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【摘 要】为了开发一种价格低廉的边坡位移监测仪器，本文基于电容式原理设计了三种不同结构类型的电容式位移传感器，其分别为变面积式平板型電容传感器、变面积式圆柱型电容传感器和变介电常数式圆柱型电容传感器；对该三种电容传感器进行了性能测试及测试数据分析，结果表明这三种类型的电容式位移传感器与传统的边坡位移监测系统相比，拥有足够的精度、分辨率、测量范围和稳定性。
【关键词】滑坡；电容；位移传感器
1引言
边坡工程是一种常见的危险性岩土工程项目，在各种力和自然因素的作用下，边坡失稳变形造成的滑坡灾害现象时常发生。因此，控制边坡稳定性的行之有效的方法是进行现场监测。通过准确地监测，及时分析和判断滑坡发生的时间，采取应对措施，具有巨大的经济与社会效益。目前常用的边坡监测技术有GPS测量、近景摄影测量、时域反射法等[1]。这些监测技术存在花费大、普及性差等缺点。面对大量的边坡失稳现象，开发一种价格低廉的监测手段并将其应用到边坡体进行监测是很有必要的。
2电容式位移传感器原理
电容式位移传感器是一种非接触电容式原理的精密测量仪器，能将被测物理量（位移、压力等）的变化转换成电容量变化的元件[2]。忽略边缘效应不计，平板型电容器的电容量如式（1）所示。
式中：为电容量；为极板的覆盖面积；为两平行极板间的距离；为两极板间介质的介电常数；为真空介电常数；为极板间介质的相对介电系数，在空气中。
从式（1）可以看出，电容量由其自身参数、、决定。保持这三个参数中的任意两个不变，仅改变另一参数，且该参数的变化通过传感器的可移动部分的位移来调节，则可建立起该可变参数与电容量之间的线性关系。通过配套的测量电路，将电容的变化转换为数字信号输出，则测量出电容量的变化即可测量出传感器可移动部分的位移。
本文根据传感器欲达到的指标要求，设计了三种不同结构类型的电容式位移传感器探头，分别为：变面积式平板型电容式位移传感器探头、变面积式圆柱形电容位移传感器探头及变介电常数式圆柱形电容位移传感器探头。
2.1变面积式平板型电容器（APCT）
该传感器的结构是由相互平行的电容极板A和B形成一定的空间距离，且固定在相对静止的组件上，共同组成了电容。在两电极板间有连接到可移动组件上的纵向可移动的屏蔽极板C，其分别与电极板A，B形成电容和。
保持该传感器的介电常数和间距不变，通过改变屏蔽电极C的位移改变参数。假设A，B电极板的初始覆盖面积为S0，则其初始电容量如式（3）所示。
当屏蔽电极板C发生的位移量时，电容量的 计算公式为式（4）
2.2变面积式圆柱形电容式位移传感器（ACCT）
该传感器的结构是由中空的圆柱体电容板A设置在实心圆柱体B的周围所组成。电容板A固定在固定的组件上，而电容板B连接在可移动的组件上，并随着可移动组件在电容板A内纵向可移动。
保持该传感器的介电常数和间距不变。通过移动电极板B改变参数。设A，B电极板的初始覆盖面积为S0，则其初始电容量式（5）所示。
当电极板B发生位移时，其电容量如式（6）所示。
3电容检测电路的设计
该电容位移传感器测量系统由传感器测头、测量单元以及配套的数据传输、显示及反馈系统组成[3]。由于传感器电容量及其变化范围很小，必须利用一种信号调节电路将它转换成与之成正比的数字信号等以便于进行测量。
为了实现这一功能，本文设计的电容量的测量单元主要由读出放大器及微型处理器组成。
4基本性能测试与评估
为了考察这三种电容式位移传感器的基本性能，本文分别对其进行了基本性能测试。由测量电路直接测得电容值的变化，并采用count值进行记录。
通过对数据进行采集、整理、分析，其测试结果如1-3所示。
表1三种电容式位移传感器的基本性能测试结果
测试项目 APCT ACCT PCCT
测试次数 2 2 3
测量范围（mm） 330 900 900
线性相关系数（R2） 0.9976 0.9994 0.9998
灵敏度 166.13 153.49 80.11
分辨率（mm） 0.0060 0.0064 0.0125
重复性 0.134% 0.493% 0.622%
从图中及表1可以看出，三种电容式位移传感器的线性相关系数R2都高于0.997，说明基于电容量原理设计的位移测量系统是行之有效的。综合比较传统的滑坡位移监测系统，本文的电容式位移传感器拥有足够的测量范围、线性度、灵敏度、分辨率及重复性，可以满足大量程，高精度位移测量的要求。
其中，PCCT的线性相关系数高达0.9998，比其他两种类型的电容式传感器相对较好；APCT与ACCT的灵敏度较高；在重复性方面，这三种类型的传感器的重复性均小于1%，其重复性均满足一般要求（小于10%）。
5结论
1）基于电容式原理，设计了三种不同结构的电容式位移传感器探头，分别为变面积式平板型、变面积式圆柱型和变介电常数式圆柱型。
2）对三种不同结构类型的电容式位移传感器进行了基本性能测试，其结果表明基于电容量原理设计的位移测量系统是行之有效的。
3）综合比较传统的滑坡位移监测系统，本文的电容式位移传感器拥有足够的测量范围、线性度、灵敏度、分辨率及重复性，可以满足大量程，高精度位移测量的要求。
参考文献：
[1]朱正伟.边坡监测的符合光纤装置法研究及其应用[D].重庆大学博士学位论文.2011.04
[2]鲁云峰，赵建亭等.一种基于电容传感器的无磁性位移测量系统研究[J].仪器仪表学报，2011，32（6）：213-217.
