段智高，樊 霈，劉 昊

基于嵌入式系統(tǒng)的光電密度測(cè)量技術(shù)的分析與應(yīng)用

段智高，樊 霈，劉 昊

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)蓄電池電解液密度的測(cè)量方法，分析了比重計(jì)法、應(yīng)變梁浮子法、U型管振蕩法等測(cè)量方法的不足，提出了基于嵌入式系統(tǒng)的光電密度測(cè)量技術(shù)，分析了其測(cè)量原理以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等，試驗(yàn)結(jié)果證明該測(cè)量方法具有準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性以及高抗干擾性等優(yōu)點(diǎn)。

鉛酸蓄電池 密度 光電成像 折射率

0 引言

目前國(guó)內(nèi)測(cè)量蓄電池電解液密度的方法主要包括比重計(jì)法、應(yīng)變梁浮子法、U形振蕩管法等。但由于蓄電池存在內(nèi)部空間小、含有大量粉塵顆粒、氣泡等雜質(zhì)，并具有強(qiáng)腐蝕性等特點(diǎn)，且伴隨著充放電動(dòng)態(tài)過(guò)程，內(nèi)部環(huán)境特別復(fù)雜，以上方法滿足不了其現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用的需求[1]。

為驗(yàn)證光電密度測(cè)量技術(shù)能實(shí)時(shí)高精度測(cè)量蓄電池電解液的密度值，對(duì)鉛酸蓄電池組電解液密度的跟蹤測(cè)量。

本文在分析上述測(cè)量技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)光電密度測(cè)量技術(shù)，闡述了其測(cè)量原理以及硬件、軟件的設(shè)計(jì)理念。具有穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，大大減輕了蓄電池維護(hù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 電解液密度測(cè)量

1.1 比重計(jì)法

采用比重計(jì)測(cè)量電解液的密度，其原理利用阿基米德定律和物體浮在液面上平衡的條件制成的。由一根密閉的玻璃管，一端粗細(xì)均勻，內(nèi)壁貼有刻度紙，刻度不均勻，上疏下密，另一頭稍膨大呈泡狀，里面裝有小鉛?；蛩y，使玻璃管能在被測(cè)液體中豎直的浸入到足夠的深度，并穩(wěn)定地浮在液體中。由阿基米德原理可知：

式中：為比重計(jì)的質(zhì)量、為浸入液體中的體積、為溶液的密度值。在已知和的情況下，可以算出溶液的密度值，并顯示在比重計(jì)的刻度紙上。

這種測(cè)量方法簡(jiǎn)單有效，但耗費(fèi)人力，并且在測(cè)量有害液體時(shí)對(duì)人體的損害非常大，測(cè)量精度和效率都非常低，滿足不了現(xiàn)代工業(yè)的高需求。

1.2 應(yīng)變梁浮子法

應(yīng)變梁浮子法是一種通過(guò)浮子在液體中受到浮力變化，并將浮力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電量信號(hào)從而通過(guò)電路設(shè)計(jì)計(jì)算出液體的密度值[2]。應(yīng)變梁浮子法示意圖如下1所示。

圖1 應(yīng)變梁浮子法示意圖

浮子完全懸浮在液體中（浮子密度大于液體密度），應(yīng)變梁產(chǎn)生形變，其應(yīng)變量為：

1.3 U形振蕩管法

U形振蕩管法是通過(guò)物質(zhì)共振頻率測(cè)量液體密度，當(dāng)U形玻璃管內(nèi)填充的物質(zhì)后其頻率發(fā)生變化，玻璃管的振蕩周期可以被振蕩傳感器測(cè)得，從而可以計(jì)算其特征頻率。U形振蕩管的特征頻率與玻璃管內(nèi)物質(zhì)的密度存在下列關(guān)系[3]：

式中：為液體的密度、為U玻璃管容積、為U玻璃管質(zhì)量、為測(cè)量管常數(shù)。

奧地利Anton paar 公司生產(chǎn)的DMA35振蕩密度計(jì)就是采用該原理測(cè)量液體密度，該方法具有測(cè)量方便、穩(wěn)定好、測(cè)量精度高、抗干擾性好等優(yōu)點(diǎn)。但是振蕩密度計(jì)也存在不能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期大規(guī)模實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、維護(hù)成本高等缺點(diǎn)，不能廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)中。

2 光電密度測(cè)量技術(shù)

2.1 測(cè)量原理

液體的折射率是指光在真空中與在溶液中傳播的速度之比，折射率是液體的一個(gè)主要光學(xué)參數(shù)，它是由英國(guó)物理學(xué)家Thomas Young在折射定律中提出[4]。折射率的本質(zhì)實(shí)際上可以理解為是介質(zhì)單位體積內(nèi)觀察到微觀粒子個(gè)數(shù)N的線性函數(shù)，即折射率是隨著微觀粒子數(shù)N的增加而增加。通過(guò)檢測(cè)液體的折射率我們可以判斷所測(cè)液體中溶解質(zhì)的濃度信息。

鉛酸蓄電池電解液的折射率與密度幾乎成線性關(guān)系，如圖2所示。

圖2 電解液硫酸折射率與密度的關(guān)系曲線

根據(jù)斯涅爾定律，光線從光密介質(zhì)傳播到光疏介質(zhì)，當(dāng)入射角到達(dá)或超過(guò)臨界角c時(shí)，將發(fā)生全反射現(xiàn)象。

式中1為光密介質(zhì)的折射率，2為光疏介質(zhì)的折射率。因此只要精確測(cè)量臨界角，就可以測(cè)得電解液的折射率，從而測(cè)得其密度值。

2.2 測(cè)量光路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

光電測(cè)量技術(shù)通過(guò)測(cè)量光線在棱鏡與電解液接觸面的反射率來(lái)獲得電解液的折射率。通過(guò)一種新型折光儀設(shè)計(jì)方法，采用面陣探測(cè)器收集反射光束，利用圖像處理算法獲得折射率與密度信息，測(cè)量光路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

