具有校正功能的液面检测器设计与应用

王文军

（江西水利职业学院信息工程系，南昌330013）

具有校正功能的液面检测器设计与应用

王文军*

（江西水利职业学院信息工程系，南昌330013）

为了以更低的成本和更加简单的操作方式来实现液面计量，提出了一种新的具有校正功能的液面检测器，其输出信号是脉冲流。通过设计具有比较电路和校验电路的芯片，该液面检测器只需要简单地调整参数就可以实现各种液位传感器的修正，然后使用配置范围在3.97 mm～123.34 mm之间的液位传感器，相应的输出频率范围可以达到3.12 kHz～57.25 kHz。最后进行了实际雨量测量实验，经过校正后，测量的最大频率误差为1.46%，验证了提出的液面检测器的正确性和精确性。

液面检测；液面传感器；校正；脉冲流

最近，液位的检测问题变得越来越重要。特别是如果遇到爆炸型或易燃型的液体，那么势必极其强烈地需要用于确保必要的内在安全的液位检测器。为了快速地了解液位的变化，一台兼备廉价、小型的液位监测设备显然变得十分必要。

以前的测量液位设备设计的原则是基于电容性、高频电波、光学、感应，以及电阻式的技术。例如，万里霞［3］等人提出了一种基于电容式传感器的液面检测系统，通过锁相环CD4046电路实现对电容式传感器数值变化的测量。文献［2］提出了基于高频声波的液面传感器。王占勇［1］等人提出的液面检测系统使用了PLC电路和变频器，并配有专门的触摸屏，但是其应用场景比较局限。张祖力［4］等人使用加热式热电偶传感器来实现液面变化的检测，通过读取发热体在气体和液体中放热系数的较大变化来实现检测，可靠性较高但是精确度一般。关春颖［5］等人提出的设计则是典型的光学感应液面检测，适用于光纤液体传感器的扩展应用，采用有限元方法，通过数值模拟。

为了克服以上提出的各种问题，本文首次通过芯片解决方案提出具有校正功能的液面检测器。无需专门的硬件和软件，具备更低成本，使用者更容易操作。此外，为了在广泛的数字传输系统中输出电流，直接输出信号是具有脉冲流的特征，输出的电流可以很容易地被接收到，并且通过无线传感器网络（WSN）处理，如图1所示。因此，提出的具有校正功能的液面检测器可以将液位的信息转换为输出脉冲。通过监控频率，使用者或者工人都可以很容易地知道液位。

图1　提出的液面检测器的方框图

本文提出的具有校正功能的液面检测器，是基于0.35 μm 2P4M CMOS技术，电压在3.3 V～5.0 V之间。通过配置范围在3.97 mm～123.34 mm之间的液位传感器，相应的输出频率范围在3.12 kHz～57.25 kHz之间。提出的校准液位传感器变换器适用于各种可检测液位的设备。

1　提出的系统架构

首先，使用固定在量杯内侧壁上的金属电线作为感应液位的设备。如图2所示，在异或门与金属电线的输出信号连接之后，建立了液位传感器。因此，液位对应于它的直流电压。设计使用的电压为0.1 V～3.2 V。该液位感应器的设计将应用于以下的电路设计中。

图2显示了提出的液面检测器的电路原理图。它由一组液位传感器、一个运算放大器（OP），一个PMOS和NMOS电流反射镜，一个比较器，以及一组校验电路组成。校验电路是由5 bit的译码器控制。A0～A4这5个编码可以由用户调整。

图2　提出的具有校正功能的液面检测器电路示意图

现在讨论电路设计，当金属电线被浸泡在液体中，电流接入时，传感器将接收到一个高电压等级。正如逻辑1的定义。相反，当金属电线浸泡在空中，而且没有接入电流时，传感器将接收到一个低电压等级。正如逻辑0的定义。从Vin1到Vin32是32条金属线的输出电路，这些输出电路将连接到异或门的输入电路中。在由异或门操作之后，就产生了相应的直流电压。这是从MOSMl_1n到Ml_32n分别进行。然后，电压将由提出的液位传感器变换器处理。MOSM0p到M8p被分组为PMOS电流镜，而MOSM9n到M16n被分组为NMOS电流镜，这些将传感器的输出电压转换成电流。当启用信号EN处于逻辑高电位时，电流IB由此产生。

首先，电容器C0在电压Vc上充电。这时Vc是5 V。然后，从液位转换而来的电流IB向Cj放电，并且在比较器的输入电路上降低电压，将其命名为Vj。如果Vj下降低于比较器的阈值电压Vref，则比较器的输出电压转换成逻辑高电位，并且打开转换的金属氧化物半导体开关。当打开转换的金属氧化物半导体开关时，电容器C0将再次在电压Vc上充电。输出频率和IB之间的关系由以下公式推导。

其中Ctotal表示在比较器负输入节点的总电容，其推导公式如下：

我国食品工业标准包括国家标准、行业标准、地方标准、企业标准等。国家标准分为强制性和推荐性两类，代号分别为 GB和GB/T。强制性国家标准由国务院批准发布或授权发布，推荐性国家标准由国务院标准化行政主管部门制定。

其中C0表示设计电容器495 fF。CFET表示比较器的线路电容和输入电容。

IB推导如下：

其中Vl表示传感器的输出电压。m表示电流镜的比率。

合并式（1）～式（3），输出频率可以修改为：

分析式（2），电路的非线性效应来自于内在的寄生电容CFET。因此，应该添加提出的校验电路。所提出的方法不仅可以解决来自电路寄生电容的问题，还可以解决各种液位传感器的非线性问题。所提出的校验方法的主要概念是调整校验电容，补偿输出频率。在实施该方法后，输出频率可以修改为：

