基于数字式电容检测的机油品质传感器

刘岳鹏，周 磊，郝云择

(北京航天试验技术研究所，北京 100074)

0 引言

机油是保证汽车发动机正常运行的重要环节之一，其在使用过程中会受到氧化物、水分、粉尘和金属粒子等污染，使其性能(包括介电常数、黏度、密度和pH值等)发生变化，从而降低润滑效果，影响发动机的使用寿命[1]，因此汽车需要定期更换机油。

目前判断车用机油是否需要更换主要采用两种方法：一是化学分析，即定期对机油进行取样和化学分析；二是经验法，一般根据发动机运行时间或是累积公里数(轿车一般为5 000～10 000 km)进行判断。化学分析法需要专门的仪器，操作复杂、效率低；而经验法虽然简单，但不够精确，不同设备结构和工作环境对机油的影响不同，所以统一换油周期的标准并不科学。

本文设计了一种基于介电常数的机油品质检测传感器，采用检测机油的电容值来间接反映出介电常数的变化。通过对电容传感器结构和数字处理电路的设计，结合单片机系统可以快速地检测出机油的电容值，再根据前期试验建立的机油样品参数变化曲线，判断出是否达到换油标准。该方法研制的传感器具有体积小、测量方便和效率高等特点，既可保证汽车发动机的正常运行，又能避免经验法中过早或过晚换油带来的成本和维修损失。

1 电容传感器设计

1.1 测量原理

机油在使用中受到氧化和污染等影响，会使油液中的金属粒子、含水量和酸碱值等发生变化，并随着时间的积累而逐渐增加。这些都会引起机油品质发生改变[2]，可将这些变化的综合影响通过介电常数来衡量，也就是通过测量电容值来判定机油的性能退化程度。

电容传感器主要是将待测物理量的变化转化为电容值的变化，并通过电信号进行输出。其具有尺寸小、分辨率高、动态响应快、抗干扰能力强和成本低等优点。根据公式C=εS/d，电容传感器的测量原理分为变介电常数型、变面积型和变间距型3种，结合具体应用条件可设计为不同的机械结构。

1.2 传感器结构

传感器的结构形式和几何尺寸决定了其电容值的大小、灵敏度以及边缘效应等，因此，选择合适的探头尺寸关系到整个传感器的性能指标。一般电容传感器的结构有平板型和圆柱型，而圆柱型电容传感器具有较好的电磁屏蔽效果，其测量的电容值只与圆柱的结构尺寸和介质特性有关。因此，本文研究中采用圆柱型结构，图1为传感器结构图。圆柱筒型电容传感器的计算公式[3]为

(1)

式中：L为圆柱长，m；R2为圆柱外极板半径，m；R1为圆柱内极板半径，m；ε0为真空中的介电常数，其值为8.854×10-12F/m；εr为相对介电常数(机油一般为2.3～2.7)。

图1 圆柱型电容传感器结构

由式(1)可见，测量的电容量与介电常数成线性关系。为了让机油能够顺畅地在电容传感器两极间流进流出，在探头电极上开2个圆槽孔。结合机油的介电常数范围，将探头尺寸设计为L=30 mm，R2=10.73 mm，R1=6.92 mm。由于边缘效应的影响，传感器的实际电容值与理论计算之间存在一定差异。经测试，在室温(约25 ℃)和空气环境下，其电容值约为6 pF。

2 电容检测电路设计

本文设计的电容检测电路由控制模块、采集模块、通讯模块和电源模块组成。控制模块以单片机STC12C5A60S2为核心，用于测量过程中的信号控制；采集模块使用AD7745进行电容值的采集和转换，为避免温度变化对测量的影响，需要对机油温度进行实时监测；通讯模块采用串口将测量数据传输到计算机进行处理和分析；电源模块为检测电路提供能源。其中，单片机与AD7745之间采用IIC总线进行通讯。电路各模块之间的关系如图2所示。

