基于電容傳感器的汽油辛烷值檢測系統(tǒng)設(shè)計

龔秋英，張 燕

(1.江蘇三江學(xué)院電子信息工程學(xué)院，江蘇南京 210012；2.南京理工大學(xué)，江蘇南京 210012)

0 引言

汽油的辛烷值是衡量汽油品質(zhì)的重要參數(shù)，汽油的辛烷值越高，汽油的品質(zhì)就越好。因此有效檢測汽油中的辛烷值有利于準(zhǔn)確區(qū)分汽油的標(biāo)號、品質(zhì)。傳統(tǒng)的汽油辛烷值檢測方法成本高、實時性差、準(zhǔn)確度低，因此設(shè)計了一種基于電容傳感器的汽油辛烷值檢測系統(tǒng)，其利用電容傳感器檢測不同品質(zhì)汽油的介電常數(shù)，建立汽油辛烷值與介電常數(shù)的關(guān)系式，計算所測汽油的辛烷值。

1 電容傳感器檢測汽油辛烷值原理

1.1 電容傳感器工作原理

系統(tǒng)利用兩電極電容傳感器來檢測油品的辛烷值，電容傳感器檢測原理如圖1所示。

圖1 電容傳感器檢測原理圖

電容傳感器的電容值可以表示為

(1)

式中：ε0為真空的介電常數(shù)，ε0=8.85×10-12F/m；εg為待測介質(zhì)的介電常數(shù)；A為電容傳感器極板的有效面積，m2；h為兩個電極之間的距離，m；C為電容傳感器輸出的電容值，F(xiàn)。

由式(1)可知，傳感器輸出的電容值與待測介質(zhì)的介電常數(shù)成正比。本系統(tǒng)利用電容傳感器的這一特性來檢測汽油中的辛烷值[1]。

1.2 電容傳感器檢測辛烷值原理

汽油的主要成分是C4～C12脂肪烴，并含有少量的芳香烴和硫化物，汽油是成分復(fù)雜的混合物，汽油中各個成分物質(zhì)的介電常數(shù)不同，不同品質(zhì)的汽油介電常數(shù)與辛烷值之間呈線性關(guān)系，要測得汽油的辛烷值只需要測得汽油的介電常數(shù)[2]。因此設(shè)計的基于電容傳感器的汽油辛烷值檢測系統(tǒng)就是利用電容傳感器來檢測不同標(biāo)號汽油的介電常數(shù)，從而計算不同汽油的辛烷值。

2 系統(tǒng)設(shè)計

本文根據(jù)汽油介電常數(shù)與辛烷值的線性關(guān)系，將汽油辛烷值的檢測轉(zhuǎn)換為相應(yīng)介電常數(shù)的測量[3]。在測量時，為了保證系統(tǒng)的檢測精度，需要考慮溫度對汽油辛烷值的影響，因此在測量電路中加入溫度檢測電路來實時補償測量誤差。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。將待測汽油倒入電容器中間，通過電容檢測電路將汽油的辛烷值轉(zhuǎn)換為電容值，再經(jīng)過數(shù)據(jù)處理電路將電容值轉(zhuǎn)換為可處理的電壓信號，建立汽油辛烷值與系統(tǒng)輸出電壓的關(guān)系，從而計算待測汽油的辛烷值。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件由電容傳感器、正弦波信號產(chǎn)生電路、C/V轉(zhuǎn)換電路、PSD解調(diào)電路、溫度補償電路、LCD顯示電路以及串口通訊電路組成[4]。電容檢測電路是系統(tǒng)的核心部分，它的功能是將不同汽油的辛烷值轉(zhuǎn)換為可測量電容值，再經(jīng)過數(shù)據(jù)處理電路將電容值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓值，利用單片機內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器對其進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，計算汽油的辛烷值并判斷汽油的標(biāo)號。

