CN112345028A - 一种多通道电容式液位传感器信号处理系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于监测和控制技术领域，提供一种多通道电容式液位传感器信号处理系统及方法，解决传统的调理系统及方法因电路易受电缆长度、电缆布线布局影响，导致其抗干扰能力及测量精度较差的问题。系统包括激励端抑制电缆电容电路与采集端保护电路等；利用采集端保护电路、激励端抑制电缆电容电路，在电容采集电路中不影响整个系统采集精度；激励端抑制电缆电容电路具备抑制电缆前分布电容的功能；采集端保护电路具备抑制电缆后分布电容的功能；采集端保护电路能够有效保护电容采集调理电路，能有效抑制流过多路选择器输入接口电流，保护多路选择器等后级电路；本发明测量精度高、抗干扰强，易于实现，可以消除绝大部分后分布电容造成的测量误差。
Description
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。具体涉及一种对多通道电容式液位传感器信号的优化处理方法及其系统，在线实时高安全和抑制电缆电容多通道监测燃油液位，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。航空燃油量及滑油量的准确采集，一般采用电容式传感器，能够方便地将液位量转变为电容量，实现对液位的监测和控制。
目前航空上多采用的是电容式油量传感器，电容式油量传感器在接收到一定幅值一定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。传统的信号调理方法一般存在电荷泄露问题，电路易受电缆长度、电缆布线布局影响，导致系统抗干扰能力及测量精度较差。如中国专利CN108613715A，公开一种“基于交流比例法的航空油量传感器采集系统”，其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，可计算出被测电容值，但是由于电荷信号的微弱性且系统的开环测试原理，导致该系统抗干扰能力较差，采集精度易受前后分布电容影响。为了解决此类问题，中国专利CN108613718A，公开一种“航空油量传感器超远距离抗干扰测量系统”，描述了解决前后分布电容方法，具体为：增加耦合电容系数配置表。对机上线缆走线的方式，材质和屏蔽处理措施均有严格规定，6路激励输出通道和6路反馈通道的耦合电容可以保持一个恒定值。将不同机位不同通道的等效分布电容分别进行测量形成耦合电容系数配置表。这种方式能够有效解决前后分布电容的问题，但是当电缆布局变化、电缆材料变化时，配置表需要更新等缺点，导致其过程复杂，成本高。再如中国专利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，可计算出被测电容值，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，采集精度同样易受前后分布电容影响，因此整个电路精度较差。
发明内容
本发明的目的是提出一种多通道电容式液位传感器信号处理系统及方法，解决传统的调理系统及方法因电路易受电缆长度、电缆布线布局影响，导致其抗干扰能力及测量精度较差的问题。
电容检测电缆外部传输路径上均有分布电容，其中激励输出到达传感器之前的等效分布电容定义为前分布电容，反馈信号返回路径上的等效分布电容定义为后分布电容。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种多通道电容式液位传感器信号处理系统，其特殊之处在于：包括激励电路、驱动器、激励端抑制电缆电容电路、防护电路、采集端保护电路、多通道采集控制器、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、激励端抑制电缆电容电路及防护电路依次电连接；
各个测试通道待测油位传感器的输入端通过电容检测电缆与防护电路的输出端连接；
各个测试通道待测油位传感器的输出端分别通过电容检测电缆与各个采集端保护电路输入端连接；各个采集端保护电路的输出端分别与多通道采集控制器的各个输入端连接；
多通道采集控制器、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积分放大电路的输出端连接，所述负反馈电路的输出端与多通道采集控制器的输出端连接；
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；所述驱动器用于放大交流方波激励信号；
电容检测电缆外部传输路径上均有分布电容，将交流方波激励信号到达待测油位传感器之前的等效分布电容定义为前分布电容，待测油位传感器的反馈信号返回路径上的等效分布电容定义为后分布电容；
所述激励端抑制电缆电容电路用于抑制电缆前分布电容；
所述防护电路用于静电、雷电防护；
所述采集端保护电路用于雷电、静电防护以及抑制电缆后分布电容；
所述多通道采集控制器用于选通各个测试通道；
所述电流转换电压电路用于将流过各个测试通道待测油位传感器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；
所述负反馈电路用于将放大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电流和参考电容电流的动态平衡；
所述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，输出Vout_p；
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——待测电容值，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。
进一步地，所述激励端抑制电缆电容电路包括电阻R4与电容C2，电阻R4的一端与驱动器的输出端连接，另一端通过电容C2接地同时与防护电路的输入端连接；
其中电容C2至少大于最大待测电容值Cx 20倍；电阻R4阻抗小于1/(100πfC2)，其中f为交流方波激励信号频率，且能够保护驱动电路(瞬时短路故障时)。
