基于共面电容的非接触式液位线性测量系统的研究

陈俊龙，施隆照

（1.福州大学 物理与信息工程学院，福建　福州　350116；2.智恒（厦门）微电子有限公司，福建　厦门 361008）

基于共面电容的非接触式液位线性测量系统的研究

陈俊龙1,2，施隆照1

（1.福州大学 物理与信息工程学院，福建福州350116；2.智恒（厦门）微电子有限公司，福建厦门 361008）

摘要：一种基于共面电容传感器的非接触式液位线性测量系统主要包括前端平面电容传感器的设计、中间电容信号转换电路、后级的单片机数据处理以及液晶显示功能设计。与传统的线性液位电容传感器相比较本系统所设计的电容液位传感器，传感器可以直接安装在密闭容器外面，避免与容器内的液体接触造成污染或腐蚀传感器等问题。设计中采用差分电容的设计方案提高了系统的抗干扰能力。该测量系统具有结构简单，灵敏度高，稳定性好，动态响应特性好，可以在高温、强磁场、强辐射环境下精确测量非金属密闭容器内液位的实时状态。该系统可以广泛应用于液位在线监测领域。

关键词：共面电容传感器；电容边缘效应；非接触式；线性液位测量

电容式传感器具有结构简单，价格便宜，灵敏度高，稳定性好，动态响应特性好[1]，可以在高温、强磁场、强辐射环境下长期工作等优点[2]。传统的液位电容传感器是一个同轴的容器，当液体进入容器后引起传感器壳体和感应电极之间电容量的变化，传感器需要深入到容器内与里面的液体相接触才能测量[3]，与传统的线性液位电容传感器相比较，本系统所设计的电容液位传感器，采用非接触模式[4]，可以安装在密闭容器外面，避免与容器内的液体接触造成污染或腐蚀传感器等问题。可以精确测量非金属密闭容器内的实时液位状态，可以广泛应用于液位在线监测领域[5]。

1　系统结构

测量系统结构图如图1所示。电容极板会根据所测区域内溶液的变化而产生不同的电容值，将电容值传送到C-V转换电路[6]，电路将电容值转换成相应的电压值。芯片输出的电压值可直接输入单片机内部的AD模块进行模数转换。单片机可以根据测量的容器壁的厚度以及溶液的不同来调整电荷放大电路的放大倍数以及零点电平等数据。最终将容器内的液位高度的相应电平转换成液位高度在液晶屏上直观的显示出来。

图1 测量系统结构图

1.1工作原理

最常见的电容传感器是由两个平行电极组成，极板间以空气为介质。传统平行板电容器如图2所示。如果忽略边缘效应则电容传感器的电容值为：

图2 传统平行板电容器

式中ε为电容极板间介质的介电常数，S为两块极板间互相覆盖的有效面积，d为两极板之间的距离，由上式可知三个参数中任何一个的变化都能引起电容量的变化，因此电容传感器又可以分为变极距式、变面积式、和变介质式三类[7]。本设计所采用的平面电容传感器是属于变介质式中的一种。

图3 共面极板电容传感器

共面极板电容传感器顾名思义就是将电容的两个极板设计在同一个平面上[8]，其结构如图3所示。假设两个矩形极板具有相同的尺寸。极板尺寸如图3（a）所示。当极板间距d很小时，极板剖面如图3（b）所示。图中G为屏蔽极板。接近于以原点O为圆心的同心圆，远离O点时为一簇椭圆形，虚线代表电力线，离极板越近电力线越稠密[9]。在X轴方向上电力线的电场强度为E。

设极板电荷密度为σ

则总电量q为：

所以电容量C为：

公式中的极板尺寸d，b，L尺寸见图3（a）。

在上述的计算中，已将无限大量b进行了有限化，当b＞＞d时，这种近似是可行的[10]。从上式可知，应用于液位测量系统中被测物品与极板平面的距离是固定的，仅与公式中的介电常数与液位高度有关，故而同一种溶液中液位的高低与电容量C值成线性关系[11]。

2　传感器的设计

2.1电容极板的结构

电容的极板采用双面板的PCB制作而成，激励极板与接受极板的有效面积都为2 mm×120 mm，两极板的中间间距1 mm。两极板设计同一个PCB平面上，极板的周围用接地铜箔包围用于屏蔽周围的电磁干扰。实验中还采用了两对电容极板组成差分测量系统用于降低周围环境湿度对测量系统的影响以提高测量精度，同时也提高测量系统的抗干扰的能力[12]。

2.2C/V电路设计

系统的测量电路主要是采用C-V转换电路如图4所示。将前端电容传感器所测得电容的变化量转换成电子系统所能识别的电压信号。C-V转换电路采用智恒 （厦门）微电子有限公司设计的C-V转换芯片AXL100D。