3.1 微弱電容檢測電路

由于汽油辛烷值引起電容的變化十分微小，約pF級別甚至更小，因此快速、準(zhǔn)確測量出電容的變化是系統(tǒng)的研究重點[5-6]。常見的微電容檢測方法有：有源差分法、高壓交流雙邊激勵法、直流充放電法以及交流法等。其中交流法能有效克服雜散電容的干擾，提高系統(tǒng)的檢測精度。因此本文選用交流法進行微電容檢測。交流法微電容檢測電路由正弦波信號產(chǎn)生電路、C/V轉(zhuǎn)換電路、PSD解調(diào)電路組成，其測原理如圖3所示。

圖3 交流法微弱電容檢測電路

系統(tǒng)共產(chǎn)生兩路交流正弦波信號，一路作為PSD解調(diào)電路的參考信號，另一路作為激勵信號。電容傳感器檢測汽油的辛烷值時，將汽油的辛烷值轉(zhuǎn)換為傳感器電容值的變化量，利用電容-電壓(C/V)轉(zhuǎn)換電路將電容值的變化轉(zhuǎn)換為電壓值的變化，然后利用相敏解調(diào)電路(PSD)提取有效的直流信號，利用單片機 A/D轉(zhuǎn)換器采集系統(tǒng)輸出的直流電壓信號，從而計算得出汽油的辛烷值并判斷汽油的標(biāo)號。

3.2 正弦波信號產(chǎn)生電路

為了保證激勵信號源的精度，系統(tǒng)利用DDS技術(shù)產(chǎn)生兩路正弦波信號，DDS技術(shù)產(chǎn)生的信號具有分辨率高[7]、易控制和穩(wěn)定性強等優(yōu)點。系統(tǒng)通過DSP+AD9754的方式產(chǎn)生高精度、頻率可調(diào)的正弦波信號。AD9754是數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，具有14位分辨率，功耗約為185 mW，差分輸出電流范圍2～20 mA。正弦波信號產(chǎn)生電路如圖4所示。

圖4 正弦波信號產(chǎn)生電路

AD9754的數(shù)據(jù)口DB0～DB13接收來自DSP輸出的數(shù)字信號，然后在AD9754內(nèi)部合成所需頻率的正弦波信號。AD9754的兩個差分輸出引腳IOUTA、IOUTB根據(jù)輸入的控制指令輸出相應(yīng)的正弦波電流信號，再經(jīng)過負載電阻R23、R24后輸出-4.8～+4.8 V的正弦波電壓信號。為了進一步提高正弦波信號的驅(qū)動能力，利用AD8610構(gòu)成的差分放大器對正弦波信號進一步放大，再去激勵電容傳感器。

3.3 C/V轉(zhuǎn)換電路

C/V轉(zhuǎn)換電路將電容值傳感器電容值的變化量轉(zhuǎn)換為電壓的變化量[8]，其主要是由運算放大器AD8610、反饋電阻R41以及反饋電容C33組成，C/V轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

圖5 C/V轉(zhuǎn)換電路

電容C31、C32的主要作用是濾波，濾除電容傳感器電極與屏蔽罩、極板與地線之間的雜散電容和干擾。正弦波激勵信號SINout激勵電容傳感器的一個電極，利用C/V轉(zhuǎn)換電路將電容傳感器中電容值的變化量轉(zhuǎn)換為電壓的變化量。

3.4 PSD解調(diào)電路

相敏解調(diào)電路(PSD)的作用是選頻和調(diào)制，其目的是提取正弦波信號中有效的直流信號[9]。系統(tǒng)利用模擬乘法器AD734BQ實現(xiàn)解調(diào)功能，AD734BQ是四象限模擬乘法器，供電采用±15 V，其具有低失真以及高轉(zhuǎn)換精度(0.1%誤差)的優(yōu)點。PSD解調(diào)電路如圖6所示。

圖6 PSD解調(diào)電路

設(shè)參考信號RefSINB為

f(t)=Asin(ωt+α)+n(t)

(2)

式中：A為正弦波參考信號的幅值；ω為角頻率；α為正弦波信號的初始相位；n(t)為系統(tǒng)噪聲信號。

經(jīng)C/V轉(zhuǎn)換電路后系統(tǒng)輸出的正弦波電壓信號設(shè)為

r(t)=Bsin(ωt+β)

(3)

式中：B為系統(tǒng)輸出正弦波電壓信號的幅值；β為系統(tǒng)輸出正弦波電壓信號的相位。

上述頻率相同的兩個信號同時經(jīng)過乘法器AD734BQ后可得：

(4)