由光源產(chǎn)生單色光并耦合到光纖內(nèi)，入射光進(jìn)入棱鏡，并以發(fā)散光的形式射在棱鏡與電解液接觸面上，產(chǎn)生反射。反射光在從棱鏡射入空氣，經(jīng)過(guò)透鏡匯集，被面陣探測(cè)器接收，形成圖像。最后將圖像傳到嵌入式系統(tǒng)運(yùn)算，并計(jì)算出電解液的密度。（1.光源2.棱鏡3.透鏡4.探測(cè)器5.嵌入式系統(tǒng)6.CAN總線）

圖3 測(cè)量光路結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

在嵌入式系統(tǒng)中，DSP和FPGA芯片是可編程的，其余芯片都是在DSP和FPGA的控制下工作[5]。DSP內(nèi)部與外部電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 DSP內(nèi)部與外部電路結(jié)構(gòu)

DSP采用C6722芯片，具備雙核八計(jì)算單元，內(nèi)部有兩個(gè)硬件浮點(diǎn)乘法器，這是DSP處理圖像信息的核心單元。C6722芯片內(nèi)部的浮點(diǎn)乘法器編程簡(jiǎn)便，運(yùn)算能力完全滿足密度測(cè)量過(guò)程的圖像處理需求[6]。DSP內(nèi)部主要包含運(yùn)算核心（C6722芯片）、高速緩存、存儲(chǔ)器（RAM、ROM）、定時(shí)器、鎖相環(huán)等模塊。DSP外部電路主要通過(guò)總線接口與其它芯片連接，在電解液密度測(cè)量過(guò)程中，通過(guò)SPI總線連接通信模塊、I2C總線連接探測(cè)器。通過(guò)輸入/輸出接口GPIO連接激光器與FLASH芯片，使用EMIF總線連接FPGA芯片，并將接口配置為100 MHz異步工作模式，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到20 MB/s。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

采用嵌入式系統(tǒng)對(duì)電解液密度測(cè)量過(guò)程進(jìn)行控制，系統(tǒng)框架如圖5所示。

圖5 嵌入式系統(tǒng)

圖6 軟件流程圖

嵌入式系統(tǒng)工作模式：開(kāi)啟系統(tǒng)電源，DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）從FLASH讀取程序和參數(shù)，對(duì)面陣探測(cè)器進(jìn)行初始化設(shè)置；DSP接密度收測(cè)量信號(hào)，開(kāi)啟激光器電源，通過(guò)I2C總線控制面陣探測(cè)器拍攝圖像，并將圖像信息傳送給FPGA，同時(shí)將信息存儲(chǔ)在SDRAM（隨機(jī)存儲(chǔ)器）中。圖像數(shù)據(jù)接收完畢后，F(xiàn)PGA向DSP發(fā)送接收成功信號(hào)，DSP發(fā)送關(guān)閉激光器電源信號(hào)。FPGA從SDRAM中讀取拍攝圖像信息并發(fā)送給DSP，最后DSP運(yùn)用圖像處理技術(shù)分析圖像信息[7]，計(jì)算測(cè)得電解液密度。

在CCS3.3編譯環(huán)境下，使用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)DSP啟動(dòng)程序，其余程序使用C語(yǔ)言編寫(xiě)；FPGA在QuartusII編譯環(huán)境下，使用Verilog HDL語(yǔ)言編寫(xiě)；上位機(jī)在Visual C++環(huán)境下編寫(xiě)。DSP具體軟件工作流程如圖6所示。

4 結(jié)論

圖7 放電過(guò)程

圖8 充電過(guò)程

通過(guò)在對(duì)鉛酸蓄電池組周期治療過(guò)程中，利用DMA35振蕩密度計(jì)對(duì)蓄電池密度實(shí)際測(cè)量。將實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)與利用光電原理測(cè)量得到的密度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得到實(shí)際測(cè)量值與光電密度測(cè)量值最大誤差為0.003 g/cm3。充放電過(guò)程中，實(shí)測(cè)密度數(shù)據(jù)曲線和利用光電原理測(cè)量密度數(shù)據(jù)曲線幾乎完全重合，如圖7與圖8所示。

試驗(yàn)結(jié)果證明基于嵌入式系統(tǒng)的光電密度測(cè)量技術(shù)具有良好的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性以及高抗干擾性等優(yōu)點(diǎn)，滿足了現(xiàn)代工業(yè)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池電解液密度的高要求。

[1] 魏茂雪, 范明磊. 基于單片機(jī)的蓄電池在線檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì). 計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù), 2011.

[2] 張丹丹, 張海云, 黃牛. 一種基于ARM的蓄電池參數(shù)檢測(cè)模塊. 船電技術(shù), 2011, 31(7): 27-30.

[3] 江巍. 振蕩管法測(cè)量物質(zhì)密度. 科技資訊, 2011, (4): 1-2.

[4] Thomas Y. Course of lectures on natural philosophy and the mechanical arts. London: Taylor and Walton, 1807: 412-413

[5] 周立功等. ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2006.

[6] 張延華, 劉鵬宇. 信號(hào)與系統(tǒng). 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2012. 138-139.

[7] 薛定宇等. 基于MATLAB/Simulink 的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2002.

Analysis and Application of Photoelectric Density Measurement Technology based on Embedded System

Duan Zhigao, Fan Pei, Liu Hao

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM912

A

1003-4862（2021）06-0105-04

2020-11-27

段智高（1985-），男，工程師。研究方向：自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)。E-mail：1981870123@qq.com