CN114413998A - 一种高精度液位传感器测量系统和测量方法 - Google Patents

一种高精度液位传感器测量系统和测量方法 Download PDF

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CN114413998A CN202111663773.4A CN202111663773A CN114413998A CN 114413998 A CN114413998 A CN 114413998A CN 202111663773 A CN202111663773 A CN 202111663773A CN 114413998 A CN114413998 A CN 114413998A
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王国振
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Abstract

本发明公开一种高精度液位传感器测量系统和测量方法，包括：使用方波信号控制单刀单掷开关实现对直流电压基准信号的调制，并输出高精度幅值的交流方波激励信号；使用激励端抑制电缆电容电路实现对电缆前分布电容的抑制功能；使用采集端保护及抑制电缆电容电路和多通道分时采集控制单元，实现对电缆后分布电容的抑制功能；使用自平衡电流桥电路实现对通过被测电容电流信号的负反馈控制和转换，并输出直流电压信号，提高采集精度和抗干扰功能；使用解调原理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。本发明的技术方案解决了现有的电容式油量传感器进行电容采集时易受环境影响，以及采集精度差、通用性不强且成本较高等问题。

Description

一种高精度液位传感器测量系统和测量方法
技术领域
本发明涉及但不限于监测和控制技术领域，尤指一种高精度液位传感器测量系统和测量方法。
背景技术
航空燃油量、滑油量液位的准确采集，一般采用电容式传感器，能够方便地将液位转变为电容量，实现对液位的监测和控制。如在飞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。
目前航空上多采用的是电容式油量传感器，传统的调理方法一般存在电荷泄露问题，抗干扰能力、精度、线性度较差。以下对现有电容式油量传感器的采集方式和存在问题进行枚举说明：
目前已有的“一种基于时序法的AD7746电容测量系统”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等缺点，不适用于多路电容信号量采集等缺点，且成本较高，芯片采购存在诸多困难；
第二种“基于交流比例法的航空油量传感器测量系统”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，可计算出被测电容值，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；
第三种“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，因此整个电路精度较差。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、漏电流等，因此整个电路精度较差，“电容式雨量传感器信号处理电路的设计”也属于第三种，存在同样的问题。
上述枚举出的三种电容式油量传感器普遍存在电路抗干扰能力、精度、线性度较差，易受电缆电容影响等缺点。因此，目前亟需提供一种高可靠的、高精度的液位传感器测量方法。
发明内容
本发明的目的为：针对第一、二、三种方法存在的问题，本发明实施例提出一种高精度液位传感器测量系统和测量方法，以解决现有的电容式油量传感器进行电容采集时易受环境影响，以及采集精度差、通用性不强且成本较高等问题。
本发明的技术方案为：本发明实施例提出一种高精度液位传感器测量系统和测量方法，包括：信号处理器(CPU)，多组单刀单掷开关(SPST)，激励端抑制电缆电容电路，驱动器，采集端保护及抑制电缆电容电路，多通道分时采集控制电路，自平衡电流桥电路，A/D采集电路；其中，所述激励端抑制电缆电容电路的输出端与采集端保护及抑制电缆电容电路的输入端之间通过电容检测电缆并联多个油位传感器，激励端抑制电缆电容电路到油位达传感器之间的等效分布电容为前分布电容，油位传感器到采集端保护及抑制电缆电容电路之间的等效分布电容定义为后分布电容；
其中，所述信号处理器(CPU)，用于通过其产生的方波信号控制每组单刀单掷开关(SPST)，使得每组单刀单掷开关(SPST)输出高精度幅值的交流方波激励信号；
