点式电容低温液位变换器的制作方法

本发明涉及工业测量领域，具体地，涉及一种点式电容低温液位变换器。

背景技术：

火箭飞行过程中，贮箱内的推进剂不断消耗，当推进剂消耗到箱内关机液位时，由关机液位传感器向控制系统发出相应的关机信号，经过一定时间的延迟后，实现火箭发动机的正式关机，因此推进剂关机液位点的准确测量非常重要。目前火箭系统中常用的推进剂为液氧、液氢和煤油，它们都属于绝缘介质，其中：液氢、液氧是低温介质，煤油是常温介质，由于它们的介电常数都比较小(0.1Mpa压力，煤油2.2、液氧1.485、液氢1.22)，并且液氢、液氧的工作温度低于-150℃，因此现有的电容式低温液位变换器普遍检测精度不高，而且实际测量时容易受到线路上电缆和外界环境的干扰。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种点式电容低温液位变换器。

根据本发明提供的点式电容低温液位变换器，包括硬件检测电路，其中，所述硬件检测电路主要包括：文氏振荡电路、变压器电桥取样电路、交流两级放大电路、交流信号移相电路、解调电路、低通滤波及直流放大电路、绝对值电路、电平比较电路以及驱动电路；

所述文氏振荡电路，用于产生低频正弦信号，激励变压器；

所述变压器电桥取样电路，用于将传感器电容值与参考电容值进行比较，并输出一个幅度与传感器电容值成正比的交流信号；

所述交流两级放大电路，用于将取样后的交流小信号进行两级放大；

所述交流信号移相电路，用于将经两级交流放大的交流信号中的正弦信号进行90°的相位移动；

所述解调电路，用于将移相后的正弦信号与放大后的交流取样信号进行同频解调；

所述低通滤波及放大电路，用于提取解调出的直流分量，并输出至绝对值电路；

所述绝对值电路，用于将直流信号转换成正电压信号后输出至电平比较电路；

所述电平比较电路，用于将正电压信号与+2.5V电压进行比较，输出高低电平信号；

所述驱动电路，用于将输出的高低电平信号转换成具有驱动能力的高低电平信号。

优选地，所述文氏振荡电路包括：运算放大器、场效应管、功率运算放大器、精密电容、电阻、二极管；所述文氏振荡电路构成RC振荡器，用于产生低频正弦信号；其中，场效应管等效为一个压控电阻，利用场效应管和运算放大器实现文氏振荡电路输出信号自动稳幅，并且信号的幅度稳定性能够达到1％，同时采用精密电容、电阻，使得输出信号的频率稳定度到达5‰。

优选地，所述变压器电桥取样电路包括：变压器、电容式低温液位传感器输入电容、参考电容、取样电阻，文氏振荡电路产生的正弦信号驱动变压器的电桥，并将电容式低温液位传感器输入电容和参考电容进行求差运算，其中，取样后的信号幅度与传感器输入电容值成线性关系。

优选地，所述两级交流信号放大电路包括：双通道运算放大器、精密电容、精密电阻，其中，运算放大器模块为两个同相输入放大器，两个同相输入放大器为级联关系，放大倍数是两个同相放大器的放大倍数之积。

优选地，所述交流信号移相电路包括：运算放大器、精密电容、电阻，所述交流信号移相电路将正弦信号进行90°的相位移动，移相后的信号作为解调电路的载波信号。

优选地，所述解调电路包括：解调芯片AD630SD、滤波电容、可变电阻器，解调电路用于将两个输入的交流信号做乘法运算进行相敏检波，两个输入交流信号具有相同的频率和相位，两个输入交流信号分别为经过两级交流放大的取样信号和90°移相后的正弦信号。

优选地，所述低通滤波及放大电路采用三阶巴特沃斯有源滤波电路，包括：运算放大器芯片AD712SQ、电容C17、电容C18、电容C19、电容C20、电容C21、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24，运算放大器芯片AD712SQ的引脚3分别连接至电阻R22的一端、电容C19的一端，电阻R22的另一端分别连接至电阻R21的一端、电容C18的一端，电阻R21的另一端构成低通滤波及放大电路的输入端，电容C19的另一端接地，电容C18的另一端分别连接至运算放大器芯片AD712SQ的引脚1、引脚2以及电阻R23的一端；运算放大器芯片AD712SQ的引脚5接地，运算放大器芯片AD712SQ的引脚4连接至电源的负极并通过电容C20接地，运算放大器芯片AD712SQ的引脚8连接至电源的正极并通过电容C17接地；电阻R23的另一端分别连接至芯片AD712SQ 的引脚6、电容C21的一端、电阻R24的一端，电阻R24的另一端、电容C21的另一端均连接至运算放大器芯片AD712SQ的引脚7并构成所述低通滤波及放大电路的输出端；所述低通滤波及放大电路用于对解调后的交流信号做低通滤波，取出交流信号中的直流成分，同时对直流信号进行放大，使得直流信号的幅度调整到设定的范围。

