专利名称：一种电容式液位传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及液位控制领域，更具体地，涉及一种电容式液位传感器。
背景技术：
传统液位控制领域，有一种电容式传感器，其原理如下，从物理学可知，当忽略两块平行金属板的边缘效应时，两块平行金属板构成的电容器，如图1示，其电容量C为C=eoe rS/D (1)ε。真空介电常数，ε。= 8. 85*10_12 (F/m)；ε r 极板间介质的相对介电常数，真空介质，、=1 ；S =极板相互遮盖的面积(m2)；D =极板间距(m)；现有的电容式传感器就是根据公式(1)中三个参量(S、D、ε r)中任意一个量发生变化，引起电容量C发生改变。也就是说，如果被检测参数(如位移、压力、液位等)的变化引起S、D、、三个参量中之一发生变化，就可利用相应的电容量的改变实现参数测量。因此，常用的电容式传感器通常可分为三大类极距变化型电容传感器(改变D)、面积变化型电容传感器(改变幻和介质变化型电容传感器(改变、)。这种传感器有个共同的特点，需要两个感应电极，所测电容值是都两个感应电极之间的电容量。在有些密闭的容积、管道或者器皿中，安装另外一个感应电极非常困难或者长时间将感应电极放在溶液中，感应电极会发生腐蚀等情况。
发明内容
针对现有液位传感器的上述缺陷，本发明提供了一种改进的电容式液位传感器，是一种采用“电容电荷转移”的工作方式的单感应电极，同时体积小，造价低的电容式液位传感器。本发明的一种电容式液位传感器，包括液位感应开关00)以及微处理器；其中所述液位感应开关00)具有感应电极O01)；感应电极(201)连接所述微处理器；微处理器通过输入/输出端口(210)连接液位感应开关(20)，对所述液位感应开关(20)反复充放电并检测所述感应电极O01)的感应电容(Cf)生成液位检测信号(AD0，ADf)。优选的，所述微处理器进一步包括电容电荷转移电路011)，对所述液位感应开关OO)及微处理器的寄生电容(Ch)反复充放电和电荷转移；模数转换器(212)，反复采样获得电荷转移后液位感应开关OO)的输入信号值(AD1，ADh)；数字处理模块013)，对反复采样采样保持模数转换器(21 转换后所获得的所述输入信号值(ADl，ADh)进行寄存、差分比较运算和数字滤波处理取得液位检测信号(ADO，ADf)。优选的，所述电荷转移电路011)包括第一充放电端子(RA0)，第一控制开关(Kl)，第二充放电端子(RAl)，第二控制开关(K2)以及电荷转移开关(KO)；其中第一充放电端子(RAO)通过所述第一控制开关(Kl)连接所述液位感应开关00)；第二充放电端子(RAl)通过第二控制开关(以)连接微处理器的寄生电容(Ch)；电荷转移开关(KO)连接所述液位感应开关00)和所述寄生电容(Ch)并控制二者的电荷转移。优选的，所述数字处理模块(21 包括寄存器(2131)，寄存经反复采样保持模数转换器(21 转换后所获得的所述输入信号值(ADl，ADh)；差分比较运算模块(2132)，对反复采样保持模数转换器(21 转换后所获得的若干对所述输入信号值(ADl，ADh)进行差分比较运算得到若干个差分信号(ADn)；数字滤波处理模块(2133)，对所述若干个差分信号(ADn)进行数字滤波处理获得所述液位检测信号(AD0，ADf)。优选的，所述感应电极O01)为一金属片。优选的，所述感应电极O01)设有密封很薄的绝缘外壳。本发明的电容式液位传感器采用了“电容电荷转移”的工作原理，当容器内的液体超过或低于所述感应电极时，会使微处理器输入/输出端口连接的电容值发生改变，从而准确的检测出容器内部液位的变化，本发明电容式液位传感器采用一个感应电极，放置在密闭的容积、管道或者器皿的表面，利用电容式触摸感应原理进行液位检测。与传统的“液位传感器”相比，只有一个感应电极，体积很小，准确度高，电路结构简单，抗干扰能力强，增加了产品的可靠性和寿命，降低了产品成本，并且为非接触式，安装、使用、维修均简单方便。
图1是电容器的结构示意2是本发明实施例的电容式液位传感器的结构示意图；图3是数字处理模块的结构示意图；图4是应用上述电容式液位传感器的液位智能控制器的示意图。
具体实施例方式为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施方式
