CN109357727B - 一种带有介电常数补偿的电容式油量测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带有介电常数补偿的电容式油量测量系统，其特征在于：包括产生方波信号的方波激励信号发生电路、将方波信号转换为激励三角波信号的积分电路、接收激励三角波信号产生与油量电容增量ΔC相关的平衡激励电流I1的电容式传感器、接收平衡激励电流I1产生介电补偿电流I2的介电常数补偿电路、利用方波信号实现分时积分并通过分时积分将介电补偿电流I2转换为电压的I/V变换电路和将电压滤波后输出与激励油量电容CA对应的电压值来实现油量测量功能的滤波跟随电路。通过对介电常数进行补偿，提高了油量测量的测量精度；同时测量原理简单，硬件占用资源较少，仅通过电容、电阻和集成运放便可实现油量测量。

Description

一种带有介电常数补偿的电容式油量测量系统
技术领域
本发明涉及一种电容式油量测量系统，尤其涉及一种带有介电常数补偿的电容式油量测量系统。
背景技术
飞机油量测量系统是指在地面和飞行状态下，连续测量和指示飞机可用燃油质量的系统，目前，已有多种方法用于测量燃油，从使用多传感器如浮子逐次离散油位测量，到使用全深度传感器阵列如电容式装置的连续测量。最广泛应用于油量精确测量的是电容式油量测量技术，电容式油量测量技术结构简单、适应性强、分辨率高、性能稳定。随着微电子技术的发展和系统集成度要求的不断提高，电容式油量测量技术利于硬件功能软化、提高精度、便于采用总线结构等特点，在油量测量技术中显示着越来越大的优势。传统的电容式油量测量技术只能应用于介电常数较稳定的场合，在很多介电常数多变的环境下已经无法应用。若介电常数按常数处理，与燃油类型或温度无关，导入燃油油量测量的误差通常为指示值的±6％。若导入对介电常数变化的修正，误差将减少到±2.75％。因此，传统的电容式油量测量技术不能实现准确检测液位的目的。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种通过硬件电路实现介电常数补偿从而准确检测液位的电容式油量测量系统。为解决上述技术问题，本发明的一种带有介电常数补偿的电容式油量测量系统，其特征在于：包括产生方波信号的方波激励信号发生电路、将方波信号转换为激励三角波信号的积分电路、接收激励三角波信号产生与油量电容增量ΔC相关的平衡激励电流I1的电容式传感器、接收平衡激励电流I1产生介电补偿电流I2的介电常数补偿电路、利用方波信号实现分时积分并通过分时积分将介电补偿电流I2转换为电压的I/V变换电路和将电压滤波后输出与激励油量电容CA对应的电压值来实现油量测量功能的滤波跟随电路，所述的介电常数补偿电路由运算放大器N3、运算放大器N4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C3、电容C4以及介电电容CN和介电平衡电容CM组成；所述的运算放大器N4的反相输入端和输出端间电连接介电电容CN和串联的电阻R7、电阻R8，所述的电阻R7、电阻R8间电连接电容C3一端，电容C3另一端接地，所述的电阻R7接入平衡激励电流I1；电阻R7、电阻R8与介电电容CN组成比例积分电路，平衡激励电流I1通过比例积分电路转化成与介电电容CN相关的三角波信号，同时，电阻R7与电容C3组成RC串联滤波电路，对信号进行整形；所述的运算放大器N4的反相输入端与介电平衡电容CM电连接，所述的介电平衡电容CM另一端与所述的运算放大器N3的输出端电连接，所述的电阻R5一端电连接所述的运算放大器N3的反相输入端，所述的电阻R5另一端电连接所述的运算放大器N4的输出端，所述的电阻R6一端电连接所述的运算放大器N3的反相输入端，所述的电阻R6另一端电连接所述的运算放大器N3的输出端，所述的运算放大器N3与电阻R5、电阻R6组成反相比例运算放大器，将三角波信号进行反相，用于激励介电平衡电容CM，CM的大小与CN的干电容值相等，反相比例运算放大器与介电平衡电容CM构成负反馈网络，稳定输出信号。
