CN112161675B - 一种电容式液位传感器最佳匹配参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电容式液位传感器最佳匹配参数设计方法，包括如下步骤：步骤1：将信号源输出电压、阻抗为X_R的阻抗器件和阻抗为X_S的电容传感器构成串联电路，步骤2：根据公式2计算电容传感器上的阻抗电压V_S的变化量δ；步骤3：对公式(2)求X_R的一阶导数；步骤4：根据公式(5)所得X_R即为获得传感器最大动态电压变化量δ_max的取值；步骤5：将电容传感器的阻抗X_S的区间数值代入公式(5)，并取复数的模可得X_R。根据本方法原理设计出的电容式液位传感器适用于介电常数低的液体的液位测量，提高了传感器的灵敏度，提高了传感的测量精度，传输的信号更加准确。

Description

一种电容式液位传感器最佳匹配参数设计方法

技术领域

本发明涉及一种电容式液位传感器最佳匹配参数设计方法，属于液位传感器技术领域。

背景技术

液位传感器是将液位的变化转换为电压的变化,该电压能够很好的与液位的高低相对应起来，从而实现了实时液位监测。在外部应变量的作用下，电容式液位传感器将输出与外部应变量对应的电压信号。液位传感器上的电压变化量δ，是衡量传感器灵敏度的重要指标。对于特定参数的液位传感器，其输出电压变化量不仅受到自身参数的影响，还受到外部电路结构和参数带来的影响。由于整体电路结构和参数的选频特性，如果外部电路及其参数配置不当，将会显著降低液位传感器的灵敏度。为此，研究液位传感器外部电路结构和参数配置，在液位传感器技术及其应用领域具有重要意义。

发明内容

为了获得液位传感器的最佳输出动态信号，本发明提供一种电容式液位传感器最佳匹配参数设计方法，通过测试电容上的电压变化量确定传感器的电容变化量，并最终获得传感器外部施加的应变量的变化量。

一种电容式液位传感器最佳匹配参数设计方法，包括如下步骤：

步骤1：将信号源输出电压、阻抗为X_R的阻抗器件和阻抗为X_S的电容传感器构成串联电路，其中，信号源输出电压是幅度和频率分别为V_T和f的正弦波电信号，则电容传感器上的阻抗电压V_S表达式为：

步骤2：设外界应变导致电容传感器的阻抗变化区间为X_S∈[X_Smin,X_Smax]，则电容传感器上的阻抗电压V_S的变化量δ表示为：

其中，信号源输出电压V_T是常数，电容传感器的最大阻抗X_Smax和最小阻抗X_Smin为已知的常量，则电容电压动态变化量δ仅为关于X_R的函数；

步骤3：对公式(2)求X_R的一阶导数，如公式(3)所示：

步骤4：令步骤3得到的导数为零得到关于X_R的方程：

以X_R作为未知数，求解方程(4)可得：

公式(5)所得X_R即为获得传感器最大动态电压变化量δ_max时的取值；

步骤5：定义电容传感器的阻抗其中C_S为传感器动态电容，i为虚数单位，将电容传感器的阻抗X_S的区间数值代入公式(5)，并取复数的模可得：

优选地，所述电容传感器的感应电极由面积渐变的两个电极构成，其形状为三角形或梯形。

优选地，所述电容传感器包括两个平行设置的三角形感应电极和组合浮子，其中，三角形感应电极为直角三角形感应电极，则三角形面积的变化量如式(7)所示：

式(7)中，a、h分别为直角三角形的直角边，且a＝htanθ；

将a＝htanθ和Δa＝Δhtanθ代入公式(7)，可得：

当组合浮子的感应介质的相对介电常数为ε_r，直角边h增加Δh时，根据公式(8)可得介质电容的变化量为：

式中，ε₀为真空的介电常数，ε_r为感应介质的相对介电常数，d为介质厚度即为组合浮子的厚度，ΔS为直角边h增加Δh时的介质与电极板重叠面积变化量。

优选地，所述组合浮子包括感应介质与漂浮介质，且两者粘结构成组合浮子。

有益效果：本发明提供一种电容式液位传感器最佳匹配参数设计方法，根据本方法原理设计出的电容式液位传感器适用于介电常数低的液体的液位测量，提高了传感器的灵敏度，提高了传感的测量精度，传输的信号更加准确。

