CN112325980A - 自平衡交流电桥电容式油量传感器采集装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于监测和控制技术领域，针对传统的电容式油量传感器信号调理系统存在抗干扰能力、采集精度的问题，提供一种自平衡交流电桥电容式油量传感器采集装置及方法，装置主要包括激励电路、电流转换电压电路、采样保持和滤波电路及负反馈电路等，该方法包括：激励电路采用基准电压源源、单刀单掷开关和驱动器产生高精度交流激励信号，激励信号通过电容式油量传感器形成同频率的交流电流信号，此传感器输出的交流信号经过多组单刀单掷开关所构成的解调器和自平衡交流电桥电路，将交流电流信号解调为直流电压信号，最终通过内部精密参考电容值、基准电压源和采集的直流电压可推算得到外部待测容值。本发明适用于工业嵌入式监测和航空类电子产品。

Description

自平衡交流电桥电容式油量传感器采集装置及方法
技术领域
本发明属于监测和控制技术领域，主要用于航空燃油量及滑油量监测。涉及一种对电容式液位传感器信号的处理方法及其系统，具体为一种自平衡交流电桥电容式油量传感器采集装置及方法，在线实时监测燃油液位，为控制和监测系统提供精确的燃油量信息。
背景技术
在航空发动机状态监测和控制中，对燃油液位进行监测，为发动机控制系统和飞机系统提供精确的燃油量信息以及超限告警信息，关系着发动机的正确控制和飞行安全。对于航空领域具有重要意义。
目前航空发动机中多采用电容式油量传感器准确采集航空燃油量及滑油量，电容式油量传感器在接收到一定幅值与频率的交流激励信号后，输出pF级的微小电容信号。通过专用电路及信号调理方法可以推算得到整机油量。传统的信号调理系统一般均存在抗干扰能力、采集精度、线性度较差的问题。
目前已有中国专利CN108593723A公开“一种基于时序法的AD7746电容采集系统”中，主要调理电路使用的为进口的AD7746芯片，调理精度较高，但是存在使用不够灵活，成本较高，芯片采购存在诸多困难；中国专利CN108613715A公开“基于交流比例法的航空油量传感器采集系统”主要原理为将激励交流电压信号经过被采集的电容转换为电荷信号，在经过电荷放大器和精密整流滤波电路转换为直流电压信号，此直流电压信号和电容值大小存在确定关系，可计算出待测电容传感器Cx值，但是由于电荷信号的微弱性、系统的开环测试原理，抗干扰能力较差，调理电路稳定时间较长，导致信号刷新率低等缺点；中国专利CN108225495A公开“一种电容式液位传感器在线测量方法及其系统”，主要原理为通过被采集电容构成一个变频三角波振荡电路，信号频率和电容值存在确定关系，可计算出待测电容传感器Cx值，但是由于系统的开环特性和寄生电容的影响，导致抗干扰能力较差，特别是对于自激振荡电路而言，自激频率误差受多方面因素影响，比如电阻精度、稳压管电压精度，因此整个电路精度较差。
发明内容
针对传统的电容式油量传感器信号调理系统存在抗干扰能力、采集精度、线性度较差的问题，本发明提供一种基于调制解调的自平衡交流电桥电容式油量传感器采集装置及方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种自平衡交流电桥电容式油量传感器采集装置，其特殊之处在于：包括激励电路、驱动器、第一防护单元、第二防护单元、电流转换电压电路、积分放大电路、采样保持和滤波电路、负反馈电路、A/D采集单元及处理器；
上述激励电路、驱动器、第一防护单元依次电连接；
待测电容传感器Cx位于第一防护单元与第二防护单元之间；
上述第二防护单元、电流转换电压电路、积分放大电路、采样保持和滤波电路、A/D采集单元及处理器依次电连接；上述负反馈电路的输入端与采样保持和滤波电路的输出端连接，上述负反馈电路的输出端与第二防护单元的输出端连接；
上述激励电路用于输出正负幅值相等的交流方波激励信号；包括第一基准电压源、第二基准电压源、SPST1(ON)开关及SPST1(OFF)开关；第一基准电压源的输出端与SPST1(ON)开关的一端连接，第二基准电压源的输出端与SPST1(OFF)开关的一端连接，SPST1(ON)开关与SPST1(OFF)开关的另一端均与驱动器的正向输入端连接；
上述第一防护单元与第二防护单元均用于静电、雷电防护；
交流方波激励信号通过电缆、待测电容传感器Cx转换为交流电流信号；
将流过待测电容传感器Cx的交流电流与流过参考电容Cref电流做差；
上述电流转换电压电路包括SPST4(ON)开关与SPST4(OFF)开关，用于将流过待测电容传感器Cx的交流电流与流过参考电容Cref电流差值转换为电压信号；
上述积分放大电路用于对电压信号进行放大，输出放大后的电压信号；
上述采样保持和滤波电路输入端包括SPST3(ON)开关，用于将积分放大后的电压信号进行采样、保持和滤波；
上述负反馈电路用于将采样保持和滤波电路输出的电压反馈给参考电容Cref，构成新的参考电容电流值，实现待测电容传感器Cx电流和参考电容电流的动态平衡，使得采样保持和滤波电路输出Vout_p给A/D采集单元进行采集；上述负反馈电路包括第三基准电压源、SPST2(ON)开关、SPST2(OFF)开关与参考电容Cref；上述SPST2(ON)开关的一端与采样保持和滤波电路的输出端连接，SPST2(ON)开关的另一端与参考电容Cref的一端连接；第三基准电压源的输出端与SPST2(OFF)开关的一端连接，SPST2(OFF)开关的另一端与参考电容Cref的一端连接；参考电容Cref的另一端与第二防护单元的输出端连接；
上述A/D采集单元用于将Vout_p转化为数字信号，上述处理器用于采集Vout_p数字信号，通过下述公式换算为对应的待测电容传感器Cx值：
Vout_p＝2×Cx×Vexe_p/Cref
式中：
Vout_p——采样保持和滤波电路输出电压，单位为V；
