基于电容传感器的液体浓度非接触式测量技术的研究

引 言

电容传感器 [1] 是一种可以把被测物理量及其变化规律转变为电容量及电容量变化规律的电子元件，且其具有结构简单、灵敏度高、动态响应特性好、适应性强、抗过载能力大及价格低廉等特点。因此，电容传感器常被应用于医疗卫生、工业生产、食品加工、汽车行业、触摸屏、液体参数测量等领域。在液体测量方面，其突出优点是可以对被测物体进行非接触测量 [2]，避免测量过程中由于对溶液的接触而产生误差，提升测量精确度。

液体浓度是实际生产和教学实验中的一个重要参量。在农业中，农药浓度的测量必不可少，农药浓度对农作物的生长起着至关重要的作用 ；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。目前，液体浓度的测量方法主要有旋光度法、固定体积和压差试密度测量等。传统的旋光度法需用到旋光仪，操作简单，但成本高，且旋光度测定值 α 引入的不确定度主要与测量的重复性和旋光仪的校准相关， 易产生不稳定的误差 [3]。固定体积法通过测量对应的质量来计算液体浓度，压差式采用力敏器件来测定待测液体在两个不同高度下所产生的压力差，进一步给出液体浓度。但这两种方法在测量浓度过程中需要接触液体，会对液体产生污染， 引起误差，同时由于实验仪器易受腐蚀，导致测量的溶液类型受到限制[4]。

本文结合上述方法的利弊，提出了一种液体浓度非接触式测量方法，采用电极板装置和运算模块组成检测部分，加以单片机控制技术和相应的软件编程，利用溶液浓度不同可影响电解质改变介电常数这一物理特性，通过电容传感器测得瞬时电容值，从而得到被测溶液的介电常数，进而得到被测溶液的浓度。实现了在不接触溶液、不对溶液产生其他污染的情况下快速、精确地测量溶液浓度。这种方法可以用于多种溶液浓度的测量与检验，并且不易受被测溶液类型的限制，具有广阔的市场开发和应用前景。产品应用领域如图 1 所示。

1 系统结构

1.1 系统综述

该浓度测量系统是由高精度的电容传感器、电容检测电路、单片机处理电路以及显示电路组成，主要功能是通过对液体浓度值的采集，最终把浓度值转化成电容值，通过采集电容值来间接测量液体浓度值。

测量系统框图如图 2 所示，当把装有定量液体的容器放置在平面电容极板上时，传感器上的电容值会发生变化，由电容转换芯片 FDC2214 准确测量此时的电容值，并将其保存在内部寄存器中，然后通过 I2C 接口方式将数据传送至单片机 STM32F103 中，最后经单片机适当处理后，将结果通过 OLED 模块显示。

图 2 系统测量框图

从功能上划分，本系统由数据采集模块、数据处理模块、MCU 主控单元以及显示模块构成，在调试部分，还会用到串口。其中数据采集部分主要由传感器完成，单片机用来驱动电容传感器并接收来自电容传感器的数据，通过串口调试将接收到的数据发送到PC 端。通过数据收集，总结变化规律， 将结论应用于单片机以计算浓度值，最后由 OLED 显示模块显示。系统运行如图 3 所示。

图 3 系统运行图

1.2 系统的软硬件设计

本项目研制的溶液浓度电容检测系统由软硬件结合的系统组件构成，硬件部分包括 FDC2214 电容检测电路、OLED 显示模块电路、STM32F103 最小系统电路。软件部分通过程序控制进行传感器测量、CPU 计算及显示。

1.2.1 FDC2214 电容检测电路的设计

FDC2214 是 TI 公司新近推出的产品，采用电容式传感， 拥有低功耗、高分辨率、非接触式感测等优点。采用抗电磁干扰架构可对噪声和干扰进行高度抑制。拥有 4 条传输通道，每条通道的最高传输速率达 13.3 Kb/s，在 10 kHz 频率，1 mHz 电感的理想条件下最大输入电容为 250 nF，采用 I2C通信协议进行信号传输，分辨率最大为 28 位。