图2 电容检测电路结构图

2.1 数字式电容检测芯片

数字式电容测量芯片以其高精度、高集成度、高分辨率及操作方便等优势，以单芯片实现了模拟电路测量方法中大量分立元件的功能，为各领域的电容检测提供了优质的解决方案。本文采用AD7745作为数字电容检测的核心器件，其具有单端和差分电容检测接口，21位有效分辨率，量程为-4.096～+4.096 pF(可根据需求进行偏移和扩容)，测量准确度可达0.1%[4-5]。AD7745芯片提供了与微控制器直接相连的IIC数字总线接口，可通过单片机指令直接对芯片内部寄存器进行配置和读写数据。该芯片封装仅32 mm2，且具有较高的噪声抑制能力和抗电磁干扰能力，稳定性好，操作简便，芯片自身还具有对导线、极板与屏蔽之间杂散电容的抑制能力，在微小电容测量领域中有很好的实用性[6]。文中采用AD7745的单端测量方式，将电容传感器的两个极板接到EXCA和CIN1(+)之间。

2.2 单片机控制系统

本文硬件电路采用单片机作为系统控制核心，选择STC12C5A60S2增强型8051，速度比传统51单片机可提升8～12倍，具有较强的抗干扰能力[7]。

在单片机系统设计中，应首先设计包括时钟晶振、复位电路和电源供应的最小系统。为匹配AD7745芯片的IIC总线接口，采用STC12C5A60S2的通用I/O口P2.6和P2.7连接SDA和SCL，通过高低电平的控制来模拟IIC总线的通讯协议时序，由于双向I/O接口是开漏极输出，因此IIC总线上设备的SDA和SCL引脚都需要外接10 kΩ上拉电阻[8]。温度采集使用单片机的ADC功能，将经过放大器的温度值连接到单片机具有A/D转换功能的P1.0口。同时，为实现程序下载和上位机检测要求，将单片机的串行通信端口P3.0和P3.1引脚连接到CH340芯片，将TTL电平转换为适应USB接口的串行信号，以便连接到计算机。

2.3 温度测量电路

当温度发生变化时，机油的介电特性也会随之发生变化，因此对机油样品进行电容测量时，必须考虑温度因素对测量结果的影响，从而对温度变化进行补偿。虽然AD7745芯片上集成了温度传感器，但在测量时电路无法直接与油品接触，所以片上温度传感器无法准确获得被测机油的温度。

本文采用Pt100铂电阻作为温度传感器，与电容传感器一同浸入油液中进行测量，从而保证温度测量的准确性。为避免导线内阻影响，采用Pt100的四线制接法[9]。通过TL431提供电压基准源，再经过运放将基准电压转换为恒流源，当电流流过Pt100时在其上产生压降，经运放将微弱信号放大，并将输出的电压直接连接到单片机的A/D转换接口。运算放大器选用OPA2340，设定放大倍数为20，以满足单片机输入测量要求。

2.4 电源及通讯电路

电源电路为系统各模块提供稳定的工作电压，硬件设计中的各主要器件(包括STC12C5A60S2单片机、AD7745、OPA2340和CH340)均可采用+5 V供电。AMS1117系列是一种广泛使用的线性稳压芯片，其最大线性偏差为0.2%，输出电流最大可达1 A，因此硬件电路选用AMS1117-5作为5 V稳压芯片。电路中通过基纳二极管、去耦电容和电感等对电路进行保护和稳压。

为了与传感器外壳进行装配，通过对各模块原理的分析，设计了分层电路结构，单层直径为25 mm，制作的PCB电路实物如图3所示。

图3 硬件电路实物图

3 系统程序软件设计

系统程序软件包括单片机控制程序和上位机检测程序。前者负责电容和温度的采集及处理，并通过串口实时发送到上位机；后者实现对数据的显示、存储和曲线绘制等功能，方便操作人员观察测试结果。

3.1 单片机采集控制程序设计

单片机与AD7745芯片之间采用IIC总线进行通信，而STC12C5A60S2只能通过I/O口的高低电平及延时的控制来模拟IIC通信协议。通过AD7745进行电容测量之前，需要先对其内部的Cap Setup、VT Setup、EXC Setup、Configuration和Cap DAC A/B这6个寄存器进行配置，设置测量频率、测量模式和偏移量等。待启动电容转换且转换结束后，读取Cap Data H/M/L 3个寄存器值作为24 bit转换结果，进而结合设定的量程范围和偏移量换算成正确的电容值。