Cx——待测电容传感器电容，单位为pF；
Vexe_p——交流激励信号峰值电压，单位为V；
Cref——参考电容，单位为pF；
SPST1(ON)开关、SPST1(OFF)开关、SPST2(ON)开关、SPST2(OFF)开关、SPST3(ON)开关、SPST4(ON)开关、SPST4(OFF)开关由同一个方波信号控制，上述方波信号由处理器控制产生。
进一步地，上述正负幅值相等的交流方波激励信号的占空比为50％。
进一步地，为了确保激励信号的准确性，该采集装置还包括回采电路；
上述回采电路包括激励信号频率调理单元与激励信号有效值调理单元；
上述激励信号频率调理单元的输入端与驱动器的输出端连接，激励信号频率调理单元的输出端与处理器连接，用于检测激励信号的频率是否正确；
上述激励信号有效值调理单元的输入端与驱动器的输出端连接，激励信号有效值调理单元的输出端通过A/D采集单元与处理器连接，用于检测交流方波激励信号的电压是否正确。
进一步地，上述电流转换电压电路还包括电容C1、电阻R1、电阻R2及电容C2；
上述电容C1的一端与第二防护单元及负反馈电路的输出端连接，上述电容C1的另一端与电阻R1及电阻R2的一端连接，上述电阻R1的另一端与SPST4(ON)开关的一端连接，SPST4(ON)开关的另一端接地；上述电阻R2的另一端与SPST4(OFF)开关的一端连接，SPST4(OFF)开关的另一端通过电容C2接地同时与积分放大电路的输入端连接。
进一步地，上述采样保持和滤波电路还包括电阻R5、电容C4及跟随器；
上述SPST3(ON)开关的一端与积分放大电路的输出端连接，SPST3(ON)开关的另一端与电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端通过电容C4接地同时与跟随器的正向输入端连接，跟随器的输出端与反向输入端及A/D采集单元的输入端连接。
本发明还提供另一种自平衡交流电桥电容式油量传感器采集装置，其特殊之处在于：包括激励电路、驱动器、第一防护单元、第二防护单元、电流转换电压电路、积分放大电路、采样保持和滤波电路、负反馈电路、A/D采集单元及处理器；
上述激励电路、驱动器、第一防护单元依次电连接；
待测电容传感器Cx位于第一防护单元与第二防护单元之间；
上述第二防护单元、电流转换电压电路、积分放大电路、采样保持和滤波电路、A/D采集单元及处理器依次电连接；上述负反馈电路的输入端与采样保持和滤波电路的输出端连接，上述负反馈电路的输出端与第二防护单元的输出端连接；
上述激励电路用于输出正负幅值相等的交流方波激励信号，包括基准电压源、跟随器、反向器、SPST1(ON)开关与SPST1(OFF)开关；基准电压源的输出端分别与跟随器的正向输入端及反向器的反向输入端连接，跟随器的输出端与SPST1(ON)开关的一端连接，反向器的输出端与SPST1(OFF)开关的一端连接，SPST1(ON)开关与SPST1(OFF)开关的另一端均与驱动器输入端连接；
上述第一防护单元与第二防护单元均用于静电、雷电防护；
交流方波激励信号通过电缆、待测电容传感器Cx转换为交流电流信号；
将流过待测电容传感器Cx的交流电流与流过参考电容Cref电流做差；
上述电流转换电压电路包括SPST4(ON)开关与SPST4(OFF)开关，用于将流过待测电容传感器Cx的交流电流与流过参考电容Cref电流差值转换为电压信号；
上述积分放大电路用于对电压信号进行放大，输出放大后的电压信号；
上述采样保持和滤波电路输入端包括SPST3(ON)开关，用于将积分放大后的电压信号进行采样、保持和滤波；
上述负反馈电路用于将采样保持和滤波电路输出的电压反馈给参考电容Cref，构成新的参考电容电流值，实现待测电容传感器Cx电流和参考电容电流的动态平衡，使得采样保持和滤波电路输出Vout_p给A/D采集单元进行采集；上述负反馈电路包括第三基准电压源、SPST2(ON)开关、SPST2(OFF)开关与参考电容Cref；上述SPST2(ON)开关的一端与采样保持和滤波电路的输出端连接，SPST2(ON)开关的另一端与参考电容Cref的一端连接；第三基准电压源的输出端与SPST2(OFF)开关的一端连接，SPST2(OFF)开关的另一端与参考电容Cref的一端连接；参考电容Cref的另一端与第二防护单元的输出端连接；
上述A/D采集单元用于将Vout_p转化为数字信号，上述处理器用于采集Vout_p数字信号，通过下述公式换算为对应的待测电容传感器Cx值：
Vout_p＝2×Cx×Vexe_p/Cref
式中：
Vout_p——采样保持和滤波电路输出电压，单位为V；
Cx——待测电容传感器电容，单位为pF；
Vexe_p——交流激励信号峰值电压，单位为V；
Cref——参考电容，单位为pF；
SPST1(ON)开关、SPST1(OFF)开关、SPST2(ON)开关、SPST2(OFF)开关、SPST3(ON)开关、SPST4(ON)开关、SPST4(OFF)开关由同一个方波信号控制，上述方波信号由处理器控制产生。
进一步地，上述正负幅值相等的交流方波激励信号的占空比为50％。
进一步地，为了确保激励信号的准确性，上述采集装置还包括回采电路；
上述回采电路包括激励信号频率调理单元与激励信号有效值调理单元；
上述激励信号频率调理单元的输入端与驱动器的输出端连接，激励信号频率调理单元的输出端与处理器连接，用于检测激励信号的频率是否正确；
上述激励信号有效值调理单元的输入端与驱动器的输出端连接，激励信号有效值调理单元的输出端通过A/D采集单元与处理器连接，用于检测交流方波激励信号的电压是否正确。
进一步地，上述电流转换电压电路还包括电容C1、电阻R1、电阻R2及电容C2；
