基于電容傳感器的液體濃度非接觸式測量技術的研究

高亮 周越涵 羅超

摘 要：為解決使用傳統(tǒng)測量方法測溶液濃度時得到結(jié)果較慢、過程繁瑣等問題，考慮利用電容傳感器間接測量溶液作為電介質(zhì)時得到的電容值，再通過濃度與電容值的對應關系，計算出溶液相應的濃度值，達到對乙醇濃度的快速、非接觸、無污染的精確測量。方法具有測量時不接觸溶液、操作簡便、可精確快速地得出溶液濃度值等特點，檢測系統(tǒng)同時具備硬件電路簡單、成本低的特點。相關設計方案有望為測試計量工程提供技術支持和參考。

關鍵詞：溶液濃度;電容傳感器;非接觸;單片機;I2C;顯示模塊

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）11-00-03

0 引 言

電容傳感器[1]是一種可以把被測物理量及其變化規(guī)律轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙萘考半娙萘孔兓?guī)律的電子元件，且其具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、動態(tài)響應特性好、適應性強、抗過載能力大及價格低廉等特點。因此，電容傳感器常被應用于醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)生產(chǎn)、食品加工、汽車行業(yè)、觸摸屏、液體參數(shù)測量等領域。在液體測量方面，其突出優(yōu)點是可以對被測物體進行非接觸測量[2]，避免測量過程中由于對溶液的接觸而產(chǎn)生誤差，提升測量精確度。

液體濃度是實際生產(chǎn)和教學實驗中的一個重要參量。在農(nóng)業(yè)中，農(nóng)藥濃度的測量必不可少，農(nóng)藥濃度對農(nóng)作物的生長起著至關重要的作用;在化工業(yè)中，造紙過程中的紙漿濃度、石油等物質(zhì)的含水量測量都需要測量精確的溶液濃度數(shù)值;在醫(yī)療領域，藥品生產(chǎn)、臨床藥品等需要配制一定濃度的藥物以起到最佳治療效果。目前，液體濃度的測量方法主要有旋光度法、固定體積和壓差試密度測量等。傳統(tǒng)的旋光度法需用到旋光儀，操作簡單，但成本高，且旋光度測定值α引入的不確定度主要與測量的重復性和旋光儀的校準相關，易產(chǎn)生不穩(wěn)定的誤差[3]。固定體積法通過測量對應的質(zhì)量來計算液體濃度，壓差式采用力敏器件來測定待測液體在兩個不同高度下所產(chǎn)生的壓力差，進一步給出液體濃度。但這兩種方法在測量濃度過程中需要接觸液體，會對液體產(chǎn)生污染，引起誤差，同時由于實驗儀器易受腐蝕，導致測量的溶液類型受到限制[4]。

本文結(jié)合上述方法的利弊，提出了一種液體濃度非接觸式測量方法，采用電極板裝置和運算模塊組成檢測部分，加以單片機控制技術和相應的軟件編程，利用溶液濃度不同可影響電解質(zhì)改變介電常數(shù)這一物理特性，通過電容傳感器測得瞬時電容值，從而得到被測溶液的介電常數(shù)，進而得到被測溶液的濃度。實現(xiàn)了在不接觸溶液、不對溶液產(chǎn)生其他污染的情況下快速、精確地測量溶液濃度。這種方法可以用于多種溶液濃度的測量與檢驗，并且不易受被測溶液類型的限制，具有廣闊的市場開發(fā)和應用前景。產(chǎn)品應用領域如圖1所示。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)綜述

該濃度測量系統(tǒng)是由高精度的電容傳感器、電容檢測電路、單片機處理電路以及顯示電路組成，主要功能是通過對液體濃度值的采集，最終把濃度值轉(zhuǎn)化成電容值，通過采集電容值來間接測量液體濃度值。

測量系統(tǒng)框圖如圖2所示，當把裝有定量液體的容器放置在平面電容極板上時，傳感器上的電容值會發(fā)生變化，由電容轉(zhuǎn)換芯片F(xiàn)DC2214準確測量此時的電容值，并將其保存在內(nèi)部寄存器中，然后通過I2C接口方式將數(shù)據(jù)傳送至單片機STM32F103中，最后經(jīng)單片機適當處理后，將結(jié)果通過OLED模塊顯示。

從功能上劃分，本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、MCU主控單元以及顯示模塊構(gòu)成，在調(diào)試部分，還會用到串口。其中數(shù)據(jù)采集部分主要由傳感器完成，單片機用來驅(qū)動電容傳感器并接收來自電容傳感器的數(shù)據(jù)，通過串口調(diào)試將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到PC端。通過數(shù)據(jù)收集，總結(jié)變化規(guī)律，將結(jié)論應用于單片機以計算濃度值，最后由OLED顯示模塊顯示。系統(tǒng)運行如圖3所示。

1.2 系統(tǒng)的軟硬件設計

本項目研制的溶液濃度電容檢測系統(tǒng)由軟硬件結(jié)合的系統(tǒng)組件構(gòu)成，硬件部分包括FDC2214電容檢測電路、OLED顯示模塊電路、STM32F103最小系統(tǒng)電路。軟件部分通過程序控制進行傳感器測量、CPU計算及顯示。

1.2.1 FDC2214電容檢測電路的設計

FDC2214是TI公司新近推出的產(chǎn)品，采用電容式傳感，擁有低功耗、高分辨率、非接觸式感測等優(yōu)點。采用抗電磁干擾架構(gòu)可對噪聲和干擾進行高度抑制。擁有4條傳輸通道，每條通道的最高傳輸速率達13.3 Kb/s，在10 kHz頻率，

1 mHz電感的理想條件下最大輸入電容為250 nF， 采用I2C通信協(xié)議進行信號傳輸，分辨率最大為28位。

FDC2214前端由諧振電路驅(qū)動器組成，在芯片每個檢測通道的輸入端連接一個電感器和電容器組成LC電路，被測電容傳感端與LC電路相連接，所產(chǎn)生的振蕩頻率為fS，后面跟著一個多路復用器，其依次通過主動通道，將各通道連接到測量數(shù)字化傳感器頻率的核心Core。該內(nèi)核使用參考頻率fREF來測量傳感器頻率。fREF來源于內(nèi)部參考時鐘（振蕩器） 或外部提供的時鐘。每個通道的數(shù)字化輸出是成比例的，將其值設為DAXA。I2C接口用于支持設備配置和傳輸數(shù)字化DAXA給STM32主處理器。

根據(jù)式（1）可得出所測頻率值：

根據(jù)fS計算出被測電容值：

式中L，C為輸入端連接的電感值和電容值，在本次設計中，L=18 μH，C=33 pF[6]。

測量電路如圖4所示，原理如圖5所示，PCB圖如圖6所示。

1.2.2 OLED顯示模塊電路的設計

OLED即有機發(fā)光二極管（Organic Light-Emitting Diode），OLED由于同時具備自發(fā)光、無需背光源、對比度高、厚度薄、視角廣、反應速度快、可用于撓曲性面板、使用溫度范圍廣、構(gòu)造及制程較簡單等優(yōu)異特性，被認為是下一代平面顯示器新興應用技術。而正是在這樣的條件下，基于單片機的OLED顯示終端也逐漸被大眾所接受并運用[5]。