其中一组单刀单掷开关SPST通过一个驱动器连接到激励端抑制电缆电容电路，采用激励端抑制电缆电容电路对前分布电容进行电容抑制；并且采用串联的采集端保护及抑制电缆电容电路和多通道分时采集控制单元对后分布电容进行电容抑制，以使得多路选择器未选择本通道接通时，被测量电容电流信号的稳定功能，实现多路电容信号的分时多通道采集；
所述自平衡电流桥电路，用于实现对经过油位传感器的被测电容电流信号的负反馈控制和转换，以输出直流电压信号；其中，自平衡电流桥电路使用解调原理将被测电容电流信号转换为交流电压信号，以及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；
所述A/D采集电路将从自平衡电流桥电路的输出端采集到的直流电压信号传输给信号处理器(CPU)进行处理。
可选地，如上所述的高精度液位传感器测量系统中，还包括：
设置于驱动器输出端与信号处理器(CPU)之间的激励信号频率采集电路，设置于驱动器输出端与A/D采集电路之间的激励信号电压采集电路，用于对激励交流信号的频率和电压有效值进行回采和自检测；其中，激励交流电压检测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；
设置于激励端抑制电缆电容电路输出端与采集端保护及抑制电缆电容电路输入端之间的自检电容Cbit，用于对整个高精度液位传感器测量系统进行自检测，包括：通过激励信号频率采集电路和激励信号电压采集电路确认激励交流信号电压和频率的正确性，以及通过自检电容Cbit，确认整个高精度液位传感器测量系统进行信号采集正确性。
可选地，如上所述的高精度液位传感器测量系统中，还包括：
设置于激励端抑制电缆电容电路输出端与各并联油位传感器之间的第一雷电/电磁防护电路，以及设置于各并联油位传感器与采集端保护及抑制电缆电容电路之间的第二雷电/电磁防护电路，用于实现对雷电和高能辐射场信号的抑制功能；
其中，所述第一雷电/电磁防护电路和第二雷电/电磁防护电路中，防雷管电容不大于激励端抑制电缆电容电路对地电容Cexe电容值，且不大于采集端保护电路对地电容Cq电容值；电磁防护电路由电感和电容组成，且电容不大于Cexe电容值,且不大于Cq电容值。
可选地，如上所述的高精度液位传感器测量系统中，所述自平衡电流桥电路，包括：依次连接的电流转换电压子电路、积分放大子电路和采样保持子电路，以及设置于积分放大子电路输出端与电流转换电压子电路输入端之间的负反馈子电路；
其中，电流转换电压子电路内设置有一组单刀单掷开关SPST，用于将被测电容电流与参考电容Cref电流(负反馈)的差值转换为电压信号；
积分放大子电路，用于将电流转换电压子电路输出的电压信号进行积分放大后，分别传输至采样保持子电路和负反馈子电路；
负反馈子电路中包括一组单刀单掷开关SPST和位于开关输出端的精密参考电容，用于将积分放大后的电压信号反馈给精密参考电容Cref，最终实现被测电容电流和参考电容电流的动态平衡；
采样保持子电路中设置有一组单刀单掷开关SPST，用于对放大后的电压信号进行采样保持，并由A/D采集电路进行电压信号。
可选地，如上所述的高精度液位传感器测量系统中，所述所述自平衡电流桥电路，还包括：与所述采样保持子电路并联设置的二极管；
并联连接的二极管和所述采样保持子电路形成快速采样保持子电路，用于在电流稳定的初始阶段，积分放大后的电压信号直接通过二极管流入电容，加速了稳定过程；以及在电流趋于稳定时，积分放大后的电压信号通过采样保持子电路，以保证输出稳定精度的电压信号；所输出的电压信号与被测油位传感器的电容值成正比。
可选地，如上所述的高精度液位传感器测量系统中，
每组所述单刀单掷开关SPST所输入的方波信号(包括：激励信号产生和传感器输出调理信号)为相同频率和相同相位的方波信号，方波信号频率和相位均由处理器控制产生。
可选地，如上所述的高精度液位传感器测量系统中，所述采集端保护及抑制电缆电容电路包括：串联的采集端抑制电缆电容子电路和采集端保护子电路；
其中，采集端保护子电路进入多通道分时采集控制电路的电容电流信号平均值不大于多通道分时采集控制电路的耐受电流，用于保证多通道被测电容电流信号稳定，使得多通道分时采集控制电路的选通通道中经过油位传感器的被测电容电流信号和未选通通道中经过油位传感器的被测电容对地形成空载稳定电容电流信号，避免空载过程中无电流回路导致电容放电不受控。
可选地，如上所述的高精度液位传感器测量系统中，
当多通道分时采集控制电路选择其中一个通道接通时，本通道的电容电流信号进入自平衡电流桥电路，输出直流电压信号Vout_p，已稳定的经过油位传感器的被测电容电流信号重新根据负载变化进入新的稳定状态。
本发明实施例还提供一种高精度液位传感器测量方法，采用如上述任一项所述的高精度液位传感器测量系统执行所述高精度液位传感器测量方法，所述方法包括:
步骤1，使用信号处理器产生的方波信号控制每组单刀单掷开关SPST(ON)、SPST(OFF)，以对直流电压基准信号进行调制，并输出高精度幅值的交流方波激励信号；
步骤2，激励端电路中的单刀单掷开关输出的交流方波激励信号，经过驱动器后使用激励端抑制电缆电容电路对前分布电容(激励端测量的电缆电容值)进行电容抑制；
步骤3，使用采集端保护及抑制电缆电容电路和多通道分时采集控制单元，实现对后分布电容(测量端的电缆电容值)的抑制功能；实现当多路选择器未选择本通道接通时，被测量电容电流信号的稳定功能；实现多路电容信号的分时多通道采集；
步骤4，使用自平衡电流桥电路实现对通过被测电容电流信号的负反馈控制和转换，并输出直流电压信号；其中，使用解调原理实现将被测电容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。
本发明的有益效果为：本发明实施例提供一种高精度液位传感器测量系统和测量方法，相比较于传统的液位检测调理方法，本发明实施例中使用方波信号控制单刀单掷开关实现对直流电压基准信号的调制，并输出高精度幅值的交流方波激励信号；使用激励端抑制电缆电容电路，实现对电缆前分布电容(激励端测量的电缆电容值)的抑制功能；使用雷电/电磁防护单元，实现对雷电和高能辐射场信号的抑制功能；使用采集端保护及抑制电缆电容电路和多通道分时采集控制单元，实现对电缆后分布电容(调理端测量的电缆电容值)的抑制功能；实现当多路选择器未选择本通道接通时，被测量电容电流的稳定功能，使整个未选择通道处于安全可控状态，使未选择通道的被测电容放电可控；实现多路电容信号的分时多通道采集；使用自平衡电流桥电路实现对通过被测电容电流信号的负反馈控制和转换，并输出直流电压信号，提高采集精度和抗干扰功能；使用解调原理实现将被测电容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，使用调制解调方法，提高了系统抗干扰能力。本发明实施例提供的技术方案的环境适应性强、精度高、通用性强且成本较低。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1为本发明实施例提供的一种高精度液位传感器测量系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
本发明提供以下几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
图1为本发明实施例提供的一种高精度液位传感器测量系统的结构示意图。本发明实施例提供的高精度液位传感器测量系统包括：信号处理器(CPU)，多组单刀单掷开关(SPST)，激励端抑制电缆电容电路，驱动器，采集端保护及抑制电缆电容电路，多通道分时采集控制电路，自平衡电流桥电路，A/D采集电路。
本发明实施例提供的高精度液位传感器测量系统和测量方法，主要用于燃油量、滑油量等液位信息监测，同时也可用于燃油、滑油品质检测。具体的说是一种高精度液位传感器信号的优化处理方法及其系统，在线实时高高精度多通道监测燃油液位。
如图1所示电路结构中，激励端抑制电缆电容电路的输出端与采集端保护及抑制电缆电容电路的输入端之间通过电容检测电缆并联多个油位传感器，激励端抑制电缆电容电路到油位达传感器之间的等效分布电容为前分布电容，油位传感器到采集端保护及抑制电缆电容电路之间的等效分布电容定义为后分布电容。需要说明的是，本发明实施例中的上述电容检测电缆具体指测量系统与传感器之间的电缆；另外，本发明实施例提供的测量系统的电路结构中具有多处单刀单掷开关(SPST)，以下实施例中详细说明。
本发明实施例中的信号处理器(CPU)，用于通过其产生的方波信号控制每组单刀单掷开关(SPST)，使得每组单刀单掷开关(SPST)输出高精度幅值的交流方波激励信号。
本发明实施例中的其中一组单刀单掷开关SPST通过一个驱动器连接到激励端抑制电缆电容电路，采用该激励端抑制电缆电容电路对前分布电容进行电容抑制；并且采用串联的采集端保护及抑制电缆电容电路和多通道分时采集控制单元对后分布电容进行电容抑制，以使得多路选择器未选择本通道接通时，被测量电容电流信号的稳定功能，实现多路电容信号的分时多通道采集。
本发明实施例中的自平衡电流桥电路，用于实现对经过油位传感器的被测电容电流信号的负反馈控制和转换，以输出直流电压信号；其中，自平衡电流桥电路使用解调原理将被测电容电流信号转换为交流电压信号，以及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。
本发明实施例中的A/D采集电路将从自平衡电流桥电路的输出端采集到的直流电压信号传输给信号处理器(CPU)进行处理。