图4 C-V转换电路

AXL100D芯片内部的结构图如图5所示。该芯片是一个差分输入的电容专用芯片。芯片采用全模拟信道，噪声低，响应频率可达10 kHz。芯片内部自带OSC振荡器。Uref的电平为芯片工作电压的一半。芯片本身具有零点调节，增益可调，频带可调等功能，可以通过CLK与IN端口对芯片的参数进行设置。芯片的电容分辨率达到0.01 pF，灵敏度高于1 V/pF。芯片内部还具有非线性的校正功能。

图5AXL100D芯片内部结构图

2.3MCU控制电路

本设计的MCU控制与显示电路如图6所示。系统中MCU部分采用STC12C5A60AD单片机，芯片具有内置EEPROM，8通道的10位高速ADC等功能模块；AD的采样精度基本满足系统的设计要求。人机界面显示采样单色的字符型LCD1602用于显示系统的相关数据与参数设置。MCU可以通过ca1_in和ca1_c1k将有关参数输入AXL100D的芯片内。S1是系统的复位键。S2～S5是用户的操作按键，由于篇幅关系相关的操作在这不做详细介绍。

图6MCU控制与显示电路

3　实验测试

实验中液位的实际高度采用标准的超声波传感器作为测量的参照标准，实验数据经整理后每间隔5 mm，测量芯片输出的电压值。PCB极板的有效测量长度为120 mm。实验中PCB的电容极板紧贴在容器的壁外，容器内的溶液采用自来水来作为测试液体。三次测量是在芯片内部增益，溶液材质不变的情况下，分别采用3种不同壁厚与材质的容器壁来实验的。三次测量的壁厚分别为2.5，2.7和2.1 mm。实验数据见表1。

从表1的实验数据中可得在12 cm的范围内，第一次测量电压总变化量约为1.2 V。每毫米的变化量为1200/120≈10 mV；第二次测量电压总变化量为0.8 V。每毫米的变化量为800/120≈6.67 mV；第三次电压总变化量为1.9 V。每毫米的变化量为1900/120≈15.8 mV。出现这种情况是由于实验过程中容器壁厚不同所造成的。不过从实验的数据来看，传感器的线性度不受这些条件的影响。而传感器的灵敏度与容器的壁厚有直接关系。在实际应用中可以根据不同的壁厚来选择芯片内部的不同参数。将实验数据做线性处理如图7所示。

表1　电容液位线性传感器测量结果

图7实验数据的线性处理

从图7数据处理的结果来看，三次测量的输出电压的线性度都保持在99.5%以上，可以满足工程中的实际应用。不同增益以及容器壁厚时传感器的分辨率不同，因此在实际应用过程中要做好零点和满量程校准，才能精确测量。两种校准都可以通过MCU在测量前进行手动校准。

4　结论

与传统的线性液位电容传感器相比较本系统所设计的电容液位传感器，采用非接触模式，可以直接安装在密闭容器外面，避免与容器内的液体接触造成污染或腐蚀传感器等问题。设计中所采用差分式设计的电容传感器的方案更是提高了系统的抗干扰能力。从实验的数据来看传感器输出的线性度较好，可以满足工程中的应用。所设计的测量系统可以精确测量非金属密闭容器内的实时液位状态，系统可以广泛应用于各种液位在线监测领域内。

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（责任编辑：叶丽娜）

中图分类号：TP216.1

文献标识码：A

文章编号：1674-2109(2015)12-0074-05

收稿日期：2015-05-27

作者简介：陈俊龙（1987-），男，汉族，硕士，主要从事嵌入式系统及其应用研究。

通讯作者：施隆照（1968-），男，汉族，副教授，主要从事智能仪器、集成电路设计研究。

Non-contact Linear Liquid Level Measurement System Based on Coplanar Capacitor

CHEN Jun1ong1,2，SHI Longzhao1

(1.Schoo1 of Physics and Information Engineering,Fuzhou University,Fuzhou,Fujian 350116; 2.Inte11isense Microe1ectronics Led.Company,Xiamen,Fujian 361008)

Abstract:This paper designed a non-contact 1inear 1iquid 1eve1 measurement system based on cop1anar capacitive sensor.The system inc1udes the cop1anar capacitive sensor,the capacitance to vo1tage conversion circuit,the process of converted capacitance data and the 1iquid crysta1 disp1ay.Compared with the traditiona1 1inear 1iquid 1eve1 sensor in this system design of the capacitance 1iquid 1eve1 sensor, the sensor can be insta11ed direct1y outside the airtight container,avoid contact with the 1iquid container which brings the prob1ems such as po11ution or corrosion sensors.Adopted in the design of the differentia1 capacitance design scheme to improve the anti-interference abi1ity of the system.The measurement system has simp1e structure,high sensitivity,good stabi1ity,good dynamic response characteristics, it can accurate1y measure the 1eve1 of 1iquid in an airtight container in rea1 time in high temperature,strong EMI environment.It can be wide1y used in the on1ine monitoring of the 1iquid 1eve1.

Key words:cop1anar capacitive sensor;capacitive fringe effect;non-contact;1inear 1eve1 measurement