进一步，所述的方波激励信号发生电路主要由运算放大器N1，电阻R1、电阻R2、电阻R3以及充放电电容C1组成；所述的运算放大器N1的反相输入端电连接电阻R1和电阻R2一端，所述的运算放大器N1的同相输入端电连接充放电电容C1和电阻R3一端，所述的电阻R2另一端电连接输入电压，所述的电阻R1另一端电连接所述的运算放大器N1的输出端，所述的充放电电容C1另一端接地，所述的电阻R3另一端电连接所述的运算放大器N1的输出端；运算放大器N1与电阻R1和电阻R2组成具有开关特性的反相输入迟滞比较器，用来实现高电平“1”和低电平“0”两种状态；电阻R1和充放电电容C1组成的RC积分电路，将输出电压反馈到运算放大器N1的反相输入端，形成正反馈，用于产生振荡。
进一步，所述的积分电路由运算放大器N2、电阻R4以及电容C2组成；所述的运算放大器N2的同相输入端电连接输入电压，所述的运算放大器N2的反相输入端电连接电阻R4和电容C2一端，所述的电阻R4另一端电连接所述的方波激励信号发生电路并接收方波信号，所述的电容C2另一端电连接所述的运算放大器N2的输出端，方波信号通过电阻R4加在运算放大器N2的反相输入端，并在输出端和反相输入端之间通过电容C2引入一个深度负反馈，提高增益稳定性，减小非线性失真。
进一步，所述的I/V变换电路由模拟开关D1、运算放大器N5、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电容C5、电容C6以及电位器RP2组成；所述的电阻R9、电阻R10和电容C6一端电连接所述的运算放大器N5的同相输入端，所述的电阻R9另一端电连接输入电压，所述的电阻R10另一端接地，所述的电容C6另一端电连接所述的电阻R10另一端，所述的模拟开关D1的D1引脚电连接所述的运算放大器N5的同相输入端，所述的模拟开关D1的D2引脚电连接所述的运算放大器N5的反相输入端，所述的介电常数补偿电路产生的介电补偿电流I2和所述的方波激励信号发生电路产生的方波信号由所述的模拟开关D1分时选通，所述的电阻R12一端电连接所述的运算放大器N5的输出端，所述的电容C5电连接在所述的运算放大器N5的反相输入端和输出端间，所述的电阻R11一端与电位器RP2一端电连接，所述的电阻R11另一端电连接所述的运算放大器N5的反相输入端，所述的电位器RP2另一端电连接电阻R12的另一端，所述的电容C6是旁路电容，滤除高频噪声；电阻R9、电阻R10是分压电阻，为运算放大器N5提供参考电压；运算放大器N5、电容C5、电阻R11、电阻R12和电位器RP2构成比例积分电路，将模拟开关D1分时选通的介电补偿电流I2转换为电压信号。
进一步，所述的滤波跟随电路由电阻R13、电阻R14、电容C7、电容C8、电感L1以及运算放大器N6组成；所述的电阻R13一端接入所述的I/V变换电路转换的电压信号，所述的电阻R13另一端电连接所述的运算放大器N6的同相输入端，所述的电容C7一端电连接所述的电阻R13的一端，所述的电容C7另一端接地，所述的电容C8一端电连接所述的电阻R13的另一端，所述的电容C8另一端接地，所述的电阻R14一端电连接所述的运算放大器N6的输出端，所述的电感L1一端电连接所述的运算放大器N6的反相输入端，所述的电感L1另一端电连接所述的电阻R14的另一端，所述的电阻R13与电容C7、电容C8构成RC串联滤波电路，可滤除电压信号中的低频噪声；运算放大器N6、电阻R14和电感L1构成具有滤波作用的能隔离后级负载信号对电路的影响、提高带载能力的电压跟随器。
本发明的一种带有介电常数补偿的电容式油量测量系统具有如下积极效果，一种带有介电常数补偿的电容式油量测量系统通过对介电常数进行补偿，提高了油量测量的测量精度；本发明的测量原理比电桥测量原理简单，硬件占用资源较少，元器件规模较小，仅通过电容、电阻和集成运放便可实现油量测量，成本低，具有良好的经济性和社会效益，比传统的电容式油量测量系统使用范围更广。
附图说明
图1是本发明的一种带有介电常数补偿的电容式油量测量系统原理示意框图。
图2是本发明的一种带有介电常数补偿的电容式油量测量系统的方波激励信号发生电路的示意图。
图3是本发明的一种带有介电常数补偿的电容式油量测量系统的方波激励信号的示意波形图。
图4是本发明的一种带有介电常数补偿的电容式油量测量系统的积分电路的示意图。