在本发明实施例的一种实现方式中，如图1所示测量系统还可以包括：
第一方面，设置于驱动器输出端与信号处理器(CPU)之间的激励信号频率采集电路，以及设置于驱动器输出端与A/D采集电路之间的激励信号电压采集电路；采用上述两个采集电路分别对激励交流信号的频率和电压有效值进行回采和自检测。在具体实施中，对激励交流电压检测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。
第二方面，设置于激励端抑制电缆电容电路输出端与采集端保护及抑制电缆电容电路输入端之间的自检电容Cbit，用于对整个高精度液位传感器测量系统进行自检测。自检测的具体方式包括：通过激励信号频率采集电路和激励信号电压采集电路确认激励交流信号电压和频率的正确性，以及通过自检电容Cbit，确认整个高精度液位传感器测量系统进行信号采集正确性。
第三方面，设置于激励端抑制电缆电容电路输出端与各并联油位传感器之间的第一雷电/电磁防护电路，以及设置于各并联油位传感器与采集端保护及抑制电缆电容电路之间的第二雷电/电磁防护电路，用于实现对雷电和高能辐射场信号的抑制功能。
需要说明的是，第一雷电/电磁防护电路和第二雷电/电磁防护电路中，防雷管电容不大于激励端抑制电缆电容电路对地电容Cexe电容值，且不大于采集端保护电路对地电容Cq电容值；电磁防护电路由电感和电容组成，且电容不大于Cexe电容值,且不大于Cq电容值。
在本发明实施例的一种实现方式中，如图1所示，自平衡电流桥电路，可以包括：依次连接的电流转换电压子电路、积分放大子电路和采样保持子电路，以及设置于积分放大子电路输出端与电流转换电压子电路输入端之间的负反馈子电路。
该实现方式中，电流转换电压子电路内设置有一组单刀单掷开关SPST，采用该单刀单掷开关SPST可以将被测电容电流与参考电容Cref电流(负反馈)的差值转换为电压信号。
该实现方式中的积分放大子电路，用于将电流转换电压子电路输出的电压信号进行积分放大后，分别传输至采样保持子电路和负反馈子电路；
该实现方式中的负反馈子电路中包括一组单刀单掷开关SPST和位于开关输出端的精密参考电容，用于将积分放大后的电压信号反馈给精密参考电容Cref，最终实现被测电容电流和参考电容电流的动态平衡。
该实现方式中的采样保持子电路中设置有一组单刀单掷开关SPST，用于对放大后的电压信号进行采样保持，并由A/D采集电路进行电压信号。
在本发明实施例的一个优选实现方式中，自平衡电流桥电路，还可以包括：与采样保持子电路并联设置的二极管(图1中并未示出)。
该优选实现方式中，并联连接的二极管和采样保持子电路形成快速采样保持子电路，用于在电流稳定的初始阶段，积分放大后的电压信号直接通过二极管流入电容，加速了稳定过程；以及在电流趋于稳定时，积分放大后的电压信号通过采样保持子电路，以保证输出稳定精度的电压信号；所输出的电压信号与被测油位传感器的电容值成正比。
需要说明的是，本发明实施例中的每组单刀单掷开关SPST所输入的方波信号(包括：激励信号产生和传感器输出调理信号)为相同频率和相同相位的方波信号，方波信号频率和相位均由处理器控制产生。
在本发明实施例的一种实现方式中，采集端保护及抑制电缆电容电路包括：串联的采集端抑制电缆电容子电路和采集端保护子电路。对该电路的性能的要求为：采集端抑制电缆电容子电路在电容采集电路中不影响整个系统采集精度，且具备抑制电缆后分布电容的功能，具体为：采集端保护子电路对地电容Cq大于后电缆电容最大值20倍，后分布电容相对于Cq电容值非常小，通过被测电容CX电流仅非常小部分通过后分布电容。
该实现方式中，采集端保护子电路进入多通道分时采集控制电路的电容电流信号平均值不大于多通道分时采集控制电路的耐受电流，用于保证多通道被测电容电流信号稳定，使得多通道分时采集控制电路的选通通道中经过油位传感器的被测电容电流信号和未选通通道中经过油位传感器的被测电容对地形成空载稳定电容电流信号，避免空载过程中无电流回路导致电容放电不受控。
采集端保护子电路能够有效保护整体采集端，其具体实施方式为：由于多通道分时采集控制电路不能够耐受大电流冲击，因此，要求确保从采集端保护子电路进入多通道分时采集控制电路的电容电流信号平均值不大于多通道分时采集控制电路的耐受电流；采集端保护子电路能够保证多通道被测电容电流信号稳定，使得多通道分时采集控制电路的选通通道中经过油位传感器的被测电容电流信号和未选通通道中经过油位传感器的被测电容对地形成空载稳定电容电流信号，避免空载过程中无电流回路导致电容放电不受控。
本发明实施例中，当多通道分时采集控制电路选择其中一个通道接通时，本通道的电容电流信号进入自平衡电流桥电路，输出直流电压信号Vout_p，已稳定的经过油位传感器的被测电容电流信号重新根据负载变化进入新的稳定状态。