优选地，所述绝对值电路包括：第一运算放大器芯片OP07CP、第二运算放大器芯片OP07CP、二极管D3、二极管D4、电容C22、电容C23、电容C24、电容C25、电阻R25、电阻R26、电阻R27、电阻R28、电阻R29，第一运算放大器芯片OP07CP的引脚2分别连接至电阻R25的一端、电阻R27的一端、二极管D3的负极并构成绝对值电路的输入端；第一运算放大器芯片OP07CP的引脚3接地，第一运算放大器芯片OP07CP的引脚4连接至电源的负极并通过电阻C23接地，第一运算放大器芯片OP07CP的引脚7连接至电源的正极并通电容C22接地，第一运算放大器芯片OP07CP的引脚6、二极管D3的正极均连接至二极管D4的负极，二极管D4的正极分别连接至电阻R27的另一端、电阻R28的一端，电阻R28的另一端分别连接至电阻R26的另一端、电阻R29的一端、第二运算放大器芯片OP07CP的引脚2；第二运算放大器芯片OP07CP的引脚3接地，第二运算放大器芯片OP07CP的引脚4连接至电源的负极并通过电容C25接地，第二运算放大器芯片OP07CP的引脚7连接至电源的正极并通过电容C24接地，电阻R29的另一端连接至第二运算放大器芯片OP07CP的引脚6并构成所述绝对值电路的输出端，所述绝对值电路将滤波后的直流信号处理成正电压信号，然后输出到后级比较电路与基准电压+2.5V进行比较。

优选地，所述电平比较电路包括：基准电压芯片AD580、比较器芯片LM193、偏置电阻，所述基准电压芯片的AD580输入端连接至电源端，所述基准电压芯片AD580的GND端接地，所述基准电压芯片AD580的输出端连接至比较器芯片LM193的反相输入端，比较器芯片LM193的同相输入端连接至绝对值电路的第二输出端，比较器芯片LM193的引脚8连接至电源端，比较器芯片LM193的引脚4接地，比较器芯片LM193的输出端通过偏置电阻连接至电源端并构成电平比较电路的输出端口与驱动电路的输入端相连，电平比较电路将绝对值电路的输出与基准电压+2.5V进行比较，然后输出高低电平。

优选地，所述驱动电路包括：三极管、第一电阻、第二电阻、电容，第一电阻的一端构成驱动电路的输入端，第一电阻的另一端连接至三极管的基极，三极管的发射极接地，三极管的集电极通过第二电阻连接至电源端；驱动电路将比较电平输出的高低电平 信号转换成具有驱动能力的高低电平信号。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明克服了传统电容式低温液位变换器检测精度低，测量结果容易受到干扰等问题，通过硬件检测电路将电容信号转换成直流电压信号，最终得到表征液位点的高低电平信号，本发明中提出的变换器动态响应快、检测精度高(以液氧为例，检测误差不大于±2mm)，特别适合与电容式低温液位传感器配合对液氧、液氮、液氢等超低温绝缘介质的重要液位点进行测量。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为点式电容液位变换器硬件电路原理框图；

图2为文氏振荡电路原理图；

图3为变压器电桥取样电路原理图；

图4为交流两级放大电路原理图；

图5为交流信号移相电路原理图；

图6为解调电路原理图；

图7为低通滤波及直流放大电路原理图；

图8为绝对值电路原理图；

图9为比较电路原理图；

图10为驱动电路原理图；

图11为液位与比较电路输出信号的实测图(液氮)；

图12为液位与比较电路输出信号的实测图(煤油)。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的点式电容低温液位变换器，包括：硬件检测电路，其中，所述硬 件检测电路主要包括：文氏振荡电路、变压器电桥取样电路、交流两级放大电路、交流信号移相电路、解调电路、低通滤波及直流放大电路、绝对值电路、电平比较电路以及驱动电路；

