具有校正功能的液面檢測(cè)器設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王文軍

（江西水利職業(yè)學(xué)院信息工程系，南昌330013）

具有校正功能的液面檢測(cè)器設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王文軍*

（江西水利職業(yè)學(xué)院信息工程系，南昌330013）

為了以更低的成本和更加簡(jiǎn)單的操作方式來(lái)實(shí)現(xiàn)液面計(jì)量，提出了一種新的具有校正功能的液面檢測(cè)器，其輸出信號(hào)是脈沖流。通過(guò)設(shè)計(jì)具有比較電路和校驗(yàn)電路的芯片，該液面檢測(cè)器只需要簡(jiǎn)單地調(diào)整參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)各種液位傳感器的修正，然后使用配置范圍在3.97 mm～123.34 mm之間的液位傳感器，相應(yīng)的輸出頻率范圍可以達(dá)到3.12 kHz～57.25 kHz。最后進(jìn)行了實(shí)際雨量測(cè)量實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)校正后，測(cè)量的最大頻率誤差為1.46%，驗(yàn)證了提出的液面檢測(cè)器的正確性和精確性。

液面檢測(cè)；液面?zhèn)鞲衅鳎恍Ｕ?；脈沖流

最近，液位的檢測(cè)問(wèn)題變得越來(lái)越重要。特別是如果遇到爆炸型或易燃型的液體，那么勢(shì)必極其強(qiáng)烈地需要用于確保必要的內(nèi)在安全的液位檢測(cè)器。為了快速地了解液位的變化，一臺(tái)兼?zhèn)淞畠r(jià)、小型的液位監(jiān)測(cè)設(shè)備顯然變得十分必要。

以前的測(cè)量液位設(shè)備設(shè)計(jì)的原則是基于電容性、高頻電波、光學(xué)、感應(yīng)，以及電阻式的技術(shù)。例如，萬(wàn)里霞［3］等人提出了一種基于電容式傳感器的液面檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)鎖相環(huán)CD4046電路實(shí)現(xiàn)對(duì)電容式傳感器數(shù)值變化的測(cè)量。文獻(xiàn)［2］提出了基于高頻聲波的液面?zhèn)鞲衅?。王占勇?］等人提出的液面檢測(cè)系統(tǒng)使用了PLC電路和變頻器，并配有專門(mén)的觸摸屏，但是其應(yīng)用場(chǎng)景比較局限。張祖力［4］等人使用加熱式熱電偶傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)液面變化的檢測(cè)，通過(guò)讀取發(fā)熱體在氣體和液體中放熱系數(shù)的較大變化來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，可靠性較高但是精確度一般。關(guān)春穎［5］等人提出的設(shè)計(jì)則是典型的光學(xué)感應(yīng)液面檢測(cè)，適用于光纖液體傳感器的擴(kuò)展應(yīng)用，采用有限元方法，通過(guò)數(shù)值模擬。

為了克服以上提出的各種問(wèn)題，本文首次通過(guò)芯片解決方案提出具有校正功能的液面檢測(cè)器。無(wú)需專門(mén)的硬件和軟件，具備更低成本，使用者更容易操作。此外，為了在廣泛的數(shù)字傳輸系統(tǒng)中輸出電流，直接輸出信號(hào)是具有脈沖流的特征，輸出的電流可以很容易地被接收到，并且通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）處理，如圖1所示。因此，提出的具有校正功能的液面檢測(cè)器可以將液位的信息轉(zhuǎn)換為輸出脈沖。通過(guò)監(jiān)控頻率，使用者或者工人都可以很容易地知道液位。

圖1　提出的液面檢測(cè)器的方框圖

本文提出的具有校正功能的液面檢測(cè)器，是基于0.35 μm 2P4M CMOS技術(shù)，電壓在3.3 V～5.0 V之間。通過(guò)配置范圍在3.97 mm～123.34 mm之間的液位傳感器，相應(yīng)的輸出頻率范圍在3.12 kHz～57.25 kHz之間。提出的校準(zhǔn)液位傳感器變換器適用于各種可檢測(cè)液位的設(shè)備。

