基于共面電容的非接觸式液位線性測量系統(tǒng)的研究

陳俊龍，施隆照

（1.福州大學 物理與信息工程學院，福建　福州　350116；2.智恒（廈門）微電子有限公司，福建　廈門 361008）

基于共面電容的非接觸式液位線性測量系統(tǒng)的研究

陳俊龍1,2，施隆照1

（1.福州大學 物理與信息工程學院，福建福州350116；2.智恒（廈門）微電子有限公司，福建廈門 361008）

摘要：一種基于共面電容傳感器的非接觸式液位線性測量系統(tǒng)主要包括前端平面電容傳感器的設(shè)計、中間電容信號轉(zhuǎn)換電路、后級的單片機數(shù)據(jù)處理以及液晶顯示功能設(shè)計。與傳統(tǒng)的線性液位電容傳感器相比較本系統(tǒng)所設(shè)計的電容液位傳感器，傳感器可以直接安裝在密閉容器外面，避免與容器內(nèi)的液體接觸造成污染或腐蝕傳感器等問題。設(shè)計中采用差分電容的設(shè)計方案提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。該測量系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，穩(wěn)定性好，動態(tài)響應(yīng)特性好，可以在高溫、強磁場、強輻射環(huán)境下精確測量非金屬密閉容器內(nèi)液位的實時狀態(tài)。該系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于液位在線監(jiān)測領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：共面電容傳感器；電容邊緣效應(yīng)；非接觸式；線性液位測量

電容式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，靈敏度高，穩(wěn)定性好，動態(tài)響應(yīng)特性好[1]，可以在高溫、強磁場、強輻射環(huán)境下長期工作等優(yōu)點[2]。傳統(tǒng)的液位電容傳感器是一個同軸的容器，當液體進入容器后引起傳感器殼體和感應(yīng)電極之間電容量的變化，傳感器需要深入到容器內(nèi)與里面的液體相接觸才能測量[3]，與傳統(tǒng)的線性液位電容傳感器相比較，本系統(tǒng)所設(shè)計的電容液位傳感器，采用非接觸模式[4]，可以安裝在密閉容器外面，避免與容器內(nèi)的液體接觸造成污染或腐蝕傳感器等問題?？梢跃_測量非金屬密閉容器內(nèi)的實時液位狀態(tài)，可以廣泛應(yīng)用于液位在線監(jiān)測領(lǐng)域[5]。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。電容極板會根據(jù)所測區(qū)域內(nèi)溶液的變化而產(chǎn)生不同的電容值，將電容值傳送到C-V轉(zhuǎn)換電路[6]，電路將電容值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓值。芯片輸出的電壓值可直接輸入單片機內(nèi)部的AD模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。單片機可以根據(jù)測量的容器壁的厚度以及溶液的不同來調(diào)整電荷放大電路的放大倍數(shù)以及零點電平等數(shù)據(jù)。最終將容器內(nèi)的液位高度的相應(yīng)電平轉(zhuǎn)換成液位高度在液晶屏上直觀的顯示出來。

圖1 測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1工作原理

最常見的電容傳感器是由兩個平行電極組成，極板間以空氣為介質(zhì)。傳統(tǒng)平行板電容器如圖2所示。如果忽略邊緣效應(yīng)則電容傳感器的電容值為：

圖2 傳統(tǒng)平行板電容器

式中ε為電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，S為兩塊極板間互相覆蓋的有效面積，d為兩極板之間的距離，由上式可知三個參數(shù)中任何一個的變化都能引起電容量的變化，因此電容傳感器又可以分為變極距式、變面積式、和變介質(zhì)式三類[7]。本設(shè)計所采用的平面電容傳感器是屬于變介質(zhì)式中的一種。

圖3 共面極板電容傳感器

共面極板電容傳感器顧名思義就是將電容的兩個極板設(shè)計在同一個平面上[8]，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。假設(shè)兩個矩形極板具有相同的尺寸。極板尺寸如圖3（a）所示。當極板間距d很小時，極板剖面如圖3（b）所示。圖中G為屏蔽極板。接近于以原點O為圓心的同心圓，遠離O點時為一簇橢圓形，虛線代表電力線，離極板越近電力線越稠密[9]。在X軸方向上電力線的電場強度為E。

設(shè)極板電荷密度為σ

則總電量q為：

所以電容量C為：

公式中的極板尺寸d，b，L尺寸見圖3（a）。

在上述的計算中，已將無限大量b進行了有限化，當b＞＞d時，這種近似是可行的[10]。從上式可知，應(yīng)用于液位測量系統(tǒng)中被測物品與極板平面的距離是固定的，僅與公式中的介電常數(shù)與液位高度有關(guān)，故而同一種溶液中液位的高低與電容量C值成線性關(guān)系[11]。

