劉岳鵬，周 磊，郝云擇

(北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074)

0 引言

機(jī)油是保證汽車發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)之一，其在使用過(guò)程中會(huì)受到氧化物、水分、粉塵和金屬粒子等污染，使其性能(包括介電常數(shù)、黏度、密度和pH值等)發(fā)生變化，從而降低潤(rùn)滑效果，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命[1]，因此汽車需要定期更換機(jī)油。

目前判斷車用機(jī)油是否需要更換主要采用兩種方法：一是化學(xué)分析，即定期對(duì)機(jī)油進(jìn)行取樣和化學(xué)分析；二是經(jīng)驗(yàn)法，一般根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間或是累積公里數(shù)(轎車一般為5 000～10 000 km)進(jìn)行判斷?；瘜W(xué)分析法需要專門的儀器，操作復(fù)雜、效率低；而經(jīng)驗(yàn)法雖然簡(jiǎn)單，但不夠精確，不同設(shè)備結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境對(duì)機(jī)油的影響不同，所以統(tǒng)一換油周期的標(biāo)準(zhǔn)并不科學(xué)。

本文設(shè)計(jì)了一種基于介電常數(shù)的機(jī)油品質(zhì)檢測(cè)傳感器，采用檢測(cè)機(jī)油的電容值來(lái)間接反映出介電常數(shù)的變化。通過(guò)對(duì)電容傳感器結(jié)構(gòu)和數(shù)字處理電路的設(shè)計(jì)，結(jié)合單片機(jī)系統(tǒng)可以快速地檢測(cè)出機(jī)油的電容值，再根據(jù)前期試驗(yàn)建立的機(jī)油樣品參數(shù)變化曲線，判斷出是否達(dá)到換油標(biāo)準(zhǔn)。該方法研制的傳感器具有體積小、測(cè)量方便和效率高等特點(diǎn)，既可保證汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行，又能避免經(jīng)驗(yàn)法中過(guò)早或過(guò)晚?yè)Q油帶來(lái)的成本和維修損失。

1 電容傳感器設(shè)計(jì)

1.1 測(cè)量原理

機(jī)油在使用中受到氧化和污染等影響，會(huì)使油液中的金屬粒子、含水量和酸堿值等發(fā)生變化，并隨著時(shí)間的積累而逐漸增加。這些都會(huì)引起機(jī)油品質(zhì)發(fā)生改變[2]，可將這些變化的綜合影響通過(guò)介電常數(shù)來(lái)衡量，也就是通過(guò)測(cè)量電容值來(lái)判定機(jī)油的性能退化程度。

電容傳感器主要是將待測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)化為電容值的變化，并通過(guò)電信號(hào)進(jìn)行輸出。其具有尺寸小、分辨率高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)和成本低等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)公式C=εS/d，電容傳感器的測(cè)量原理分為變介電常數(shù)型、變面積型和變間距型3種，結(jié)合具體應(yīng)用條件可設(shè)計(jì)為不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

1.2 傳感器結(jié)構(gòu)

傳感器的結(jié)構(gòu)形式和幾何尺寸決定了其電容值的大小、靈敏度以及邊緣效應(yīng)等，因此，選擇合適的探頭尺寸關(guān)系到整個(gè)傳感器的性能指標(biāo)。一般電容傳感器的結(jié)構(gòu)有平板型和圓柱型，而圓柱型電容傳感器具有較好的電磁屏蔽效果，其測(cè)量的電容值只與圓柱的結(jié)構(gòu)尺寸和介質(zhì)特性有關(guān)。因此，本文研究中采用圓柱型結(jié)構(gòu)，圖1為傳感器結(jié)構(gòu)圖。圓柱筒型電容傳感器的計(jì)算公式[3]為

(1)

式中：L為圓柱長(zhǎng)，m；R2為圓柱外極板半徑，m；R1為圓柱內(nèi)極板半徑，m；ε0為真空中的介電常數(shù)，其值為8.854×10-12F/m；εr為相對(duì)介電常數(shù)(機(jī)油一般為2.3～2.7)。

圖1 圓柱型電容傳感器結(jié)構(gòu)