其中，

其中Ci表示15 fF的电容器。当数字代码A0到A4为11111时，Ccail为495 fF。在这种情况下，Ccail等于C0。校验电容总和Ccail由5比特的数模转换器（DAC）。用户可以在A0到A4之间自适应地调整，灵活地校验输出频率。因此，输出频率可以很容易得到校验。

图3　比较器的电路示意图

比较器的电路示意图如图3所示。比较器的总增益推导如下：

并且，

其中K表示MOSM3和M7之间的W/L比率，gm表示晶体管跨导。二极管连接的晶体管和正反馈回路晶体管的结合充当了一个中等大小的阻抗。它从前置放大器阶段到轨道—闭锁阶段获得增益。

2　模拟仿真验证

首先，对增益和相位进行验证。增益是35dB，而延迟是35.5ns［10］。最后，比较器的比较函数如图4所示。

图4　比较器的模拟结果

图4中，Vin+的输入信号在1.650 01和1.649 99 V之间是变化的，而Vin-的输入信号是固定的，为1.65 V。通过使用电流镜，将输出信号与输入信号相隔离。因此没有反冲的效果。从闭锁逻辑可以获得完整的逻辑摆幅。在构建整个电路之后，该芯片的电路功能得到了验证。

校验前后的模拟结果分别体现在图5和图6中。如图所示，正确的电路功能全部成功执行。图7体现了所有的液体水平和输出频率的比较。曲线是从式（1）计算获得的，Ctotal总和等于495 fF。校验之后，模拟的结果与计算的曲线吻合。如图5～图7所示，电路功能全部成功执行。该芯片所有的功能和性能都通过SPICE模拟进行了正确地设计。

图5　在校验之前，当电压Vl等于（a）0.1V、（b）1.1 V、（c）2.1 V、（d）3.2 V时，所提出电路的模拟结果

图6　在校验之后，当电压Vl等于（a）0.1 V、（b）1.1 V、（c）2.1 V、（d）3.2 V时，所提出电路的模拟结果

图7　提出的具有校正功能的液面检测器在不同液位下的模拟结果

3　实际测量结果

图8分别显示了设计芯片的实际照片。接受试验的芯片尺寸为2 mm×1.96 mm，包括数字缓冲区在内，实测的能耗为17.32 mW。图9显示了实际测量环境设置，包括电源、一个量杯，Agilent-33500B函数发生器，以及提出的芯片电路板。系统时钟频率fc为25 MHz。Vs为3.2 V，而Vc为5 V。

图10分别显示了在液面为1和32的情况下，所提议提出芯片在校验前后的测量结果。如图所示，该芯片的电路设计得到正确地验证。现在，通过真实的降雨量，对提出的校准液位传感器变换器进行了试验。测试降雨量的范围在3.97 mm～ 123.34 mm之间。

图8　设计的芯片图片，芯片尺寸为2 mm×1.96 mm

图9　实际测量实验设置

图10　提出的芯片在这些步数下的测量结果

在这个实验中，输出频率的测量结果如图11所示。相应的输出频率范围在3.12 kHz～57.25 kHz之间。线性误差由式（10）推导［11］：

通过真实的降雨量监测，对提出的液面检测器的测量结果进行试验。降雨量的范围在3.97 mm～123.34 mm之间进行测试，结果如图12所示。

图11　真实降雨量检测结果

在校验之后，测量的最大频率误差为1.46%。如以上图显示，通过提出的芯片级检测器，可以很容易检测并且得知降雨量的液位。测量结果已经成功地验证了提出的具有校正功能的液面检测器的功能和性能。表1对提出的液面检测器的特点进行了总结。

表1　用于检测植物园的降雨量而提出的校准液位传感器变换器的特点总结

4　结论

提出了一种新的具有校正功能的液面检测器。通过具有比较电路和校验电路的芯片设计，该液面检测器只需要简单地调整参数就可以实现各种液位传感器的修正，并且所提出芯片的输出信号是脉冲流，它可以很容易地传输到各种传播媒体中，比如发送包开关网络、广播、光学、红外、超声波等等。通过配置范围在3.97 mm～123.34 mm之间的液位传感器，相应的输出频率范围在3.12 kHz～57.25 kHz之间。通过模拟和真实测试，提出的芯片所有的功能和性能都得到了验证，从而证实了其正确性和实用性。

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王文军（1967-）男，汉族，江苏江阴市人，本科，副教授，研究方向为电子技术应用与智能控制，教学改革，wangwen⁃jun0901@126.com。

Design and Application of Liquid Level Detector with Correction Function

WANG Wenjun*
（Department of Information Engineering，Jiangxi Water Resources Institute，Nanchang 330013，China）

In order to realize liquid level measurement with lower cost and simpler operation mode，a new liquid level detector with the function of calibration is presented，and its output signal is pulse current.Through the design with comparison circuit and calibration circuit chip，the liquid level detector needs only simple adjustment of parameters，modification of various liquid level sensor can be realized，and then the allocation of 3.97 mm～123.34 mm in the liquid level sensor can be used.The corresponding output frequency range can reach to 3.12 kHz～57.25 kHz.Finally，the experimental results of the actual rainfall measurement show that，after the correction，the maximum frequency error of the measurement is 1.46%，the correctness and accuracy of the proposed liquid surface detector are verified. Key words：liquid level detection；liquid level sensor；correction；pulse flow

TP212

A

1005-9490（2016）02-0453-06

EEACC：7210B10.3969/j.issn.1005-9490.2016.02.041

2015-06-05修改日期：2015-07-17