基于电容传感器的汽油辛烷值检测系统设计

龚秋英，张 燕

(1.江苏三江学院电子信息工程学院，江苏南京 210012；2.南京理工大学，江苏南京 210012)

0 引言

汽油的辛烷值是衡量汽油品质的重要参数，汽油的辛烷值越高，汽油的品质就越好。因此有效检测汽油中的辛烷值有利于准确区分汽油的标号、品质。传统的汽油辛烷值检测方法成本高、实时性差、准确度低，因此设计了一种基于电容传感器的汽油辛烷值检测系统，其利用电容传感器检测不同品质汽油的介电常数，建立汽油辛烷值与介电常数的关系式，计算所测汽油的辛烷值。

1 电容传感器检测汽油辛烷值原理

1.1 电容传感器工作原理

系统利用两电极电容传感器来检测油品的辛烷值，电容传感器检测原理如图1所示。

图1 电容传感器检测原理图

电容传感器的电容值可以表示为

(1)

式中：ε0为真空的介电常数，ε0=8.85×10-12F/m；εg为待测介质的介电常数；A为电容传感器极板的有效面积，m2；h为两个电极之间的距离，m；C为电容传感器输出的电容值，F。

由式(1)可知，传感器输出的电容值与待测介质的介电常数成正比。本系统利用电容传感器的这一特性来检测汽油中的辛烷值[1]。

1.2 电容传感器检测辛烷值原理

汽油的主要成分是C4～C12脂肪烃，并含有少量的芳香烃和硫化物，汽油是成分复杂的混合物，汽油中各个成分物质的介电常数不同，不同品质的汽油介电常数与辛烷值之间呈线性关系，要测得汽油的辛烷值只需要测得汽油的介电常数[2]。因此设计的基于电容传感器的汽油辛烷值检测系统就是利用电容传感器来检测不同标号汽油的介电常数，从而计算不同汽油的辛烷值。

2 系统设计

本文根据汽油介电常数与辛烷值的线性关系，将汽油辛烷值的检测转换为相应介电常数的测量[3]。在测量时，为了保证系统的检测精度，需要考虑温度对汽油辛烷值的影响，因此在测量电路中加入温度检测电路来实时补偿测量误差。系统结构图如图2所示。将待测汽油倒入电容器中间，通过电容检测电路将汽油的辛烷值转换为电容值，再经过数据处理电路将电容值转换为可处理的电压信号，建立汽油辛烷值与系统输出电压的关系，从而计算待测汽油的辛烷值。

图2 系统结构图

3 硬件设计

系统硬件由电容传感器、正弦波信号产生电路、C/V转换电路、PSD解调电路、温度补偿电路、LCD显示电路以及串口通讯电路组成[4]。电容检测电路是系统的核心部分，它的功能是将不同汽油的辛烷值转换为可测量电容值，再经过数据处理电路将电容值转换为相应的电压值，利用单片机内部的A/D转换器对其进行模数转换，计算汽油的辛烷值并判断汽油的标号。

3.1 微弱电容检测电路

由于汽油辛烷值引起电容的变化十分微小，约pF级别甚至更小，因此快速、准确测量出电容的变化是系统的研究重点[5-6]。常见的微电容检测方法有：有源差分法、高压交流双边激励法、直流充放电法以及交流法等。其中交流法能有效克服杂散电容的干扰，提高系统的检测精度。因此本文选用交流法进行微电容检测。交流法微电容检测电路由正弦波信号产生电路、C/V转换电路、PSD解调电路组成，其测原理如图3所示。

图3 交流法微弱电容检测电路

系统共产生两路交流正弦波信号，一路作为PSD解调电路的参考信号，另一路作为激励信号。电容传感器检测汽油的辛烷值时，将汽油的辛烷值转换为传感器电容值的变化量，利用电容-电压(C/V)转换电路将电容值的变化转换为电压值的变化，然后利用相敏解调电路(PSD)提取有效的直流信号，利用单片机 A/D转换器采集系统输出的直流电压信号，从而计算得出汽油的辛烷值并判断汽油的标号。

3.2 正弦波信号产生电路

为了保证激励信号源的精度，系统利用DDS技术产生两路正弦波信号，DDS技术产生的信号具有分辨率高[7]、易控制和稳定性强等优点。系统通过DSP+AD9754的方式产生高精度、频率可调的正弦波信号。AD9754是数模转换芯片，具有14位分辨率，功耗约为185 mW，差分输出电流范围2～20 mA。正弦波信号产生电路如图4所示。