基于本发明上述各实施例提供的高精度液位传感器测量系统，本发明实施例还提供一种高精度液位传感器测量方法，本发明实施例提供的方法为采用上述任一实施例提供的高精度液位传感器测量系统所执行的，该方法包括如下步骤：
步骤1，使用信号处理器产生的方波信号控制每组单刀单掷开关的SPST(ON)、SPST(OFF)，以对直流电压基准信号进行调制，并输出高精度幅值的交流方波激励信号；
步骤2，激励端电路中的单刀单掷开关输出的交流方波激励信号，经过驱动器后使用激励端抑制电缆电容电路对前分布电容(即激励端测量的电缆电容值)进行电容抑制；
步骤3，使用采集端保护及抑制电缆电容电路和多通道分时采集控制单元，实现对后分布电容(即测量端的电缆电容值)的抑制功能；实现当多路选择器未选择本通道接通时，被测量电容电流信号的稳定功能；实现多路电容信号的分时多通道采集；
步骤4，使用自平衡电流桥电路实现对通过被测电容电流信号的负反馈控制和转换，并输出直流电压信号；其中，使用解调原理实现将被测电容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。
本发明实施例提供的高精度液位传感器测量系统和测量方法，相比较于传统的液位检测调理方法，使用方波信号控制单刀单掷开关实现对直流电压基准信号的调制，并输出高精度幅值的交流方波激励信号；使用激励端抑制电缆电容电路，实现对电缆前分布电容(激励端测量的电缆电容值)的抑制功能；使用雷电/电磁防护单元，实现对雷电和高能辐射场信号的抑制功能；使用采集端保护及抑制电缆电容电路和多通道分时采集控制单元，实现对电缆后分布电容(调理端测量的电缆电容值)的抑制功能；实现当多路选择器未选择本通道接通时，被测量电容电流的稳定功能，使整个未选择通道处于安全可控状态，使未选择通道的被测电容放电可控；实现多路电容信号的分时多通道采集；使用自平衡电流桥电路实现对通过被测电容电流信号的负反馈控制和转换，并输出直流电压信号，提高采集精度和抗干扰功能；使用解调原理实现将被测电容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，使用调制解调方法，提高了系统抗干扰能力。本发明实施例提供的技术方案的环境适应性强、精度高、通用性强且成本较低。
以下通过一个具体实施例对本发明实施例提供的高精度液位传感器测量系统和测量方法的实施方式进行示意性说明。
请参阅图1所示的高精度液位传感器测量系统及其测量方法的原理示意图。本发明实施例对高精度液位传感器的液位采集通过以下技术方案来实现。首先需要说明的是，电容检测电缆(指本发明实施例中的测量系统与传感器之间的电缆)的外部传输路径上均有分布电容，其中激励输出到油位达传感器之间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。
(1)、使用信号处理器(CPU)发出的方波信号控制单刀单掷开关SPST(ON)、SPST(OFF)，实现对直流电压基准信号的调制，从而使得单刀单掷开关SPST输出高精度幅值的交流方波激励信号。
输出的交流方波激励信号通过驱动器后到达激励端抑制电缆电容电路，采用该激励端抑制电缆电容电路，实现对电缆前分布电容(激励端测量的电缆电容值)的抑制功能。
使用雷电/电磁防护单元，实现对雷电和高能辐射场信号的抑制功能。
使用采集端保护及抑制电缆电容电路和多通道分时采集控制单元，实现对电缆后分布电容(调理端测量的电缆电容值)的抑制功能；实现当多路选择器未选择本通道接通时，被测量电容电流的稳定功能；实现多路电容信号的分时多通道采集。
使用自平衡电流桥电路实现对经过油位传感器的被测电容电流信号的负反馈控制和转换，并输出直流电压信号；且该自平衡电流桥电路使用解调原理实现将被测电容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。
使用有效值电路和频率采集放大，实现对交流方波激励信号的自检测功能；使用电容Cbit，实现对整个传感器采集放大的自检测功能。
(2)，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，方波信号频率和相位由处理器控制产生。
(3)，激励端抑制电缆电容电路的设计要求为：在电容测量电路中不影响整个系统采集精度，且具备抑制电缆前分布电容的功能，具体为激励端抑制电缆电容电路对地电容Cexe大于前电缆电容最大值20倍，确保前电缆电容值波动不导致激励端驱动电路振荡；激励端抑制电缆电容电路包括有保护电阻，保护电阻保护驱动电路瞬时短路故障时不损坏。
(4)，使用雷电/电磁防护单元，实现对雷电和高能辐射场信号的抑制功能，具体实施方式为：防雷管电容不大于Cexe电容值，且不大于Cq电容值；高能辐射场防护电路由电感和电容组成，电容不大于Cexe电容值,且不大于Cq电容值。
