??? 摘? 要: 在油品含水量智能檢測系統(tǒng)" title="檢測系統(tǒng)">檢測系統(tǒng)中，基于水的介電常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于油的介電常數(shù)，因而兩者所呈現(xiàn)的射頻阻抗特性不相同的原理，使用了射頻電容傳感器" title="電容傳感器">電容傳感器。提出了用虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)油品含水量檢測系統(tǒng)的方案，并從系統(tǒng)的組成、軟硬件實(shí)現(xiàn)等方面詳細(xì)討論了如何用開發(fā)工具LabView構(gòu)造和實(shí)現(xiàn)這一儀器。
??? 關(guān)鍵詞: 水分測量? 射頻傳感器? 信息融合" title="信息融合">信息融合? 虛擬儀器技術(shù)
?
虛擬儀器技術(shù)就是將計(jì)算機(jī)應(yīng)用于測試儀器之中，利用良好的虛擬儀器軟件平臺，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能和豐富的圖形顯示功能，在屏幕上虛擬出與傳統(tǒng)儀器相似的顯示面板，用戶通過鍵盤和鼠標(biāo)操縱面板上的虛擬開關(guān)、旋鈕、按鍵等，去控制儀器的運(yùn)行、了解儀器的狀態(tài)、讀取并打印測試結(jié)果等。虛擬儀器的主要特點(diǎn)體現(xiàn)在軟件就是儀器的思想，它以特定的軟件支持取代相應(yīng)的電子線路，充分利用計(jì)算機(jī)軟硬件資源，用計(jì)算機(jī)完成傳統(tǒng)儀器硬件的部分以至全部功能。它是傳統(tǒng)儀器功能和外形的模塊化和軟件化。
虛擬儀器系統(tǒng)的概念是測控系統(tǒng)的抽象。不管是傳統(tǒng)的還是虛擬的儀器，它們的功能都是相同的:采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析處理，然后顯示處理的結(jié)果。它們之間的不同主要體現(xiàn)在靈活性方面。虛擬儀器由用戶自己定義功能，這意味著您可以自由地組合計(jì)算機(jī)平臺、硬件、軟件以及完成應(yīng)用系統(tǒng)所需要的各種功能。另外，虛擬儀器開發(fā)周期短、成本低、維護(hù)方便，易于應(yīng)用新理論和新技術(shù)實(shí)現(xiàn)儀器的換代升級，而這種靈活性在由供應(yīng)商定義、功能固定、獨(dú)立的傳統(tǒng)儀器上是達(dá)不到的。
????目前普遍采用的油品水分檢測方法有:蒸餾法、氣相色譜法、電容法和微波法等。然而，這些方法有的測定工序復(fù)雜、費(fèi)時(shí)；有的存在不精確、費(fèi)用高和不適用于實(shí)時(shí)測量等眾多缺陷。為了克服這些缺陷，采用射頻電容法測量油品的含水量，獲得了滿意的結(jié)果。
1 系統(tǒng)的測量原理
在油品含水量檢測系統(tǒng)中，采用射頻電容法測量油品的含水量。其測量原理如下:測量時(shí)，將電容傳感器置于含水油品中。當(dāng)電容傳感器的結(jié)構(gòu)和外形尺寸一定時(shí)，電容傳感器的電容量取決于介質(zhì)的介電常數(shù)。以重油為例，重油的介電常數(shù)約為2.2，而水的介電常數(shù)是80，兩者相差很大，因此所呈現(xiàn)的射頻阻抗特性不相同，從而可以達(dá)到對油品含水量檢測的目的。
2 系統(tǒng)組成
由射頻電容傳感器組成的油品含水量檢測系統(tǒng)的框圖如圖1所示。測量時(shí)將傳感器探頭插入樣品油中，同時(shí)檢測水分電壓值Um和溫度電壓值Ut，兩路電壓信號經(jīng)濾波電路和高精度儀用放大器AD620放大處理后，送入PCI-6024E數(shù)據(jù)采集板進(jìn)行A/D" title="A/D">A/D轉(zhuǎn)換，再由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、顯示和打印等。
?
?