进一步地，所述采集端保护电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、二极管V1与二极管V2；所述电阻R1的一端通过电容检测电缆与待测电容传感器的输出端连接，另一端分别与二极管V1的阳极、二极管V2的阴极及电阻R2的一端连接，二极管V1的阴极与二极管V2的阳极接地；电阻R2的另一端分别与电阻R3的一端及电容C1的一端连接，电容C1的另一端接地，电阻R3的另一端与多通道采集控制器的输入端连接；
其中电容C1大于最大被测电容值Cx 20倍，电阻R1、电阻R2、电阻R3均小于1/(100πfC1)，且能够保护二极管V1和二极管V2，(正常情况V1和V2两端电压都小于0.5V，特殊情况V1、V2导通时，R1、R2防止流过V1、V2电流过大)其中V1、V2确保后级并联电路电压不大于1.0V电压。有效抑制流过多路选择器输入接口电流。
进一步地，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)开关的一端与积分放大电路的输出端连接，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。
进一步地，所述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。
进一步地，所述电流转换电压电路包括电容C3、电阻R5、电阻R6、电容C4、SPST4(ON)开关及SPST4(OFF)开关；
所述电容C3的一端与多通道采集控制器及负反馈电路的输出端连接，所述电容C3的另一端与电阻R5及电阻R6的一端连接，所述电阻R5的另一端通过SPST4(ON)开关接地；所述电阻R6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C4接地同时与积分放大电路的输入端连接。
进一步地，所述采样保持和滤波电路包括SPST3(ON)、电阻R7、电容C5、跟随器及两个二极管；
所述SPST3(ON)的一端与积分放大电路的输出端连接，SPST3(ON)的另一端与电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端通过电容C5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；两个二极管并联在电阻R2的两端，其中一个二极管的阳极与电阻R2的一端连接，另一个二极管的阴极与电阻R2的一端连接。
进一步地，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。
本发明还提供另一种多通道电容式液位传感器信号处理系统，其特征在于：包括激励电路、驱动器、激励端抑制电缆电容电路、防护电路、采集端保护电路、多通道采集控制器、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、激励端抑制电缆电容电路及防护电路依次电连接；
各个测试通道待测油位传感器的输入端通过电容检测电缆与防护电路的输出端连接；
各个测试通道待测油位传感器的输出端分别通过电容检测电缆与各个采集端保护电路输入端连接；各个采集端保护电路的输出端分别与多通道采集控制器的各个输入端连接；
多通道采集控制器、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多通道采集控制器的输出端连接；
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；所述驱动器用于放大交流方波激励信号；
电容检测电缆外部传输路径上均有分布电容，将交流方波激励信号到达待测油位传感器之前的等效分布电容定义为前分布电容，待测油位传感器的反馈信号返回路径上的等效分布电容定义为后分布电容；
所述激励端抑制电缆电容电路用于抑制电缆前分布电容；
所述防护电路用于静电、雷电防护；
所述采集端保护电路用于雷电、静电防护以及抑制电缆后分布电容；
所述多通道采集控制器用于选通各个测试通道；
所述电流转换电压电路用于将流过各个测试通道待测油位传感器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——待测电容值，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。
进一步地，所述激励端抑制电缆电容电路包括电阻R4与电容C2，电阻R4的一端与驱动器的输出端连接，另一端通过电容C2接地同时与防护电路的输入端连接；
其中电容C2至少大于最大待测电容值Cx 20倍；电阻R4阻抗小于1/(100πfC2)，其中f为交流方波激励信号频率。
进一步地，所述采集端保护电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、二极管V1与二极管V2；所述电阻R1的一端通过电容检测电缆与待测电容传感器的输出端连接，另一端分别与二极管V1的阳极、二极管V2的阴极及电阻R2的一端连接，二极管V1的阴极与二极管V2的阳极接地；电阻R2的另一端分别与电阻R3的一端及电容C1的一端连接，电容C1的另一端接地，电阻R3的另一端与多通道采集控制器的输入端连接；
其中电容C1大于最大被测电容值Cx 20倍，电阻R1、电阻R2、电阻R3均小于1/(100πfC1)，且能够保护二极管V1和二极管V2，其中V1、V2确保后级并联电路电压不大于1.0V电压。
进一步地，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。
进一步地，所述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。
进一步地，所述电流转换电压电路包括电容C3、电阻R5、电阻R6、电容C4、SPST4(ON)开关及SPST4(OFF)开关；