由式(1)可見(jiàn)，測(cè)量的電容量與介電常數(shù)成線性關(guān)系。為了讓機(jī)油能夠順暢地在電容傳感器兩極間流進(jìn)流出，在探頭電極上開(kāi)2個(gè)圓槽孔。結(jié)合機(jī)油的介電常數(shù)范圍，將探頭尺寸設(shè)計(jì)為L(zhǎng)=30 mm，R2=10.73 mm，R1=6.92 mm。由于邊緣效應(yīng)的影響，傳感器的實(shí)際電容值與理論計(jì)算之間存在一定差異。經(jīng)測(cè)試，在室溫(約25 ℃)和空氣環(huán)境下，其電容值約為6 pF。

2 電容檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的電容檢測(cè)電路由控制模塊、采集模塊、通訊模塊和電源模塊組成?？刂颇K以單片機(jī)STC12C5A60S2為核心，用于測(cè)量過(guò)程中的信號(hào)控制；采集模塊使用AD7745進(jìn)行電容值的采集和轉(zhuǎn)換，為避免溫度變化對(duì)測(cè)量的影響，需要對(duì)機(jī)油溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；通訊模塊采用串口將測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行處理和分析；電源模塊為檢測(cè)電路提供能源。其中，單片機(jī)與AD7745之間采用IIC總線進(jìn)行通訊。電路各模塊之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 電容檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)圖

2.1 數(shù)字式電容檢測(cè)芯片

數(shù)字式電容測(cè)量芯片以其高精度、高集成度、高分辨率及操作方便等優(yōu)勢(shì)，以單芯片實(shí)現(xiàn)了模擬電路測(cè)量方法中大量分立元件的功能，為各領(lǐng)域的電容檢測(cè)提供了優(yōu)質(zhì)的解決方案。本文采用AD7745作為數(shù)字電容檢測(cè)的核心器件，其具有單端和差分電容檢測(cè)接口，21位有效分辨率，量程為-4.096～+4.096 pF(可根據(jù)需求進(jìn)行偏移和擴(kuò)容)，測(cè)量準(zhǔn)確度可達(dá)0.1%[4-5]。AD7745芯片提供了與微控制器直接相連的IIC數(shù)字總線接口，可通過(guò)單片機(jī)指令直接對(duì)芯片內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置和讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。該芯片封裝僅32 mm2，且具有較高的噪聲抑制能力和抗電磁干擾能力，穩(wěn)定性好，操作簡(jiǎn)便，芯片自身還具有對(duì)導(dǎo)線、極板與屏蔽之間雜散電容的抑制能力，在微小電容測(cè)量領(lǐng)域中有很好的實(shí)用性[6]。文中采用AD7745的單端測(cè)量方式，將電容傳感器的兩個(gè)極板接到EXCA和CIN1(+)之間。

2.2 單片機(jī)控制系統(tǒng)

本文硬件電路采用單片機(jī)作為系統(tǒng)控制核心，選擇STC12C5A60S2增強(qiáng)型8051，速度比傳統(tǒng)51單片機(jī)可提升8～12倍，具有較強(qiáng)的抗干擾能力[7]。

在單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)首先設(shè)計(jì)包括時(shí)鐘晶振、復(fù)位電路和電源供應(yīng)的最小系統(tǒng)。為匹配AD7745芯片的IIC總線接口，采用STC12C5A60S2的通用I/O口P2.6和P2.7連接SDA和SCL，通過(guò)高低電平的控制來(lái)模擬IIC總線的通訊協(xié)議時(shí)序，由于雙向I/O接口是開(kāi)漏極輸出，因此IIC總線上設(shè)備的SDA和SCL引腳都需要外接10 kΩ上拉電阻[8]。溫度采集使用單片機(jī)的ADC功能，將經(jīng)過(guò)放大器的溫度值連接到單片機(jī)具有A/D轉(zhuǎn)換功能的P1.0口。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)程序下載和上位機(jī)檢測(cè)要求，將單片機(jī)的串行通信端口P3.0和P3.1引腳連接到CH340芯片，將TTL電平轉(zhuǎn)換為適應(yīng)USB接口的串行信號(hào)，以便連接到計(jì)算機(jī)。

2.3 溫度測(cè)量電路

當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，機(jī)油的介電特性也會(huì)隨之發(fā)生變化，因此對(duì)機(jī)油樣品進(jìn)行電容測(cè)量時(shí)，必須考慮溫度因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，從而對(duì)溫度變化進(jìn)行補(bǔ)償。雖然AD7745芯片上集成了溫度傳感器，但在測(cè)量時(shí)電路無(wú)法直接與油品接觸，所以片上溫度傳感器無(wú)法準(zhǔn)確獲得被測(cè)機(jī)油的溫度。