并配合附图详予说明。实施例1，图2、图3和图4是本发明实施例的电容式液位传感器的结构示意图。一种电容式液位传感器，包括液位感应开关00)以及微处理器；其中所述液位感应开关OO)具有感应电极O01)；感应电极O01)为一金属片，其设有密封很薄的绝缘外壳202。所述金属片和绝缘外壳202都放置在盛装液体的容积、管道或者器皿的表面。感应电极(201)连接所述微处理器；微处理器通过输入/输出端口(210)连接液位感应开关(20)，其连接线路中存在固定的外部分散杂散电容(Co)，当容器32中的液体31的液位与液位感应开关OO)平齐或者超过时，感应电极(201)与液体31之间间隔绝缘层(202)和器皿的外壳，感应电极O01)与液体31之间形成感应电容(Cf)，当液体31液位低于感应开关OO)时，感应电容Cf值为零。所述微处理器进一步包括电容电荷转移电路(211)、微处理器的寄生电容(Ch)、模数转换器(21 和数字处理模块013)。所述电荷转移电路011)包括第一充放电端子(RAO)，第一控制开关(Kl)，第二充放电端子(RAl)，第二控制开关(以)以及电荷转移开关(KO)；其中第一充放电端子(RAO)通过所述第一控制开关(Kl)连接所述液位感应开关00)；第二充放电端子(RAl)通过第二控制开关(以)连接微处理器的寄生电容(Ch)；电荷转移开关(KO)连接所述液位感应开关00)和所述寄生电容(Ch)并控制二者的电荷转移。电容电荷转移电路011)，对所述液位感应开关00)及微处理器的寄生电容(Ch)反复充放电和电荷转移；模数转换器012)，反复采样获得电荷转移后液位感应开关OO)的输入信号值(ADl，ADh)；数字处理模块013)，对反复采样保持模数转换器(212)转换后所获得的所述输入信号值(AD1，ADh)进行寄存、差分比较运算和数字滤波处理取得液位检测信号(ADO，ADf)。所述数字处理模块(21 包括寄存器0131)，寄存经反复采样保持模数转换器(212)转换后所获得的所述输入信号值(ADl，ADh)；差分比较运算模块(2132)，对反复采样保持模数转换器(21 转换后所获得的若干对所述输入信号值(ADl，ADh)进行差分比较运算得到若干个差分信号(ADn)；数字滤波处理模块(2133)，对所述若干个差分信号(ADn)进行数字滤波处理获得所述液位检测信号(ADO，ADf)。本发明的电容式液位传感器采用“电容电荷转移”工作方式，由微处理器(CPU)与液位感应开关中的感应电极直接相连，所述微处理器带有模数转换器212(A/D)转换功能的输入/输出(I/O)端口。当介电常数较高的导体(如水、甲酸、甲醇、乙醇、丙酮、液态氨、正己醇、甘油、矿石、或胶乳等在容器、管道或者器皿中时，介电常数较高的导体在绝缘体(绝缘外壳202和器皿外壳)和感应电极201之间耦合产生感应电容Cf，会使微处理器21的输入/输出端口 210连接的电容值发生改变，微处理器21检测液位变化造成的液体与感应电极201之间所产生的感应电容Cf，从而生成表示液位状态的检测信号。由于在液位感应开关20具有外部分布杂散电容Co，并且微处理器芯片内部具有寄生电容Ch，液体31与感应电极201之间所产生的感应电容Cf与外部分布杂散电容Co和寄生电容Ch的相差都不大，为了消除Ch和Co对液位检测的影响，微处理器21采用差分A/D比较运算法来检测感应电容Cf，从而达到侦测液位的目的。如图2所示，本发明的电容式液位传感器包括液位感应开关20以及微处理器21 ；其中所述液位感应开关20具有感应电极201 ；感应电极201连接所述微处理器21。当容器32中液位从感应电极下方上升至平齐或者超过感应电极201时，液体31与感应电极201之间所产生的感应电容Cf会从零上升到某个值，当容器32中液位降低至感应电极下方时，则感应电容Cf = 0。液位感应开关20还具有外部分布杂散电容Co。如图2，微处理器21通过其输入/输出端口 210连接液位感应开关20。微处理器21通过其输入/输出端口 210对所述液位感应开关20进行反复充放电，并反复检测所述感应电极201的感应电容Cf，根据感应电容Cf的变化生成液位检测信号ADO或Adf。其中，所述微处理器21的结构进一步包括电容电荷转移电路211，模数转换器212以及数字处理模块213，并且，微处理器21的芯片内部还具有寄生电容Ch。电容电荷转移电路211通过输入/输出端口 210连接到外部的所述液位感应开关20，并控制对所述液位感应开关20及微处理器21的寄生电容Ch反复进行充放电和电荷转移。