1　提出的系統(tǒng)架構(gòu)

首先，使用固定在量杯內(nèi)側(cè)壁上的金屬電線作為感應(yīng)液位的設(shè)備。如圖2所示，在異或門(mén)與金屬電線的輸出信號(hào)連接之后，建立了液位傳感器。因此，液位對(duì)應(yīng)于它的直流電壓。設(shè)計(jì)使用的電壓為0.1 V～3.2 V。該液位感應(yīng)器的設(shè)計(jì)將應(yīng)用于以下的電路設(shè)計(jì)中。

圖2顯示了提出的液面檢測(cè)器的電路原理圖。它由一組液位傳感器、一個(gè)運(yùn)算放大器（OP），一個(gè)PMOS和NMOS電流反射鏡，一個(gè)比較器，以及一組校驗(yàn)電路組成。校驗(yàn)電路是由5 bit的譯碼器控制。A0～A4這5個(gè)編碼可以由用戶調(diào)整。

圖2　提出的具有校正功能的液面檢測(cè)器電路示意圖

現(xiàn)在討論電路設(shè)計(jì)，當(dāng)金屬電線被浸泡在液體中，電流接入時(shí)，傳感器將接收到一個(gè)高電壓等級(jí)。正如邏輯1的定義。相反，當(dāng)金屬電線浸泡在空中，而且沒(méi)有接入電流時(shí)，傳感器將接收到一個(gè)低電壓等級(jí)。正如邏輯0的定義。從Vin1到Vin32是32條金屬線的輸出電路，這些輸出電路將連接到異或門(mén)的輸入電路中。在由異或門(mén)操作之后，就產(chǎn)生了相應(yīng)的直流電壓。這是從MOSMl_1n到Ml_32n分別進(jìn)行。然后，電壓將由提出的液位傳感器變換器處理。MOSM0p到M8p被分組為PMOS電流鏡，而MOSM9n到M16n被分組為NMOS電流鏡，這些將傳感器的輸出電壓轉(zhuǎn)換成電流。當(dāng)啟用信號(hào)EN處于邏輯高電位時(shí)，電流IB由此產(chǎn)生。

首先，電容器C0在電壓Vc上充電。這時(shí)Vc是5 V。然后，從液位轉(zhuǎn)換而來(lái)的電流IB向Cj放電，并且在比較器的輸入電路上降低電壓，將其命名為Vj。如果Vj下降低于比較器的閾值電壓Vref，則比較器的輸出電壓轉(zhuǎn)換成邏輯高電位，并且打開(kāi)轉(zhuǎn)換的金屬氧化物半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)。當(dāng)打開(kāi)轉(zhuǎn)換的金屬氧化物半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)時(shí)，電容器C0將再次在電壓Vc上充電。輸出頻率和IB之間的關(guān)系由以下公式推導(dǎo)。

其中Ctotal表示在比較器負(fù)輸入節(jié)點(diǎn)的總電容，其推導(dǎo)公式如下：

我國(guó)食品工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)包括國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分為強(qiáng)制性和推薦性兩類(lèi)，代號(hào)分別為 GB和GB/T。強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)由國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)發(fā)布或授權(quán)發(fā)布，推薦性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)由國(guó)務(wù)院標(biāo)準(zhǔn)化行政主管部門(mén)制定。

其中C0表示設(shè)計(jì)電容器495 fF。CFET表示比較器的線路電容和輸入電容。

IB推導(dǎo)如下：

其中Vl表示傳感器的輸出電壓。m表示電流鏡的比率。

合并式（1）～式（3），輸出頻率可以修改為：

分析式（2），電路的非線性效應(yīng)來(lái)自于內(nèi)在的寄生電容CFET。因此，應(yīng)該添加提出的校驗(yàn)電路。所提出的方法不僅可以解決來(lái)自電路寄生電容的問(wèn)題，還可以解決各種液位傳感器的非線性問(wèn)題。所提出的校驗(yàn)方法的主要概念是調(diào)整校驗(yàn)電容，補(bǔ)償輸出頻率。在實(shí)施該方法后，輸出頻率可以修改為：

