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作者：Jiayuan Wang 簡(jiǎn)介 輸液和輸血等程序要求監控液體的確切數量，因此這些應用需要采用精確、易于實(shí)施的方法來(lái)實(shí)現液位的檢測。本文描述24位電容-數字轉換器和液位檢測技術(shù)，可通過(guò)測量電容對液位進(jìn)行高性能檢測。 電容測量基礎知識 電容是物體存儲電荷的能力。電容C定義如下： 
其中，Q是電容上的電荷，V是電容上的電壓。 在圖1所示電容中，兩個(gè)面積為A的平行金屬板間距為d。電容C為：
其中 C是電容，單位為F A是兩塊板的重疊面積，A = a × b d是兩塊板之間的距離 εR是相對介電常數 εO是自由空間的介電常(εO ≈ 8.854 × 10−12 F m−1)
圖1. 兩塊平行板的電容 電容數字轉換器(CDC) 單通道AD7745和雙通道AD7746均為高分辨率Σ-Δ型電容-數字轉換器，可測量直接連接輸入端的電容。這些器件具有高分辨率（21位有效分辨率和24位無(wú)失碼）、高線(xiàn)性度(±0.01%)和高精度（出廠(chǎng)校準至±4 fF），非常適合檢測液位、位置、壓力和其他物理參數。 這些器件具有完整的功能，電容輸入端集成多路復用器、激勵源、用于電容DAC,溫度傳感器、基準電壓源、時(shí)鐘發(fā)生器、控制和校準邏輯、I2C兼容型串行接口以及高精度轉換器內核，該內核集成二階Σ-Δ型電荷平衡調制器和三階數字濾波器。轉換器用作電容輸入的CDC和電壓輸入的ADC。 所測電容Cx連接在激勵源和Σ-Δ型調制器輸入端之間。轉換期間在Cx上施加方波激勵信號。調制器會(huì )不間斷地對流過(guò)Cx的電荷進(jìn)行采樣，并將其轉換為0和1的流。調制器輸出1的密度經(jīng)數字濾波器處理，確定電容值。濾波器輸出通過(guò)校準系數縮放調節。然后，外部主機便可通過(guò)串行接口讀取最終值。 圖2中的四個(gè)配置顯示了單端、差分、接地和浮動(dòng)式傳感器應用中CDC如何檢測電容。
圖2. 單端、差分、接地和浮動(dòng)傳感器應用中的配置 電容式液位檢測技術(shù) 一種簡(jiǎn)單的液位監控技術(shù)是將平行板電容器浸入液體中，如圖3所示。隨著(zhù)液位變化，板之間的電介質(zhì)材料數量發(fā)生改變，導致電容也隨之改變。同時(shí)第二對電容傳感器（圖中為C2）用作基準。
圖3. 電容式液位檢測 由于εR（水） >> εR（空氣），傳感器電容可由浸沒(méi)部分的電容近似表示。因此，液位為C1/C2：
其中 Level 是浸入液體的長(cháng)度 Ref是基準傳感器的長(cháng)度 電容式液位檢測系統硬件 24位AD7746具有兩條電容測量通道，非常適合液位檢測應用。圖4顯示了系統功能框圖。傳感器和基準電容信號轉換為數字信號，數據通過(guò)I2C端口傳輸至主機PC或微控制器。
圖4. 電容式液位檢測系統 要實(shí)現精確測量，PCB設計很關(guān)鍵。圖5顯示了傳感器板和CDC連接。為了保證精度，AD7746安裝在4層PCB表面盡可能靠近傳感器的地方。接地層暴露在PCB背面。該應用使用了轉換器全部的兩個(gè)輸入通道。傳感器板如圖6所示。
圖5. 傳感器板和CDC連接
圖6. PCB正面和反面照片 傳感器板設計為在一塊PCB上的兩個(gè)共面金屬板，而非兩個(gè)平行板。共面極板在4層PCB內無(wú)需直接接觸液體。共面極板電容的電介質(zhì)由PCB材料、空氣和液體組成，軌道每一單位長(cháng)度的電容值約為：
其中 d是兩個(gè)平行軌道中點(diǎn)之間的距離 l是軌道長(cháng)度 w是每一條軌道的寬度（假定寬度相等） t是軌道的厚度 有效εR由d與h的比值決定（h是PCB板的厚度） 若d/h >> 1; 則εR(eff) ≈ 1 若d/h ≈ 1; 則εR(eff) = (1 + εR)/2 就該等式而言，測得的電容值與浸入液體的長(cháng)度成比例，而共面傳感器每一單位軌道長(cháng)度的電容近似值不變。使用LabVIEW®軟件執行系統校準有助于實(shí)現更高的精度。 LabVIEW軟件 PC上運行的LabVIEW程序通過(guò)I2C串行接口獲取CDC數據。圖7是PC監視器上顯示的圖形用戶(hù)界面(GUI)。啟動(dòng)液面演示系統后，會(huì )實(shí)時(shí)顯示液面數據、環(huán)境溫度和電源電壓。
圖7. PC監視器上顯示的系統GUI 液面推導公式為：
LabVIEW程序包括基本校準和高級校準，可實(shí)現更精確的測量。在浸入液體時(shí)進(jìn)行干（基本）校準用來(lái)確定體中。 C1DRY和C2DRY。濕(高級)校準則用來(lái)確定一階方程中增益和失調兩個(gè)未知量，通過(guò)在液位0英寸和4英寸先后進(jìn)行校準測量可以得到兩個(gè)方程聯(lián)立推導出增益和失調。濕校準和測量過(guò)程中，基準電容必須完全浸入液體中。 結論 本文介紹了電容式液位檢測演示系統。 參考文獻 AD7746評估套件。 AD7746評估板技術(shù)文檔 Ning Jia，醫療保健應用中的ADI電容數字轉換器技術(shù)�！� 模擬對話(huà)，第46卷第2期，2012年。 Jim Scarlett，電容數字轉換器為診斷系統中的電平檢測提供方便。模擬對話(huà)，第48卷第2期，2014年。 Charles S. Walker，電容、電感和串擾分析。Artech House，1990，ISBN： 作者 Jiayuan Wang [jiayuan.wang@analog.com]于2013年加入ADI公司，任客戶(hù)解決方案支持部門(mén)的應用工程師，工作地點(diǎn)在馬薩諸塞州威明頓。Jiayuan于2013年獲得康奈爾大學(xué)碩士學(xué)位。 |
