??? 摘? 要: 在油品含水量智能檢測系統" title="檢測系統">檢測系統中，基于水的介電常數遠遠大于油的介電常數，因而兩者所呈現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實現油品含水量檢測系統的方案，并從系統的組成、軟硬件實現等方面詳細討論了如何用開發(fā)工具LabView構造和實現這一儀器。
??? 關鍵詞: 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
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虛擬儀器技術就是將計算機應用于測試儀器之中，利用良好的虛擬儀器軟件平臺，充分發(fā)揮計算機強大的數據處理功能和豐富的圖形顯示功能，在屏幕上虛擬出與傳統儀器相似的顯示面板，用戶通過鍵盤和鼠標操縱面板上的虛擬開關、旋鈕、按鍵等，去控制儀器的運行、了解儀器的狀態(tài)、讀取并打印測試結果等。虛擬儀器的主要特點體現在軟件就是儀器的思想，它以特定的軟件支持取代相應的電子線路，充分利用計算機軟硬件資源，用計算機完成傳統儀器硬件的部分以至全部功能。它是傳統儀器功能和外形的模塊化和軟件化。
虛擬儀器系統的概念是測控系統的抽象。不管是傳統的還是虛擬的儀器，它們的功能都是相同的:采集數據并進行分析處理，然后顯示處理的結果。它們之間的不同主要體現在靈活性方面。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算機平臺、硬件、軟件以及完成應用系統所需要的各種功能。另外，虛擬儀器開發(fā)周期短、成本低、維護方便，易于應用新理論和新技術實現儀器的換代升級，而這種靈活性在由供應商定義、功能固定、獨立的傳統儀器上是達不到的。
????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雜、費時；有的存在不精確、費用高和不適用于實時測量等眾多缺陷。為了克服這些缺陷，采用射頻電容法測量油品的含水量，獲得了滿意的結果。
1 系統的測量原理
在油品含水量檢測系統中，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，將電容傳感器置于含水油品中。當電容傳感器的結構和外形尺寸一定時，電容傳感器的電容量取決于介質的介電常數。以重油為例，重油的介電常數約為2.2，而水的介電常數是80，兩者相差很大，因此所呈現的射頻阻抗特性不相同，從而可以達到對油品含水量檢測的目的。
2 系統組成
由射頻電容傳感器組成的油品含水量檢測系統的框圖如圖1所示。測量時將傳感器探頭插入樣品油中，同時檢測水分電壓值Um和溫度電壓值Ut，兩路電壓信號經濾波電路和高精度儀用放大器AD620放大處理后，送入PCI-6024E數據采集板進行A/D" title="A/D">A/D轉換，再由計算機進行數據處理、顯示和打印等。
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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之間的關系是非線性的，更重要的是介質溫度的變化將影響介質的介電常數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。為了提高被測目標參量的測量精度，減少相互交叉靈敏度，對水分、溫度兩個參量同時進行監(jiān)測，然后進行信息融合處理。
2.1 硬件電路
硬件電路包括四個部分:傳感器探頭、信號調理電路、A/D轉換電路和PC機的接口電路。
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，外導體上沿軸向為4根接收電極，發(fā)射極與接收極構成測量電路；射頻電路和轉換電路在探頭內，加上屏蔽銅套，以減少外界電磁干擾；在探頭內還裝有一熱敏電阻，用來測量介質溫度，以便對介質的溫度誤差進行補償。
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溫度對介質的狀態(tài)有明顯的影響，可用查表法和插值運算、信息融合等方法進行溫度補償校正。
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。當測量電容器的介質不一樣時，Cx的大小就隨之變化，所呈現的阻抗也就不一樣。
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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，預處理電路對這兩路電壓進行處理，使傳感器信號經預處理成為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為標準電源LM336-2.5V，供給測溫橋路2.5V電源。R2(熱敏電阻)、R3、R4構成橋路。橋路的輸出送給AD620放大，W2用來調整IC4的放大電路。
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圖5為水分測量放大電路，圖中W3用來調整IC5的偏置電壓，W4用來調整IC5的放大倍數。IC4、IC5的輸出送A/D采樣卡進行A/D轉換，然后再送計算機。
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2.1.3 A/D轉換及計算機接口電路
信號的A/D轉換與計算機的接口兩部分電路使用了National Instrument公司生產的一種E系列插卡式數據采集卡PCI-6024E。該卡是一種中檔價位、完全無開關式、無跳線式多功能數據采集卡，且LabView軟件具有專門的函數庫可對該卡進行驅動，其硬件設置完全由軟件實現，無需用戶對硬件連接做任何改動。
該卡采用PCI總線，有16個模擬信號輸入端，可構成16個單通道輸入或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A/D轉換的信號由PCI-6024E卡傳給計算機的虛擬儀器工作環(huán)境，就可以進行下一步的處理了。
2.2 軟件設計
LabView是基于圖形開發(fā)、調試和運行程序的集成化環(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機為基礎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:流程圖式的編程、不需預先編譯就存在語法檢測和調試過程數據探針的使用、豐富的VI庫和儀器面板素材庫、信號處理分析和近600種設備的驅動程序(可擴充)、通用的設計解決方案庫等。因此，LabView受到越來越多的工程師和科學家的青睞。
LabView中任何一個VI都是由三部分組成:一個可交互的用戶界面，稱為前面板，它相當于實際儀器的操作面板；一個相當于原代碼的流程圖，采用圖形化編程方式；一個與其它VI連接的圖標/連接器，用于在主VI中調用子VI。
一臺儀器面板的合理設計有助于功能的實現，并方便用戶操作。油品含水量智能檢測儀能實現數據的采集、處理和輸出。因此前面板應設置多段開關以實現不同的數據處理方法，而這些數據處理結果并不要求同時觀測；面板上的主要部分是顯示圖形和數據的窗口，可以采用多窗口來實現不同信號的同時輸出；面板上還應有必要的控制窗口和開關，以實現對儀器的操作控制，如油品號、設備號、采樣通道號、采樣率、緩沖區(qū)大小、每次存儲數據量等操作控制。圖6為數據采集與存儲的前面板，圖7為油品含水量檢測的前面板。
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數據處理功能通過設計框圖程序來實現，它是油品含水量檢測儀的核心，它要實現的功能包括:
(1)水分信號和溫度信號的采集和預處理
對水分信號和溫度信號進行采集和用適當的方法進行預處理后，將不同溫度、不同水分下的溫度電壓和水分電壓以二維數據表的形式存儲成數據文件，為信息融合作準備。
(2)對預處理后的信號進行信息融合
經過預處理的信號，根據前面板發(fā)出的控制信號，采用不同的信息融合方法以實現不同的分析。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行信息融合的LabView程序框圖。在軟件的實現過程中充分利用了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、結構化的特點，使編程盡可能簡單。
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利用上述方法構成的油品含水量檢測儀，在實踐中證明能夠滿足設計要求。將多傳感器信息融合技術應用于油品含水量測量系統中，解決了傳感器的非線性和溫度對水分的交叉靈敏度問題，能提高系統對目標參量的辨識能力及快速有效獲得高精度的測量結果。同時將虛擬儀器技術引入該檢測系統，采用圖形化編程軟件LabVIEW進行程序設計，使得界面設計靈活、簡單，測量直觀，操作簡單易行。本系統的開發(fā)周期短，能夠根據不同的要求方便地升級。
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參考文獻
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