所述电容C3的一端与多通道采集控制器及负反馈电路的输出端连接，所述电容C3的另一端与电阻R5及电阻R6的一端连接，所述电阻R5的另一端通过SPST4(ON)开关接地；所述电阻R6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C4接地同时与积分放大电路的输入端连接。
进一步地，所述采样保持和滤波电路包括SPST3(ON)、电阻R7、电容C5及跟随器；
所述SPST3(ON)的一端与积分放大电路的输出端连接，SPST3(ON)的另一端与电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端通过电容C5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。
进一步地，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。
本发明还提供一种基于上述多通道电容式液位传感器信号处理系统的信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、处理器控制激励电路输出正负幅值相等的交流方波激励信号，该交流方波激励信号依次经过驱动器、激励端抑制电缆电容电路、防护电路、电容检测电缆、待测电容传感器转换为交流电流信号；
步骤2、交流电流信号通过采集端保护电路，采集端保护电路抑制电缆后分布电容；
步骤3、多通道采集控制器选通各个测试通道；
步骤4、电流转换电压电路将流过各个测试通道待测油位传感器的交流电流与流过参考电容Cref电流差值转换为电压信号；
步骤5、积分放大电路对电压信号进行放大，输出放大后的电压信号；
步骤6、负反馈电路将放大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电流和参考电容电流的动态平衡；
步骤7、采样保持和滤波电路将积分放大后的电压信号进行采样、保持和滤波，输出Vout_p；
步骤8、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——待测电容值，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。
本发明还提供一种基于上述多通道电容式液位传感器信号处理系统的信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、处理器控制激励电路输出正负幅值相等的交流方波激励信号，该交流方波激励信号依次经过驱动器、激励端抑制电缆电容电路、防护电路、电容检测电缆、待测电容传感器转换为交流电流信号；
步骤2、交流电流信号通过采集端保护电路，采集端保护电路抑制电缆后分布电容；
步骤3、多通道采集控制器选通各个测试通道；
步骤4、电流转换电压电路将流过各个测试通道待测油位传感器的交流电流与流过参考电容Cref电流差值转换为电压信号；
步骤5、积分放大电路对电压信号进行放大，输出放大后的电压信号；
步骤6、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7、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电流和参考电容电流的动态平衡；
步骤8、采样保持和滤波电路输出Vout_p；
步骤9、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——待测电容值，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。
本发明还提供一种上述多通道电容式液位传感器信号处理系统的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据各个测试通道被测电容值，获取最大被测电容值Cx_max；
步骤2：根据最大被测电容值Cx_max，计算激励端抑制电缆电容电路电容C2，即C2＝30Cx_max，大于20倍即可；
步骤3：根据电容采集系统激励信号频率f和C2，计算前端保护电阻R4，即R4＝1/(100πfC2)；
步骤4：根据测电容值最大值，计算激励端抑制电缆电容电路电容C1，即C1＝30Cx_max，大于20倍即可；
步骤5：选择二极管V1、V2，二极管导通电压小于1.0V；
步骤6：计算采集端保护电路R1＝R2＝R3＝1/(100πfC1)。
本发明的有益效果是：
1、本发明相比较于传统的调理方法，利用采集端保护电路、激励端抑制电缆电容电路，在电容采集电路中不影响整个系统采集精度；激励端抑制电缆电容电路具备抑制电缆前分布电容的功能；采集端保护电路中C1电容大于被测电容值20倍，后分布电容相对于C1电容值非常小，通过待测电容Cx电流仅非常小部分通过后分布电容，因此具备抑制电缆后分布电容的功能；采集端保护电路能够有效保护电容采集调理电路，能有效抑制流过多路选择器输入接口电流，保护多路选择器等后级电路。
2、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。
3、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。
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。
5、本发明相比较于传统的调理方法，还可利用动态电压信号进行闭环控制、快稳定采样保持和滤波电路和空载稳定电路，缩减了电容采集调理电路稳定时间，能够完成多测量通道电容信号的循环调理采集；同时增加的空载稳定电路和快稳定采样保持和滤波电路不影响采集精度和抗干扰能力且易于实现，减小多路电容调理采集成本。
附图说明
图1是实施例一中多通道电容式液位传感器信号处理系统原理图；
图2是实施例二中多通道电容式液位传感器信号处理系统原理图；
图3是实施例一或实施例二中采集端保护电路与多通道采集控制器电路图；
图4是实施例一或实施例二中采集端保护电路；
图5是实施例一或实施例二中激励端抑制电缆电容电路；
图6是实施例一中自平衡交流电桥电路；
图7是实施例二中自平衡交流电桥电路。
