基于电磁感应的液体粘度测量系统设计

基于电磁感应的液体粘度测量系统设计主要包括控制处理电路设计、机械结构部分设计和软件程序设计三部分。控制处理电路设计主要包括：核心控制处理芯片的选择、芯片的外围电路设计、控制电路电路设计和处理电路电路设计。机械结构部分设计旨在实现电磁线圈驱动永磁体活塞在被测液体中往复运动。其中要求：被测液体能够自由进入活塞的运动空间；线圈的安装空间具有良好的密封性。软件程序设计主要包括硬件程序编写和上位机程序编写。其中，硬件程序主要实现测量系统的控制功能和处理功能以及与上位机的通信，上位机程序主要实现与下位机的通信以及测量数据的处理和显示。本章将对以上几个方面进行详细的介绍。

1 信号产生电路设计

信号产生电路设计既电磁线圈驱动信号产生电路设计，要求产生驱动信号驱动两个电磁线圈实现两个电磁线圈交替通电，从而驱动两个线圈之间的柱状永磁铁活塞往复运动。

为了使电磁线圈对柱状永磁铁活塞的驱动力为恒力，本系统采用恒定电压的方波信号作为驱动信号。

1.1 方波产生电路方案选择

1. 微控制器产生方波

微控制器产生方波实现非常简单，主要是利用I/O口产生高低电平，再经后续电路的处理即可。后续电路的处理主要有以下方法：

• 利用D/A转换器将I/O口输出电平转换成模拟信号，再将放大电路放大；

• 直接将I/O口输出电平进行隔离放大，作为驱动信号；

• 将I/O口输出电平进行隔离放大后控制功率器件的通断，从而产生驱动信号。

利用微控制器产生方波实现方便，易于调节。并且考虑到后续感应信号检测处理电路的需要，使用微控制器更能满足要求。

根据本测量系统的要求，微控制器需要实现的功能比较简单，所以选用经济普遍的51系列单片机作为微控制器芯片。该单片机主要需要实现产生固定周期方波、对感应信号的检测并计时以及利用串口与上位机进行通信，以上三个功能都需要用到定时器，所以本系统选用了具有三个定时器的STC89C52RC单片机，其引脚图如图4-4所示。

图4-4 STC89C52RC引脚图

1.2 单片机最小系统

单片机要想实现其他功能，首先其应该具备一些最基本的外围电路，即使其正常工作的最小系统，其主要包括电源电路、复位电路和时钟电路。

（1）电源电路

STC89C52RC单片机的电源电压V_cc为5V，一般实验室内有很多满足要求的电源，但由于单片机的供电电源电压要求比较稳定，这样就要对输入电压在接入电源引脚前进行稳压和滤波。由于本系统需要用到PC机进行数据的处理和显示，所以单片机电源直接由PC机USB口供电。USB接口有四根线分别是电源线V_cc、地线GND、数据线DATA+和数据线DATA-，其中电源线和地线之间的电压即为5V，其电压的稳定性完全能够满足单片机电源电压的要求，使用它为单片机的电源供电就减少了对电源电压的一些处理过程。

其电路原理图如图4-5所示。

图4-5 电源电路原理图

其中，电源与地之间的并联的电解电容进一步增加了供电电压的稳定性，LED是供电电源的指示灯。

（2）复位电路

89系列单片机与其他微处理器一样，在启动时都需要复位，使系统各部件处于确定的初始状态。RST引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期（即两个机器周期）以上^[38,39]。

复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式，本设计中采用手动复位和上电自动复位组合的方式。

其电路原理图如图4-6所示。

图4-6 复位电路原理图

在通电瞬间，电容C3通过电阻R2充电，RST端出现正脉冲，用以复位，稳定后，RST端恢复到低电位；系统上电运行后若需要复位，按下开关S1，在开关接通瞬间，RST端出现正脉冲，用以复位，开关S1抬起后，RST端又逐渐恢复到低电位。