图5是本发明的一种带有介电常数补偿的电容式油量测量系统的介电常数补偿电路的示意图。
图6是本发明的一种带有介电常数补偿的电容式油量测量系统的I/V变换电路的示意图。
图7是本发明的一种带有介电常数补偿的电容式油量测量系统的滤波跟随电路的示意图。
具体实施方式
参阅图1和图5。在以下描述的一个实施例中，本发明的一种带有介电常数补偿的电容式油量测量系统，其特征在于：包括产生方波信号的方波激励信号发生电路、将方波信号转换为激励三角波信号的积分电路、接收激励三角波信号产生与油量电容增量ΔC相关的平衡激励电流I1的电容式传感器、接收平衡激励电流I1产生介电补偿电流I2的介电常数补偿电路、利用方波信号实现分时积分并通过分时积分将介电补偿电流I2转换为电压的I/V变换电路和将电压滤波后输出与激励油量电容CA对应的电压值来实现油量测量功能的滤波跟随电路，所述的介电常数补偿电路由运算放大器N3、运算放大器N4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C3、电容C4以及介电电容CN和介电平衡电容CM组成；所述的运算放大器N4的反相输入端和输出端间电连接介电电容CN和串联的电阻R7、电阻R8，所述的电阻R7、电阻R8间电连接电容C3一端，电容C3另一端接地，所述的电阻R7接入平衡激励电流I1；电阻R7、电阻R8与介电电容CN组成比例积分电路，平衡激励电流I1通过比例积分电路转化成与介电电容CN相关的三角波信号，同时，电阻R7与电容C3组成RC串联滤波电路，对信号进行整形；所述的运算放大器N4的反相输入端与介电平衡电容CM电连接，所述的介电平衡电容CM另一端与所述的运算放大器N3的输出端电连接，所述的电阻R5一端电连接所述的运算放大器N3的反相输入端，所述的电阻R5另一端电连接所述的运算放大器N4的输出端，所述的电阻R6一端电连接所述的运算放大器N3的反相输入端，所述的电阻R6另一端电连接所述的运算放大器N3的输出端，所述的运算放大器N3与电阻R5、电阻R6组成反相比例运算放大器，将三角波信号进行反相，用于激励介电平衡电容CM，CM的大小与CN的干电容值相等，反相比例运算放大器与介电平衡电容CM构成负反馈网络，稳定输出信号。方波激励信号发生电路产生的方波信号一方面用于驱动后级测量电路，另一方面用于I/V转换电路实现分时积分；方波信号通过积分电路后，产生激励油量电容CA的三角波信号，同时，该三角波信号通过由电阻R、电位器RP和运算放大器N构成的反比例运算放大器后，产生与原三角波信号相位相差180°、幅值可变的新三角波信号，用于激励平衡电容CB，CB的大小与CA的干电容值相等，反比例运算放大器放大电压倍数为-RP/R；相位相反的两个三角波信号分别激励电容后产生与油量电容增量ΔC相关的平衡激励电流I1，该电流I1经过介电常数补偿电路后，产生介电补偿电流I2；I/V变换电路通过分时积分将介电补偿电流I2转换为电压，通过滤波跟随电路后，输出与油量电容CA对应的电压值，实现油量测量功能。
参阅图2。所述的方波激励信号发生电路主要由运算放大器N1，电阻R1、R2、R3以及充放电电容C1组成；所述的运算放大器N1的反相输入端电连接电阻R1和电阻R2一端，所述的运算放大器N1的同相输入端电连接充放电电容C1和电阻R3一端，所述的电阻R2另一端电连接输入电压，所述的电阻R1另一端电连接所述的运算放大器N1的输出端，所述的充放电电容C1另一端接地，所述的电阻R3另一端电连接所述的运算放大器N1的输出端；运算放大器N1与电阻R1和电阻R2组成具有开关特性的反相输入迟滞比较器，用来实现高电平“1”和低电平“0”两种状态；电阻R1和充放电电容C1组成的RC积分电路，将输出电压反馈到运算放大器N1的反相输入端，形成正反馈，用于产生振荡。该电路中，波形周期T＝2R3C1(1+2R2/R1)，波形图如图3所示。
参阅图4。所述的积分电路由运算放大器N2，电阻R4以及电容C2组成；所述的运算放大器N2的同相输入端电连接输入电压，所述的运算放大器N2的反相输入端电连接电阻R4和电容C2一端，所述的电阻R4另一端电连接所述的方波激励信号发生电路并接收方波信号，所述的电容C2另一端电连接所述的运算放大器N2的输出端，方波信号通过电阻R4加在运算放大器N2的反相输入端，并在输出端和反相输入端之间通过电容C2引入一个深度负反馈，提高增益稳定性，减小非线性失真。