本文采用Pt100鉑電阻作為溫度傳感器，與電容傳感器一同浸入油液中進(jìn)行測(cè)量，從而保證溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性。為避免導(dǎo)線內(nèi)阻影響，采用Pt100的四線制接法[9]。通過(guò)TL431提供電壓基準(zhǔn)源，再經(jīng)過(guò)運(yùn)放將基準(zhǔn)電壓轉(zhuǎn)換為恒流源，當(dāng)電流流過(guò)Pt100時(shí)在其上產(chǎn)生壓降，經(jīng)運(yùn)放將微弱信號(hào)放大，并將輸出的電壓直接連接到單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換接口。運(yùn)算放大器選用OPA2340，設(shè)定放大倍數(shù)為20，以滿足單片機(jī)輸入測(cè)量要求。

2.4 電源及通訊電路

電源電路為系統(tǒng)各模塊提供穩(wěn)定的工作電壓，硬件設(shè)計(jì)中的各主要器件(包括STC12C5A60S2單片機(jī)、AD7745、OPA2340和CH340)均可采用+5 V供電。AMS1117系列是一種廣泛使用的線性穩(wěn)壓芯片，其最大線性偏差為0.2%，輸出電流最大可達(dá)1 A，因此硬件電路選用AMS1117-5作為5 V穩(wěn)壓芯片。電路中通過(guò)基納二極管、去耦電容和電感等對(duì)電路進(jìn)行保護(hù)和穩(wěn)壓。

為了與傳感器外殼進(jìn)行裝配，通過(guò)對(duì)各模塊原理的分析，設(shè)計(jì)了分層電路結(jié)構(gòu)，單層直徑為25 mm，制作的PCB電路實(shí)物如圖3所示。

圖3 硬件電路實(shí)物圖

3 系統(tǒng)程序軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序軟件包括單片機(jī)控制程序和上位機(jī)檢測(cè)程序。前者負(fù)責(zé)電容和溫度的采集及處理，并通過(guò)串口實(shí)時(shí)發(fā)送到上位機(jī)；后者實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)和曲線繪制等功能，方便操作人員觀察測(cè)試結(jié)果。

3.1 單片機(jī)采集控制程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)與AD7745芯片之間采用IIC總線進(jìn)行通信，而STC12C5A60S2只能通過(guò)I/O口的高低電平及延時(shí)的控制來(lái)模擬IIC通信協(xié)議。通過(guò)AD7745進(jìn)行電容測(cè)量之前，需要先對(duì)其內(nèi)部的Cap Setup、VT Setup、EXC Setup、Configuration和Cap DAC A/B這6個(gè)寄存器進(jìn)行配置，設(shè)置測(cè)量頻率、測(cè)量模式和偏移量等。待啟動(dòng)電容轉(zhuǎn)換且轉(zhuǎn)換結(jié)束后，讀取Cap Data H/M/L 3個(gè)寄存器值作為24 bit轉(zhuǎn)換結(jié)果，進(jìn)而結(jié)合設(shè)定的量程范圍和偏移量換算成正確的電容值。

對(duì)于溫度測(cè)量，選用的Pt100的電阻值會(huì)隨溫度發(fā)生變化，需要經(jīng)過(guò)運(yùn)放轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)量[10]。STC12C5A60S2單片機(jī)的P1.7～P1.0是8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器，速度可達(dá)到250 kHz。在程序中，先進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換相關(guān)的寄存器配置，待轉(zhuǎn)換結(jié)束后，從ADC的結(jié)果寄存器ADC_RES[1∶0]和ADC_RESL[7∶0]中讀取數(shù)據(jù)，得到經(jīng)放大器處理后的電壓值。再根據(jù)電路設(shè)定的恒流值和Pt100的分度表，計(jì)算出機(jī)油所對(duì)應(yīng)的溫度。

電容檢測(cè)模塊與上位機(jī)之間采用串口進(jìn)行通信，單片機(jī)以1 s的采集周期進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將所測(cè)得的電容值和溫度值轉(zhuǎn)換為字符串后，實(shí)時(shí)發(fā)送到串口。圖4為單片機(jī)程序運(yùn)行流程圖。