（3）时钟电路

时钟电路是单片机的心脏, 它控制着单片机的工作节奏。单片机就是通过复杂的时序电路完成不同的指令功能的。单片机的时钟信号可以由两种方式产生：一种是内部方式，利用芯片内部的振荡电路，产生时钟信号；另一种为外部方式，时钟信号由外部引入。

本设计中采用外部引入方式，其电路原理图如图4-7所示。

图4-7 时钟电路原理图

晶振Y1的频率决定了单片机的振荡频率，由于本系统中用到串行通信，为了设置波特率方便，本设计采用的晶振频率为11.0592MHz。其中C1、C2的主要作用是帮助起振和对振荡频率进行微调^[40]。

1.3 方波产生电路设计

方波信号产生电路首先由单片机某一I/O口交替产生高低电平，再由反相器得到其互补信号，形成一对互补信号。然后，将两路信号经过光电耦合器隔离后分别驱动两个开关管，进而控制电磁线圈的通断。

因为本系统中是用单片机输出的数字信号驱动开关管和电磁线圈等大功率器件，所以使用光电耦合器隔离前面的数字部分和后面的模拟部分^[41,42]。

本设计中采用的光电耦合器是TLP521，其内部结构图如图4-8所示。

图4-8 光耦内部结构图

光电耦合器的工作原理是输入的电信号驱动发光二极管，使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了“电—光—电”的转换，从而起到输入、输出隔离的作用^[43]。

其典型应用电路如图4-9所示。

图4-9 光耦典型应用电路

本设计采用MOS开关管的通断来控制电磁线圈的交替通电，两个电磁线圈分别和两个开关管串联，光电耦合器的输出信号控制开关管的导通和截止，从而控制电磁线圈的通电状态。

其电路原理图如图4-10所示。

图4-10 方波产生电路原理图

2 感应信号检测处理电路设计

利用以上电路，通过单片机可以产生某一固定周期的方波控制两个电磁线圈交替通电，进而驱动柱状永磁铁活塞在两个电磁线圈之间往复运动。活塞在线圈之间运动时，会对线圈产生感应电压。本系统中通过对感应电压信号进行检测处理并反馈到单片机，使单片机控制方波信号的实时翻转，实时控制开关管的通断，从而切换两个电磁线圈的通电状态，就可以实现活塞在线圈之间的运动方向的实时改变，实现活塞的实时往复运动。

本系统中的感应电压信号是叠加在驱动电压上的一个小电压信号。由于本系统不要求得到感应电压信号的准确值，只需要检测感应电压达到某一临界值的时刻。所以，设计中采用常用的电压比较器来实现这一功能^[44]。

电压比较器是集成运放的非线性应用电路，它将一个模拟量电压信号和一个参考电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压将产生跃变，相应输出高电平或低电平。比较器可以组成非正弦波形变换电路及应用于模拟与数字信号转换等领域^[45]。

根据感应电压信号的特点，本系统中选用电压比较器LM339作为感应电压的检测芯片。LM339芯片内部装有四个独立的电压比较器，是很常见的集成电路。利用lm339可以方便的组成各种电压比较器电路和振荡器电路。图4-11为其引脚图。

图4-11 LM339引脚图

LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用^[46]。

本系统利用LM339检测电磁线圈上的感应电压信号，当其达到某一临界值时，即活塞运动到某一位置时，电压比较器输出高电平，并将其反馈给单片机，进而控制方波信号翻转。

其电路原理图如图4-12所示。

图4-12 感应信号检测处理原理图

3 串口通信设计

本测量系统中，单片机记录活塞在被测液体中往复运动的时间，然后通过串口将记录的时间数据传送到PC机上进行分析处理和显示。

3.1 串口通信简介

串口是一种非常通用的设备通信的协议。串口通信的概念非常简单，串口按位（bit）发送和接收字节。尽管比按字节（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。它很简单并且能够实现远距离通信^[47]。