(5)，多通道分时采集控制单元实现多路电容信号的分时采集和，具体为：通过CPU控制多路选择器选通信号，控制不同电容信号通道采集。
(6)，采集端保护及抑制电缆电容电路包括采集端抑制电缆电容电路和采集端保护电路，采集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，且具备抑制电缆后分布电容的功能，具体为：采集端保护电路对地电容Cq大于后电缆电容最大值20倍，后分布电容相对于Cq电容值非常小，通过被测电容CX电流仅非常小部分通过后分布电容。
(7)，采集端保护电路能够有效保护电容采集电路，其具体实现方式为：由于多通道分时采集控制单元不能够耐受大电流冲击，因此前端保护电路确保进入多通道分时采集控制单元信号电流平均值不大于多通道分时采集控制单元耐受电流；采集端保护电路能够保证多通道被测电容电路电流稳定，选通通道被测电容的交流电流和未选通通道被测电容电路对地形成空载稳定交流电流，避免空载过程中无电流回路导致电容放电不受控。
(8)，当多通道分时采集控制单元选择本通道接通，交流电流信号进入解调自平衡交流电桥电路，输出直流电压信号Vout_p，已稳定的流过被测电容Cx电流重新根据负载变化进入新的稳定状态。
(9)，自平衡电桥电路具体包括电流转换电压电路、积分放大电路、采样保持电路和负反馈电路；电流转换电压电路将被测电容电流与参考电容Cref电流差值(负反馈)转换为电压信号；积分放大电路将转换电路输出的电压信号进行积分放大；负反馈电路将积分放大后的电压反馈给参考电容Cref，最终实现被测电容电流和参考电容电流的动态平衡。
(10)，添加二极管和采样保持电路电阻并联构成的快速采样保持电路，采样保持电路将积分放大后的电压信号进行采样、保持和滤波；快速采样保持电路在电流稳定的初始阶段，电流直接通过二极管流入电容，加速了稳定过程，趋于稳定时电流通过电阻流入电容，保证信号稳定精度。
(11)，积分器输出的交流动态电压经过快速采样保持电路，快速采样保持电路对信号进行采样、滤波，并输出直流稳定电压信号，直流稳定电压信号输出给模数转换器进行采集，此时的直流稳定电压信号和被测电容成正比。
(12)，对激励交流信号的电压和频率具有自检功能，交流电压检测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。
(13)，对激励交流信号的电压和频率具有自检功能，交流电压检测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。
(14)，对整个测量系统具有自检功能，首先通过上述(12)和(13)中的方式确认激励交流信号电压和频率正确，再通过采集Cbit自检电容，实现整个液位传感器测量方法的自检测。
该具体实施例中，
采用图1所示的高精度液位传感器测量系统所执行的高精度液位传感器测量方法具体包括如下步骤：
步骤1：处理器(CPU)控制产生方波信号，其中方波信号频率fexe为液位传感器手册给出的激励信号频率，方波信号占空比为50％。
步骤2：使用两路高精度基准电压源，如图1中的电压基准1和电压基准2，分别产生正负相反幅值相等的直流信号，幅值为Vexe_p；使用步骤1中方波信号控制单刀单掷开关，将正负相反的直流信号转换为交流方波信号，此交流方波信号频率为fexe，占空比为50％，幅值等于基准电压源幅值，此交流方波信号再经过驱动电路，增加交流方波信号驱动能力；
步骤3：采用驱动器增加驱动能力的交流方波信号再经过激励端抑制电缆电容电路，激励端抑制电缆电容电路在电容测量电路中不影响整个系统采集精度，且具备抑制电缆前分布电容的功能，确保前电缆电容值波动不导致激励端驱动电路振荡；激励端抑制电缆电容电路包括有保护电阻，保护电阻保护驱动电路输出端瞬时短路故障时不损坏；激励端抑制电缆电容电路对地电容Cexe，采集端保护电路对地电容Cq；
步骤4：使用雷电/电磁防护单元，实现对雷电和高能辐射场信号的抑制功能，具体为：防雷管电容不大于Cexe电容值，且不大于Cq电容值；电磁防护单元由电感和电容组成，此电容不大于Cexe电容值,且不大于Cq电容值；
步骤5：采集端保护及抑制电缆电容电路包括采集端抑制电缆电容电路和采集端保护电路，采集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，且具备抑制电缆后分布电容的功能，具体为：电容Cq大于后电缆电容最大值20倍，后分布电容相对于Cq电容值非常小，通过被测电容CX电流仅非常小部分通过后分布电容；