其中，

其中Ci表示15 fF的電容器。當(dāng)數(shù)字代碼A0到A4為11111時(shí)，Ccail為495 fF。在這種情況下，Ccail等于C0。校驗(yàn)電容總和Ccail由5比特的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。用戶可以在A0到A4之間自適應(yīng)地調(diào)整，靈活地校驗(yàn)輸出頻率。因此，輸出頻率可以很容易得到校驗(yàn)。

圖3　比較器的電路示意圖

比較器的電路示意圖如圖3所示。比較器的總增益推導(dǎo)如下：

并且，

其中K表示MOSM3和M7之間的W/L比率，gm表示晶體管跨導(dǎo)。二極管連接的晶體管和正反饋回路晶體管的結(jié)合充當(dāng)了一個(gè)中等大小的阻抗。它從前置放大器階段到軌道—閉鎖階段獲得增益。

2　模擬仿真驗(yàn)證

首先，對(duì)增益和相位進(jìn)行驗(yàn)證。增益是35dB，而延遲是35.5ns［10］。最后，比較器的比較函數(shù)如圖4所示。

圖4　比較器的模擬結(jié)果

圖4中，Vin+的輸入信號(hào)在1.650 01和1.649 99 V之間是變化的，而Vin-的輸入信號(hào)是固定的，為1.65 V。通過(guò)使用電流鏡，將輸出信號(hào)與輸入信號(hào)相隔離。因此沒(méi)有反沖的效果。從閉鎖邏輯可以獲得完整的邏輯擺幅。在構(gòu)建整個(gè)電路之后，該芯片的電路功能得到了驗(yàn)證。

校驗(yàn)前后的模擬結(jié)果分別體現(xiàn)在圖5和圖6中。如圖所示，正確的電路功能全部成功執(zhí)行。圖7體現(xiàn)了所有的液體水平和輸出頻率的比較。曲線是從式（1）計(jì)算獲得的，Ctotal總和等于495 fF。校驗(yàn)之后，模擬的結(jié)果與計(jì)算的曲線吻合。如圖5～圖7所示，電路功能全部成功執(zhí)行。該芯片所有的功能和性能都通過(guò)SPICE模擬進(jìn)行了正確地設(shè)計(jì)。

圖5　在校驗(yàn)之前，當(dāng)電壓Vl等于（a）0.1V、（b）1.1 V、（c）2.1 V、（d）3.2 V時(shí)，所提出電路的模擬結(jié)果

圖6　在校驗(yàn)之后，當(dāng)電壓Vl等于（a）0.1 V、（b）1.1 V、（c）2.1 V、（d）3.2 V時(shí)，所提出電路的模擬結(jié)果

圖7　提出的具有校正功能的液面檢測(cè)器在不同液位下的模擬結(jié)果

3　實(shí)際測(cè)量結(jié)果

圖8分別顯示了設(shè)計(jì)芯片的實(shí)際照片。接受試驗(yàn)的芯片尺寸為2 mm×1.96 mm，包括數(shù)字緩沖區(qū)在內(nèi)，實(shí)測(cè)的能耗為17.32 mW。圖9顯示了實(shí)際測(cè)量環(huán)境設(shè)置，包括電源、一個(gè)量杯，Agilent-33500B函數(shù)發(fā)生器，以及提出的芯片電路板。系統(tǒng)時(shí)鐘頻率fc為25 MHz。Vs為3.2 V，而Vc為5 V。