2　傳感器的設(shè)計

2.1電容極板的結(jié)構(gòu)

電容的極板采用雙面板的PCB制作而成，激勵極板與接受極板的有效面積都為2 mm×120 mm，兩極板的中間間距1 mm。兩極板設(shè)計同一個PCB平面上，極板的周圍用接地銅箔包圍用于屏蔽周圍的電磁干擾。實驗中還采用了兩對電容極板組成差分測量系統(tǒng)用于降低周圍環(huán)境濕度對測量系統(tǒng)的影響以提高測量精度，同時也提高測量系統(tǒng)的抗干擾的能力[12]。

2.2C/V電路設(shè)計

系統(tǒng)的測量電路主要是采用C-V轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。將前端電容傳感器所測得電容的變化量轉(zhuǎn)換成電子系統(tǒng)所能識別的電壓信號。C-V轉(zhuǎn)換電路采用智恒 （廈門）微電子有限公司設(shè)計的C-V轉(zhuǎn)換芯片AXL100D。

圖4 C-V轉(zhuǎn)換電路

AXL100D芯片內(nèi)部的結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。該芯片是一個差分輸入的電容專用芯片。芯片采用全模擬信道，噪聲低，響應(yīng)頻率可達10 kHz。芯片內(nèi)部自帶OSC振蕩器。Uref的電平為芯片工作電壓的一半。芯片本身具有零點調(diào)節(jié)，增益可調(diào)，頻帶可調(diào)等功能，可以通過CLK與IN端口對芯片的參數(shù)進行設(shè)置。芯片的電容分辨率達到0.01 pF，靈敏度高于1 V/pF。芯片內(nèi)部還具有非線性的校正功能。

圖5AXL100D芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.3MCU控制電路

本設(shè)計的MCU控制與顯示電路如圖6所示。系統(tǒng)中MCU部分采用STC12C5A60AD單片機，芯片具有內(nèi)置EEPROM，8通道的10位高速ADC等功能模塊；AD的采樣精度基本滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。人機界面顯示采樣單色的字符型LCD1602用于顯示系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)與參數(shù)設(shè)置。MCU可以通過ca1_in和ca1_c1k將有關(guān)參數(shù)輸入AXL100D的芯片內(nèi)。S1是系統(tǒng)的復位鍵。S2～S5是用戶的操作按鍵，由于篇幅關(guān)系相關(guān)的操作在這不做詳細介紹。

圖6MCU控制與顯示電路

3　實驗測試

實驗中液位的實際高度采用標準的超聲波傳感器作為測量的參照標準，實驗數(shù)據(jù)經(jīng)整理后每間隔5 mm，測量芯片輸出的電壓值。PCB極板的有效測量長度為120 mm。實驗中PCB的電容極板緊貼在容器的壁外，容器內(nèi)的溶液采用自來水來作為測試液體。三次測量是在芯片內(nèi)部增益，溶液材質(zhì)不變的情況下，分別采用3種不同壁厚與材質(zhì)的容器壁來實驗的。三次測量的壁厚分別為2.5，2.7和2.1 mm。實驗數(shù)據(jù)見表1。

從表1的實驗數(shù)據(jù)中可得在12 cm的范圍內(nèi)，第一次測量電壓總變化量約為1.2 V。每毫米的變化量為1200/120≈10 mV；第二次測量電壓總變化量為0.8 V。每毫米的變化量為800/120≈6.67 mV；第三次電壓總變化量為1.9 V。每毫米的變化量為1900/120≈15.8 mV。出現(xiàn)這種情況是由于實驗過程中容器壁厚不同所造成的。不過從實驗的數(shù)據(jù)來看，傳感器的線性度不受這些條件的影響。而傳感器的靈敏度與容器的壁厚有直接關(guān)系。在實際應(yīng)用中可以根據(jù)不同的壁厚來選擇芯片內(nèi)部的不同參數(shù)。將實驗數(shù)據(jù)做線性處理如圖7所示。

表1　電容液位線性傳感器測量結(jié)果

圖7實驗數(shù)據(jù)的線性處理

從圖7數(shù)據(jù)處理的結(jié)果來看，三次測量的輸出電壓的線性度都保持在99.5%以上，可以滿足工程中的實際應(yīng)用。不同增益以及容器壁厚時傳感器的分辨率不同，因此在實際應(yīng)用過程中要做好零點和滿量程校準，才能精確測量。兩種校準都可以通過MCU在測量前進行手動校準。