從圖1可以看出，利用反映含水量的測量信號電壓Um即可推算出油品的含水量M。但是M與Um之間的關(guān)系是非線性的，更重要的是介質(zhì)溫度的變化將影響介質(zhì)的介電常數(shù)和射頻信號源的頻率、幅值，因此射頻電容傳感器存在對溫度的交叉靈敏度。為了提高被測目標(biāo)參量的測量精度，減少相互交叉靈敏度，對水分、溫度兩個(gè)參量同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測，然后進(jìn)行信息融合處理。
2.1 硬件電路
硬件電路包括四個(gè)部分:傳感器探頭、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和PC機(jī)的接口電路。
2.1.1 傳感器探頭及測量電路
傳感器探頭如圖2所示。探頭終端中間為發(fā)射極，外導(dǎo)體上沿軸向?yàn)?根接收電極，發(fā)射極與接收極構(gòu)成測量電路；射頻電路和轉(zhuǎn)換電路在探頭內(nèi)，加上屏蔽銅套，以減少外界電磁干擾；在探頭內(nèi)還裝有一熱敏電阻，用來測量介質(zhì)溫度，以便對介質(zhì)的溫度誤差進(jìn)行補(bǔ)償。
?
?
溫度對介質(zhì)的狀態(tài)有明顯的影響，可用查表法和插值運(yùn)算、信息融合等方法進(jìn)行溫度補(bǔ)償校正。
傳感器測量電路的等效原理如圖3所示。圖中，R0為射頻信號源等效輸出阻抗，Cx為傳感器測量電容器等效電容，Rx為傳感器電容的漏電阻。當(dāng)測量電容器的介質(zhì)不一樣時(shí)，Cx的大小就隨之變化，所呈現(xiàn)的阻抗也就不一樣。
?
?
為了減少射頻信號對其它電路的干擾和信號傳輸線路分布電容的影響，將射頻信號源與傳感器做成一體，R0應(yīng)滿足:
式中，T為射頻信號源的周期，Cxm為傳感器測量電容器等效電容為最大時(shí)的電容量，R0′為R0與Rx從電容器兩端看過去的等效電阻。
2.1.2 信號調(diào)理電路
從傳感器探頭出來的信號有兩路，即水分電壓和溫度電壓，預(yù)處理電路對這兩路電壓進(jìn)行處理，使傳感器信號經(jīng)預(yù)處理成為A/D變換所需要的電壓模擬信號。
測量放大電路" title="放大電路">放大電路由溫度測量放大電路和水分測量放大電路組成。
圖4為溫度測量放大電路，圖中IC3為標(biāo)準(zhǔn)電源LM336-2.5V，供給測溫橋路2.5V電源。R2(熱敏電阻)、R3、R4構(gòu)成橋路。橋路的輸出送給AD620放大，W2用來調(diào)整IC4的放大電路。
?
?
圖5為水分測量放大電路，圖中W3用來調(diào)整IC5的偏置電壓，W4用來調(diào)整IC5的放大倍數(shù)。IC4、IC5的輸出送A/D采樣卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后再送計(jì)算機(jī)。
?
?
?
2.1.3 A/D轉(zhuǎn)換及計(jì)算機(jī)接口電路
信號的A/D轉(zhuǎn)換與計(jì)算機(jī)的接口兩部分電路使用了National Instrument公司生產(chǎn)的一種E系列插卡式數(shù)據(jù)采集卡PCI-6024E。該卡是一種中檔價(jià)位、完全無開關(guān)式、無跳線式多功能數(shù)據(jù)采集卡，且LabView軟件具有專門的函數(shù)庫可對該卡進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其硬件設(shè)置完全由軟件實(shí)現(xiàn)，無需用戶對硬件連接做任何改動(dòng)。
該卡采用PCI總線，有16個(gè)模擬信號輸入端，可構(gòu)成16個(gè)單通道輸入或8對差分輸入；采樣精度為12Bit，最大采樣率為200ks/s；輸入電壓范圍為±5V或±10V；輸入增益可為0.5、1、10或100。
經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換的信號由PCI-6024E卡傳給計(jì)算機(jī)的虛擬儀器工作環(huán)境，就可以進(jìn)行下一步的處理了。
2.2 軟件設(shè)計(jì)
LabView是基于圖形開發(fā)、調(diào)試和運(yùn)行程序的集成化環(huán)境，也是目前國際上唯一的編譯型圖形化編程語言。目前，在以PC機(jī)為基礎(chǔ)的測試和工控軟件中，LabView的市場普及率僅次于C++/C語言。LabView具有以下優(yōu)點(diǎn):流程圖式的編程、不需預(yù)先編譯就存在語法檢測和調(diào)試過程數(shù)據(jù)探針的使用、豐富的VI庫和儀器面板素材庫、信號處理分析和近600種設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序(可擴(kuò)充)、通用的設(shè)計(jì)解決方案庫等。因此，LabView受到越來越多的工程師和科學(xué)家的青睞。