上述电容C1的一端与第二防护单元及负反馈电路的输出端连接，上述电容C1的另一端与电阻R1及电阻R2的一端连接，上述电阻R1的另一端与SPST4(ON)开关的一端连接，SPST4(ON)开关的另一端接地；上述电阻R2的另一端与SPST4(OFF)开关的一端连接，SPST4(OFF)开关的另一端通过电容C2接地同时与积分放大电路的输入端连接。
进一步地，上述采样保持和滤波电路还包括电阻R5、电容C4及跟随器；
上述SPST3(ON)开关的一端与积分放大电路的输出端连接，SPST3(ON)开关的另一端与电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端通过电容C4接地同时与跟随器的正向输入端连接，跟随器的输出端与反向输入端及A/D采集单元的输入端连接。
本发明还提供一种基于上述自平衡交流电桥电容式油量传感器采集装置的采集方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1：使用第一基准电压源与第二基准电压源输出幅值相等，正负相反的直流信号；使用方波信号控制SPST1(ON)开关、SPST1(OFF)开关，使得正负相反的直流信号分别通过SPST1(ON)开关、SPST1(OFF)开关和驱动器，变为交流方波激励信号；其中方波峰值电压Vexe_p由第一基准电压源与第二基准电压源和放大倍数决定，方波频率由SPST1(ON)开关、SPST1(OFF)开关的开关频率决定，且SPST1(ON)开关、SPST1(OFF)开关由同一个方波信号控制；交流方波激励信号通过电缆、待测电容传感器Cx转换为交流电流信号；
步骤2：使用方波信号控制SPST4(ON)开关与SPST4(OFF)开关，使得电流转换电压电路将待测电容传感器Cx电流与参考电容Cref电流差值转换为电压信号，再使用积分放大电路进行放大；
步骤3：使用方波信号控制SPST3(ON)开关，使得采样保持和滤波电路，将积分放大的电压信号采样、保持和滤波；
步骤4：使用方波信号控制SPST2(ON)开关与SPST2(OFF)开关，使得负反馈电路将滤波后的电压信号反馈给参考电容Cref，构成新的参考电容电流值，实现待测电容传感器Cx电流和参考电容电流的动态平衡，此时的采样保持电压和待测电容传感器Cx成正比，采样保持和滤波电路输出Vout_p给A/D采集单元进行采集；
步骤5：A/D采集单元将Vout_p转化为数字信号，处理器采集Vout_p数字信号，通过下述公式换算为对应的待测电容传感器Cx值：
Vout_p＝2×Cx×Vexe_p/Cref
式中：
Vout_p——采样保持和滤波电路输出电压，单位为V；
Cx——待测电容传感器电容，单位为pF；
Vexe_p——交流激励信号峰值电压，单位为V；
Cref——参考电容，单位为pF；
SPST1(ON)开关、SPST1(OFF)开关、SPST2(ON)开关、SPST2(OFF)开关、SPST3(ON)开关、SPST4(ON)开关、SPST4(OFF)开关由同一个方波信号控制，上述方波信号由处理器控制产生。
本发明还提供另外一种基于上述自平衡交流电桥电容式油量传感器采集装置的采集方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1：使用基准电压源，分别经过跟随器和反向器转换为幅值相等，正负相反的直流信号；使用方波信号控制SPST1(ON)开关、SPST1(OFF)开关，使得正负相反的直流信号再分别通过SPST1(ON)开关、SPST1(OFF)开关和驱动器，变为交流方波激励信号，其中方波峰值电压Vexe_p由基准电源和放大倍数决定，方波频率由SPST1(ON)开关和SPST1(OFF)开关的开关频率决定，且SPST1(ON)开关与SPST1(OFF)开关由同一个方波信号控制；交流方波激励信号通过电缆、待测电容传感器Cx转换为交流电流信号；
步骤2：使用方波信号控制SPST4(ON)开关与SPST4(OFF)开关，使得电流转换电压电路将待测电容传感器Cx电流与参考电容Cref电流差值转换为电压信号，再使用积分放大电路进行放大；
步骤3：使用方波信号控制SPST3(ON)开关，使得采样保持和滤波电路，将积分放大的电压信号采样、保持和滤波；
步骤4：使用方波信号控制SPST2(ON)开关与SPST2(OFF)开关，使得负反馈电路将滤波后的电压信号反馈给参考电容Cref，构成新的参考电容电流值，实现待测电容传感器Cx电流和参考电容电流的动态平衡，此时的采样保持电压和待测电容传感器Cx成正比，采样保持和滤波电路输出Vout_p给A/D采集单元进行采集；
步骤5：A/D采集单元将Vout_p转化为数字信号，处理器采集Vout_p数字信号，通过下述公式换算为对应的待测电容传感器Cx值：
Vout_p＝2×Cx×Vexe_p/Cref
式中：
Vout_p——采样保持和滤波电路输出电压，单位为V；
Cx——待测电容传感器电容，单位为pF；
Vexe_p——交流激励信号峰值电压，单位为V；
Cref——参考电容，单位为pF；
SPST1(ON)开关、SPST1(OFF)开关、SPST2(ON)开关、SPST2(OFF)开关、SPST3(ON)开关、SPST4(ON)开关、SPST4(OFF)开关由同一个方波信号控制，上述方波信号由处理器控制产生。
本发明的有益效果是：
1、本发明使用频率信号控制单刀单掷开关SPST(ON)开关、SPST(OFF)开关，实现对直流基准电压源信号的调制，并输出交流方波激励信号；且激励信号产生和传感器输出信号调理使用同一频率和相位的方波信号控制单刀单掷开关，方波信号由处理器控制产生；同时使用解调原理实现将待测电容传感器Cx电流信号转换为交流电压信号、实现对交流电压信号的保持采样，实现负反馈平衡桥臂电压切换；相比较于传统的调理方法，利用调制解调的抗干扰特性，提高了电容检测的抗干扰能力。
