基于嵌入式系统的光电密度测量技术的分析与应用

段智高，樊 霈，刘 昊

基于嵌入式系统的光电密度测量技术的分析与应用

段智高，樊 霈，刘 昊

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

针对目前国内蓄电池电解液密度的测量方法，分析了比重计法、应变梁浮子法、U型管振荡法等测量方法的不足，提出了基于嵌入式系统的光电密度测量技术，分析了其测量原理以及系统结构等，试验结果证明该测量方法具有准确性、稳定性以及高抗干扰性等优点。

铅酸蓄电池 密度 光电成像 折射率

0 引言

目前国内测量蓄电池电解液密度的方法主要包括比重计法、应变梁浮子法、U形振荡管法等。但由于蓄电池存在内部空间小、含有大量粉尘颗粒、气泡等杂质，并具有强腐蚀性等特点，且伴随着充放电动态过程，内部环境特别复杂，以上方法满足不了其现代工业应用的需求[1]。

为验证光电密度测量技术能实时高精度测量蓄电池电解液的密度值，对铅酸蓄电池组电解液密度的跟踪测量。

本文在分析上述测量技术优缺点的基础上，提出了一种基于嵌入式系统的实时光电密度测量技术，阐述了其测量原理以及硬件、软件的设计理念。具有稳定性好、抗干扰能力强等优点，大大减轻了蓄电池维护人员的劳动强度。

1 电解液密度测量

1.1 比重计法

采用比重计测量电解液的密度，其原理利用阿基米德定律和物体浮在液面上平衡的条件制成的。由一根密闭的玻璃管，一端粗细均匀，内壁贴有刻度纸，刻度不均匀，上疏下密，另一头稍膨大呈泡状，里面装有小铅粒或水银，使玻璃管能在被测液体中竖直的浸入到足够的深度，并稳定地浮在液体中。由阿基米德原理可知：

式中：为比重计的质量、为浸入液体中的体积、为溶液的密度值。在已知和的情况下，可以算出溶液的密度值，并显示在比重计的刻度纸上。

这种测量方法简单有效，但耗费人力，并且在测量有害液体时对人体的损害非常大，测量精度和效率都非常低，满足不了现代工业的高需求。

1.2 应变梁浮子法

应变梁浮子法是一种通过浮子在液体中受到浮力变化，并将浮力信号转换成电量信号从而通过电路设计计算出液体的密度值[2]。应变梁浮子法示意图如下1所示。

图1 应变梁浮子法示意图

浮子完全悬浮在液体中（浮子密度大于液体密度），应变梁产生形变，其应变量为：

1.3 U形振荡管法

U形振荡管法是通过物质共振频率测量液体密度，当U形玻璃管内填充的物质后其频率发生变化，玻璃管的振荡周期可以被振荡传感器测得，从而可以计算其特征频率。U形振荡管的特征频率与玻璃管内物质的密度存在下列关系[3]：

式中：为液体的密度、为U玻璃管容积、为U玻璃管质量、为测量管常数。

奥地利Anton paar 公司生产的DMA35振荡密度计就是采用该原理测量液体密度，该方法具有测量方便、稳定好、测量精度高、抗干扰性好等优点。但是振荡密度计也存在不能实现长期大规模实时监测、维护成本高等缺点，不能广泛应用于现代工业中。

2 光电密度测量技术

2.1 测量原理

液体的折射率是指光在真空中与在溶液中传播的速度之比，折射率是液体的一个主要光学参数，它是由英国物理学家Thomas Young在折射定律中提出[4]。折射率的本质实际上可以理解为是介质单位体积内观察到微观粒子个数N的线性函数，即折射率是随着微观粒子数N的增加而增加。通过检测液体的折射率我们可以判断所测液体中溶解质的浓度信息。

铅酸蓄电池电解液的折射率与密度几乎成线性关系，如图2所示。

图2 电解液硫酸折射率与密度的关系曲线

根据斯涅尔定律，光线从光密介质传播到光疏介质，当入射角到达或超过临界角c时，将发生全反射现象。

式中1为光密介质的折射率，2为光疏介质的折射率。因此只要精确测量临界角，就可以测得电解液的折射率，从而测得其密度值。

2.2 测量光路结构设计

光电测量技术通过测量光线在棱镜与电解液接触面的反射率来获得电解液的折射率。通过一种新型折光仪设计方法，采用面阵探测器收集反射光束，利用图像处理算法获得折射率与密度信息，测量光路结构如图3所示。