4 軟件設(shè)計

軟件開發(fā)采用MDK-ARM開發(fā)工具，包括μVision5開發(fā)環(huán)境和RealView編譯器。系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，軟件程序主要包括正弦波信號產(chǎn)生程序、定時器中斷程序、A/D采樣程序、溫度數(shù)據(jù)補償程序、相關(guān)算法程序以及串口通訊程序等。系統(tǒng)上電后執(zhí)行初始化操作，當(dāng)接收到啟動信號后開始激勵電容傳感器，激勵完成后利用DSP內(nèi)部的A/D采樣程序進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，與此同時進行溫度采樣，利用溫度數(shù)據(jù)來補償測量過程中因環(huán)境溫度波動而產(chǎn)生的誤差，建立汽油辛烷值與系統(tǒng)輸出電壓之間的關(guān)系，進而計算汽油的辛烷值以及判斷汽油標(biāo)號。系統(tǒng)軟件流程圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件流程圖

5 實驗數(shù)據(jù)分析

為了驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和采集的準(zhǔn)確性，先利用標(biāo)準(zhǔn)電容來驗證電容-電壓轉(zhuǎn)換電路的精度，再利用已知辛烷值的汽油來對系統(tǒng)進行標(biāo)定，從而建立汽油辛烷值與介電常數(shù)、電容值、電壓值之間的關(guān)系。根據(jù)建立的關(guān)系式，計算出汽油的辛烷值并判斷汽油的標(biāo)號。

5.1 電容-電壓轉(zhuǎn)換電路參數(shù)實驗

利用高精度的電容來驗證系統(tǒng)電容電壓轉(zhuǎn)換電路的精度，將系統(tǒng)測得的電壓值與理論計算值進行對比。選取高精度的標(biāo)準(zhǔn)電容，容值在300～1 000 pF之間，測試對比數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測試電壓值與理論電壓值對比數(shù)據(jù)

由表1測試數(shù)據(jù)可知，當(dāng)被測電容容值在400～1 000 pF之間時，系統(tǒng)輸出電壓在0～10 V之間，理論計算電壓與系統(tǒng)輸出電壓基本保持一致，相對誤差小于2%。由此可見，設(shè)計的電容-電壓轉(zhuǎn)換電路具有較高的精度及穩(wěn)定性。

5.2 汽油辛烷值與電容值關(guān)系式

利用已知辛烷值的標(biāo)準(zhǔn)汽油對系統(tǒng)進行標(biāo)定，通過測試發(fā)現(xiàn)不同標(biāo)號汽油的介電常數(shù)εg和辛烷值YR呈線性關(guān)系。在對不同標(biāo)號汽油進行測量時，利用電容-電壓轉(zhuǎn)換電路測出系統(tǒng)輸出的電壓，再根據(jù)電壓值反推出電容值及介電常數(shù)，測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 不同標(biāo)號汽油辛烷值及其介電常數(shù)

利用最小二乘法對上述數(shù)據(jù)進行擬合，得到介電常數(shù)與汽油辛烷值之間的關(guān)系為

YR=30.023εg+29.694

(5)

系統(tǒng)標(biāo)定之后，開始對系統(tǒng)進行測試，將標(biāo)號為90#、93#、97#的汽油分別倒入傳感器中，測量結(jié)果如表3所示。

表3 不同標(biāo)號汽油辛烷值測試對比

測試結(jié)果表明，研制的基于電容傳感器的汽油辛烷值檢測系統(tǒng)能準(zhǔn)確檢測出待測汽油的辛烷值，測量相對誤差小于2%。

6 結(jié)束語

文中設(shè)計了一種汽油辛烷值檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用電容傳感器來檢測汽油的辛烷值并判斷汽油的標(biāo)號，通過高精度的DDS電路產(chǎn)生高精度的正弦波激勵信號，采用交流法微弱電容檢測電路采集傳感器電容的變化量，并把電容值的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，建立汽油辛烷值與介電常數(shù)之間的關(guān)系式。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定性好、檢測精度高，相對誤差小于2%。