所述文氏振荡电路，用于产生低频正弦信号，激励变压器；

所述变压器电桥取样电路，用于将传感器电容值与参考电容值进行比较，并输出一个幅度与传感器电容值成正比的交流信号；

所述交流信号移相电路，用于将经两级交流放大的交流信号中的正弦激励信号进行90°的相位移动；

所述解调电路，用于将移相后的信号与放大后的交流取样信号进行同频解调，其中，解调输出信号中的直流分量与液位成线性关系；

所述低通滤波及放大电路，用于将解调出直流分量取出，并传输至绝对值电路；

所述绝对值电路，用于将直流信号转换成正电压信号后传输至电平比较电路；

所述电平比较电路，用于将正电压信号与+2.5V电压进行比较，输出高低电平信号；

所述驱动电路，用于将输出的高低电平信号转换成具有驱动能力的高低电平信号。

更进一步地，

所述文氏振荡电路包括：普通运算放大器、场效应管、功率运算放大器、精密电容、电阻、二极管；该文氏振荡电路中的本质是RC振荡器，可用来产生低频正弦信号；文氏振荡电路中，场效应管等效为一个压控电阻，利用场效应管和运算放大器电路实现文氏振荡电路输出信号自动稳幅，并且信号的幅度稳定性可达到1％，同时采用高精度的电阻器和电容器，使得输出信号的频率稳定度到达5‰。

所述变压器电桥取样电路包括：变压器、传感器电容、参考电容、取样电阻，文氏振荡电路产生的正弦信号驱动变压器电桥，取样电路将传感器电容和参考电容进行求差运算，取样后的信号幅度与传感器电容成线性关系。

所述交流信号移相电路包括：运算放大器、精密电容、电阻，移相电路将正弦信号进行90°的相位移动，移相后的信号作为解调电路的载波信号。

所述两级交流信号放大电路包括：运算放大器、电容、电阻，交流两级放大电路由两个同相输入放大器级联组成，放大倍数是两个同相放大器的放大倍数之积。

所述解调电路包括：解调芯片、滤波电容、可变电阻器，解调电路主要功能是将两个输入的交流信号做乘法运算，两个输入信号分别为经过两级交流放大的取样信号和90°移相后的正弦信号。

所述低通滤波及放大电路采用三阶巴特沃斯有源滤波电路，包括：运算放大器芯片、电阻、电容，运放有源滤波器体积小、重量轻、不存在电感带来的损耗和非线性，同时运放有放大和缓冲的作用；低通滤波及放大电路主要作用：对解调后的交流信号做低通滤波，取出交流信号中的直流成分，同时可以对直流信号进行放大，使得直流信号的幅度调整到适合测量的范围。

所述绝对值电路包括：运算放大器、电容、电阻、二极管，绝对值电路将滤波后的直流信号处理成正电压信号，然后输出到后级比较电路与基准电压+2.5V进行比较。

所述电平比较电路包括：基准电压芯片、比较器芯片、电阻、电容，电平比较电路将绝对值电路的输出与基准电压+2.5V进行比较，然后输出高低电平。

所述驱动电路包括：三极管、电阻、电容，驱动电路将比较电平输出的高低电平信号转换成具有驱动能力的高低电平信号。

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1所示，点式电容液位变换器硬件电路原理框图，电容信号的检测处理流程如图1所示，当传感器的液位远高于或者远低于指定的液位点时，变换器电路输出高电平；当传感器的液位接近指定的液位点时，变换器电路输出低电平，从而实现介质重要液位点的精确测量。

如图2所示，文氏振荡电路原理图，其中R1＝R2＝R，C1＝C2＝C，文氏振荡电路是一种RC振荡电路，用来产生低频正弦信号激励，当输出信号幅度较小时，由于 电路产生自激振荡，输出信号幅度增大，场效应管R_DS也随着增大，则电路的增益减小，限制了输出信号幅度的继续增加，最终输出信号幅度达到稳定；正弦信号的频率为2πR，正弦信号的频率可通过R和C来调整，两路文氏振荡电路产生两个不同频率的正弦信号用于激励取样电路。