圖10分別顯示了在液面為1和32的情況下，所提議提出芯片在校驗(yàn)前后的測(cè)量結(jié)果。如圖所示，該芯片的電路設(shè)計(jì)得到正確地驗(yàn)證。現(xiàn)在，通過(guò)真實(shí)的降雨量，對(duì)提出的校準(zhǔn)液位傳感器變換器進(jìn)行了試驗(yàn)。測(cè)試降雨量的范圍在3.97 mm～ 123.34 mm之間。

圖8　設(shè)計(jì)的芯片圖片，芯片尺寸為2 mm×1.96 mm

圖9　實(shí)際測(cè)量實(shí)驗(yàn)設(shè)置

圖10　提出的芯片在這些步數(shù)下的測(cè)量結(jié)果

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，輸出頻率的測(cè)量結(jié)果如圖11所示。相應(yīng)的輸出頻率范圍在3.12 kHz～57.25 kHz之間。線性誤差由式（10）推導(dǎo)［11］：

通過(guò)真實(shí)的降雨量監(jiān)測(cè)，對(duì)提出的液面檢測(cè)器的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)。降雨量的范圍在3.97 mm～123.34 mm之間進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖12所示。

圖11　真實(shí)降雨量檢測(cè)結(jié)果

在校驗(yàn)之后，測(cè)量的最大頻率誤差為1.46%。如以上圖顯示，通過(guò)提出的芯片級(jí)檢測(cè)器，可以很容易檢測(cè)并且得知降雨量的液位。測(cè)量結(jié)果已經(jīng)成功地驗(yàn)證了提出的具有校正功能的液面檢測(cè)器的功能和性能。表1對(duì)提出的液面檢測(cè)器的特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。

表1　用于檢測(cè)植物園的降雨量而提出的校準(zhǔn)液位傳感器變換器的特點(diǎn)總結(jié)

4　結(jié)論

提出了一種新的具有校正功能的液面檢測(cè)器。通過(guò)具有比較電路和校驗(yàn)電路的芯片設(shè)計(jì)，該液面檢測(cè)器只需要簡(jiǎn)單地調(diào)整參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)各種液位傳感器的修正，并且所提出芯片的輸出信號(hào)是脈沖流，它可以很容易地傳輸?shù)礁鞣N傳播媒體中，比如發(fā)送包開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)、廣播、光學(xué)、紅外、超聲波等等。通過(guò)配置范圍在3.97 mm～123.34 mm之間的液位傳感器，相應(yīng)的輸出頻率范圍在3.12 kHz～57.25 kHz之間。通過(guò)模擬和真實(shí)測(cè)試，提出的芯片所有的功能和性能都得到了驗(yàn)證，從而證實(shí)了其正確性和實(shí)用性。

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王文軍（1967-）男，漢族，江蘇江陰市人，本科，副教授，研究方向?yàn)殡娮蛹夹g(shù)應(yīng)用與智能控制，教學(xué)改革，wangwen?jun0901@126.com。

Design and Application of Liquid Level Detector with Correction Function

WANG Wenjun*
（Department of Information Engineering，Jiangxi Water Resources Institute，Nanchang 330013，China）

In order to realize liquid level measurement with lower cost and simpler operation mode，a new liquid level detector with the function of calibration is presented，and its output signal is pulse current.Through the design with comparison circuit and calibration circuit chip，the liquid level detector needs only simple adjustment of parameters，modification of various liquid level sensor can be realized，and then the allocation of 3.97 mm～123.34 mm in the liquid level sensor can be used.The corresponding output frequency range can reach to 3.12 kHz～57.25 kHz.Finally，the experimental results of the actual rainfall measurement show that，after the correction，the maximum frequency error of the measurement is 1.46%，the correctness and accuracy of the proposed liquid surface detector are verified. Key words：liquid level detection；liquid level sensor；correction；pulse flow

TP212

A

1005-9490（2016）02-0453-06

EEACC：7210B10.3969/j.issn.1005-9490.2016.02.041

2015-06-05修改日期：2015-07-17