基于電容傳感的液體濃度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

許地錦，黃希鵬，謝曉梅，黃源策，林鎮(zhèn)國(guó)，劉偉慈

（廣州工商學(xué)院工學(xué)院，廣東 佛山 528138）

液體濃度測(cè)量在農(nóng)業(yè)、化工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-3]。在農(nóng)業(yè)中用于農(nóng)作物的液體濃度極大地影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)，相關(guān)藥物的液體濃度的測(cè)量必不可少。在化工業(yè)中，造紙過(guò)程中的紙漿濃度、石油等物質(zhì)的含水量測(cè)量都需要測(cè)量精確的溶液濃度數(shù)值。在醫(yī)療領(lǐng)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。雖然液體濃度測(cè)量的方法有很多[4-6]，但把被測(cè)液體物理量及其變化規(guī)律轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙萘考捌渥兓?guī)律的電容傳感器具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、極高的靈敏度、極快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、極強(qiáng)的適應(yīng)性、極大的抗過(guò)載能力，特別是非常低廉的價(jià)格等特點(diǎn)。因此常被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)種植、工業(yè)生產(chǎn)、食品加工、汽車(chē)行業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、觸摸屏、液體參數(shù)測(cè)量等領(lǐng)域。為了實(shí)現(xiàn)液體的濃度測(cè)量，本文設(shè)計(jì)了基于電容傳感器的檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)了液體的濃度檢測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)原理與裝置設(shè)計(jì)

1.1 電容法溶液濃度測(cè)量原理

根據(jù)電容器的電容公式C=εS/d，其中d是極距，S是極板-極板面積，ε是極間介電常數(shù)，當(dāng)極距d和電容極板面積S不變的時(shí)候，電容量C就是電容介質(zhì)常數(shù)ε的一元函數(shù)。被測(cè)透明液體濃度的不同，對(duì)應(yīng)的電容介質(zhì)常數(shù)ε亦不同，測(cè)得電容值也不同，這說(shuō)明我們可以通過(guò)測(cè)量電容值的變化探測(cè)溶液的濃度變化情況。

1.2 電容傳感器裝置的設(shè)計(jì)

電容傳感器裝置實(shí)物圖如圖1（a）所示，采用40片鋁片為一組的兩組鋁合金板通過(guò)螺桿組合平行交替放置兩兩構(gòu)成電容極板，如圖1（c），利用電容并聯(lián)（圖1（d））的原理，通過(guò)兩兩穿插的方式來(lái)增大電容。兩根螺桿上的同一端各纏繞一根導(dǎo)線引出兩個(gè)電極，容器內(nèi)為測(cè)試溶液。溶液濃度變化，使得自身介電常數(shù)變化，從而引起電容值變化，再通過(guò)檢測(cè)電路將其轉(zhuǎn)換成電量。

圖1 電容傳感器裝置

1.3 信號(hào)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)電路555 構(gòu)成的RC 振蕩電路的設(shè)計(jì)如圖2 所示。RC 振蕩器將電容傳感器值Cx轉(zhuǎn)化成頻率量輸送到單片機(jī)處理。充電放電（即工作時(shí)間）所需的時(shí)間分別為：

圖2 555 構(gòu)成的RC 振蕩電路

這樣在檢測(cè)電路輸出端得到方波信號(hào)，其頻率為：

根據(jù)式（1）-（3）可推出Cx：

由式（4）知，當(dāng)R1和R2不變的時(shí)候，電容傳感器Cx值隨著振蕩器改變，因此我們可以通過(guò)測(cè)量振蕩器輸出頻率實(shí)現(xiàn)電容傳感器Cx的測(cè)量，最后通過(guò)Cx的值探測(cè)被測(cè)溶液的濃度（見(jiàn)表1 的數(shù)據(jù)分析）。

表1 甘油溶液測(cè)量濃度與裝置工作時(shí)間

2 實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)現(xiàn)及測(cè)試分析

根據(jù)圖1的電容傳感器電路原理以及公式（1）-（4），我們?cè)O(shè)計(jì)了由電容器、Iap15w4k58s4 芯片、555 芯片、LCD1602 顯示屏、電阻等元器件組成的液體濃度檢測(cè)裝置,其中自主設(shè)計(jì)的電容器作為電容檢測(cè)模塊，Iap 15w4k58s4 單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心，LCD1602 作為顯示模塊，555 構(gòu)成的RC 振蕩器產(chǎn)生信號(hào)。公式（4）Cx=1.43/(R1+2R2)中的R1=2.2kΩ，R2=1.0kΩ。本裝置實(shí)現(xiàn)了液體的濃度檢測(cè)，具體如表1 和圖3 所示。

本文設(shè)計(jì)的裝置濃度實(shí)驗(yàn)測(cè)量是在常溫下進(jìn)行的，測(cè)試場(chǎng)所隨機(jī)，沒(méi)有特別要求。測(cè)試中所用液體為純甘油溶液與蒸餾水進(jìn)行稀釋，得到不同濃度甘油溶液。測(cè)試中用純凈的甘油和蒸餾水配制稀釋質(zhì)量濃度分別為100%、80%、60%、40%、20%，共5 種濃度。

實(shí)驗(yàn)中使用本文設(shè)計(jì)的裝置對(duì)液體進(jìn)行濃度測(cè)試，測(cè)量結(jié)果如表1 和圖3 所示。

由圖3 可知，透明液體所測(cè)得的電容值隨液體質(zhì)量濃度百分比的增大而增大。實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果誤差來(lái)源主要是實(shí)際電阻阻值、系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差。

容傳感器濃度測(cè)量裝置部分中，考慮到技術(shù)以及成本方面的問(wèn)題，我們一開(kāi)始參考相關(guān)文獻(xiàn)，是采用玻璃試管上噴涂氧化錫作為電容兩極板的裝置[7]，但是我們改為采用塑料容器作為實(shí)驗(yàn)容器代替玻璃試管，這大大降低了成本、也更容易得到，不用在玻璃管上噴涂氧化錫，同時(shí)更便于容器大小的改變。在電極方面，我們采用鋁合金板通過(guò)螺桿組合作為電容兩極，在螺桿的同一端分別引出兩極的導(dǎo)線，實(shí)現(xiàn)以不同溶液作為電容介質(zhì)的裝置。在555 構(gòu)成的RC 振蕩器方面，改變了R1 與R2 的阻值，從而改變了振蕩器的輸出頻率，提高了測(cè)量傳感器的值，減少了傳感器的誤差值。

本實(shí)驗(yàn)裝置采用模塊化設(shè)置極大地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性,可以在食品、醫(yī)學(xué)、釀酒等諸多行業(yè)推廣應(yīng)用。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的液體濃度的測(cè)量裝置，采用自主設(shè)計(jì)的電容傳感器作為檢測(cè)裝置，Iap15w4k58s4 單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心，LCD1602 作為顯示模塊。系統(tǒng)程序采用模塊化的結(jié)構(gòu)。該裝置利用電介質(zhì)變化引起的電容變化，再利用溶液濃度與電介質(zhì)之間的關(guān)系，快速、準(zhǔn)確地測(cè)算出待測(cè)溶液的濃度，實(shí)現(xiàn)非接觸式的溶液濃度測(cè)量，降低對(duì)溶液的污染。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置線路簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定可靠。