2、本发明利用自平衡交流电桥的闭环控制特性，实现对通过待测电容传感器Cx电流信号的负反馈控制和转换，使得待测电容传感器Cx电流和参考电容电流的动态平衡，此时的采样保持电压和待测电容传感器Cx成正比，提高了电容检测的稳定性和采集精度。
3、本发明利用基准电压源和参考电容提高了整个电路精度、非线性误差小且易于实现，成本低，通用性强。
4、本发明利用激励信号频率调理单元与激励信号有效值调理单元对激励交流信号的频率和电压进行自检，提高系统BIT检测能力，确保激励信号的准确性。
附图说明
图1是实施例一基于调制解调自平衡交流电桥电容式油量传感器采集装置框图；
图2是实施例二激励电路与驱动器电路示意图；
图3是实施例一或实施例二的解调自平衡交流电桥电路；
图4是实施例一或实施例二的电流转换电压电路；
图5是实施例一或实施例二的采样保持和滤波电路；
图6是实施例一或实施例二的积分放大电路；
图7是实施例一或实施例二激励信号频率调理单元；
图8是实施例一或实施例二激励信号电压调理单元。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：
实施例一
请同时参阅图1、图3、图4、图5、图6、图7、图8，其中，图1基于调制解调自平衡交流电桥电容式油量传感器采集装置框图；图3是解调自平衡交流电桥电路，图4是电流转换为电压电路图，图5是采样保持和滤波电路图，图6是积分放大电路图，图7是激励信号频率调理图，图8是激励信号电压调理图。
从图1可以看出，本实施例基于调制解调自平衡交流电桥电容式油量传感器采集装置包括激励电路、驱动器、第一防护单元、第二防护单元、电流转换电压电路、积分放大电路、采样保持和滤波电路、负反馈电路、A/D采集单元及处理器；激励电路、驱动器、第一防护单元依次电连接；待测电容传感器Cx位于第一防护单元与第二防护单元之间；第二防护单元、电流转换电压电路、积分放大电路、采样保持和滤波电路、A/D采集单元及处理器依次电连接；负反馈电路的输入端与采样保持和滤波电路的输出端连接，负反馈电路的输出端与第二防护单元的输出端连接；
激励电路用于输出正负幅值相等的交流方波激励信号；本实施例正负幅值相等的交流方波激励信号的占空比可以为50％。激励电路包括第一基准电压源、第二基准电压源、SPST1(ON)开关及SPST1(OFF)开关；第一基准电压源的输出端与SPST1(ON)开关的一端连接，第二基准电压源的输出端与SPST1(OFF)开关的一端连接，SPST1(ON)开关与SPST1(OFF)开关的另一端均与驱动器的正向输入端连接；本发明使用频率信号控制单刀单掷开关SPST1(ON)、SPST1(OFF)，实现对直流电压基准信号的调制，并输出交流方波激励信号；如，频率输出“1”，SPST1(ON)导通，SPST1(OFF)关闭；频率输出“0”，SPST1(ON)关闭，SPST1(OFF)导通。第一防护单元与第二防护单元均用于静电、雷电防护，为常规电路。交流方波激励信号通过电缆、待测电容传感器Cx转换为交流电流信号；通过负反馈将流过待测电容传感器Cx的交流电流与流过参考电容Cref电流做差。
电流转换电压电路用于将流过待测电容传感器Cx的交流电流与流过参考电容Cref电流差值转换为电压信号；如图4，本实施例电流转换电压电路还包括电容C1、电阻R1、电阻R2、电容C2、SPST4(ON)及SPST4(OFF)，电容C1的一端与第二防护单元及负反馈电路的输出端连接，电容C1的另一端与电阻R1及电阻R2的一端连接，电阻R1的另一端与SPST4(ON)开关的一端连接，SPST4(ON)开关的另一端接地；电阻R2的另一端与SPST4(OFF)开关的一端连接，SPST4(OFF)开关的另一端通过电容C2接地同时与积分放大电路的输入端连接。
积分放大电路用于对电压信号进行放大，输出放大后的电压信号，其电路结构如图6所示，包括电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C3及运算放大器，电阻R3的一端与电流转化电压电路的输出端连接，电阻R3的另一端同时与运算放大器的反向输入端及电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端与运算放大器的输出端连接，电容C3并联在电阻R5的两端，运算放大器的正向输入端通过电阻R4接地。
采样保持和滤波电路用于将积分放大后的电压信号进行采样、保持和滤波，并输出给模数转换器进行采集；如图5所示，本实施例采样保持和滤波电路包括SPST3(ON)开关、电阻R5、电容C4及跟随器；SPST3(ON)开关的一端与积分放大电路的输出端连接，SPST3(ON)开关的另一端与电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端通过电容C4接地同时与跟随器的正向输入端连接，跟随器的输出端与反向输入端及A/D采集单元的输入端连接。
负反馈电路用于将采样保持和滤波电路输出的电压反馈给参考电容Cref，构成新的参考电容电流值，实现待测电容传感器Cx电流和参考电容电流的动态平衡，使得采样保持和滤波电路输出Vout_p给A/D采集单元进行采集；从图1及图3可以看出，本实施例负反馈电路包括第三基准电压源、SPST2(ON)开关、SPST2(OFF)开关与参考电容Cref；SPST2(ON)开关的一端与采样保持和滤波电路的输出端连接，SPST2(ON)开关的另一端与参考电容Cref的一端连接；第三基准电压源的输出端与SPST2(OFF)开关的一端连接，SPST2(OFF)开关的另一端与参考电容Cref的一端连接；在参考电容和SPST2(ON)开关、SPST2(OFF)开关之间还设有电阻；参考电容Cref的另一端与第二防护单元的输出端连接。
A/D采集单元用于将Vout_p转化为数字信号，处理器用于采集Vout_p数字信号，通过下述公式换算为对应的待测电容传感器Cx值：
Vout_p＝2×Cx×Vexe_p/Cref