如图3所示，变压器电桥取样电路原理图，信号SIN_OUT1为输入的正弦激励信号，电容C101为传感器电容，电容C9为参考电容，R9为取样电阻，采用变压器电桥实现了电容到电压转换。通过取样电路，输出一个与传感器电容成线性关系的取样电压信号QY_OUT1。

如图4所示，交流两级放大电路原理图，由于液位对应的电容信号很小，它与参考电容之间的差值也很小，因此将取样信号进行两级同相放大，放大倍数为两个同相放大电路的放大倍数之积，放大倍数可通过R12和R15来调整。。

如图5所示，交流信号移相电路原理图，移相电路的输入信号为文氏振荡电路的正弦输出信号，移相输出信号与输入信号之间关系为：

$\frac{V_{out}}{V_{in}}=\frac{jwRC-1}{jwRC+1}=-2\arctan wRC,$

其中：R18＝R19＝R，w是正弦交流信号频率因此当正弦交流信号源频率f与2πR相等时，输出信号与输入信号之间的相位移动为90°，即要求移相电路中电阻R17、电容C17与文氏桥振荡电路的电阻R1、电容C1一致。

如图6所示，解调电路原理图，输入信号为放大电路的输出信号FD_OUT1，载波信号为移相电路的输出信号YX_OUT1。解调电路将输入信号与载波信号做乘法，对应频域上是信号的卷积，这样输入信号中与载波信号同频率的分量的频域将移至原点和2w频率点，从而可以解调得到直流信号。

如图7所示，低通滤波及直流放大电路原理图，三阶滤波器由二阶滤波器和一阶滤波器组成，每个低阶滤波器相互独立，也便于调试。一阶滤波器的截止频率由R23和C21决定，二阶滤波器的截止频率由R21、R22、C18和C19决定。由于解调后的信号中包括直流分量信号、倍频分量信号以及谐波信号等，低通滤波器可以将直流信号提取出来，直流放大可以将直流信号幅度放大到适合测量的范围。

如图8所示，绝对值电路原理图，主要功能是将低通滤波后的直流信号取绝对值转换成正电压信号。设计中，要求当液位远高于或者远低于指定的液位点时，低通滤波电路输出一个幅值大于+2.5V的直流信号，这样比较电路才能输出高电平信号。要求当液位接近指定的液位点时，要求低通滤波电路输出一个幅值小于+2.5V的直流信号，这样比较电路才能输出低电平信号。绝对值电路保证了只有当液位接近指定液位点时，变换器电路才输出低电平信号。

如图9所示，比较电路原理图，主要功能是将绝对值电路的输出信号与基准电压信号+2.5V进行比较，当绝对值电路的输出信号大于+2.5V时，比较电路输出高电平；当绝对值电路的输出信号小于+2.5V时，比较电路输出低电平。

如图10所示，驱动电路原理图，主要功能是将比较电路输出的无驱动能力的高低电平转换成具有驱动能力的高低电平，可以驱动后级的继电器、灯泡等功耗器件。当比较电路输出低电平时，三极管集电极和发射极不导通，驱动电路输出高电平；当笔记电路输出高电平时，三极管集电极和发射极导通，驱动电路输出低电平。

实际设计中，传感器的机械结构部分采用了有效量程为10mm的环形电容器， 要求当液位在传感器5mm液位点时，绝对值电路的输出信号为0V，比较电路输出低电平信号，并且要求测量点误差不大于±2mm，即当传感器内的液位在3mm-7mm之间时，比较电路必须输出低电平信号。图11为低温液氮介质中，传感器液位与比较电路输出信号的实测图。

如图11所示，传感器液位与比较电路输出信号的实测图(液氮)，当传感器液位在3.6mm处，比较电路输出信号从高电平变成低电平，满足了设计要求的测量点误差不大于±2mm，实现了液氮介质中重要液位点的准确测量。

如图12所示，传感器液位与比较电路输出信号的实测图(煤油)，为常温煤油介质中传感器液位与比较电路输出信号的实测图，当传感器液位在3.4mm处，比较电路输出信号从高电平变成低电平，满足了设计要求的测量点误差不大于±2mm，实现了煤油介质中重要液位点的准确测量。

经过多次低温液氮实验和常温煤油实验，点式电容低温液位传感器的实验数据稳定可靠，实验结果良好，满足设计任务要求的测量点误差不大于±2mm，实现了低温绝缘介质重要液位点的精确测量。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。