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
从图1可以看出，本实施例多通道电容式液位传感器信号处理系统，包括激励电路、驱动器、激励端抑制电缆电容电路、防护电路、采集端保护电路、多通道采集控制器、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、激励端抑制电缆电容电路及防护电路依次电连接；各个测试通道待测油位传感器的输入端通过电容检测电缆与防护电路的输出端连接；各个测试通道待测油位传感器的输出端分别通过电容检测电缆与各个采集端保护电路输入端连接；各个采集端保护电路的输出端分别与多通道采集控制器的各个输入端连接；多通道采集控制器、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积分放大电路的输出端连接，负反馈电路的输出端与多通道采集控制器的输出端连接；
激励电路用于输出正负幅值相等的交流方波激励信号，本实施例中交流方波激励信号的占空比为50％，激励电压峰峰值16V、频率10kHz；驱动器用于放大交流方波激励信号；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。
电容检测电缆外部传输路径上均有分布电容，将交流方波激励信号到达待测油位传感器之前的等效分布电容定义为前分布电容，待测油位传感器的反馈信号返回路径上的等效分布电容定义为后分布电容；激励电路输出的交流方波激励信号通过图5所示激励端抑制电缆电容电路，再通过电容检测、各个待测电容Cx转换为交流电流信号。
其中激励端抑制电缆电容电路用于抑制电缆前分布电容，如图5所示，本实施例中激励端抑制电缆电容电路包括电阻R4与电容C2，电阻R4的一端与驱动器的输出端连接，另一端通过电容C2接地同时与防护电路的输入端连接；
其中电容C2至少大于最大待测电容值Cx 20倍，电阻R4阻抗小于1/(100πfC2)，其中f为交流方波激励信号频率，且能够保护驱动电路(瞬时短路故障时)。本实施例中C2＝10nF(Cx_max为最大待测电容Cx，为100pF)，R4＝10ohm，由于C2远大于Cx，C2电容两端电压不受前分布电容的影响，因此能够有效抑制前分布电容，同时由于R4阻抗远小于C2，Cx两端电压受C2电容误差影响非常小，因此不影响待测电容Cx采集精度。防护电路用于静电、雷电防护，为常规电路。
通过被测电容的交流电流信号进入图4所示的采集端保护电路，采集端保护电路不影响整个系统采集精度，具备抑制电缆后分布电容的功能，且实现对后级多路选择器等调理电路的保护。从图4可以看出，本实施例采集端保护电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、二极管V1与二极管V2；电阻R1的一端通过电容检测电缆与待测电容传感器的输出端连接，另一端分别与二极管V1的阳极、二极管V2的阴极及电阻R2的一端连接，二极管V1的阴极与二极管V2的阳极接地；电阻R2的另一端分别与电阻R3的一端及电容C1的一端连接，电容C1的另一端接地，电阻R3的另一端与多通道采集控制器的输入端连接；其中电容C1大于最大被测电容值Cx 20倍，电阻R1、电阻R2、电阻R3均小于1/(100πfC1)，且能够保护二极管V1和二极管V2，(正常情况V1和V2两端电压都小于0.5V，特殊情况V1、V2导通时，R1、R2防止流过V1、V2电流过大)其中V1、V2确保后级并联电路电压不大于1.0V电压。有效抑制流过多路选择器输入接口电流。
本实施例中C1＝10nF，R1＝R2＝R3＝100ohm，由于C1远大于Cx电容，C1电容两端电压不受前分布电容的影响，因此能够有效抑制后分布电容，同时由于R1、R2、R3阻抗远小于C1，Cx两端电压受C1电容误差影响非常小，因此不影响待测电容Cx采集精度。V1、V2(型号GF1M)确保后级并联电路电压不大于1.0V电压，有效抑制流过多路选择器输入接口电流，由于C1远大于Cx电容，正常情况下V1、V2二极管不导通，不影响被测电容采集精度。
通过R3的电流再和后级调制解调自平衡交流电桥，转换为Vout_p，处理器采集电压Vout_p并换算为对应的被测电容值。
如图6所示，为实施例后级调制解调自平衡交流电桥电路，其中电流转换电压电路用于将流过各个测试通道待测油位传感器的交流电流与流过参考电容Cref电流差值转换为电压信号；包括电容C3、电阻R5、电阻R6、电容C4、SPST4(ON)开关及SPST4(OFF)开关；电容C3的一端与多通道采集控制器及负反馈电路的输出端连接，电容C3的另一端与电阻R5及电阻R6的一端连接，电阻R5的另一端通过SPST4(ON)开关接地；电阻R6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C4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；负反馈电路用于将放大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电流和参考电容电流的动态平衡；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)开关的一端与积分放大电路的输出端连接，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。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，输出Vout_p；采样保持和滤波电路包括SPST3(ON)、电阻R7、电容C5、跟随器及两个二极管；SPST3(ON)的一端与积分放大电路的输出端连接，SPST3(ON)的另一端与电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端通过电容C5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；两个二极管并联在电阻R2的两端，其中一个二极管的阳极与电阻R2的一端连接，另一个二极管的阴极与电阻R2的一端连接。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——待测电容值，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。