具体地，所述电荷转移电路211包括第一充放电端子RA0，第一控制开关K1，第二充放电端子RA1，第二控制开关K2以及电荷转移开关KO ；其中第一充放电端子RAO通过所述第一控制开关Kl连接所述液位感应开关20 ；第二充放电端子RAl通过第二控制开关K2连接微处理器的寄生电容Ch ；电荷转移开关KO连接所述液位感应开关20的感应电容Cf和外部分布杂散电容Co以及所述寄生电容Ch，并控制二者的电荷转移，从而使感应电容Cf和外部分布杂散电容Co以及所述寄生电容Ch达到电荷平衡。模数转换器212反复采样、保持、模数转换(A/D转换)，获得经过电荷转移达到电荷平衡之后，液位感应开关20的若干对输入信号值ADl和ADh，也即感应电容Cf和外部分布杂散电容Co上的输入信号值。数字处理模块213，对反复采样保持模数转换器(21 转换后所获得的所述若干对输入信号值进行寄存、差分比较运算和数字滤波处理，取得液位检测信号ADO或ADf。在正常工作时，电荷转移电路211中的电荷转移开关KO断开，第一控制开关Kl和第二控制开关K2闭合；第一充放电端子RAO的电平置为“0”，使感应电容Cf和外部分布杂散电容Co放电；第二充放电端子RAl的电平置为“1”，使寄生电容Ch充电。然后，第一控制开关Kl和第二控制开关K2断开，电荷转移开关K闭合，使寄生电容Ch对感应电容Cf和外部分布杂散电容Co进行充电，当三者电荷平衡后，模数转换器212进行采样、保持、A/D转换，获得感应电容Cf和外部分布杂散电容Co上的第一输入信号值ADh。之后，电荷转移电路211中的电荷转移开关KO断开，第一控制开关Kl和第二控制开关K2闭合；第一充放电端子RAO的电平置为“1”，使感应电容Cf和外部分布杂散电容Co充电；第二充放电端子RAl的电平置为“0”，使寄生电容Ch放电。然后，第一控制开关Kl和第二控制开关K2断开，电荷转移开关KO闭合，使感应电容Cf和外部分布杂散电容Co对寄生电容Ch进行充电，当三者电荷平衡后，模数转换器212再次进行采样、保持、A/D转换，获得感应电容Cf和外部分布杂散电容Co上的第二输入信号值ADl。、数字处理模块213的结构如图3所示，包括寄存器2131，差分比较运算模块2132以及数字滤波处理模块2133。寄存器2131寄存经反复采样、保持、A/D转换，所获得的所述输入信号值ADh和ADl ；差分比较运算模块2132对以上经过采样保持模数转换器(212)转换后所获得的若干对第一和第二输入信号值ADh和ADl进行差分比较运算，获得若干个差分信号ADn。数字滤波处理模块2133，再对经过反复采样、保持、A/D转换，所获得的若干个差分信号ADn进行进行动态跟踪和数字滤波处理，滤除共模、差模干扰，并获得最终的液位检测信号ADO或ADf，该液位检测信号ADO或ADf反映了液位感应开关20的电容量。其中，如果容器中液体高度在感应电极201下方，即Cf为0，Co保持不变，此时获得的液位检测信号ADO也是不变的；如果容器中液体高度齐平或者超过感应电极201，则液体与感应电极201之间生成感应电容Cf，就会改变液位感应开关20的电容量，即电容量值为(Cf+Co)，此时生成的液位检测信号ADf也会与ADO有较大的不同，从而能够达到无接触侦测容器中液体液位的目的。如图4所示，本发明还提供了一种应用上述电容式液位传感器的液位智能控制器，包括液位感应开关20、微处理器21、LED显示器22以及驱动控制电路23 ；其中所述液位感应开关20具有感应电极201 ；感应电极201连接所述微处理器21 ；微处理器21通过输入/输出端口 210连接液位感应开关20，对所述液位感应开关20充放电并检测所述感应电极201的感应电容Cf，从而生成液位检测信号ADO或ADf ；LED显示器22在微处理器21的控制下进行动态显示；驱动控制电路23在微处理器21的控制下进行液体31泵入或泵出的驱动控制。其中，微处理器21的内部结构和工作方式与图2和图3相关内容相同，在此不再赘述。实施例2，其余和实施例1相同，不同之处在于，所述感应电极201为长条片状，其外覆盖绝缘层202，所述绝缘层202为PET、PC、PE或者PS等绝缘材料制成，可采用热压胶粘在感应电极201上，其厚度一般不超过0. 2mm。感应电极201被绝缘层202完全包裹覆盖，将其放置在容器表面，其长度方向与水平面垂直，当介电常数较高的导体(如水、甲酸、甲醇、乙醇、丙酮、液态氨、正己醇、甘油、矿石、或胶乳等)在容器、管道或者器皿中时，介电常数较高的导体在绝缘体(绝缘层202和器皿外壳)和感应电极201之间耦合产生感应电容Cf，会使微处理器21的输入/输出端口 210连接的电容值发生改变，该电容值随液体31和感应电极201之间的耦合面积变化而变化，微处理器21检测液位变化造成的液体31与感应电极201之间所产生的感应电容Cf，从而生成表示液位状态的检测信号。