式中：
Vout_p——采样保持和滤波电路输出电压，单位为V；
Cx——待测电容传感器电容，单位为pF；
Vexe_p——交流激励信号峰值电压，单位为V；
Cref——参考电容，单位为pF；
SPST1(ON)开关、SPST1(OFF)开关、SPST2(ON)开关、SPST2(OFF)开关、SPST3(ON)开关、SPST4(ON)开关、SPST4(OFF)开关由同一个方波信号控制，上述方波信号由处理器控制产生。
为了确保激励信号的准确性，该采集装置还包括回采电路；回采电路包括激励信号频率调理单元与激励信号有效值调理单元；激励信号频率调理单元的输入端与驱动器的输出端连接，激励信号频率调理单元的输出端与处理器连接，用于检测激励信号的频率是否正确。激励信号有效值调理单元的输入端与驱动器的输出端连接，激励信号有效值调理单元的输出端通过A/D采集单元与处理器连接，采用有效值电路获取交流信号有效值，使用滤波、滞回比较器将交流频率转换为处理器可采集的方波信号，用于检测交流方波激励信号的电压是否正确。
具体通过下述过程实现采集：
步骤1：使用第一基准电压源与第二基准电压源输出幅值相等，正负相反的直流信号；使用方波信号控制SPST1(ON)开关、SPST1(OFF)开关，使得正负相反的直流信号分别通过SPST1(ON)开关、SPST1(OFF)开关和驱动器，变为交流方波激励信号；其中方波峰值电压Vexe_p由第一基准电压源与第二基准电压源和放大倍数决定，方波频率由SPST1(ON)开关、SPST1(OFF)开关的开关频率决定，且SPST1(ON)开关、SPST1(OFF)开关由同一个方波信号控制；交流方波激励信号通过电缆、待测电容传感器Cx转换为交流电流信号；
步骤2：使用方波信号控制SPST4(ON)开关与SPST4(OFF)开关，使得电流转换电压电路将待测电容传感器Cx电流与参考电容Cref电流差值转换为电压信号，再使用积分放大电路进行放大；
步骤3：使用方波信号控制SPST3(ON)开关，使得采样保持和滤波电路，将积分放大的电压信号采样、保持和滤波；
步骤4：使用方波信号控制SPST2(ON)开关与SPST2(OFF)开关，使得负反馈电路将滤波后的电压信号反馈给参考电容Cref，构成新的参考电容电流值，实现待测电容传感器Cx电流和参考电容电流的动态平衡，此时的采样保持电压和待测电容传感器Cx成正比，采样保持和滤波电路输出Vout_p给A/D采集单元进行采集；
步骤5：A/D采集单元将Vout_p转化为数字信号，处理器采集Vout_p数字信号，通过下述公式换算为对应的待测电容传感器Cx值：
Vout_p＝2×Cx×Vexe_p/Cref
式中：
Vout_p——采样保持和滤波电路输出电压，单位为V；
Cx——待测电容传感器电容，单位为pF；
Vexe_p——交流激励信号峰值电压，单位为V；
Cref——参考电容，单位为pF；
SPST1(ON)开关、SPST1(OFF)开关、SPST2(ON)开关、SPST2(OFF)开关、SPST3(ON)开关、SPST4(ON)开关、SPST4(OFF)开关由同一个方波信号控制，所述方波信号由处理器控制产生。
实施例二
本实施例与实施例一不同的是激励电路，本实施例使用一个高精度基准电压源，分别经过跟随器和反向器转换为幅值相等，正负相反的直流信号；正负相反的直流信号再分别通过SPST1(ON)开关、SPST1(OFF)开关和驱动器，变为交流方波激励信号，其中方波峰值电压Vexe_p由基准电源和放大倍数决定，方波频率由SPST开关频率决定，且SPST1(ON)开关和SPST1(OFF)开关由同一个占空比50％的方波信号控制。交流方波激励信号通过电缆、待测电容传感器Cx转换为交流电流信号。
通过待测电容传感器Cx的交流电流信号进入图3所示的解调自平衡交流电桥电路，输出直流电压信号Vout_p。
其中图4所示的电流电压转换电路将待测电容传感器Cx电流与参考电容Cref电流差值(负反馈)转换为电压信号，此电压信号再经过图6所示的积分放大电路和图5所示的采样保持和滤波电路，输出放大滤波后的直流电压。同时，该放大滤波后的直流电压反馈给参考电容Cref，构成新的参考电容电流值，最终实现待测电容传感器Cx电流和参考电容电流的动态平衡，实现平衡的直流电压值Vout_p为：
Vout_p＝2×Cx×Vexe_p/Cref
式中：
Vout_p——调理电路输出电压，单位为V；
Cx——采集装置外部油量传感器的待测电容，单位为pF；
Vexe_p——交流激励信号峰值电压，单位为V；
Cref——采集装置内部的精密参考电容，单位为pF。
其中信号调制和解调过程使用的SPST(ON)开关、SPST(OFF)开关由同一个占空比50％的方波信号控制，方波信号频率为10KHz，此方波信号频率范围一般为5KHz～30KHz。本实施例选择DG413系列SPST模拟电子开关。
如图7，激励信号频率调理单元包括电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电容C5、跟随器、运算放大器及二极管；电阻R6的一端与驱动器的输出端连接，另一端通过电阻R7接地同时与跟随器的正向输入端连接；跟随器的输出端与反向输入端及电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端通过电阻R9接地同时与运算放大器的反向输入端连接，电容C5并接在电阻R9的两端；运算放大器的正向输入端通过电阻R10接地同时与电阻R11的一端连接，电阻R11的另一端通过电阻R12接电源正，同时与运算放大器的输出端连接；电阻R13的一端与运算放大器的输出端连接，另一端通过二极管接地，同时与处理器连接。