51单片机的串行口试一个可编程全双工的通信接口，具有UART（通用异步收发器）的全部功能，能同时进行数据的发送和接收，也可作为同步移位寄存器使用^[48]。

3.2 串口电路设计

51单片机上串行口的输入输出电平为5VTTL（晶体管-晶体管逻辑电平）电平，即+5V等价于逻辑1，0V等价于逻辑0，而PC机的串行口为RS-232C接口，其输入输出电平满足RS-232C的电气特性，即用-5V~-15V表示逻辑1，用+5V~+15V表示逻辑0。所以单片机与PC机之间进行串口通信需要进行电平转换^[49]。

本系统中采用常用的电平转换芯片MAX232进行电平转换，MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路，使用+5V单电源供电。内部结构基本可分三个部分：第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1_OUT）、11脚（T1_IN）、14脚（T1_OUT）为第一数据通道。8脚（R2_IN）、9脚（R2_OUT）、10脚（T2_IN）、7脚（T2_OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1_IN、T2_IN输入转换成RS-232数据从T1_OUT、T2_OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1_IN、R2_IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1_OUT、R2_OUT输出。第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5V）。其引脚图如图4-13所示。

图4-13 MAX232引脚图

本设计中串口通信的电路原理图如图4-14所示。

图4-14 串口通信电路原理图

4机械机构部分设计

机械结构部分是为提供电磁线圈驱动柱状永磁体活塞在被测液体中往复运动的探头结构。本系统中将机械探头设计成双套筒结构，内套筒为电磁线圈和被测液体提供隔离，其内部为可以自由出入的被测液体，活塞在其中做往复运动，内外套筒之间安装电磁线圈，外套筒隔离其与探头外部的被测液体。整个探头结构包括：内套筒、外套筒和两个侧盖^[50,51]。

4.1 内外套筒设计

内、外套筒结构非常简单只要设计尺寸满足要求即可。本系统中外套筒和内套筒之间安装电磁垫圈，而且根据本系统中电磁线圈紧凑安装的要求，它们的长度应该为两个电磁线圈长度之和，它们的内径应该为电磁线圈的外径，壁厚都设计为2mm。其中外套筒为了和侧盖进行装配安装，设计了法兰盘结构。

图4-15、4-16分别为内外套筒的剖面图。

图4-15 外套筒剖面图 图4-16 内套筒剖面图

4.2 侧盖设计

机械探头用两个侧盖与内外套筒的两端进行装配安装，一方面保证外部的被测液体与套筒之间的电磁线圈的隔离，另一方面又要保证被测液体能够自由进入活塞往复运动的内筒内部，同时保证活塞不能跑出机械探头。

本设计中，采用在侧盖上对应内筒的位置打上多个小孔，其中小孔的直径小于活塞直径，保证了活塞不会跑出机械探头，而被测液体又能通过小孔流入内筒内部。

由于柱状永磁铁活塞是有极性的，所以如果活塞运动到某一端，运动到超过电磁线圈内部中点时，电磁线圈对活塞的驱动力方向将发生改变，活塞将无法形成往复运动。本系统中，在侧盖上设计了伸入内筒内部的凸台，限制活塞的运动的位置，凸台高度为线圈长度的一半，从而保证了活塞的运动位置不超过线圈的中点。同时，侧盖上还设计了与外筒进行装配安装的对应法兰盘结构。两面的两个侧盖完全一样。

图4-17为侧盖的剖面图。

图4-17 侧盖剖面图

4.3 探头总体结构

将以上设计的内套筒内部放入柱状永磁铁铁活塞，内套筒与外套筒之间安装上两个电磁线圈，两端用侧盖密封，侧盖与外筒之间通过法兰盘用螺丝固定，这样就构成了机械探头的总体结构，将其放入被测液体中，被测液体可以自由进入内套筒内部，电磁线圈驱动柱状永磁铁活塞在被测液体中往复运动，记录活塞的往复运动时间，便可以得到被测液体的粘度。