由于在液位感应开关20具有外部分布杂散电容Co，并且微处理器芯片内部具有寄生电容Ch，液体31与感应电极201之间所产生的感应电容Cf与外部分布杂散电容Co和寄生电容Ch的相差都不大，为了消除Ch和Co对液位检测的影响，微处理器21采用差分A/D比较运算法来检测感应电容Cf，从而达到侦测液位的目的。本实施例可以实时显示液位的数值，而不是只是监控某一个液位点。本发明的电容式液位传感器采用了“电容电荷转移”的工作原理，当容器内的液体液位超过或低于所述感应电极时，会使微处理器输入/输出端口连接的电容值发生改变，从而准确的检测出容器内部液位的变化。本发明电容式液位传感器采用一个感应电极，放置在密闭的容积、管道或者器皿的表面，利用电容式触摸感应原理进行液位检测。与传统的“液位传感器”相比，只有一个感应电极，体积很小，准确度高，电路结构简单，抗干扰能力强，增加了产品的可靠性和寿命，降低了产品成本，并且为非接触式，安装、使用、维修均简单方便。以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
权利要求
1.一种电容式液位传感器，其特征在于，包括液位感应开关00)以及微处理器；其中所述液位感应开关OO)具有感应电极(201)；感应电极O01)连接所述微处理器(21)；微处理器通过输入/输出端口(210)连接液位感应开关(20)，对所述液位感应开关OO)的感应电极O01)反复充放电并检测所述感应电极O01)的感应电容(Cf)生成液位检测信号(ADO，ADf)。
2.根据权利要求1所述的电容式液位传感器，其特征在于，所述微处理器进一步包括电容电荷转移电路011)，对所述液位感应开关OO)及微处理器的寄生电容(Ch)反复充放电和电荷转移；模数转换器012)，反复采样获得电荷转移后液位感应开关(20)的输入信号值(ADl，ADh)；数字处理模块013)，对反复采样保持模数转换器(212)转换后所获得的所述输入信号值(AD1，ADh)进行寄存、差分比较运算和数字滤波处理取得液位检测信号(ADO，ADf)。
3.根据权利要求2所述的电容式液位传感器，其特征在于，所述电荷转移电路(211)包括第一充放电端子(RAO)，第一控制开关(Kl)，第二充放电端子(RAl)，第二控制开关(K2)以及电荷转移开关(KO)；其中第一充放电端子(RAO)通过所述第一控制开关(Kl)连接所述液位感应开关OO)；第二充放电端子(RAl)通过第二控制开关(以)连接微处理器的寄生电容(Ch)；电荷转移开关(KO)连接所述液位感应开关OO)和所述寄生电容(Ch)并控制二者的电荷转移。
4.根据权利要求2所述的电容式液位传感器，其特征在于，所述数字处理模块(213)包括寄存器(2131)，寄存经反复采样保持模数转换器(21 转换后所获得的所述输入信号值(ADLADh)；差分比较运算模块(2132)，对反复采样保持模数转换器(21 转换后所获得的若干对所述输入信号值(ADl，ADh)进行差分比较运算得到若干个差分信号(ADn)；数字滤波处理模块(2133)，对所述若干个差分信号(ADn)进行数字滤波处理获得所述液位检测信号 _，ADf)。
5.根据权利要求1到4任一所述的电容式液位传感器，其特征在于，所述感应电极(201)为一金属片。
6.根据权利要求5所述的电容式液位传感器，其特征在于，所述感应电极(201)设有密封很薄的绝缘外壳002)。
全文摘要
本发明涉及一种电容式液位传感器，包括液位感应开关(20)以及微处理器(21)；其中所述液位感应开关(20)具有感应电极(201)；感应电极(201)连接所述微处理器(21)；本发明电容式液位传感器采用一个感应电极，放置在密闭的容积、管道或者器皿的表面，利用电容式触摸感应原理进行液位检测。与传统的“液位传感器”相比，只有一个感应电极，体积很小，准确度高，电路结构简单，抗干扰能力强，增加了产品的可靠性和寿命，降低了产品成本，并且为非接触式，安装、使用、维修均简单方便。
文档编号G01F23/26GK102589644SQ20111000713
公开日2012年7月18日 申请日期2011年1月14日 优先权日2011年1月14日
发明者丁央舟, 吴金炳, 周荣, 惠滨华, 肖强, 谌清平 申请人:苏州路之遥科技股份有限公司