图4 正弦波信号产生电路

AD9754的数据口DB0～DB13接收来自DSP输出的数字信号，然后在AD9754内部合成所需频率的正弦波信号。AD9754的两个差分输出引脚IOUTA、IOUTB根据输入的控制指令输出相应的正弦波电流信号，再经过负载电阻R23、R24后输出-4.8～+4.8 V的正弦波电压信号。为了进一步提高正弦波信号的驱动能力，利用AD8610构成的差分放大器对正弦波信号进一步放大，再去激励电容传感器。

3.3 C/V转换电路

C/V转换电路将电容值传感器电容值的变化量转换为电压的变化量[8]，其主要是由运算放大器AD8610、反馈电阻R41以及反馈电容C33组成，C/V转换电路如图5所示。

图5 C/V转换电路

电容C31、C32的主要作用是滤波，滤除电容传感器电极与屏蔽罩、极板与地线之间的杂散电容和干扰。正弦波激励信号SINout激励电容传感器的一个电极，利用C/V转换电路将电容传感器中电容值的变化量转换为电压的变化量。

3.4 PSD解调电路

相敏解调电路(PSD)的作用是选频和调制，其目的是提取正弦波信号中有效的直流信号[9]。系统利用模拟乘法器AD734BQ实现解调功能，AD734BQ是四象限模拟乘法器，供电采用±15 V，其具有低失真以及高转换精度(0.1%误差)的优点。PSD解调电路如图6所示。

图6 PSD解调电路

设参考信号RefSINB为

f(t)=Asin(ωt+α)+n(t)

(2)

式中：A为正弦波参考信号的幅值；ω为角频率；α为正弦波信号的初始相位；n(t)为系统噪声信号。

经C/V转换电路后系统输出的正弦波电压信号设为

r(t)=Bsin(ωt+β)

(3)

式中：B为系统输出正弦波电压信号的幅值；β为系统输出正弦波电压信号的相位。

上述频率相同的两个信号同时经过乘法器AD734BQ后可得：

(4)

4 软件设计

软件开发采用MDK-ARM开发工具，包括μVision5开发环境和RealView编译器。系统软件采用C语言编写，软件程序主要包括正弦波信号产生程序、定时器中断程序、A/D采样程序、温度数据补偿程序、相关算法程序以及串口通讯程序等。系统上电后执行初始化操作，当接收到启动信号后开始激励电容传感器，激励完成后利用DSP内部的A/D采样程序进行模数转换，与此同时进行温度采样，利用温度数据来补偿测量过程中因环境温度波动而产生的误差，建立汽油辛烷值与系统输出电压之间的关系，进而计算汽油的辛烷值以及判断汽油标号。系统软件流程图如图7所示。

图7 系统软件流程图

5 实验数据分析

为了验证系统的稳定性和采集的准确性，先利用标准电容来验证电容-电压转换电路的精度，再利用已知辛烷值的汽油来对系统进行标定，从而建立汽油辛烷值与介电常数、电容值、电压值之间的关系。根据建立的关系式，计算出汽油的辛烷值并判断汽油的标号。

5.1 电容-电压转换电路参数实验

利用高精度的电容来验证系统电容电压转换电路的精度，将系统测得的电压值与理论计算值进行对比。选取高精度的标准电容，容值在300～1 000 pF之间，测试对比数据如表1所示。

表1 测试电压值与理论电压值对比数据

由表1测试数据可知，当被测电容容值在400～1 000 pF之间时，系统输出电压在0～10 V之间，理论计算电压与系统输出电压基本保持一致，相对误差小于2%。由此可见，设计的电容-电压转换电路具有较高的精度及稳定性。

5.2 汽油辛烷值与电容值关系式

利用已知辛烷值的标准汽油对系统进行标定，通过测试发现不同标号汽油的介电常数εg和辛烷值YR呈线性关系。在对不同标号汽油进行测量时，利用电容-电压转换电路测出系统输出的电压，再根据电压值反推出电容值及介电常数，测试数据如表2所示。

表2 不同标号汽油辛烷值及其介电常数

利用最小二乘法对上述数据进行拟合，得到介电常数与汽油辛烷值之间的关系为

YR=30.023εg+29.694

(5)

系统标定之后，开始对系统进行测试，将标号为90#、93#、97#的汽油分别倒入传感器中，测量结果如表3所示。

表3 不同标号汽油辛烷值测试对比

测试结果表明，研制的基于电容传感器的汽油辛烷值检测系统能准确检测出待测汽油的辛烷值，测量相对误差小于2%。

6 结束语

文中设计了一种汽油辛烷值检测系统，该系统利用电容传感器来检测汽油的辛烷值并判断汽油的标号，通过高精度的DDS电路产生高精度的正弦波激励信号，采用交流法微弱电容检测电路采集传感器电容的变化量，并把电容值的变化转换为电压的变化，建立汽油辛烷值与介电常数之间的关系式。测试结果表明，该系统稳定性好、检测精度高，相对误差小于2%。