参阅图6。所述的I/V变换电路由模拟开关D1、运算放大器N5、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电容C5、电容C6以及电位器RP2组成；所述的电阻R9、电阻R10和电容C6一端电连接所述的运算放大器N5的同相输入端，所述的电阻R9另一端电连接输入电压，所述的电阻R10另一端接地，所述的电容C6另一端电连接所述的电阻R10另一端，所述的模拟开关D1的D1引脚电连接所述的运算放大器N5的同相输入端，所述的模拟开关D1的D2引脚电连接所述的运算放大器N5的反相输入端，所述的介电常数补偿电路产生的介电补偿电流I2和所述的方波激励信号发生电路产生的方波信号由所述的模拟开关D1分时选通，所述的电阻R12一端电连接所述的运算放大器N5的输出端，所述的电容C5电连接在所述的运算放大器N5的反相输入端和输出端间，所述的电阻R11一端与电位器RP2一端电连接，所述的电阻R11另一端电连接所述的运算放大器N5的反相输入端，所述的电位器RP2另一端电连接电阻R12的另一端，所述的电容C6是旁路电容，滤除高频噪声；电阻R9、电阻R10是分压电阻，为运算放大器N5提供参考电压；运算放大器N5、电容C5、电阻R11、电阻R12和电位器RP2构成比例积分电路，将模拟开关D1分时选通的介电补偿电流I2转换为电压信号。
参阅图7。所述的滤波跟随电路由电阻R13、电阻R14、电容C7、电容C8、电感L1以及运算放大器N6组成；所述的电阻R13一端接入所述的I/V变换电路转换的电压信号，所述的电阻R13另一端电连接所述的运算放大器N6的同相输入端，所述的电容C7一端电连接所述的电阻R13的一端，所述的电容C7另一端接地，所述的电容C8一端电连接所述的电阻R13的另一端，所述的电容C8另一端接地，所述的电阻R14一端电连接所述的运算放大器N6的输出端，所述的电感L1一端电连接所述的运算放大器N6的反相输入端，所述的电感L1另一端电连接所述的电阻R14的另一端，所述的电阻R13与电容C7、电容C8构成RC串联滤波电路，可滤除电压信号中的低频噪声；运算放大器N6、电阻R14和电感L1构成具有滤波作用的能隔离后级负载信号对电路的影响、提高带载能力的电压跟随器。

Claims (5)

1.一种带有介电常数补偿的电容式油量测量系统，其特征在于：包括产生方波信号的方波激励信号发生电路、将方波信号转换为激励三角波信号的积分电路、接收激励三角波信号产生与油量电容增量ΔC相关的平衡激励电流I1的电容式传感器、接收平衡激励电流I1产生介电补偿电流I2的介电常数补偿电路、利用方波信号实现分时积分并通过分时积分将介电补偿电流I2转换为电压的I/V变换电路和将电压滤波后输出与激励油量电容CA对应的电压值来实现油量测量功能的滤波跟随电路，所述的介电常数补偿电路由运算放大器N3、运算放大器N4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C3、电容C4以及介电电容CN和介电平衡电容CM组成；所述的运算放大器N4的反相输入端和输出端间电连接介电电容CN和串联的电阻R7、电阻R8，所述的电阻R7、电阻R8间电连接电容C3一端，电容C3另一端接地，所述的电阻R7接入平衡激励电流I1；电阻R7、电阻R8与介电电容CN组成比例积分电路，平衡激励电流I1通过比例积分电路转化成与介电电容CN相关的三角波信号，同时，电阻R7与电容C3组成RC串联滤波电路，对信号进行整形；所述的运算放大器N4的反相输入端与介电平衡电容CM电连接，所述的介电平衡电容CM另一端与所述的运算放大器N3的输出端电连接，所述的电阻R5一端电连接所述的运算放大器N3的反相输入端，所述的电阻R5另一端电连接所述的运算放大器N4的输出端，所述的电阻R6一端电连接所述的运算放大器N3的反相输入端，所述的电阻R6另一端电连接所述的运算放大器N3的输出端，所述的运算放大器N3与电阻R5、电阻R6组成反相比例运算放大器，将三角波信号进行反相，用于激励介电平衡电容CM，CM的大小与CN的干电容值相等，反相比例运算放大器与介电平衡电容CM构成负反馈网络，稳定输出信号。
