基于嵌入式系統的光電密度測量技術的分析與應用

段智高，樊 霈，劉 昊

基于嵌入式系統的光電密度測量技術的分析與應用

段智高，樊 霈，劉 昊

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

針對目前國內蓄電池電解液密度的測量方法，分析了比重計法、應變梁浮子法、U型管振蕩法等測量方法的不足，提出了基于嵌入式系統的光電密度測量技術，分析了其測量原理以及系統結構等，試驗結果證明該測量方法具有準確性、穩定性以及高抗干擾性等優點。

鉛酸蓄電池 密度 光電成像 折射率

0 引言

目前國內測量蓄電池電解液密度的方法主要包括比重計法、應變梁浮子法、U形振蕩管法等。但由于蓄電池存在內部空間小、含有大量粉塵顆粒、氣泡等雜質，并具有強腐蝕性等特點，且伴隨著充放電動態過程，內部環境特別復雜，以上方法滿足不了其現代工業應用的需求[1]。

為驗證光電密度測量技術能實時高精度測量蓄電池電解液的密度值，對鉛酸蓄電池組電解液密度的跟蹤測量。

本文在分析上述測量技術優缺點的基礎上，提出了一種基于嵌入式系統的實時光電密度測量技術，闡述了其測量原理以及硬件、軟件的設計理念。具有穩定性好、抗干擾能力強等優點，大大減輕了蓄電池維護人員的勞動強度。

1 電解液密度測量

1.1 比重計法

采用比重計測量電解液的密度，其原理利用阿基米德定律和物體浮在液面上平衡的條件制成的。由一根密閉的玻璃管，一端粗細均勻，內壁貼有刻度紙，刻度不均勻，上疏下密，另一頭稍膨大呈泡狀，里面裝有小鉛粒或水銀，使玻璃管能在被測液體中豎直的浸入到足夠的深度，并穩定地浮在液體中。由阿基米德原理可知：

式中：為比重計的質量、為浸入液體中的體積、為溶液的密度值。在已知和的情況下，可以算出溶液的密度值，并顯示在比重計的刻度紙上。

這種測量方法簡單有效，但耗費人力，并且在測量有害液體時對人體的損害非常大，測量精度和效率都非常低，滿足不了現代工業的高需求。

1.2 應變梁浮子法

應變梁浮子法是一種通過浮子在液體中受到浮力變化，并將浮力信號轉換成電量信號從而通過電路設計計算出液體的密度值[2]。應變梁浮子法示意圖如下1所示。

圖1 應變梁浮子法示意圖

浮子完全懸浮在液體中（浮子密度大于液體密度），應變梁產生形變，其應變量為：

1.3 U形振蕩管法

U形振蕩管法是通過物質共振頻率測量液體密度，當U形玻璃管內填充的物質后其頻率發生變化，玻璃管的振蕩周期可以被振蕩傳感器測得，從而可以計算其特征頻率。U形振蕩管的特征頻率與玻璃管內物質的密度存在下列關系[3]：

式中：為液體的密度、為U玻璃管容積、為U玻璃管質量、為測量管常數。

奧地利Anton paar 公司生產的DMA35振蕩密度計就是采用該原理測量液體密度，該方法具有測量方便、穩定好、測量精度高、抗干擾性好等優點。但是振蕩密度計也存在不能實現長期大規模實時監測、維護成本高等缺點，不能廣泛應用于現代工業中。

2 光電密度測量技術

2.1 測量原理

液體的折射率是指光在真空中與在溶液中傳播的速度之比，折射率是液體的一個主要光學參數，它是由英國物理學家Thomas Young在折射定律中提出[4]。折射率的本質實際上可以理解為是介質單位體積內觀察到微觀粒子個數N的線性函數，即折射率是隨著微觀粒子數N的增加而增加。通過檢測液體的折射率我們可以判斷所測液體中溶解質的濃度信息。

鉛酸蓄電池電解液的折射率與密度幾乎成線性關系，如圖2所示。

圖2 電解液硫酸折射率與密度的關系曲線

根據斯涅爾定律，光線從光密介質傳播到光疏介質，當入射角到達或超過臨界角c時，將發生全反射現象。

式中1為光密介質的折射率，2為光疏介質的折射率。因此只要精確測量臨界角，就可以測得電解液的折射率，從而測得其密度值。

2.2 測量光路結構設計

光電測量技術通過測量光線在棱鏡與電解液接觸面的反射率來獲得電解液的折射率。通過一種新型折光儀設計方法，采用面陣探測器收集反射光束，利用圖像處理算法獲得折射率與密度信息，測量光路結構如圖3所示。