如图8，激励信号电压调理单元包括电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21、电阻R22、第一二极管、第二二极管、第一跟随器、第二跟随器、第三跟随器及运算放大器；电阻R14的一端与驱动器的输出端连接，另一端通过电阻R15接地同时与第一跟随器的正向输入端连接；第一跟随器的输出端与反向输入端、电阻R16的一端及电阻R18的一端连接；电阻R16的另一端与第二跟随器的反向输入端、第一二极管阳极、电阻R19的一端连接，第二跟随器的正向输入端通过电阻R17接地；第二二极管的阳极与第一二极管的阴极及第二跟随器的输出端连接，第二二极管的阴极与电阻R19的另一端及电阻R20的一端连接；电阻R20的另一端同时与运算放大器的反向输入端、电阻R22的一端、电阻R18的另一端及电容C6的一端连接，运算放大器的正向输入端通过电阻R12接地，电容C6的另一端及电阻R22的另一端均与运算放大器的输出端连接；运算放大器的输出端与第三跟随器的正向输入端连接，第三跟随器的输出端与其反向输入端及A/D采集单元的输入端连接。
利用图7和图8所示的激励信号频率调理单元与激励信号电压调理单元分别实现了激励交流信号的电压和频率自检，提高系统BIT检测能力。
具体通过下述过程实现采集：
步骤1：使用基准电压源，分别经过跟随器和反向器转换为幅值相等，正负相反的直流信号；使用方波信号控制SPST1(ON)开关、SPST1(OFF)开关，使得正负相反的直流信号再分别通过SPST1(ON)开关、SPST1(OFF)开关和驱动器，变为交流方波激励信号，其中方波峰值电压Vexe_p由基准电源和放大倍数决定，方波频率由SPST1(ON)开关和SPST1(OFF)开关的开关频率决定，且SPST1(ON)开关与SPST1(OFF)开关由同一个方波信号控制；交流方波激励信号通过电缆、待测电容传感器Cx转换为交流电流信号；
步骤2：使用方波信号控制SPST4(ON)开关与SPST4(OFF)开关，使得电流转换电压电路将待测电容传感器Cx电流与参考电容Cref电流差值转换为电压信号，再使用积分放大电路进行放大；
步骤3：使用方波信号控制SPST3(ON)开关，使得采样保持和滤波电路，将积分放大的电压信号采样、保持和滤波；
步骤4：使用方波信号控制SPST2(ON)开关与SPST2(OFF)开关，使得负反馈电路将滤波后的电压信号反馈给参考电容Cref，构成新的参考电容电流值，实现待测电容传感器Cx电流和参考电容电流的动态平衡，此时的采样保持电压和待测电容传感器Cx成正比，采样保持和滤波电路输出Vout_p给A/D采集单元进行采集；
步骤5：A/D采集单元将Vout_p转化为数字信号，处理器采集Vout_p数字信号，通过下述公式换算为对应的待测电容传感器Cx值：
Vout_p＝2×Cx×Vexe_p/Cref
式中：
Vout_p——采样保持和滤波电路输出电压，单位为V；
Cx——待测电容传感器电容，单位为pF；
Vexe_p——交流激励信号峰值电压，单位为V；
Cref——参考电容，单位为pF；
SPST1(ON)开关、SPST1(OFF)开关、SPST2(ON)开关、SPST2(OFF)开关、SPST3(ON)开关、SPST4(ON)开关、SPST4(OFF)开关由同一个方波信号控制，所述方波信号由处理器控制产生。

Claims (12)

1.一种自平衡交流电桥电容式油量传感器采集装置，其特征在于：包括激励电路、驱动器、第一防护单元、第二防护单元、电流转换电压电路、积分放大电路、采样保持和滤波电路、负反馈电路、A/D采集单元及处理器；
所述激励电路、驱动器、第一防护单元依次电连接；
待测电容传感器Cx位于第一防护单元与第二防护单元之间；
所述第二防护单元、电流转换电压电路、积分放大电路、采样保持和滤波电路、A/D采集单元及处理器依次电连接；所述负反馈电路的输入端与采样保持和滤波电路的输出端连接，所述负反馈电路的输出端与第二防护单元的输出端连接；
所述激励电路用于输出正负幅值相等的交流方波激励信号；包括第一基准电压源、第二基准电压源、SPST1(ON)开关及SPST1(OFF)开关；第一基准电压源的输出端与SPST1(ON)开关的一端连接，第二基准电压源的输出端与SPST1(OFF)开关的一端连接，SPST1(ON)开关与SPST1(OFF)开关的另一端均与驱动器的正向输入端连接；
所述第一防护单元与第二防护单元均用于静电、雷电防护；
交流方波激励信号通过电缆、待测电容传感器Cx转换为交流电流信号；
将流过待测电容传感器Cx的交流电流与流过参考电容Cref电流做差；
所述电流转换电压电路包括SPST4(ON)开关与SPST4(OFF)开关，用于将流过待测电容传感器Cx的交流电流与流过参考电容Cref电流差值转换为电压信号；
所述积分放大电路用于对电压信号进行放大，输出放大后的电压信号；
所述采样保持和滤波电路输入端包括SPST3(ON)开关，用于将积分放大后的电压信号进行采样、保持和滤波；
所述负反馈电路用于将采样保持和滤波电路输出的电压反馈给参考电容Cref，构成新的参考电容电流值，实现待测电容传感器Cx电流和参考电容电流的动态平衡，使得采样保持和滤波电路输出Vout_p给A/D采集单元进行采集；所述负反馈电路包括第三基准电压源、SPST2(ON)开关、SPST2(OFF)开关与参考电容Cref；所述SPST2(ON)开关的一端与采样保持和滤波电路的输出端连接，SPST2(ON)开关的另一端与参考电容Cref的一端连接；第三基准电压源的输出端与SPST2(OFF)开关的一端连接，SPST2(OFF)开关的另一端与参考电容Cref的一端连接；参考电容Cref的另一端与第二防护单元的输出端连接；
所述A/D采集单元用于将Vout_p转化为数字信号，所述处理器用于采集Vout_p数字信号，通过下述公式换算为对应的待测电容传感器Cx值：
Vout_p＝2×Cx×Vexe_p/Cref
式中：
Vout_p——采样保持和滤波电路输出电压，单位为V；
