劉岳鵬，周 磊，郝云擇

(北京航天試驗技術研究所，北京 100074)

0 引言

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

目前判斷車用機油是否需要更換主要采用兩種方法：一是化學分析，即定期對機油進行取樣和化學分析；二是經驗法，一般根據發(fā)動機運行時間或是累積公里數(轎車一般為5 000～10 000 km)進行判斷。化學分析法需要專門的儀器，操作復雜、效率低；而經驗法雖然簡單，但不夠精確，不同設備結構和工作環(huán)境對機油的影響不同，所以統(tǒng)一換油周期的標準并不科學。

本文設計了一種基于介電常數的機油品質檢測傳感器，采用檢測機油的電容值來間接反映出介電常數的變化。通過對電容傳感器結構和數字處理電路的設計，結合單片機系統(tǒng)可以快速地檢測出機油的電容值，再根據前期試驗建立的機油樣品參數變化曲線，判斷出是否達到換油標準。該方法研制的傳感器具有體積小、測量方便和效率高等特點，既可保證汽車發(fā)動機的正常運行，又能避免經驗法中過早或過晚換油帶來的成本和維修損失。

1 電容傳感器設計

1.1 測量原理

機油在使用中受到氧化和污染等影響，會使油液中的金屬粒子、含水量和酸堿值等發(fā)生變化，并隨著時間的積累而逐漸增加。這些都會引起機油品質發(fā)生改變[2]，可將這些變化的綜合影響通過介電常數來衡量，也就是通過測量電容值來判定機油的性能退化程度。

電容傳感器主要是將待測物理量的變化轉化為電容值的變化，并通過電信號進行輸出。其具有尺寸小、分辨率高、動態(tài)響應快、抗干擾能力強和成本低等優(yōu)點。根據公式C=εS/d，電容傳感器的測量原理分為變介電常數型、變面積型和變間距型3種，結合具體應用條件可設計為不同的機械結構。

1.2 傳感器結構

傳感器的結構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等，因此，選擇合適的探頭尺寸關系到整個傳感器的性能指標。一般電容傳感器的結構有平板型和圓柱型，而圓柱型電容傳感器具有較好的電磁屏蔽效果，其測量的電容值只與圓柱的結構尺寸和介質特性有關。因此，本文研究中采用圓柱型結構，圖1為傳感器結構圖。圓柱筒型電容傳感器的計算公式[3]為

(1)

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

圖1 圓柱型電容傳感器結構

由式(1)可見，測量的電容量與介電常數成線性關系。為了讓機油能夠順暢地在電容傳感器兩極間流進流出，在探頭電極上開2個圓槽孔。結合機油的介電常數范圍，將探頭尺寸設計為L=30 mm，R2=10.73 mm，R1=6.92 mm。由于邊緣效應的影響，傳感器的實際電容值與理論計算之間存在一定差異。經測試，在室溫(約25 ℃)和空氣環(huán)境下，其電容值約為6 pF。

2 電容檢測電路設計

本文設計的電容檢測電路由控制模塊、采集模塊、通訊模塊和電源模塊組成。控制模塊以單片機STC12C5A60S2為核心，用于測量過程中的信號控制；采集模塊使用AD7745進行電容值的采集和轉換，為避免溫度變化對測量的影響，需要對機油溫度進行實時監(jiān)測；通訊模塊采用串口將測量數據傳輸到計算機進行處理和分析；電源模塊為檢測電路提供能源。其中，單片機與AD7745之間采用IIC總線進行通訊。電路各模塊之間的關系如圖2所示。

圖2 電容檢測電路結構圖

2.1 數字式電容檢測芯片

數字式電容測量芯片以其高精度、高集成度、高分辨率及操作方便等優(yōu)勢，以單芯片實現了模擬電路測量方法中大量分立元件的功能，為各領域的電容檢測提供了優(yōu)質的解決方案。本文采用AD7745作為數字電容檢測的核心器件，其具有單端和差分電容檢測接口，21位有效分辨率，量程為-4.096～+4.096 pF(可根據需求進行偏移和擴容)，測量準確度可達0.1%[4-5]。AD7745芯片提供了與微控制器直接相連的IIC數字總線接口，可通過單片機指令直接對芯片內部寄存器進行配置和讀寫數據。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，操作簡便，芯片自身還具有對導線、極板與屏蔽之間雜散電容的抑制能力，在微小電容測量領域中有很好的實用性[6]。文中采用AD7745的單端測量方式，將電容傳感器的兩個極板接到EXCA和CIN1(+)之間。

2.2 單片機控制系統(tǒng)

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

在單片機系統(tǒng)設計中，應首先設計包括時鐘晶振、復位電路和電源供應的最小系統(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，通過高低電平的控制來模擬IIC總線的通訊協議時序，由于雙向I/O接口是開漏極輸出，因此IIC總線上設備的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的ADC功能，將經過放大器的溫度值連接到單片機具有A/D轉換功能的P1.0口。同時，為實現程序下載和上位機檢測要求，將單片機的串行通信端口P3.0和P3.1引腳連接到CH340芯片，將TTL電平轉換為適應USB接口的串行信號，以便連接到計算機。

2.3 溫度測量電路

當溫度發(fā)生變化時，機油的介電特性也會隨之發(fā)生變化，因此對機油樣品進行電容測量時，必須考慮溫度因素對測量結果的影響，從而對溫度變化進行補償。雖然AD7745芯片上集成了溫度傳感器，但在測量時電路無法直接與油品接觸，所以片上溫度傳感器無法準確獲得被測機油的溫度。