步骤6：采用采集端保护电路能够有效保护电容采集电路，具体为：由于多通道分时采集控制单元不能够耐受大电流冲击，因此前端保护电路确保进入多通道分时采集控制单元信号电流平均值不大于多通道分时采集控制单元耐受电流；采集端保护电路能够保证多通道被测电容电路电流稳定，选通通道被测电容的交流电流和未选通通道被测电容电路对地形成空载稳定交流电流，避免空载过程中无电流回路导致电容放电不受控；
步骤7：多通道分时采集控制单元实现多路电容信号的分时采集和，具体为：通过CPU控制多路选择器选通信号，控制不同电容信号通道采集；
步骤8：当多通道分时采集控制单元选择本通道接通，交流电流信号进入解调自平衡交流电桥电路，输出直流电压信号Vout_p，已稳定的流过被测电容Cx电流重新根据负载变化进入新的稳定状态；
步骤9：由于上述自平衡电桥电路包括电流转换电压电路、积分放大电路、采样保持电路和负反馈电路。该自平衡电桥电路的内部处理方式为：电流转换电压电路将被测电容电流与参考电容Cref电流差值(负反馈)转换为电压信号；积分放大电路将转换电路输出的电压信号进行积分放大；负反馈电路将积分放大后的电压反馈给参考电容Cref，最终实现被测电容电流和参考电容电流的动态平衡；
步骤10：对自平衡电桥电路添加二极管和采样保持电路电阻并联构成的快速采样保持电路，采样保持电路将积分放大后的电压信号进行采样、保持和滤波；快速采样保持电路在电流稳定的初始阶段，电流直接通过二极管流入电容，加速了稳定过程，趋于稳定时电流通过电阻流入电容，保证信号稳定精度；
上述自平衡电桥电路中，积分器输出的交流动态电压经过快速采样保持电路，快速采样保持电路对信号进行采样、滤波，并输出直流稳定电压信号，直流稳定电压信号输出给模数转换器进行采集，此时的直流稳定电压信号和被测电容成正比；
步骤11：对激励交流信号的电压和频率增设自检功能，交流电压检测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；
步骤12：对激励交流信号的电压和频率增设自检功能，交流电压检测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；
步骤13：对整个测量系统增设自检功能，首先采用上述步骤11和12中的自检功能，确认激励交流信号电压和频率正确，再通过采集Cbit自检电容，实现整个液位传感器测量方法的自检测。
需要说明的是，本发明图1中的多组单刀单掷开关(SPST)，当输入的方波信号的频率输出为“1”，SPST(ON)导通，SPST(OFF)关闭；频率输出“0”，SPST(ON)关闭，SPST(OFF)导通。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种高精度液位传感器测量系统，其特征在于，包括：信号处理器(CPU)，多组单刀单掷开关(SPST)，激励端抑制电缆电容电路，驱动器，采集端保护及抑制电缆电容电路，多通道分时采集控制电路，自平衡电流桥电路，A/D采集电路；其中，所述激励端抑制电缆电容电路的输出端与采集端保护及抑制电缆电容电路的输入端之间通过电容检测电缆并联多个油位传感器，激励端抑制电缆电容电路到油位达传感器之间的等效分布电容为前分布电容，油位传感器到采集端保护及抑制电缆电容电路之间的等效分布电容定义为后分布电容；
其中，所述信号处理器(CPU)，用于通过其产生的方波信号控制每组单刀单掷开关(SPST)，使得每组单刀单掷开关(SPST)输出高精度幅值的交流方波激励信号；
其中一组单刀单掷开关SPST通过一个驱动器连接到激励端抑制电缆电容电路，采用激励端抑制电缆电容电路对前分布电容进行电容抑制；并且采用串联的采集端保护及抑制电缆电容电路和多通道分时采集控制单元对后分布电容进行电容抑制，以使得多路选择器未选择本通道接通时，被测量电容电流信号的稳定功能，实现多路电容信号的分时多通道采集；
所述自平衡电流桥电路，用于实现对经过油位传感器的被测电容电流信号的负反馈控制和转换，以输出直流电压信号；其中，自平衡电流桥电路使用解调原理将被测电容电流信号转换为交流电压信号，以及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；
所述A/D采集电路将从自平衡电流桥电路的输出端采集到的直流电压信号传输给信号处理器(CPU)进行处理。
2.根据权利要求1所述的高精度液位传感器测量系统，其特征在于，还包括：
设置于驱动器输出端与信号处理器(CPU)之间的激励信号频率采集电路，设置于驱动器输出端与A/D采集电路之间的激励信号电压采集电路，用于对激励交流信号的频率和电压有效值进行回采和自检测；其中，激励交流电压检测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；