Cx——待测电容传感器电容，单位为pF；
Vexe_p——交流激励信号峰值电压，单位为V；
Cref——参考电容，单位为pF；
SPST1(ON)开关、SPST1(OFF)开关、SPST2(ON)开关、SPST2(OFF)开关、SPST3(ON)开关、SPST4(ON)开关、SPST4(OFF)开关由同一个方波信号控制，所述方波信号由处理器控制产生。
2.根据权利要求1所述的自平衡交流电桥电容式油量传感器采集装置，其特征在于：所述正负幅值相等的交流方波激励信号的占空比为50％。
3.根据权利要求1或2所述的自平衡交流电桥电容式油量传感器采集装置，其特征在于：还包括回采电路；
所述回采电路包括激励信号频率调理单元与激励信号有效值调理单元；
所述激励信号频率调理单元的输入端与驱动器的输出端连接，激励信号频率调理单元的输出端与处理器连接，用于检测激励信号的频率是否正确；
所述激励信号有效值调理单元的输入端与驱动器的输出端连接，激励信号有效值调理单元的输出端通过A/D采集单元与处理器连接，用于检测交流方波激励信号的电压是否正确。
4.根据权利要求3所述的自平衡交流电桥电容式油量传感器采集装置，其特征在于：所述电流转换电压电路还包括电容C1、电阻R1、电阻R2及电容C2；
所述电容C1的一端与第二防护单元及负反馈电路的输出端连接，所述电容C1的另一端与电阻R1及电阻R2的一端连接，所述电阻R1的另一端与SPST4(ON)开关的一端连接，SPST4(ON)开关的另一端接地；所述电阻R2的另一端与SPST4(OFF)开关的一端连接，SPST4(OFF)开关的另一端通过电容C2接地同时与积分放大电路的输入端连接。
5.根据权利要求4所述的自平衡交流电桥电容式油量传感器采集装置，其特征在于：所述采样保持和滤波电路还包括电阻R5、电容C4及跟随器；
所述SPST3(ON)开关的一端与积分放大电路的输出端连接，SPST3(ON)开关的另一端与电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端通过电容C4接地同时与跟随器的正向输入端连接，跟随器的输出端与反向输入端及A/D采集单元的输入端连接。
6.一种自平衡交流电桥电容式油量传感器采集装置，其特征在于：包括激励电路、驱动器、第一防护单元、第二防护单元、电流转换电压电路、积分放大电路、采样保持和滤波电路、负反馈电路、A/D采集单元及处理器；
所述激励电路、驱动器、第一防护单元依次电连接；
待测电容传感器Cx位于第一防护单元与第二防护单元之间；
所述第二防护单元、电流转换电压电路、积分放大电路、采样保持和滤波电路、A/D采集单元及处理器依次电连接；所述负反馈电路的输入端与采样保持和滤波电路的输出端连接，所述负反馈电路的输出端与第二防护单元的输出端连接；
所述激励电路用于输出正负幅值相等的交流方波激励信号，包括基准电压源、跟随器、反向器、SPST1(ON)开关与SPST1(OFF)开关；基准电压源的输出端分别与跟随器的正向输入端及反向器的反向输入端连接，跟随器的输出端与SPST1(ON)开关的一端连接，反向器的输出端与SPST1(OFF)开关的一端连接，SPST1(ON)开关与SPST1(OFF)开关的另一端均与驱动器输入端连接；
所述第一防护单元与第二防护单元均用于静电、雷电防护；
交流方波激励信号通过电缆、待测电容传感器Cx转换为交流电流信号；
将流过待测电容传感器Cx的交流电流与流过参考电容Cref电流做差；
所述电流转换电压电路包括SPST4(ON)开关与SPST4(OFF)开关，用于将流过待测电容传感器Cx的交流电流与流过参考电容Cref电流差值转换为电压信号；
所述积分放大电路用于对电压信号进行放大，输出放大后的电压信号；
所述采样保持和滤波电路输入端包括SPST3(ON)开关，用于将积分放大后的电压信号进行采样、保持和滤波；
所述负反馈电路用于将采样保持和滤波电路输出的电压反馈给参考电容Cref，构成新的参考电容电流值，实现待测电容传感器Cx电流和参考电容电流的动态平衡，使得采样保持和滤波电路输出Vout_p给A/D采集单元进行采集；所述负反馈电路包括第三基准电压源、SPST2(ON)开关、SPST2(OFF)开关与参考电容Cref；所述SPST2(ON)开关的一端与采样保持和滤波电路的输出端连接，SPST2(ON)开关的另一端与参考电容Cref的一端连接；第三基准电压源的输出端与SPST2(OFF)开关的一端连接，SPST2(OFF)开关的另一端与参考电容Cref的一端连接；参考电容Cref的另一端与第二防护单元的输出端连接；
所述A/D采集单元用于将Vout_p转化为数字信号，所述处理器用于采集Vout_p数字信号，通过下述公式换算为对应的待测电容传感器Cx值：
Vout_p＝2×Cx×Vexe_p/Cref
式中：
Vout_p——采样保持和滤波电路输出电压，单位为V；
Cx——待测电容传感器电容，单位为pF；
Vexe_p——交流激励信号峰值电压，单位为V；
Cref——参考电容，单位为pF；
SPST1(ON)开关、SPST1(OFF)开关、SPST2(ON)开关、SPST2(OFF)开关、SPST3(ON)开关、SPST4(ON)开关、SPST4(OFF)开关由同一个方波信号控制，所述方波信号由处理器控制产生。
7.根据权利要求6所述的自平衡交流电桥电容式油量传感器采集装置，其特征在于：所述正负幅值相等的交流方波激励信号的占空比为50％。
8.根据权利要求6或7所述的自平衡交流电桥电容式油量传感器采集装置，其特征在于：还包括回采电路；
所述回采电路包括激励信号频率调理单元与激励信号有效值调理单元；
所述激励信号频率调理单元的输入端与驱动器的输出端连接，激励信号频率调理单元的输出端与处理器连接，用于检测激励信号的频率是否正确；
