线是线性变化的。图5是电容?频率转换曲线。软件反演过程中，需要对电容?频率曲线做线性分段拟合[Cx=a*f+b，]将10～100 pF分成10个线性区间，得到每个区间的线性系数，从而单片机能够反演出传感器采集到的微电容值。

3 软件设计

单片机内部软件采用C51编写，主要是通过软件实现以下几个功能：

（1） 单片机硬件初始化，主要是Timer1定时器、UART，INT0的初始化。

（2） 通过T1计数器在一定时间内利用外脉冲触发（INT0）的方式对频率计数。

（3） 根据当前频率计数值，通过线性拟合系数反演出当前的电容值，并和初始电容值之差来计算两极板间电容变化量。

（4） 通过电容变化量和阈值电容量比较，软件给出是否有漏水判断。如果漏水判断结果标识位置位，单片机的某一个IO输出特定频率的方波，驱动蜂鸣器报警。

（5） 单片机通过RS 232接口将电容量和漏水检测结果发送给计算机。

单片机内部软件执行流程如图6所示。

4 试验验证

实际测试过程中，在25 ℃的实验室内采用注射器针头注射直径约1 mm的水滴到传感器的检测面上来验证该传感器的检测水量的功能，传感器检测面干燥时的初始电容值经测定约为10 pF，表2是试验测试的传感器水量和电容变化值的关系。

从上述测量结果可以看出，传感器的电容值随着传感器检测面上的水量增加而增大，并且趋于一个最大值。需要注意的是，电容值和水量的定量关系受很多因素的影响，比如环境温度、水滴大小、水滴含杂质成分、检测面上玻璃的洁净度、玻璃材料和厚度、极板面积以及电路中测电容的误差等。不同的温度通常导致不同的液体介电常数，以水为例，在0 ℃时水的介电常数为87.9，而在常温25 ℃时，介电常数变为[10]78.4。测试过程中，由于采用注射器添加水滴量，因此还存在人为误差。测量到的电容值实际上是上述因素的综合结果，测量的电容值误差会比较大。但是考虑到实际应用过程中，只需要检测传感器的检测面上是否有足够多的水存在，所以只要选择合适的电容量的阈值，就可以判断出传感器检测面上是否有水，从而单片机给出报警信号。

5 结 论

本文主要的创新是提出了一种适用于管道漏水检测的平面电容式传感器，并给出了其在漏水检测装置中的应用方案，然后通过进一步的硬件和软件设计给出了实验验证。针对现有的管道漏水检测装置结构复杂、价格昂贵、使用不够灵活等缺点，本方案实施的漏水检测装置简单易行、稳定可靠、成本极低。

参考文献

[1] 刘少刚，安进华，罗跃生，等.单一平面电容传感器数学模型及有限元解法研究[J].哈尔滨工程大学学报，2011，32（1）：79?80.

[2] LI Xiao?bei， LARSON S D， ZYUZIN A S. Design principles for multichannel ringing electric field sensors [J]. IEEE Sensors Journal， 2006， 6（2）： 434?440.

[3] 王挺，范文茹，郝魁红，等.平面电容式传感器阵列激励模式研究[J].传感器与微系统，2012，31（9）：71?72.

[4] 李楠，郭宝龙，王湃.车辆雨刷自动控制系统中相邻电容传感器设计[J].机械工程学报，2010，46（14）：12?16.

[5] 王幸之.单片机应用系统抗干扰技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2000.

[6] 肖志红.平板式电容传感器测量电路研究[J].现代电子技术，2004，27（17）：105?106.

[7] 娄银霞.基于电容式雨水传感器的智能雨刷控制系统研究[J].河南科学，2013，31（4）：453?454.

[8] 毛国华，张琪，张馨少.微型高精度宽范围电容频率转换电路的研制[J].通信电源技术，2013，30（4）：42?43.

[9] 郭文强，侯勇严.基于PSPICE的555定时器电路仿真分析[J].陕西科技大学学报，2006（4）：92?93.

[10] MASTIN Chaflin. Water properties （including heavy water data） [EB/OL]. （2008?10?22） [2009?05?15]. http：//www.lsbu.ac.uk/water/data.