设置于激励端抑制电缆电容电路输出端与采集端保护及抑制电缆电容电路输入端之间的自检电容Cbit，用于对整个高精度液位传感器测量系统进行自检测，包括：通过激励信号频率采集电路和激励信号电压采集电路确认激励交流信号电压和频率的正确性，以及通过自检电容Cbit，确认整个高精度液位传感器测量系统进行信号采集正确性。
3.根据权利要求2所述的高精度液位传感器测量系统，其特征在于，还包括：
设置于激励端抑制电缆电容电路输出端与各并联油位传感器之间的第一雷电/电磁防护电路，以及设置于各并联油位传感器与采集端保护及抑制电缆电容电路之间的第二雷电/电磁防护电路，用于实现对雷电和高能辐射场信号的抑制功能；
其中，所述第一雷电/电磁防护电路和第二雷电/电磁防护电路中，防雷管电容不大于激励端抑制电缆电容电路对地电容Cexe电容值，且不大于采集端保护电路对地电容Cq电容值；电磁防护电路由电感和电容组成，且电容不大于Cexe电容值,且不大于Cq电容值。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的高精度液位传感器测量系统，其特征在于，所述自平衡电流桥电路，包括：依次连接的电流转换电压子电路、积分放大子电路和采样保持子电路，以及设置于积分放大子电路输出端与电流转换电压子电路输入端之间的负反馈子电路；
其中，电流转换电压子电路内设置有一组单刀单掷开关SPST，用于将被测电容电流与参考电容Cref电流(负反馈)的差值转换为电压信号；
积分放大子电路，用于将电流转换电压子电路输出的电压信号进行积分放大后，分别传输至采样保持子电路和负反馈子电路；
负反馈子电路中包括一组单刀单掷开关SPST和位于开关输出端的精密参考电容，用于将积分放大后的电压信号反馈给精密参考电容Cref，最终实现被测电容电流和参考电容电流的动态平衡；
采样保持子电路中设置有一组单刀单掷开关SPST，用于对放大后的电压信号进行采样保持，并由A/D采集电路进行电压信号。
5.根据权利要求4所述的高精度液位传感器测量系统，其特征在于，所述所述自平衡电流桥电路，还包括：与所述采样保持子电路并联设置的二极管；
并联连接的二极管和所述采样保持子电路形成快速采样保持子电路，用于在电流稳定的初始阶段，积分放大后的电压信号直接通过二极管流入电容，加速了稳定过程；以及在电流趋于稳定时，积分放大后的电压信号通过采样保持子电路，以保证输出稳定精度的电压信号；所输出的电压信号与被测油位传感器的电容值成正比。
6.根据权利要求4所述的高精度液位传感器测量系统，其特征在于，
每组所述单刀单掷开关SPST所输入的方波信号(包括：激励信号产生和传感器输出调理信号)为相同频率和相同相位的方波信号，方波信号频率和相位均由处理器控制产生。
7.根据权利要求1～3中任一项所述的高精度液位传感器测量系统，其特征在于，所述采集端保护及抑制电缆电容电路包括：串联的采集端抑制电缆电容子电路和采集端保护子电路；
其中，采集端保护子电路进入多通道分时采集控制电路的电容电流信号平均值不大于多通道分时采集控制电路的耐受电流，用于保证多通道被测电容电流信号稳定，使得多通道分时采集控制电路的选通通道中经过油位传感器的被测电容电流信号和未选通通道中经过油位传感器的被测电容对地形成空载稳定电容电流信号，避免空载过程中无电流回路导致电容放电不受控。
8.根据权利要求1～3中任一项所述的高精度液位传感器测量系统，其特征在于，
当多通道分时采集控制电路选择其中一个通道接通时，本通道的电容电流信号进入自平衡电流桥电路，输出直流电压信号Vout_p，已稳定的经过油位传感器的被测电容电流信号重新根据负载变化进入新的稳定状态。
9.一种高精度液位传感器测量方法，其特征在于，采用如权利要求1～8中任一项所述的高精度液位传感器测量系统执行所述高精度液位传感器测量方法，所述方法包括:
步骤1，使用信号处理器产生的方波信号控制每组单刀单掷开关SPST(ON)、SPST(OFF)，以对直流电压基准信号进行调制，并输出高精度幅值的交流方波激励信号；
步骤2，激励端电路中的单刀单掷开关输出的交流方波激励信号，经过驱动器后使用激励端抑制电缆电容电路对前分布电容(激励端测量的电缆电容值)进行电容抑制；
步骤3，使用采集端保护及抑制电缆电容电路和多通道分时采集控制单元，实现对后分布电容(测量端的电缆电容值)的抑制功能；实现当多路选择器未选择本通道接通时，被测量电容电流信号的稳定功能；实现多路电容信号的分时多通道采集；
步骤4，使用自平衡电流桥电路实现对通过被测电容电流信号的负反馈控制和转换，并输出直流电压信号；其中，使用解调原理实现将被测电容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。
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