由光源產生單色光并耦合到光纖內，入射光進入棱鏡，并以發散光的形式射在棱鏡與電解液接觸面上，產生反射。反射光在從棱鏡射入空氣，經過透鏡匯集，被面陣探測器接收，形成圖像。最后將圖像傳到嵌入式系統運算，并計算出電解液的密度。（1.光源2.棱鏡3.透鏡4.探測器5.嵌入式系統6.CAN總線）

圖3 測量光路結構

3 系統設計

3.1 硬件設計

在嵌入式系統中，DSP和FPGA芯片是可編程的，其余芯片都是在DSP和FPGA的控制下工作[5]。DSP內部與外部電路結構如圖4所示。

圖4 DSP內部與外部電路結構

DSP采用C6722芯片，具備雙核八計算單元，內部有兩個硬件浮點乘法器，這是DSP處理圖像信息的核心單元。C6722芯片內部的浮點乘法器編程簡便，運算能力完全滿足密度測量過程的圖像處理需求[6]。DSP內部主要包含運算核心（C6722芯片）、高速緩存、存儲器（RAM、ROM）、定時器、鎖相環等模塊。DSP外部電路主要通過總線接口與其它芯片連接，在電解液密度測量過程中，通過SPI總線連接通信模塊、I2C總線連接探測器。通過輸入/輸出接口GPIO連接激光器與FLASH芯片，使用EMIF總線連接FPGA芯片，并將接口配置為100 MHz異步工作模式，數據傳輸速率可達到20 MB/s。

3.2 軟件設計

采用嵌入式系統對電解液密度測量過程進行控制，系統框架如圖5所示。

圖5 嵌入式系統

圖6 軟件流程圖

嵌入式系統工作模式：開啟系統電源，DSP（數字信號處理器）從FLASH讀取程序和參數，對面陣探測器進行初始化設置；DSP接密度收測量信號，開啟激光器電源，通過I2C總線控制面陣探測器拍攝圖像，并將圖像信息傳送給FPGA，同時將信息存儲在SDRAM（隨機存儲器）中。圖像數據接收完畢后，FPGA向DSP發送接收成功信號，DSP發送關閉激光器電源信號。FPGA從SDRAM中讀取拍攝圖像信息并發送給DSP，最后DSP運用圖像處理技術分析圖像信息[7]，計算測得電解液密度。

在CCS3.3編譯環境下，使用匯編語言編寫DSP啟動程序，其余程序使用C語言編寫；FPGA在QuartusII編譯環境下，使用Verilog HDL語言編寫；上位機在Visual C++環境下編寫。DSP具體軟件工作流程如圖6所示。

4 結論

圖7 放電過程

圖8 充電過程

通過在對鉛酸蓄電池組周期治療過程中，利用DMA35振蕩密度計對蓄電池密度實際測量。將實際測量數據與利用光電原理測量得到的密度數據進行對比，得到實際測量值與光電密度測量值最大誤差為0.003 g/cm3。充放電過程中，實測密度數據曲線和利用光電原理測量密度數據曲線幾乎完全重合，如圖7與圖8所示。

試驗結果證明基于嵌入式系統的光電密度測量技術具有良好的準確性、穩定性以及高抗干擾性等優點，滿足了現代工業在線實時監測蓄電池電解液密度的高要求。

[1] 魏茂雪, 范明磊. 基于單片機的蓄電池在線檢測系統設計. 計算機應用技術, 2011.

[2] 張丹丹, 張海云, 黃牛. 一種基于ARM的蓄電池參數檢測模塊. 船電技術, 2011, 31(7): 27-30.

[3] 江巍. 振蕩管法測量物質密度. 科技資訊, 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嵌入式系統基礎教程. 北京: 北京航空航天大學出版社, 2006.

[6] 張延華, 劉鵬宇. 信號與系統. 北京: 機械工業出版社, 2012. 138-139.

[7] 薛定宇等. 基于MATLAB/Simulink 的系統仿真技術與應用[M]. 北京: 清華大學出版社, 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，工程師。研究方向：自動化監控系統。E-mail：1981870123@qq.com