所述激励信号有效值调理单元的输入端与驱动器的输出端连接，激励信号有效值调理单元的输出端通过A/D采集单元与处理器连接，用于检测交流方波激励信号的电压是否正确。
9.根据权利要求8所述的自平衡交流电桥电容式油量传感器采集装置，其特征在于：所述电流转换电压电路还包括电容C1、电阻R1、电阻R2及电容C2；
所述电容C1的一端与第二防护单元及负反馈电路的输出端连接，所述电容C1的另一端与电阻R1及电阻R2的一端连接，所述电阻R1的另一端与SPST4(ON)开关的一端连接，SPST4(ON)开关的另一端接地；所述电阻R2的另一端与SPST4(OFF)开关的一端连接，SPST4(OFF)开关的另一端通过电容C2接地同时与积分放大电路的输入端连接。
10.根据权利要求9所述的自平衡交流电桥电容式油量传感器采集装置，其特征在于：所述采样保持和滤波电路还包括电阻R5、电容C4及跟随器；
所述SPST3(ON)开关的一端与积分放大电路的输出端连接，SPST3(ON)开关的另一端与电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端通过电容C4接地同时与跟随器的正向输入端连接，跟随器的输出端与反向输入端及A/D采集单元的输入端连接。
11.一种基于权利要求1-5任一所述自平衡交流电桥电容式油量传感器采集装置的采集方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：使用第一基准电压源与第二基准电压源输出幅值相等，正负相反的直流信号；使用方波信号控制SPST1(ON)开关、SPST1(OFF)开关，使得正负相反的直流信号分别通过SPST1(ON)开关、SPST1(OFF)开关和驱动器，变为交流方波激励信号；其中方波峰值电压Vexe_p由第一基准电压源与第二基准电压源和放大倍数决定，方波频率由SPST1(ON)开关、SPST1(OFF)开关的开关频率决定，且SPST1(ON)开关、SPST1(OFF)开关由同一个方波信号控制；交流方波激励信号通过电缆、待测电容传感器Cx转换为交流电流信号；
步骤2：使用方波信号控制SPST4(ON)开关与SPST4(OFF)开关，使得电流转换电压电路将待测电容传感器Cx电流与参考电容Cref电流差值转换为电压信号，再使用积分放大电路进行放大；
步骤3：使用方波信号控制SPST3(ON)开关，使得采样保持和滤波电路，将积分放大的电压信号采样、保持和滤波；
步骤4：使用方波信号控制SPST2(ON)开关与SPST2(OFF)开关，使得负反馈电路将滤波后的电压信号反馈给参考电容Cref，构成新的参考电容电流值，实现待测电容传感器Cx电流和参考电容电流的动态平衡，此时的采样保持电压和待测电容传感器Cx成正比，采样保持和滤波电路输出Vout_p给A/D采集单元进行采集；
步骤5：A/D采集单元将Vout_p转化为数字信号，处理器采集Vout_p数字信号，通过下述公式换算为对应的待测电容传感器Cx值：
Vout_p＝2×Cx×Vexe_p/Cref
式中：
Vout_p——采样保持和滤波电路输出电压，单位为V；
Cx——待测电容传感器电容，单位为pF；
Vexe_p——交流激励信号峰值电压，单位为V；
Cref——参考电容，单位为pF；
SPST1(ON)开关、SPST1(OFF)开关、SPST2(ON)开关、SPST2(OFF)开关、SPST3(ON)开关、SPST4(ON)开关、SPST4(OFF)开关由同一个方波信号控制，所述方波信号由处理器控制产生。
12.一种基于权利要求6-10任一所述自平衡交流电桥电容式油量传感器采集装置的采集方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：使用基准电压源，分别经过跟随器和反向器转换为幅值相等，正负相反的直流信号；使用方波信号控制SPST1(ON)开关、SPST1(OFF)开关，使得正负相反的直流信号再分别通过SPST1(ON)开关、SPST1(OFF)开关和驱动器，变为交流方波激励信号，其中方波峰值电压Vexe_p由基准电源和放大倍数决定，方波频率由SPST1(ON)开关和SPST1(OFF)开关的开关频率决定，且SPST1(ON)开关与SPST1(OFF)开关由同一个方波信号控制；交流方波激励信号通过电缆、待测电容传感器Cx转换为交流电流信号；
步骤2：使用方波信号控制SPST4(ON)开关与SPST4(OFF)开关，使得电流转换电压电路将待测电容传感器Cx电流与参考电容Cref电流差值转换为电压信号，再使用积分放大电路进行放大；
步骤3：使用方波信号控制SPST3(ON)开关，使得采样保持和滤波电路，将积分放大的电压信号采样、保持和滤波；
步骤4：使用方波信号控制SPST2(ON)开关与SPST2(OFF)开关，使得负反馈电路将滤波后的电压信号反馈给参考电容Cref，构成新的参考电容电流值，实现待测电容传感器Cx电流和参考电容电流的动态平衡，此时的采样保持电压和待测电容传感器Cx成正比，采样保持和滤波电路输出Vout_p给A/D采集单元进行采集；
步骤5：A/D采集单元将Vout_p转化为数字信号，处理器采集Vout_p数字信号，通过下述公式换算为对应的待测电容传感器Cx值：
Vout_p＝2×Cx×Vexe_p/Cref
式中：
Vout_p——采样保持和滤波电路输出电压，单位为V；
Cx——待测电容传感器电容，单位为pF；
Vexe_p——交流激励信号峰值电压，单位为V；
Cref——参考电容，单位为pF；
SPST1(ON)开关、SPST1(OFF)开关、SPST2(ON)开关、SPST2(OFF)开关、SPST3(ON)开关、SPST4(ON)开关、SPST4(OFF)开关由同一个方波信号控制，所述方波信号由处理器控制产生。
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