对于温度测量，选用的Pt100的电阻值会随温度发生变化，需要经过运放转换为电压信号进行测量[10]。STC12C5A60S2单片机的P1.7～P1.0是8路10位高速A/D转换器，速度可达到250 kHz。在程序中，先进行A/D转换相关的寄存器配置，待转换结束后，从ADC的结果寄存器ADC_RES[1∶0]和ADC_RESL[7∶0]中读取数据，得到经放大器处理后的电压值。再根据电路设定的恒流值和Pt100的分度表，计算出机油所对应的温度。

电容检测模块与上位机之间采用串口进行通信，单片机以1 s的采集周期进行数据采集，并将所测得的电容值和温度值转换为字符串后，实时发送到串口。图4为单片机程序运行流程图。

图4 单片机程序流程图

3.2 上位机软件设计

采用LabVIEW软件[11]开发上位机检测程序，通过图形化和数据流的编程方式搭建软件测试平台，通过表格和曲线的形式将电容值和温度值实时反馈给操作人员。串口通信程序采用VISA模块[12]编写，根据计算机的设备管理器中识别出的COM口对串口号和波特率等参数进行设置，从而实现电容值和温度值的实时显示和保存。

4 试验测试

为了测试本文研制的传感器的测量精度和性能，采用10W-40新油和该油在某车磨合5 300 km后保养换下的污油进行勾兑制备测试样品。将每份样品的体积设为固定值，新油和污油通过不同的比例进行掺混，其中，污油的比例分别为0%、10%、20%、…、90%和100%，样品余量用新油进行补充。即制作了11组污油比例逐渐升高的测试样品，可以模拟车辆运行过程中机油状态逐步恶化的过程。

为了评估传感器测量的准确性，试验过程中采用AH2500A型电容电桥进行同步对比测试。AH2500A对电容测量具有极高的精度和稳定性，标定精度优于7×10-7，通常可作为其他电容标定的基准。

试验过程中，分别使用自制的电容传感器和AH2500A电容电桥进行了3次测试，为了避免样品中油液分布不均的问题，每次测试前都需要将样品进行充分搅拌。测试时将样品和传感器放入恒温箱中，用Pt100测量的温度值作为标准，确保测量过程中的温度处于25 ℃±1 ℃的范围内。表1为用两种方式进行多次测量结果计算的平均值的对比情况。表1显示，自制的电容传感器测量结果与AH2500A电桥测试结果具有较好的一致性，且相对误差均在±0.2%以内，说明自制传感器的测量具有较高的精度，可满足实际测试的要求。

表1 自制电容传感器和AH2500A电桥的测试结果对比

图5为自制传感器的测试结果的变化规律曲线，从图5可看出随着污油比例增加，测量的电容值也逐步上升，根据最小二乘法进行曲线拟合，计算出拟合直线方程，作为传感器的标定曲线，用于日后测试时的参考标准。经过计算，拟合的线性方程为y=0.004x+10.416，置信度为R2=0.989 7，说明电容值与污油比例之间具有较好的线性关系。测试结果所显示的趋势已经明显说明了电容测量法在机油品质检测中的有效作用，可作为指导机油更换周期的依据。

图5 自制传感器测量的电容变化曲线

5 结束语

本文以汽车机油使用过程中介电常数的变化为依据，设计并研制了基于数字芯片AD7745的电容检测传感器，电容传感器的设计采用圆柱型结构，通过单片机控制AD7745芯片进行电容测量，并将采集的电容和温度发送到计算机进行输出。通过对污油比例逐渐升高的样品进行试验测试，验证了本文所研制的电容传感器与标准仪器的测量结果具有高度的一致性，且误差均保持在±0.2%以内。同时，传感器测量的电容值与污油比例之间具有置信度较高的线性关系，可用于量化分析机油的恶化程度，以便为汽车机油的更换标准提供可靠的指导。