2.根据权利要求1所述的一种带有介电常数补偿的电容式油量测量系统，其特征在于：所述的方波激励信号发生电路主要由运算放大器N1，电阻R1、电阻R2、电阻R3以及充放电电容C1组成；所述的运算放大器N1的反相输入端电连接电阻R1和电阻R2一端，所述的运算放大器N1的同相输入端电连接充放电电容C1和电阻R3一端，所述的电阻R2另一端电连接输入电压，所述的电阻R1另一端电连接所述的运算放大器N1的输出端，所述的充放电电容C1另一端接地，所述的电阻R3另一端电连接所述的运算放大器N1的输出端；运算放大器N1与电阻R1和电阻R2组成具有开关特性的反相输入迟滞比较器，用来实现高电平“1”和低电平“0”两种状态；电阻R1和充放电电容C1组成的RC积分电路，将输出电压反馈到运算放大器N1的反相输入端，形成正反馈，用于产生振荡。
3.根据权利要求1所述的一种带有介电常数补偿的电容式油量测量系统，其特征在于：所述的积分电路由运算放大器N2、电阻R4以及电容C2组成；所述的运算放大器N2的同相输入端电连接输入电压，所述的运算放大器N2的反相输入端电连接电阻R4和电容C2一端，所述的电阻R4另一端电连接所述的方波激励信号发生电路并接收方波信号，所述的电容C2另一端电连接所述的运算放大器N2的输出端，方波信号通过电阻R4加在运算放大器N2的反相输入端，并在输出端和反相输入端之间通过电容C2引入一个深度负反馈，提高增益稳定性，减小非线性失真。
4.根据权利要求1所述的一种带有介电常数补偿的电容式油量测量系统，其特征在于：所述的I/V变换电路由模拟开关D1、运算放大器N5、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电容C5、电容C6以及电位器RP2组成；所述的电阻R9、电阻R10和电容C6一端电连接所述的运算放大器N5的同相输入端，所述的电阻R9另一端电连接输入电压，所述的电阻R10另一端接地，所述的电容C6另一端电连接所述的电阻R10另一端，所述的模拟开关D1的D1引脚电连接所述的运算放大器N5的同相输入端，所述的模拟开关D1的D2引脚电连接所述的运算放大器N5的反相输入端，所述的介电常数补偿电路产生的介电补偿电流I2和所述的方波激励信号发生电路产生的方波信号由所述的模拟开关D1分时选通，所述的电阻R12一端电连接所述的运算放大器N5的输出端，所述的电容C5电连接在所述的运算放大器N5的反相输入端和输出端间，所述的电阻R11一端与电位器RP2一端电连接，所述的电阻R11另一端电连接所述的运算放大器N5的反相输入端，所述的电位器RP2另一端电连接电阻R12的另一端；所述的电容C6是旁路电容，滤除高频噪声；电阻R9、电阻R10是分压电阻，为运算放大器N5提供参考电压；运算放大器N5、电容C5、电阻R11、电阻R12和电位器RP2构成比例积分电路，将模拟开关D1分时选通的介电补偿电流I2转换为电压信号。
5.根据权利要求 1-4 任一项所述的 一种带有介电常数补偿的电容式油量测量系统，其特征在于：所述的滤波跟随电路由电阻R13、电阻R14、电容C7、电容C8、电感L1以及运算放大器N6组成；所述的电阻R13一端接入所述的I/V变换电路转换的电压信号，所述的电阻R13另一端电连接所述的运算放大器N6的同相输入端，所述的电容C7一端电连接所述的电阻R13的一端，所述的电容C7另一端接地，所述的电容C8一端电连接所述的电阻R13的另一端，所述的电容C8另一端接地，所述的电阻R14一端电连接所述的运算放大器N6的输出端，所述的电感L1一端电连接所述的运算放大器N6的反相输入端，所述的电感L1另一端电连接所述的电阻R14的另一端，所述的电阻R13与电容C7、电容C8构成RC串联滤波电路，可滤除电压信号中的低频噪声；运算放大器N6、电阻R14和电感L1构成具有滤波作用的能隔离后级负载信号对电路的影响、提高带载能力的电压跟随器。
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