4　結(jié)論

與傳統(tǒng)的線性液位電容傳感器相比較本系統(tǒng)所設(shè)計的電容液位傳感器，采用非接觸模式，可以直接安裝在密閉容器外面，避免與容器內(nèi)的液體接觸造成污染或腐蝕傳感器等問題。設(shè)計中所采用差分式設(shè)計的電容傳感器的方案更是提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。從實驗的數(shù)據(jù)來看傳感器輸出的線性度較好，可以滿足工程中的應(yīng)用。所設(shè)計的測量系統(tǒng)可以精確測量非金屬密閉容器內(nèi)的實時液位狀態(tài)，系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于各種液位在線監(jiān)測領(lǐng)域內(nèi)。

參考文獻：

[1]王愛玲,房亞民.電容傳感器寄生電容干擾的產(chǎn)生原因及消除方法[J].華北科技學院學報，2005,2(1).93-95.

[2]楊三序.多極板電容式液位傳感器[J].傳感器技術(shù)，2003,22 (8).15-17.

[3]張波.分段電容式液位測量的研究[D].大連:大連海事大學，2010.

[4]程大鵬.基于電容傳感器的薄膜厚度測量系統(tǒng)研究[D].桂林:桂林電子科技大學，2011.

[5]Yu J,Wang W,Li X,et a1.Simu1ation ana1ysis on characteristics of a p1anar capacitive sensor for 1arge sca1e measurement[A].2009 2nd Internationa1 Conference on Inte11igentComputing Techno1ogy and Automation,2009:201-204.

[6] 刑本鳳.高精度微弱電容檢測技術(shù)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學，2010.

[7] 彭益武,李國輝.電容式傳感器的設(shè)計方法探討[J].蕪湖職業(yè)技術(shù)學院學報，2013,15(3).40-43.

[8] 劉少剛,安進華,羅躍生,等.單一平面電容傳感器數(shù)學模型及有限元解法研究[J].哈爾濱工程大學學報，2011,32(1). 79-84.

[9]黃林.無線單片式微位移電容傳感器的研究[D].成都：西南交通大學，2013.

[10]McIntosh R B,Mauger P E,Patterson S R.Capacitive transducers with curved e1ectrodes[J].IEEE Sensors Journa1, 2006,6(1):125-138.

[11]袁有臣,于祥洲,田洪貞.差動電容傳感器信號調(diào)理中的非線性校正[J].青島科技大學學報(自然科學版)，2012，33(3). 321-324.

[12]董林璽,李壽洛,陳金丹,等.不同檢測電容結(jié)構(gòu)對MEMS電容傳感器性能的影響分析[J].傳感技術(shù)學報，2010,23(4): 501-507.

（責任編輯：葉麗娜）

中圖分類號：TP216.1

文獻標識碼：A

文章編號：1674-2109(2015)12-0074-05

收稿日期：2015-05-27

作者簡介：陳俊龍（1987-），男，漢族，碩士，主要從事嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用研究。

通訊作者：施隆照（1968-），男，漢族，副教授，主要從事智能儀器、集成電路設(shè)計研究。

Non-contact Linear Liquid Level Measurement System Based on Coplanar Capacitor

CHEN Jun1ong1,2，SHI Longzhao1

(1.Schoo1 of Physics and Information Engineering,Fuzhou University,Fuzhou,Fujian 350116; 2.Inte11isense Microe1ectronics Led.Company,Xiamen,Fujian 361008)

Abstract:This paper designed a non-contact 1inear 1iquid 1eve1 measurement system based on cop1anar capacitive sensor.The system inc1udes the cop1anar capacitive sensor,the capacitance to vo1tage conversion circuit,the process of converted capacitance data and the 1iquid crysta1 disp1ay.Compared with the traditiona1 1inear 1iquid 1eve1 sensor in this system design of the capacitance 1iquid 1eve1 sensor, the sensor can be insta11ed direct1y outside the airtight container,avoid contact with the 1iquid container which brings the prob1ems such as po11ution or corrosion sensors.Adopted in the design of the differentia1 capacitance design scheme to improve the anti-interference abi1ity of the system.The measurement system has simp1e structure,high sensitivity,good stabi1ity,good dynamic response characteristics, it can accurate1y measure the 1eve1 of 1iquid in an airtight container in rea1 time in high temperature,strong EMI environment.It can be wide1y used in the on1ine monitoring of the 1iquid 1eve1.

Key words:cop1anar capacitive sensor;capacitive fringe effect;non-contact;1inear 1eve1 measurement