探头总体结构剖面图如图4-18所示。

图4-18 探头总体结构剖面图

5 软件程序设计

本测量系统的软件程序设计主要包括单片机程序设计和上位机程序设计。

5.1 单片机程序设计

单片机程序主要实现方波驱动信号的产生、感应电压信号的检测处理、活塞往复运动时间的记录以及通过串口向上位机传送记录的数据。

其程序流程图如图4-19所示：

首先，对单片机进行初始化，包括设置定时器工作方式、装载定时器初值、设置串口工作方式、设置串行通信波特率、开中断等。正常工作时，单片机通过检测活塞往复运动时产生的感应电压信号来控制方波翻转，从而驱动活塞继续往复运动，从而再次产生感应电压信号。所以，进入单片机主程序后便开始循环检测感应电压信号，一旦检测到有感应电压信号反馈到单片机，程序立即控制单片机I/O口翻转方波信号，驱动活塞反方向运动，记录活塞的运动时间（由定时器T0计数得出），重新计时，并向上位机发送记录的数据。

但是，有时可能未能检测到感应电压信号，此时方波不在翻转，活塞便无法继续往复运动，也就不会再有感应电压信号。所以程序中设计了超时溢出，并进行了溢出处理，使程序能够在未能检测到感应电压信号的情况下继续正常工作。如果长时间未检测到感应电压信号，则程序超时溢出（由定时器T1控制），同时翻转方波，驱动活塞继续往复运动，重新计时，并且重载超时计时器。这样系统便能恢复到正常的工作状态。

4.5.2 上位机程序设计

上位机程序主要实现的功能包括通过串口从下位机接收数据，并在上位机上进行处理和显示。本系统的上位机程序是VC进行编程。

（1）数据的接收

本系统通过串口进行上位机和下位机的数据通信。在VC中使用MFC编程，可以通过MSComm控件方便的对串口进行控制。MSComm控件是Microsoft公司提供的简化Windows下串行通信编程的ActiveX控件，为应用程序提供了通过串行通信功能。

在MFC下使用MSComm控件，只需设置一些简单的参数，并编写一些自己的程序所需要实现的功能，便可以实现上位机和单片机之间串口通信。

（2）数据的处理和显示

单片机通过串口传送到上位机的数据是通过定时器记录的活塞在被测液体中往复运动的时间。所以上位机程序需要对其进行处理，从而得到对应的被测液体的粘度值。

定时器在计数状态下是每个机器周期计数一次，由于单片机采用的晶振的频率是11.0592MHz，所以定时器的计数一次的时间为：

（4-1）

即定时器的计数值为n时，活塞往复运动的时间为：

（4-2）

再根据第三章中推导出的被测液体粘度与活塞的往复运动时间的关系，即式（3-54），便可求得被测液体的粘度值。

上位机程序既是把通过串口从单片机接收到的数据根据以上公式进行计算处理，得到被测液体的粘度值，并在程序界面上进行显示。

第5章 测量系统可行性验证实验

本论文之前的内容介绍了基于电磁感应的液体粘度测量方法的原理，分析了测量方法的理论基础，并设计了测量系统的各个模块。本章根据以上原理和理论基础，搭建了基于电磁感应的液体粘度测量系统，并进行了测量系统的可行性验证实验，且对测量结果进行了数据分析和探讨。

5.1 系统实验装置

在前面几章的基础上，依据基于电磁感应的液体粘度测量方法的工作原理、理论分析和设计方案搭建了系统试验平台。

其实物图如图5-1所示。

图5-1 系统实验平台

本系统中，电路板与装在探头中的两个电磁线圈进行连接，控制电磁线圈交替通电，从而驱动探头内的柱状永磁铁活塞往复运动。同时，电路板检测由于活塞的往复运动而对电磁线圈产生的感应电压信号，并记录活塞的往复运动时间，然后通过串口传送到PC机进行数据处理和显示。

本系统用到三个电源，其中单片机使用USB供电，活塞驱动电压使用一个可调电压的电源供电，感应电压信号检测模块的电压比较器使用12V固定电压电源供电。

5.2 系统实验与分析

5.2.1 活塞固定周期运动实验

首先进行的是活塞以固定周期往复运动的实验。利用单片机产生固定周期的方波信号，控制柱状永磁铁活塞以固定周期往复运动^[54]。此时，可以观察电磁线圈上的电压波形的特点。