本实施例中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，方波信号由处理器控制产生。
可通过以下步骤设计多通道电容式液位传感器信号处理系统：
步骤1：根据各个测试通道被测电容值，获取最大被测电容值Cx_max；
步骤2：根据最大被测电容值Cx_max，计算激励端抑制电缆电容电路电容C2，即C2＝30Cx_max，大于20倍即可；
步骤3：根据电容采集系统激励信号频率f和C2，计算前端保护电阻R4，即R4＝1/(100πfC2)；
步骤4：根据测电容值最大值，计算激励端抑制电缆电容电路电容C1，即C1＝30Cx_max，大于20倍即可；
步骤5：选择二极管V1、V2，二极管导通电压小于1.0V；
步骤6：计算采集端保护电路R1＝R2＝R3＝1/(100πfC1)。
本实施例信号处理方法如下：
步骤1、处理器控制激励电路输出正负幅值相等的交流方波激励信号，该交流方波激励信号依次经过驱动器、激励端抑制电缆电容电路、防护电路、电容检测电缆、待测电容传感器转换为交流电流信号；
步骤2、交流电流信号通过采集端保护电路，采集端保护电路抑制电缆后分布电容；
步骤3、多通道采集控制器选通各个测试通道；
步骤4、电流转换电压电路将流过各个测试通道待测油位传感器的交流电流与流过参考电容Cref电流差值转换为电压信号；
步骤5、积分放大电路对电压信号进行放大，输出放大后的电压信号；
步骤6、负反馈电路将放大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电流和参考电容电流的动态平衡；
步骤7、采样保持和滤波电路将积分放大后的电压信号进行采样、保持和滤波，输出Vout_p；
步骤8、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——待测电容值，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。
实施例二
与实施例一不同的是，本实施例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多通道采集控制器的输出端连接；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；本实施例后级调制解调自平衡交流电桥电路如图7所示。因其他电路及作用均与实施例一相同，因此，此处只描述采样保持和滤波电路，从图7中可以看出，采样保持和滤波电路包括SPST3(ON)、电阻R7、电容C5及跟随器；SPST3(ON)的一端与积分放大电路的输出端连接，SPST3(ON)的另一端与电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端通过电容C5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。
本实施例信号处理方法如下：
步骤1、处理器控制激励电路输出正负幅值相等的交流方波激励信号，该交流方波激励信号依次经过驱动器、激励端抑制电缆电容电路、防护电路、电容检测电缆、待测电容传感器转换为交流电流信号；
步骤2、交流电流信号通过采集端保护电路，采集端保护电路抑制电缆后分布电容；
步骤3、多通道采集控制器选通各个测试通道；
步骤4、电流转换电压电路将流过各个测试通道待测油位传感器的交流电流与流过参考电容Cref电流差值转换为电压信号；
步骤5、积分放大电路对电压信号进行放大，输出放大后的电压信号；
步骤6、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7、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电流和参考电容电流的动态平衡；
步骤8、采样保持和滤波电路输出Vout_p；
步骤9、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——待测电容值，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。
Claims (19)
1.一种多通道电容式液位传感器信号处理系统，其特征在于：包括激励电路、驱动器、激励端抑制电缆电容电路、防护电路、采集端保护电路、多通道采集控制器、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、激励端抑制电缆电容电路及防护电路依次电连接；
各个测试通道待测油位传感器的输入端通过电容检测电缆与防护电路的输出端连接；
各个测试通道待测油位传感器的输出端分别通过电容检测电缆与各个采集端保护电路输入端连接；各个采集端保护电路的输出端分别与多通道采集控制器的各个输入端连接；
多通道采集控制器、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积分放大电路的输出端连接，所述负反馈电路的输出端与多通道采集控制器的输出端连接；
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；所述驱动器用于放大交流方波激励信号；
电容检测电缆外部传输路径上均有分布电容，将交流方波激励信号到达待测油位传感器之前的等效分布电容定义为前分布电容，待测油位传感器的反馈信号返回路径上的等效分布电容定义为后分布电容；
所述激励端抑制电缆电容电路用于抑制电缆前分布电容；
所述防护电路用于静电、雷电防护；
所述采集端保护电路用于雷电、静电防护以及抑制电缆后分布电容；
所述多通道采集控制器用于选通各个测试通道；
所述电流转换电压电路用于将流过各个测试通道待测油位传感器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；
