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：為解決使用傳統測量方法測溶液濃度時得到結果較慢、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律轉變為電容量及電容量變化規律的電子元件，且其具有結構簡單、靈敏度高、動態響應特性好、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療衛生、工業生產、食品加工、汽車行業、觸摸屏、液體參數測量等領域。在液體測量方面，其突出優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生誤差，提升測量精確度。

液體濃度是實際生產和教學實驗中的一個重要參量。在農業中，農藥濃度的測量必不可少，農藥濃度對農作物的生長起著至關重要的作用;在化工業中，造紙過程中的紙漿濃度、石油等物質的含水量測量都需要測量精確的溶液濃度數值;在醫療領域，藥品生產、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，易產生不穩定的誤差[3]。固定體積法通過測量對應的質量來計算液體濃度，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改變介電常數這一物理特性，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，進而得到被測溶液的濃度。實現了在不接觸溶液、不對溶液產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和應用前景。產品應用領域如圖1所示。

1 系統結構

1.1 系統綜述

該濃度測量系統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生變化，由電容轉換芯片FDC2214準確測量此時的電容值，并將其保存在內部寄存器中，然后通過I2C接口方式將數據傳送至單片機STM32F103中，最后經單片機適當處理后，將結果通過OLED模塊顯示。

從功能上劃分，本系統由數據采集模塊、數據處理模塊、MCU主控單元以及顯示模塊構成，在調試部分，還會用到串口。其中數據采集部分主要由傳感器完成，單片機用來驅動電容傳感器并接收來自電容傳感器的數據，通過串口調試將接收到的數據發送到PC端。通過數據收集，總結變化規律，將結論應用于單片機以計算濃度值，最后由OLED顯示模塊顯示。系統運行如圖3所示。

1.2 系統的軟硬件設計

本項目研制的溶液濃度電容檢測系統由軟硬件結合的系統組件構成，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、非接觸式感測等優點。采用抗電磁干擾架構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通信協議進行信號傳輸，分辨率最大為28位。

FDC2214前端由諧振電路驅動器組成，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字化傳感器頻率的核心Core。該內核使用參考頻率fREF來測量傳感器頻率。fREF來源于內部參考時鐘（振蕩器） 或外部提供的時鐘。每個通道的數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字化DAXA給STM32主處理器。

根據式（1）可得出所測頻率值：

根據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即有機發光二極管（Organic Light-Emitting Diode），OLED由于同時具備自發光、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、構造及制程較簡單等優異特性，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]。