基于电容传感的液体浓度测量系统设计

许地锦，黄希鹏，谢晓梅，黄源策，林镇国，刘伟慈

（广州工商学院工学院，广东 佛山 528138）

液体浓度测量在农业、化工业、医疗等领域应用广泛[1-3]。在农业中用于农作物的液体浓度极大地影响农作物的生长，相关药物的液体浓度的测量必不可少。在化工业中，造纸过程中的纸浆浓度、石油等物质的含水量测量都需要测量精确的溶液浓度数值。在医疗领域，药品生产、临床药品等需要配制一定浓度的药物以起到最佳治疗效果。虽然液体浓度测量的方法有很多[4-6]，但把被测液体物理量及其变化规律转变为电容量及其变化规律的电容传感器具有简单的结构、极高的灵敏度、极快的动态响应、极强的适应性、极大的抗过载能力，特别是非常低廉的价格等特点。因此常被应用于农业种植、工业生产、食品加工、汽车行业、医疗卫生、触摸屏、液体参数测量等领域。为了实现液体的浓度测量，本文设计了基于电容传感器的检测装置，实现了液体的浓度检测。

1 实验原理与装置设计

1.1 电容法溶液浓度测量原理

根据电容器的电容公式C=εS/d，其中d是极距，S是极板-极板面积，ε是极间介电常数，当极距d和电容极板面积S不变的时候，电容量C就是电容介质常数ε的一元函数。被测透明液体浓度的不同，对应的电容介质常数ε亦不同，测得电容值也不同，这说明我们可以通过测量电容值的变化探测溶液的浓度变化情况。

1.2 电容传感器装置的设计

电容传感器装置实物图如图1（a）所示，采用40片铝片为一组的两组铝合金板通过螺杆组合平行交替放置两两构成电容极板，如图1（c），利用电容并联（图1（d））的原理，通过两两穿插的方式来增大电容。两根螺杆上的同一端各缠绕一根导线引出两个电极，容器内为测试溶液。溶液浓度变化，使得自身介电常数变化，从而引起电容值变化，再通过检测电路将其转换成电量。

图1 电容传感器装置

1.3 信号检测电路的设计

系统信号检测电路555 构成的RC 振荡电路的设计如图2 所示。RC 振荡器将电容传感器值Cx转化成频率量输送到单片机处理。充电放电（即工作时间）所需的时间分别为：

图2 555 构成的RC 振荡电路

这样在检测电路输出端得到方波信号，其频率为：

根据式（1）-（3）可推出Cx：

由式（4）知，当R1和R2不变的时候，电容传感器Cx值随着振荡器改变，因此我们可以通过测量振荡器输出频率实现电容传感器Cx的测量，最后通过Cx的值探测被测溶液的浓度（见表1 的数据分析）。

表1 甘油溶液测量浓度与装置工作时间

2 实验装置的实现及测试分析

根据图1的电容传感器电路原理以及公式（1）-（4），我们设计了由电容器、Iap15w4k58s4 芯片、555 芯片、LCD1602 显示屏、电阻等元器件组成的液体浓度检测装置,其中自主设计的电容器作为电容检测模块，Iap 15w4k58s4 单片机作为控制系统的核心，LCD1602 作为显示模块，555 构成的RC 振荡器产生信号。公式（4）Cx=1.43/(R1+2R2)中的R1=2.2kΩ，R2=1.0kΩ。本装置实现了液体的浓度检测，具体如表1 和图3 所示。

本文设计的装置浓度实验测量是在常温下进行的，测试场所随机，没有特别要求。测试中所用液体为纯甘油溶液与蒸馏水进行稀释，得到不同浓度甘油溶液。测试中用纯净的甘油和蒸馏水配制稀释质量浓度分别为100%、80%、60%、40%、20%，共5 种浓度。

实验中使用本文设计的装置对液体进行浓度测试，测量结果如表1 和图3 所示。

由图3 可知，透明液体所测得的电容值随液体质量浓度百分比的增大而增大。实验测量结果误差来源主要是实际电阻阻值、系统误差、随机误差。

容传感器浓度测量装置部分中，考虑到技术以及成本方面的问题，我们一开始参考相关文献，是采用玻璃试管上喷涂氧化锡作为电容两极板的装置[7]，但是我们改为采用塑料容器作为实验容器代替玻璃试管，这大大降低了成本、也更容易得到，不用在玻璃管上喷涂氧化锡，同时更便于容器大小的改变。在电极方面，我们采用铝合金板通过螺杆组合作为电容两极，在螺杆的同一端分别引出两极的导线，实现以不同溶液作为电容介质的装置。在555 构成的RC 振荡器方面，改变了R1 与R2 的阻值，从而改变了振荡器的输出频率，提高了测量传感器的值，减少了传感器的误差值。

本实验装置采用模块化设置极大地提高了系统的稳定性和可靠性,可以在食品、医学、酿酒等诸多行业推广应用。

3 结论

本文设计的液体浓度的测量装置，采用自主设计的电容传感器作为检测装置，Iap15w4k58s4 单片机作为控制系统的核心，LCD1602 作为显示模块。系统程序采用模块化的结构。该装置利用电介质变化引起的电容变化，再利用溶液浓度与电介质之间的关系，快速、准确地测算出待测溶液的浓度，实现非接触式的溶液浓度测量，降低对溶液的污染。整个实验装置线路简单，性能稳定可靠。