所述负反馈电路用于将放大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电流和参考电容电流的动态平衡；
所述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，输出Vout_p；
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——待测电容值，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。
2.根据权利要求1所述的多通道电容式液位传感器信号处理系统，其特征在于：所述激励端抑制电缆电容电路包括电阻R4与电容C2，电阻R4的一端与驱动器的输出端连接，另一端通过电容C2接地同时与防护电路的输入端连接；
其中电容C2至少大于最大待测电容值Cx 20倍；电阻R4阻抗小于1/(100πfC2)，其中f为交流方波激励信号频率。
3.根据权利要求1或2所述的多通道电容式液位传感器信号处理系统，其特征在于：所述采集端保护电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、二极管V1与二极管V2；所述电阻R1的一端通过电容检测电缆与待测电容传感器的输出端连接，另一端分别与二极管V1的阳极、二极管V2的阴极及电阻R2的一端连接，二极管V1的阴极与二极管V2的阳极接地；电阻R2的另一端分别与电阻R3的一端及电容C1的一端连接，电容C1的另一端接地，电阻R3的另一端与多通道采集控制器的输入端连接；
其中电容C1大于最大被测电容值Cx 20倍，电阻R1、电阻R2、电阻R3均小于1/(100πfC1)，且能够保护二极管V1和二极管V2，其中V1、V2确保后级并联电路电压不大于1.0V电压。
4.根据权利要求3所述的多通道电容式液位传感器信号处理系统，其特征在于：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)开关的一端与积分放大电路的输出端连接，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。
5.根据权利要求4所述的多通道电容式液位传感器信号处理系统，其特征在于：所述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。
6.根据权利要求5所述的多通道电容式液位传感器信号处理系统，其特征在于：所述电流转换电压电路包括电容C3、电阻R5、电阻R6、电容C4、SPST4(ON)开关及SPST4(OFF)开关；
所述电容C3的一端与多通道采集控制器及负反馈电路的输出端连接，所述电容C3的另一端与电阻R5及电阻R6的一端连接，所述电阻R5的另一端通过SPST4(ON)开关接地；所述电阻R6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C4接地同时与积分放大电路的输入端连接。
7.根据权利要求6所述的多通道电容式液位传感器信号处理系统，其特征在于：所述采样保持和滤波电路包括SPST3(ON)、电阻R7、电容C5、跟随器及两个二极管；
所述SPST3(ON)的一端与积分放大电路的输出端连接，SPST3(ON)的另一端与电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端通过电容C5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；两个二极管并联在电阻R2的两端，其中一个二极管的阳极与电阻R2的一端连接，另一个二极管的阴极与电阻R2的一端连接。
8.根据权利要求7所述的多通道电容式液位传感器信号处理系统，其特征在于：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。
9.一种多通道电容式液位传感器信号处理系统，其特征在于：包括激励电路、驱动器、激励端抑制电缆电容电路、防护电路、采集端保护电路、多通道采集控制器、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、激励端抑制电缆电容电路及防护电路依次电连接；
各个测试通道待测油位传感器的输入端通过电容检测电缆与防护电路的输出端连接；
各个测试通道待测油位传感器的输出端分别通过电容检测电缆与各个采集端保护电路输入端连接；各个采集端保护电路的输出端分别与多通道采集控制器的各个输入端连接；
多通道采集控制器、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多通道采集控制器的输出端连接；
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；所述驱动器用于放大交流方波激励信号；
电容检测电缆外部传输路径上均有分布电容，将交流方波激励信号到达待测油位传感器之前的等效分布电容定义为前分布电容，待测油位传感器的反馈信号返回路径上的等效分布电容定义为后分布电容；
所述激励端抑制电缆电容电路用于抑制电缆前分布电容；
所述防护电路用于静电、雷电防护；
所述采集端保护电路用于雷电、静电防护以及抑制电缆后分布电容；
所述多通道采集控制器用于选通各个测试通道；
所述电流转换电压电路用于将流过各个测试通道待测油位传感器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——待测电容值，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。
10.根据权利要求9所述的多通道电容式液位传感器信号处理系统，其特征在于：所述激励端抑制电缆电容电路包括电阻R4与电容C2，电阻R4的一端与驱动器的输出端连接，另一端通过电容C2接地同时与防护电路的输入端连接；
其中电容C2至少大于最大待测电容值Cx 20倍；电阻R4阻抗小于1/(100πfC2)，其中f为交流方波激励信号频率。