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行測量，從而保證溫度測量的準確性。為避免導線內阻影響，采用Pt100的四線制接法[9]。通過TL431提供電壓基準源，再經過運放將基準電壓轉換為恒流源，當電流流過Pt100時在其上產生壓降，經運放將微弱信號放大，并將輸出的電壓直接連接到單片機的A/D轉換接口。運算放大器選用OPA2340，設定放大倍數為20，以滿足單片機輸入測量要求。

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，硬件設計中的各主要器件(包括STC12C5A60S2單片機、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。電路中通過基納二極管、去耦電容和電感等對電路進行保護和穩(wěn)壓。

為了與傳感器外殼進行裝配，通過對各模塊原理的分析，設計了分層電路結構，單層直徑為25 mm，制作的PCB電路實物如圖3所示。

圖3 硬件電路實物圖

3 系統(tǒng)程序軟件設計

系統(tǒng)程序軟件包括單片機控制程序和上位機檢測程序。前者負責電容和溫度的采集及處理，并通過串口實時發(fā)送到上位機；后者實現對數據的顯示、存儲和曲線繪制等功能，方便操作人員觀察測試結果。

3.1 單片機采集控制程序設計

單片機與AD7745芯片之間采用IIC總線進行通信，而STC12C5A60S2只能通過I/O口的高低電平及延時的控制來模擬IIC通信協議。通過AD7745進行電容測量之前，需要先對其內部的Cap Setup、VT Setup、EXC Setup、Configuration和Cap DAC A/B這6個寄存器進行配置，設置測量頻率、測量模式和偏移量等。待啟動電容轉換且轉換結束后，讀取Cap Data H/M/L 3個寄存器值作為24 bit轉換結果，進而結合設定的量程范圍和偏移量換算成正確的電容值。

對于溫度測量，選用的Pt100的電阻值會隨溫度發(fā)生變化，需要經過運放轉換為電壓信號進行測量[10]。STC12C5A60S2單片機的P1.7～P1.0是8路10位高速A/D轉換器，速度可達到250 kHz。在程序中，先進行A/D轉換相關的寄存器配置，待轉換結束后，從ADC的結果寄存器ADC_RES[1∶0]和ADC_RESL[7∶0]中讀取數據，得到經放大器處理后的電壓值。再根據電路設定的恒流值和Pt100的分度表，計算出機油所對應的溫度。

電容檢測模塊與上位機之間采用串口進行通信，單片機以1 s的采集周期進行數據采集，并將所測得的電容值和溫度值轉換為字符串后，實時發(fā)送到串口。圖4為單片機程序運行流程圖。

圖4 單片機程序流程圖

3.2 上位機軟件設計

采用LabVIEW軟件[11]開發(fā)上位機檢測程序，通過圖形化和數據流的編程方式搭建軟件測試平臺，通過表格和曲線的形式將電容值和溫度值實時反饋給操作人員。串口通信程序采用VISA模塊[12]編寫，根據計算機的設備管理器中識別出的COM口對串口號和波特率等參數進行設置，從而實現電容值和溫度值的實時顯示和保存。

4 試驗測試

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

為了評估傳感器測量的準確性，試驗過程中采用AH2500A型電容電橋進行同步對比測試。AH2500A對電容測量具有極高的精度和穩(wěn)定性，標定精度優(yōu)于7×10-7，通常可作為其他電容標定的基準。

試驗過程中，分別使用自制的電容傳感器和AH2500A電容電橋進行了3次測試，為了避免樣品中油液分布不均的問題，每次測試前都需要將樣品進行充分攪拌。測試時將樣品和傳感器放入恒溫箱中，用Pt100測量的溫度值作為標準，確保測量過程中的溫度處于25 ℃±1 ℃的范圍內。表1為用兩種方式進行多次測量結果計算的平均值的對比情況。表1顯示，自制的電容傳感器測量結果與AH2500A電橋測試結果具有較好的一致性，且相對誤差均在±0.2%以內，說明自制傳感器的測量具有較高的精度，可滿足實際測試的要求。

表1 自制電容傳感器和AH2500A電橋的測試結果對比

圖5為自制傳感器的測試結果的變化規(guī)律曲線，從圖5可看出隨著污油比例增加，測量的電容值也逐步上升，根據最小二乘法進行曲線擬合，計算出擬合直線方程，作為傳感器的標定曲線，用于日后測試時的參考標準。經過計算，擬合的線性方程為y=0.004x+10.416，置信度為R2=0.989 7，說明電容值與污油比例之間具有較好的線性關系。測試結果所顯示的趨勢已經明顯說明了電容測量法在機油品質檢測中的有效作用，可作為指導機油更換周期的依據。

圖5 自制傳感器測量的電容變化曲線

5 結束語

本文以汽車機油使用過程中介電常數的變化為依據，設計并研制了基于數字芯片AD7745的電容檢測傳感器，電容傳感器的設計采用圓柱型結構，通過單片機控制AD7745芯片進行電容測量，并將采集的電容和溫度發(fā)送到計算機進行輸出。通過對污油比例逐漸升高的樣品進行試驗測試，驗證了本文所研制的電容傳感器與標準儀器的測量結果具有高度的一致性，且誤差均保持在±0.2%以內。同時，傳感器測量的電容值與污油比例之間具有置信度較高的線性關系，可用于量化分析機油的惡化程度，以便為汽車機油的更換標準提供可靠的指導。