圖4 單片機(jī)程序流程圖

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

采用LabVIEW軟件[11]開(kāi)發(fā)上位機(jī)檢測(cè)程序，通過(guò)圖形化和數(shù)據(jù)流的編程方式搭建軟件測(cè)試平臺(tái)，通過(guò)表格和曲線的形式將電容值和溫度值實(shí)時(shí)反饋給操作人員。串口通信程序采用VISA模塊[12]編寫(xiě)，根據(jù)計(jì)算機(jī)的設(shè)備管理器中識(shí)別出的COM口對(duì)串口號(hào)和波特率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)電容值和溫度值的實(shí)時(shí)顯示和保存。

4 試驗(yàn)測(cè)試

為了測(cè)試本文研制的傳感器的測(cè)量精度和性能，采用10W-40新油和該油在某車磨合5 300 km后保養(yǎng)換下的污油進(jìn)行勾兌制備測(cè)試樣品。將每份樣品的體積設(shè)為固定值，新油和污油通過(guò)不同的比例進(jìn)行摻混，其中，污油的比例分別為0%、10%、20%、…、90%和100%，樣品余量用新油進(jìn)行補(bǔ)充。即制作了11組污油比例逐漸升高的測(cè)試樣品，可以模擬車輛運(yùn)行過(guò)程中機(jī)油狀態(tài)逐步惡化的過(guò)程。

為了評(píng)估傳感器測(cè)量的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)過(guò)程中采用AH2500A型電容電橋進(jìn)行同步對(duì)比測(cè)試。AH2500A對(duì)電容測(cè)量具有極高的精度和穩(wěn)定性，標(biāo)定精度優(yōu)于7×10-7，通?？勺鳛槠渌娙輼?biāo)定的基準(zhǔn)。

試驗(yàn)過(guò)程中，分別使用自制的電容傳感器和AH2500A電容電橋進(jìn)行了3次測(cè)試，為了避免樣品中油液分布不均的問(wèn)題，每次測(cè)試前都需要將樣品進(jìn)行充分?jǐn)嚢琛y(cè)試時(shí)將樣品和傳感器放入恒溫箱中，用Pt100測(cè)量的溫度值作為標(biāo)準(zhǔn)，確保測(cè)量過(guò)程中的溫度處于25 ℃±1 ℃的范圍內(nèi)。表1為用兩種方式進(jìn)行多次測(cè)量結(jié)果計(jì)算的平均值的對(duì)比情況。表1顯示，自制的電容傳感器測(cè)量結(jié)果與AH2500A電橋測(cè)試結(jié)果具有較好的一致性，且相對(duì)誤差均在±0.2%以內(nèi)，說(shuō)明自制傳感器的測(cè)量具有較高的精度，可滿足實(shí)際測(cè)試的要求。

表1 自制電容傳感器和AH2500A電橋的測(cè)試結(jié)果對(duì)比

圖5為自制傳感器的測(cè)試結(jié)果的變化規(guī)律曲線，從圖5可看出隨著污油比例增加，測(cè)量的電容值也逐步上升，根據(jù)最小二乘法進(jìn)行曲線擬合，計(jì)算出擬合直線方程，作為傳感器的標(biāo)定曲線，用于日后測(cè)試時(shí)的參考標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)計(jì)算，擬合的線性方程為y=0.004x+10.416，置信度為R2=0.989 7，說(shuō)明電容值與污油比例之間具有較好的線性關(guān)系。測(cè)試結(jié)果所顯示的趨勢(shì)已經(jīng)明顯說(shuō)明了電容測(cè)量法在機(jī)油品質(zhì)檢測(cè)中的有效作用，可作為指導(dǎo)機(jī)油更換周期的依據(jù)。

圖5 自制傳感器測(cè)量的電容變化曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以汽車機(jī)油使用過(guò)程中介電常數(shù)的變化為依據(jù)，設(shè)計(jì)并研制了基于數(shù)字芯片AD7745的電容檢測(cè)傳感器，電容傳感器的設(shè)計(jì)采用圓柱型結(jié)構(gòu)，通過(guò)單片機(jī)控制AD7745芯片進(jìn)行電容測(cè)量，并將采集的電容和溫度發(fā)送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行輸出。通過(guò)對(duì)污油比例逐漸升高的樣品進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了本文所研制的電容傳感器與標(biāo)準(zhǔn)儀器的測(cè)量結(jié)果具有高度的一致性，且誤差均保持在±0.2%以內(nèi)。同時(shí)，傳感器測(cè)量的電容值與污油比例之間具有置信度較高的線性關(guān)系，可用于量化分析機(jī)油的惡化程度，以便為汽車機(jī)油的更換標(biāo)準(zhǔn)提供可靠的指導(dǎo)。