附图说明

图1为电阻串联传感器分压电路图；

图2为本发明的感应电极结构示意图；

图3为本发明的组合浮子结构示意图；

图4为本发明的主动探测式电容传感器电路；

图5为本发明的信号调整单元电路；

图6为本发明的信号识别及输出单元电路。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

一种电容式液位传感器最佳匹配参数设计方法，包括如下步骤：

步骤1：如图1所示，将信号源输出电压、阻抗为X_R的阻抗器件和阻抗为X_S的电容传感器构成串联电路，其中，信号源输出电压是幅度和频率分别为V_T和f的正弦波电信号，则电容传感器上的阻抗电压V_S表达式为：

步骤2：设外界应变导致电容传感器的阻抗变化区间为X_S∈[X_Smin,X_Smax]，则电容传感器上的阻抗电压V_S的变化量δ表示为：

其中，信号源输出电压V_T是常数，电容传感器的最大阻抗X_Smax和最小阻抗X_Smin为已知的常量，则电容电压动态变化量δ仅为关于X_R的函数；根据公式(2)可知，如果保持信号源输出电压的频率f和幅度V_T为常数，电容传感器受到外部应变量作用的阻抗从最大值X_Smax变化到最小值X_Smin。此时，选择不同的阻抗X_R，电容传感器上将会产生不同的电压动态变化量δ。即为了使传感器在实际使用过程中能够产生最大的输出动态电压变化量δ_max，需要选择合适的阻抗X_R与其串联。

步骤3：对公式(2)求X_R的一阶导数，如公式(3)所示：

步骤4：令步骤3得到的导数为零得到关于X_R的方程：

以X_R作为未知数，求解方程(4)可得：

公式(5)所得X_R即为获得传感器最大动态电压变化量δ_max时的取值；

步骤5：定义电容传感器的阻抗其中C_S为传感器动态电容，i为虚数单位，将电容传感器的阻抗X_S的区间数值代入公式(5)，并取复数的模可得：

优选地，所述电容传感器的感应电极由面积渐变的两个电极构成，其形状为三角形或梯形。

优选地，所述电容传感器包括两个平行设置的三角形感应电极和组合浮子，其中，三角形感应电极为直角三角形感应电极，如图2所示，则三角形面积的变化量如式(7)所示：

式(7)中，a、h分别为直角三角形的直角边，且a＝htanθ；

将a＝htanθ和Δa＝Δhtanθ代入公式(7)，可得：

当感应介质的相对介电常数为ε_r，直角边h增加Δh时，根据公式(8)可得介质电容的变化量为：

式中，ε₀为真空的介电常数，ε_r为感应介质的相对介电常数，d为介质厚度，ΔS为直角边h增加Δh时的介质与电极板重叠面积变化量。

优选地，如图3所示，所述组合浮子包括感应介质与漂浮介质，且两者粘结构成组合浮子。感应介质使用具有高介电常数的块状材料(如钛酸钡陶瓷、二氧化钡、二氧化钛等)，感应介质厚度为d，宽为w，长为l；漂浮介质使用具有较低介电常数和较小密度的材料(如聚丙烯发泡板材、塑料泡沫等)。组合浮子的混合密度小于液相的柴油或汽油的密度。

本发明中，由于感应介质为图3所示的块状结构，随着直角边h的增加，介质面积将从最大值ΔS_max＝wl减小到零。由此可见，感应介质的面积决定了组合浮子电容液位传感器的最大范围，较大的感应介质的wl参数，可以获得较大的电容变化范围。

本发明中，在最佳配置参数条件下，如果希望获得电容传感器的更大动态输出电压范围，可以通过特定的信号变换电路(如放大器、PWM转换器等)进行调整。

本发明中，电容式液位传感器与数据采集处理电路板连接，数据采集处理电路板上的数据采集电路包括：主动探测式电容传感器电路、信号调整单元、信号识别及输出单元，其中，所述感应电极与所述主动探测式电容传感器电路连接，所述主动探测式电容传感器电路将采集到的电压信号输入所述信号调整单元进行信号转换输出电平信号，输出的电平信号通过信号识别及输出单元进行信号识别和信号输出。

如图4所示，电阻R2、R6、电容CT和传感器等效电容CS构成电阻电容积分电路，施密特触发器U3E、U3D、电阻RT1、RT2、以及电容CT1构成方波信号发生器，其产生的方波提供给电阻电容积分电路。在传感器等效电容CS上产生的三角波电压信号通过电气连接端A送到电压跟随器U5进行电流放大。方波信号的输出频率，由施密特触发器的电阻RT1和RT1以及电容CT1决定，方波信号的输出电压幅度，由施密特触发器U3的电源电压VCC决定；电气连接端A的三角波信号的电压幅度V_C，与电容传感器的等效电容CS的大小有关。当待测液位上升，淹没电容传感器的极板面积随之增大，等效电容CS随之上升，电气连接端A的电压幅度V_C随之下降。