由光源产生单色光并耦合到光纤内，入射光进入棱镜，并以发散光的形式射在棱镜与电解液接触面上，产生反射。反射光在从棱镜射入空气，经过透镜汇集，被面阵探测器接收，形成图像。最后将图像传到嵌入式系统运算，并计算出电解液的密度。（1.光源2.棱镜3.透镜4.探测器5.嵌入式系统6.CAN总线）

图3 测量光路结构

3 系统设计

3.1 硬件设计

在嵌入式系统中，DSP和FPGA芯片是可编程的，其余芯片都是在DSP和FPGA的控制下工作[5]。DSP内部与外部电路结构如图4所示。

图4 DSP内部与外部电路结构

DSP采用C6722芯片，具备双核八计算单元，内部有两个硬件浮点乘法器，这是DSP处理图像信息的核心单元。C6722芯片内部的浮点乘法器编程简便，运算能力完全满足密度测量过程的图像处理需求[6]。DSP内部主要包含运算核心（C6722芯片）、高速缓存、存储器（RAM、ROM）、定时器、锁相环等模块。DSP外部电路主要通过总线接口与其它芯片连接，在电解液密度测量过程中，通过SPI总线连接通信模块、I2C总线连接探测器。通过输入/输出接口GPIO连接激光器与FLASH芯片，使用EMIF总线连接FPGA芯片，并将接口配置为100 MHz异步工作模式，数据传输速率可达到20 MB/s。

3.2 软件设计

采用嵌入式系统对电解液密度测量过程进行控制，系统框架如图5所示。

图5 嵌入式系统

图6 软件流程图

嵌入式系统工作模式：开启系统电源，DSP（数字信号处理器）从FLASH读取程序和参数，对面阵探测器进行初始化设置；DSP接密度收测量信号，开启激光器电源，通过I2C总线控制面阵探测器拍摄图像，并将图像信息传送给FPGA，同时将信息存储在SDRAM（随机存储器）中。图像数据接收完毕后，FPGA向DSP发送接收成功信号，DSP发送关闭激光器电源信号。FPGA从SDRAM中读取拍摄图像信息并发送给DSP，最后DSP运用图像处理技术分析图像信息[7]，计算测得电解液密度。

在CCS3.3编译环境下，使用汇编语言编写DSP启动程序，其余程序使用C语言编写；FPGA在QuartusII编译环境下，使用Verilog HDL语言编写；上位机在Visual C++环境下编写。DSP具体软件工作流程如图6所示。

4 结论

图7 放电过程

图8 充电过程

通过在对铅酸蓄电池组周期治疗过程中，利用DMA35振荡密度计对蓄电池密度实际测量。将实际测量数据与利用光电原理测量得到的密度数据进行对比，得到实际测量值与光电密度测量值最大误差为0.003 g/cm3。充放电过程中，实测密度数据曲线和利用光电原理测量密度数据曲线几乎完全重合，如图7与图8所示。

试验结果证明基于嵌入式系统的光电密度测量技术具有良好的准确性、稳定性以及高抗干扰性等优点，满足了现代工业在线实时监测蓄电池电解液密度的高要求。

[1] 魏茂雪, 范明磊. 基于单片机的蓄电池在线检测系统设计. 计算机应用技术, 2011.

[2] 张丹丹, 张海云, 黄牛. 一种基于ARM的蓄电池参数检测模块. 船电技术, 2011, 31(7): 27-30.

[3] 江巍. 振荡管法测量物质密度. 科技资讯, 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嵌入式系统基础教程. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2006.

[6] 张延华, 刘鹏宇. 信号与系统. 北京: 机械工业出版社, 2012. 138-139.

[7] 薛定宇等. 基于MATLAB/Simulink 的系统仿真技术与应用[M]. 北京: 清华大学出版社, 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，工程师。研究方向：自动化监控系统。E-mail：1981870123@qq.com