【关键词】滑坡；电容；位移传感器
1引言
边坡工程是一种常见的危险性岩土工程项目，在各种力和自然因素的作用下，边坡失稳变形造成的滑坡灾害现象时常发生。因此，控制边坡稳定性的行之有效的方法是进行现场监测。通过准确地监测，及时分析和判断滑坡发生的时间，采取应对措施，具有巨大的经济与社会效益。目前常用的边坡监测技术有GPS测量、近景摄影测量、时域反射法等[1]。这些监测技术存在花费大、普及性差等缺点。面对大量的边坡失稳现象，开发一种价格低廉的监测手段并将其应用到边坡体进行监测是很有必要的。
2电容式位移传感器原理
电容式位移传感器是一种非接触电容式原理的精密测量仪器，能将被测物理量（位移、压力等）的变化转换成电容量变化的元件[2]。忽略边缘效应不计，平板型电容器的电容量如式（1）所示。
式中：为电容量；为极板的覆盖面积；为两平行极板间的距离；为两极板间介质的介电常数；为真空介电常数；为极板间介质的相对介电系数，在空气中。
从式（1）可以看出，电容量由其自身参数、、决定。保持这三个参数中的任意两个不变，仅改变另一参数，且该参数的变化通过传感器的可移动部分的位移来调节，则可建立起该可变参数与电容量之间的线性关系。通过配套的测量电路，将电容的变化转换为数字信号输出，则测量出电容量的变化即可测量出传感器可移动部分的位移。
本文根据传感器欲达到的指标要求，设计了三种不同结构类型的电容式位移传感器探头，分别为：变面积式平板型电容式位移传感器探头、变面积式圆柱形电容位移传感器探头及变介电常数式圆柱形电容位移传感器探头。
2.1变面积式平板型电容器（APCT）
该传感器的结构是由相互平行的电容极板A和B形成一定的空间距离，且固定在相对静止的组件上，共同组成了电容。在两电极板间有连接到可移动组件上的纵向可移动的屏蔽极板C，其分别与电极板A，B形成电容和。
保持该传感器的介电常数和间距不变，通过改变屏蔽电极C的位移改变参数。假设A，B电极板的初始覆盖面积为S0，则其初始电容量如式（3）所示。
当屏蔽电极板C发生的位移量时，电容量的 计算公式为式（4）
2.2变面积式圆柱形电容式位移传感器（ACCT）
该传感器的结构是由中空的圆柱体电容板A设置在实心圆柱体B的周围所组成。电容板A固定在固定的组件上，而电容板B连接在可移动的组件上，并随着可移动组件在电容板A内纵向可移动。
保持该传感器的介电常数和间距不变。通过移动电极板B改变参数。设A，B电极板的初始覆盖面积为S0，则其初始电容量式（5）所示。
当电极板B发生位移时，其电容量如式（6）所示。
3电容检测电路的设计
该电容位移传感器测量系统由传感器测头、测量单元以及配套的数据传输、显示及反馈系统组成[3]。由于传感器电容量及其变化范围很小，必须利用一种信号调节电路将它转换成与之成正比的数字信号等以便于进行测量。
为了实现这一功能，本文设计的电容量的测量单元主要由读出放大器及微型处理器组成。
4基本性能测试与评估
为了考察这三种电容式位移传感器的基本性能，本文分别对其进行了基本性能测试。由测量电路直接测得电容值的变化，并采用count值进行记录。
通过对数据进行采集、整理、分析，其测试结果如1-3所示。
表1三种电容式位移传感器的基本性能测试结果
测试项目 APCT ACCT PCCT
测试次数 2 2 3
测量范围（mm） 330 900 900
线性相关系数（R2） 0.9976 0.9994 0.9998
灵敏度 166.13 153.49 80.11
分辨率（mm） 0.0060 0.0064 0.0125
重复性 0.134% 0.493% 0.622%
从图中及表1可以看出，三种电容式位移传感器的线性相关系数R2都高于0.997，说明基于电容量原理设计的位移测量系统是行之有效的。综合比较传统的滑坡位移监测系统，本文的电容式位移传感器拥有足够的测量范围、线性度、灵敏度、分辨率及重复性，可以满足大量程，高精度位移测量的要求。
其中，PCCT的线性相关系数高达0.9998，比其他两种类型的电容式传感器相对较好；APCT与ACCT的灵敏度较高；在重复性方面，这三种类型的传感器的重复性均小于1%，其重复性均满足一般要求（小于10%）。
5结论
1）基于电容式原理，设计了三种不同结构的电容式位移传感器探头，分别为变面积式平板型、变面积式圆柱型和变介电常数式圆柱型。
2）对三种不同结构类型的电容式位移传感器进行了基本性能测试，其结果表明基于电容量原理设计的位移测量系统是行之有效的。
3）综合比较传统的滑坡位移监测系统，本文的电容式位移传感器拥有足够的测量范围、线性度、灵敏度、分辨率及重复性，可以满足大量程，高精度位移测量的要求。
参考文献：
[1]朱正伟.边坡监测的符合光纤装置法研究及其应用[D].重庆大学博士学位论文.2011.04
[2]鲁云峰，赵建亭等.一种基于电容传感器的无磁性位移测量系统研究[J].仪器仪表学报，2011，32（6）：213-217.