LabView中任何一個(gè)VI都是由三部分組成:一個(gè)可交互的用戶界面，稱為前面板，它相當(dāng)于實(shí)際儀器的操作面板；一個(gè)相當(dāng)于原代碼的流程圖，采用圖形化編程方式；一個(gè)與其它VI連接的圖標(biāo)/連接器，用于在主VI中調(diào)用子VI。
一臺儀器面板的合理設(shè)計(jì)有助于功能的實(shí)現(xiàn)，并方便用戶操作。油品含水量智能檢測儀能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理和輸出。因此前面板應(yīng)設(shè)置多段開關(guān)以實(shí)現(xiàn)不同的數(shù)據(jù)處理方法，而這些數(shù)據(jù)處理結(jié)果并不要求同時(shí)觀測；面板上的主要部分是顯示圖形和數(shù)據(jù)的窗口，可以采用多窗口來實(shí)現(xiàn)不同信號的同時(shí)輸出；面板上還應(yīng)有必要的控制窗口和開關(guān)，以實(shí)現(xiàn)對儀器的操作控制，如油品號、設(shè)備號、采樣通道號、采樣率、緩沖區(qū)大小、每次存儲數(shù)據(jù)量等操作控制。圖6為數(shù)據(jù)采集與存儲的前面板，圖7為油品含水量檢測的前面板。
?
?
數(shù)據(jù)處理功能通過設(shè)計(jì)框圖程序來實(shí)現(xiàn)，它是油品含水量檢測儀的核心，它要實(shí)現(xiàn)的功能包括:
(1)水分信號和溫度信號的采集和預(yù)處理
對水分信號和溫度信號進(jìn)行采集和用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行預(yù)處理后，將不同溫度、不同水分下的溫度電壓和水分電壓以二維數(shù)據(jù)表的形式存儲成數(shù)據(jù)文件，為信息融合作準(zhǔn)備。
(2)對預(yù)處理后的信號進(jìn)行信息融合
經(jīng)過預(yù)處理的信號，根據(jù)前面板發(fā)出的控制信號，采用不同的信息融合方法以實(shí)現(xiàn)不同的分析。信息融合的目的是消除溫度這一干擾量對水分的影響。
圖8是采用曲面擬合法進(jìn)行信息融合的LabView程序框圖。在軟件的實(shí)現(xiàn)過程中充分利用了LabView軟件本身所提供的分析工具，從而避免了大量的底層軟硬件開發(fā)工作。充分利用VI具有層次化、結(jié)構(gòu)化的特點(diǎn)，使編程盡可能簡單。
?
?
利用上述方法構(gòu)成的油品含水量檢測儀，在實(shí)踐中證明能夠滿足設(shè)計(jì)要求。將多傳感器信息融合技術(shù)應(yīng)用于油品含水量測量系統(tǒng)中，解決了傳感器的非線性和溫度對水分的交叉靈敏度問題，能提高系統(tǒng)對目標(biāo)參量的辨識能力及快速有效獲得高精度的測量結(jié)果。同時(shí)將虛擬儀器技術(shù)引入該檢測系統(tǒng)，采用圖形化編程軟件LabVIEW進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，使得界面設(shè)計(jì)靈活、簡單，測量直觀，操作簡單易行。本系統(tǒng)的開發(fā)周期短，能夠根據(jù)不同的要求方便地升級。
?
參考文獻(xiàn)
1 YANG Xinrong.LUO Gui′e.Multi-sensor Poly Information Fusion Technology and Its Application.SPIE，2001；4414：449～454
2 羅桂娥，楊欣榮.重油含水率測量系統(tǒng)中的信息融合方法.長沙:中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001；32(3):322~324
3 北京中科泛華測控技術(shù)有限公司.LabVIEW教程，2001
4 清華大學(xué)電機(jī)系虛擬儀器實(shí)驗(yàn)室.北京中科泛華測控技術(shù)有限公司.LabVIEW 用戶指南，2000
5 劉 立，陳淑珍.基于虛擬儀器技術(shù)的語音信號分析儀實(shí)現(xiàn).電子技術(shù)應(yīng)用，1999；25(6):38～39
6 董寶文，雷 勇.基于虛擬儀器技術(shù)的智能檢測儀器的開發(fā)與應(yīng)用.實(shí)用測試技術(shù)，2000(3)：29～30