11.根据权利要求9或10所述的多通道电容式液位传感器信号处理系统，其特征在于：所述采集端保护电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1、二极管V1与二极管V2；所述电阻R1的一端通过电容检测电缆与待测电容传感器的输出端连接，另一端分别与二极管V1的阳极、二极管V2的阴极及电阻R2的一端连接，二极管V1的阴极与二极管V2的阳极接地；电阻R2的另一端分别与电阻R3的一端及电容C1的一端连接，电容C1的另一端接地，电阻R3的另一端与多通道采集控制器的输入端连接；
其中电容C1大于最大被测电容值Cx 20倍，电阻R1、电阻R2、电阻R3均小于1/(100πfC1)，且能够保护二极管V1和二极管V2，其中V1、V2确保后级并联电路电压不大于1.0V电压。
12.根据权利要求11所述的多通道电容式液位传感器信号处理系统，其特征在于：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。
13.根据权利要求10所述的多通道电容式液位传感器信号处理系统，其特征在于：所述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。
14.根据权利要求13所述的多通道电容式液位传感器信号处理系统，其特征在于：所述电流转换电压电路包括电容C3、电阻R5、电阻R6、电容C4、SPST4(ON)开关及SPST4(OFF)开关；
所述电容C3的一端与多通道采集控制器及负反馈电路的输出端连接，所述电容C3的另一端与电阻R5及电阻R6的一端连接，所述电阻R5的另一端通过SPST4(ON)开关接地；所述电阻R6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C4接地同时与积分放大电路的输入端连接。
15.根据权利要求14所述的多通道电容式液位传感器信号处理系统，其特征在于：所述采样保持和滤波电路包括SPST3(ON)、电阻R7、电容C5及跟随器；
所述SPST3(ON)的一端与积分放大电路的输出端连接，SPST3(ON)的另一端与电阻R7的一端连接，电阻R7的另一端通过电容C5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。
16.根据权利要求15所述的多通道电容式液位传感器信号处理系统，其特征在于：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。
17.一种基于权利要求1至8任一所述多通道电容式液位传感器信号处理系统的信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、处理器控制激励电路输出正负幅值相等的交流方波激励信号，该交流方波激励信号依次经过驱动器、激励端抑制电缆电容电路、防护电路、电容检测电缆、待测电容传感器转换为交流电流信号；
步骤2、交流电流信号通过采集端保护电路，采集端保护电路抑制电缆后分布电容；
步骤3、多通道采集控制器选通各个测试通道；
步骤4、电流转换电压电路将流过各个测试通道待测油位传感器的交流电流与流过参考电容Cref电流差值转换为电压信号；
步骤5、积分放大电路对电压信号进行放大，输出放大后的电压信号；
步骤6、负反馈电路将放大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电流和参考电容电流的动态平衡；
步骤7、采样保持和滤波电路将积分放大后的电压信号进行采样、保持和滤波，输出Vout_p；
步骤8、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——待测电容值，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。
18.一种基于权利要求9至16任一所述多通道电容式液位传感器信号处理系统的信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、处理器控制激励电路输出正负幅值相等的交流方波激励信号，该交流方波激励信号依次经过驱动器、激励端抑制电缆电容电路、防护电路、电容检测电缆、待测电容传感器转换为交流电流信号；
步骤2、交流电流信号通过采集端保护电路，采集端保护电路抑制电缆后分布电容；
步骤3、多通道采集控制器选通各个测试通道；
步骤4、电流转换电压电路将流过各个测试通道待测油位传感器的交流电流与流过参考电容Cref电流差值转换为电压信号；
步骤5、积分放大电路对电压信号进行放大，输出放大后的电压信号；
步骤6、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7、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电流和参考电容电流的动态平衡；
步骤8、采样保持和滤波电路输出Vout_p；
步骤9、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——待测电容值，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。
19.一种权利要求1至16任一所述多通道电容式液位传感器信号处理系统的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据各个测试通道被测电容值，获取最大被测电容值Cx_max；
步骤2：根据最大被测电容值Cx_max，计算激励端抑制电缆电容电路电容C2，即C2＝30Cx_max，大于20倍即可；
步骤3：根据电容采集系统激励信号频率f和C2，计算前端保护电阻R4，即R4＝1/(100πfC2)；
步骤4：根据测电容值最大值，计算激励端抑制电缆电容电路电容C1，即C1＝30Cx_max，大于20倍即可；
步骤5：选择二极管V1、V2，二极管导通电压小于1.0V；
步骤6：计算采集端保护电路R1＝R2＝R3＝1/(100πfC1)。