实际实施过程中，主动探测式电容传感器电路，使用一个调整电容CT与传感器的感应电极，感应电极(即电容传感器)的等效电容CS分别与电阻R2、R6、电容CT一端以及电气端A连接，电阻R2、R6另一端与所述施密特触发器U3D输出端连接，施密特触发器U3D的输入端分别与电阻RT1、RT2的一端以及施密特触发器U3D的输出端连接，施密特触发器U3E的输入端、电阻RT1和RT2的另一端均与电容CT1一端连接，电容CT与电容CT1另一端接地。

如图5所示的信号调整单元电路，由电压跟随器U5和电压比较器U4B构成。来自主动探测式电容传感器电路的三角波电压信号V_C，从电气连接端A通过电压跟随器U5之后送入电压比较器U4B的反相端。电压可调整的参考电压VREF连接电压比较器U5的同相端。设定合适的参考电压VREF，则不同液位高度产生相应幅度的三角波信号，经过电压比较器U4B之后，在电气连接端C产生占空比可变的连续方波输出(脉宽调制信号)，方波的占空比大小与淹没传感器的液位高度对应。

如图6是信号识别及输出单元电路，与液位高度存在对应关系的脉宽调制信号，经过施密特触发器U3A和U3F进行波形调整后，送入半波整流器D4转为直流电压输出，并通过电感L1与电容C8和C9构成的滤波器进行平滑处理。不同占空比的方波信号经过整流滤波后，为电荷释放电阻R8提供稳定的电流并产生与占空比相对应的直流电压信号。所产生的直流电压信号经过电位器RP调整以及滤波电容C10和电压跟随器U6之后，从电气端Out送出与液位高度具有对应关系的直流电压信号。

实际实施过程中，信号调整单元电路的电气连接端C的信号连接到施密特触发器U3A和U3F，并被D4整流之后分别连接电容C8和电感L1的一端，所述电感L1的另一端分别连接电容C9、电阻R8和变阻器RP的一端，所述电容C8、C9、电阻R8和变阻器RP的另一端均接地，变阻器RP的滑动端分别连接电容C10和电压跟随器U6的输入端，电容C10另一端分别接地和连接电压跟随器U6输入端，电压跟随器U6连接电气端Out即为电路输出。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种电容式液位传感器最佳匹配参数设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将信号源输出电压、阻抗为X_R的阻抗器件和阻抗为X_S的电容传感器构成串联电路，其中，信号源输出电压是幅度和频率分别为V_T和f的正弦波电信号，则电容传感器上的阻抗电压V_S表达式为：

步骤2：设外界应变导致电容传感器的阻抗变化区间为X_S∈[X_Smin,X_Smax]，则电容传感器上的阻抗电压V_S的变化量δ表示为：

其中，信号源输出电压V_T是常数，电容传感器的最大阻抗X_Smax和最小阻抗X_Smin为已知的常量，则电容电压动态变化量δ仅为关于X_R的函数；

步骤3：对公式(2)求X_R的一阶导数，如公式(3)所示：

步骤4：令步骤3得到的导数为零得到关于X_R的方程：

以X_R作为未知数，求解方程(4)可得：

公式(5)所得X_R即为获得传感器最大动态电压变化量δ_max的取值，

步骤5：定义电容传感器的阻抗其中C_S为传感器动态电容，i为虚数单位，将电容传感器的阻抗X_S的区间数值代入公式(5)，并取复数的模可得：

2.根据权利要求1所述的一种电容式液位传感器最佳匹配参数设计方法，其特征在于，所述电容传感器的感应电极由面积渐变的两个电极构成，其形状为三角形或梯形。

3.根据权利要求2所述的一种电容式液位传感器最佳匹配参数设计方法，其特征在于，所述电容传感器包括两个平行设置的三角形感应电极和组合浮子，其中，三角形感应电极为直角三角形感应电极，则三角形面积的变化量如式(7)所示：

式(7)中，a、h分别为直角三角形的直角边，且a＝htanθ；

将a＝htanθ和Δa＝Δhtanθ代入公式(7)，可得：

当组合浮子感应介质的相对介电常数为ε_r，直角边h增加Δh时，根据公式(8)可得介质电容的变化量为：

式中，ε₀为真空的介电常数，ε_r为感应介质的相对介电常数，d为介质厚度即为组合浮子的厚度，ΔS为直角边h增加Δh时的感应介质与电极板重叠面积变化量。

4.根据权利要求3所述的一种电容式液位传感器最佳匹配参数设计方法，其特征在于，所述组合浮子包括感应介质与漂浮介质，且两者粘结构成组合浮子。