FDC2214 前端由谐振电路驱动器组成，在芯片每个检测通道的输入端连接一个电感器和电容器组成 LC 电路，被测电容传感端与 LC 电路相连接，所产生的振荡频率为 fS，后面跟着一个多路复用器，其依次通过主动通道，将各通道连接到测量数字化传感器频率的核心Core。该内核使用参考频率 fREF 来测量传感器频率。fREF 来源于内部参考时钟（振荡器） 或外部提供的时钟。每个通道的数字化输出是成比例的，将其值设为 DAXA。I2C 接口用于支持设备配置和传输数字化DAXA 给 STM32 主处理器。

根据式（1）可得出所测频率值 ：

式中 L，C 为输入端连接的电感值和电容值，在本次设计中， L=18 μH，C=33 pF[6]。测量电路如图 4 所示，原理如图 5 所示，PCB 图如图 6所示。

1.2.2 OLED 显示模块电路的设计

OLED 即 有 机 发 光 二 极 管（Organic Light-Emitting Diode），OLED由于同时具备自发光、无需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广、构造及制程较简单等优异特性，被认为是下一代平面显示器新兴应用技术。而正是在这样的条件下，基于单片机的 OLED 显示终端也逐渐被大众所接受并运用 [5]。

对于基于单片机的 OLED显示终端而言，它有着很多硬件模块，例如单片机、显示模块以及通信电路等。本文使用一个 STM32F103系列的单片机作为一个基于单片机 OLED 显示终端的核心硬件，该型号的单片机能够满足从最低配置到OLED显示终端对单片机性能的要求。由于选取OLED的接口为 I2C，所以我们选用单片机的一组 I/O模拟 I2C的工作模式即可满足显示需求。显示模块连接如图 7所示，实物如图 8 所示。

1.2.3 STM32F103 最小系统电路的设计

STM32F103RCT6 是 ST 公司专为要求高性能、低成本、低功耗嵌入式应用设计的 ARMCortex-M3内核的 32位处理器产品 [7]，内置 128KBFLASH，20KBRAM，12位 A/D， 4 个 16位定时器和 3路 USART等资源，时钟频率最高可达72MHz，是同类产品中性能最高的产品 [8-9]。单片机电路如图 9 所示。

1.2.4 软件设计

系统上电后首先执行复位操作，然后通过嵌入式软件对FDC2214 执行复位操作，通过 I2C 总线传输来配置 FDC221 的各参数，完成系统配置之后启动系统，电容传感器把采集的液体浓度数值转换为电容值，保存到内部寄存器中，然后通过相应指令，采用 I2C 总线传输方式把FDC2214 保存的电容值发送到单片机 STM32F103 中，最后经单片机进行数据处理，将得到的液体浓度值显示到 OLED 屏上，完成测量。软件流程如图 10 所示。

2 系统调试与测试

考虑到影响该电容式传感器的干扰因素较多，在分模块调试完毕后进行系统整体测试。

（1）在测试过程中需要不断实验，反复对比数据。取一定浓度梯度的乙醇溶液作为实验样品（浓度在 0% ～ 100% 之间，每 10% 作为一个梯度），通过控制体积、温度、时间等，将浓度作为变量进行测量，测得的溶液电容值见表 1。

表格数据是以 100 个数据为采样点的平均值，以 10% 递增的酒精溶液浓度对应酒精平均电容值。 

（2）根据表中数据进行数学分析，并建立方程。利用Matlab 得到以下拟合函数 ：

一次拟合曲线 ：y=-0.236 7*x+1.038 3 ；

二次拟合曲线 ：y=0.162 3*x*x-0.399 0*x+1.068 1 ；

三次拟合曲线 ：y=-0.479 8*x*x*x+0.882 0*x*x-0.702 2*x+1.099 8。

一次拟合曲线与实际数据的平均误差为 0.03 ；

二次拟合曲线与实际数据的平均误差为 0.03 ；三次拟合曲线与实际数据的平均误差为 0.02。由实验数据可得，随着酒精浓度的增加，酒精溶液的电容总体呈下降趋势。 

（3）误差分析 

在单片机中进行编程，完成浓度测量装置的初始化，进行验证，数据见表 2，可以发现本系统在以下测试中最大误差不超过 0.005。

3 结 语

液体浓度是实际生产和教学实验中的一个重要参量。本实验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。