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Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3533286A (en) * | 1969-01-28 | 1970-10-13 | Trans Sonics Inc | Tank quantity gage |
| US4806847A (en) * | 1986-12-09 | 1989-02-21 | Caterpillar Inc. | Dielectric liquid level sensor and method |
| CN2611290Y (zh) * | 2003-01-06 | 2004-04-14 | 广东工业大学 | 深海作业静止参考坐标装置 |
| EP1553389A1 (en) * | 2003-12-26 | 2005-07-13 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | Liquid level detection apparatus |
| EP2587836A1 (en) * | 2011-10-27 | 2013-05-01 | Suzhou Sonavox Electronics Co., Ltd. | A method and device of channel equalization and beam controlling for a digital speaker array system |
| WO2013159525A1 (zh) * | 2012-04-27 | 2013-10-31 | 苏州上声电子有限公司 | 基于编码转换的数字扬声器驱动方法和装置 |
| CN108225495A (zh) * | 2016-12-12 | 2018-06-29 | 中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所 | 一种电容式液位传感器在线测量系统及其方法 |
| CN108225479A (zh) * | 2016-12-12 | 2018-06-29 | 中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所 | 航空油量传感器交流正弦可变激励源发生电路 |
| CN108613715A (zh) * | 2016-12-12 | 2018-10-02 | 中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所 | 基于交流比例法的航空油量传感器采集系统 |
| CN110725829A (zh) * | 2019-11-24 | 2020-01-24 | 国网新疆电力有限公司乌鲁木齐供电公司 | 液压机构油位监测装置 |
-
2020
- 2020-10-30 CN CN202011191379.0A patent/CN112345028A/zh active Pending
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3533286A (en) * | 1969-01-28 | 1970-10-13 | Trans Sonics Inc | Tank quantity gage |
| US4806847A (en) * | 1986-12-09 | 1989-02-21 | Caterpillar Inc. | Dielectric liquid level sensor and method |
| CN2611290Y (zh) * | 2003-01-06 | 2004-04-14 | 广东工业大学 | 深海作业静止参考坐标装置 |
| EP1553389A1 (en) * | 2003-12-26 | 2005-07-13 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | Liquid level detection apparatus |
| EP2587836A1 (en) * | 2011-10-27 | 2013-05-01 | Suzhou Sonavox Electronics Co., Ltd. | A method and device of channel equalization and beam controlling for a digital speaker array system |
| WO2013159525A1 (zh) * | 2012-04-27 | 2013-10-31 | 苏州上声电子有限公司 | 基于编码转换的数字扬声器驱动方法和装置 |
| CN108225495A (zh) * | 2016-12-12 | 2018-06-29 | 中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所 | 一种电容式液位传感器在线测量系统及其方法 |
| CN108225479A (zh) * | 2016-12-12 | 2018-06-29 | 中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所 | 航空油量传感器交流正弦可变激励源发生电路 |
| CN108613715A (zh) * | 2016-12-12 | 2018-10-02 | 中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所 | 基于交流比例法的航空油量传感器采集系统 |
| CN110725829A (zh) * | 2019-11-24 | 2020-01-24 | 国网新疆电力有限公司乌鲁木齐供电公司 | 液压机构油位监测装置 |
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