当探头中不放入柱状永磁铁活塞时，即没有活塞做往复运动时，电磁线圈上也就没有感应电压信号。此时，电磁线圈上只有驱动电压的方波信号。

其波形图如图5-2所示。

图5-2 驱动电压波形图

当柱状永磁铁活塞放入探头中后，在驱动电压下，活塞就会在两个电磁线圈之间以固定周期做往复运动。而活塞的运动就会在电磁线圈上产生感应电压，此时电磁线圈上的电压信号就是驱动电压信号和感应电压信号的叠加。

其波形图如图5-3所示。

图5-3 感应电压波形图

5.2.2 活塞实时运动实验

由以上感应电压与驱动电压叠加的电压波形图，可以看出感应电压信号的大致幅度。根据感应电压信号的大小和特点，则可以对感应电压信号检测模块的电压比较器的输入参考电压值进行设置。本系统中是通过电位器对电压比较器的电源电压进行分压，通过调节电位器便可以得到合适的参考电压值。

通过对活塞在实验中需要测量的几种液体中运动时产生的感应电压信号波形图进行观察，感应电压信号的幅值大致在500mV-1V的范围之间。而驱动电压的电压值为9V时，对所要测量的几种液体都能实现活塞往复运动对驱动力的需求，所以驱动电压设置为9V。

根据以上所述，本系统将电压比较器的输入参考电压值设置为9.1V，这样便能对活塞在实验中需要测量的几种液体的运动时产生的感应电压信号进行检测，并且还留有一定的裕量。

设置好参考电压，启动感应电压检测模块后，活塞实现实时往复运动。

此时，其波形图如图5-4所示。

图5-4 实时运动电压波形图

5.2.3 系统标定实验

实现活塞的实时往复运动之后，就可以测量活塞在不同液体中的实时往复运动的时间。本系统中通过单片机定时器的计数功能来记录活塞往复运动的时间，其计数一次为单片机的一个机器周期。

根据以上所述，系统试验平台可以将探头浸入被测液体液体中，使活塞在被测液体中做往复运动，并通过单片机定时器的计数功能来记录活塞往复运动的时间。

由第三章中的理论推导得出的被测液体粘度和活塞往复运动时间的关系以及定时器计数值和时间的关系，便可以得到被测液体的粘度。

由于公式（3-54）中含有一未知数F₁，所以需要利用几种液体的测量结果，对公式中的未知数F₁进行标定。

本实验中选取了空气、水、谷物调和油、花生油、葵花油和芥花油几种介质。实验时间为2010年4月10日，实验条件为室温（18-22℃）。使用图5-1所示的实验平台，对上述几种介质进行测量。当机械探头浸入被测液体中时，活塞便在液体中往复运动，此时单片机定时器的计数值记录了活塞的往复运动时间。

其测量结果如表5-1所示。

表5-1 活塞往复运动时间测量结果

在同样的条件下，使用旋转粘度计（型号为KU-2）测得的上述几种介质的粘度值如表5-2所示。

表5-2 旋转粘度计测量结果

以旋转粘度计测得的粘度值作为标准值，其与使用

图5-5 粘度值-运动时间关系曲线图

又由式（3-54）

式中L=26mm，R=5mm，r=4.5mm，m=12.3g，换算成国际制单位，并代入上式，得

（5-1）

式中时间T的单位为秒（s），粘度值η的单位为Pa·s。将时间T的单位变换为毫秒（ms），粘度值η的单位变换为mPa·s时，式（5-1）可以变换为如下形式。

（5-2）

根据上述几种被测介质的测量结果中的活塞往复运动时间与标准粘度计测得的粘度值之间的关系，拟合出公式（5-1）中的未知数F₁。

拟合结果为，F₁=2.234，最终拟合出的公式如下式所示：

（5-3）

其拟合曲线如下图5-6所示。

图5-6 粘度值-运动时间拟合曲线图

根据公式（5-3），被测液体粘度值与活塞的往复运动时间之间的理论关系曲线图如下图5-7所示。

图5-7 粘度值-运动时间理论曲线图