分节电容式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，涉及一种分节电容式低温液位变换器。

背景技术：

燃料剂和氧化剂在贮箱里的液位是火箭发射过程中重要的技术指标，以耗尽关机液位传感器为例，燃料剂和氧化剂的液位情况决定火箭发动机的关机时间。如果液位测量不准确，火箭关机时间会推迟或提前，火箭关机时间推迟会导致进入火箭发动机的燃料剂和氧化剂的量不够充分或配比变化，从而容易引起火箭发射失败。火箭关机时间提前会导致燃料剂和氧化剂利用不充分，火箭有可能不能到达预定轨道。

总之，燃料剂和氧化剂液位的准确测量对于整个火箭系统来说是非常重要的，常用的火箭氧化剂是液氧介质，常用的燃料剂是煤油和液氢，它们都属于绝缘性介质，相对介电常数非常小(0.1Mpa压力，煤油2.2、液氧1.485、液氢1.22)，且液氧、液氢工作温度到达-150℃以下，现有的电容式液位变换器主要存在以下两个不足：测量精度不高。

电容式液位变换器的测量原理是将介质液位变化导致的电容量变化线性转换为电压量的变化，液位变化小、介质介电常数小则电容量变化小，然而对于小电容量的检测是比较困难的，因此现有的电容式液位变换器的测量精度很难做到1％，特别是介电常数非常小的液氢、液氧和煤油就更难做到；被检测电容容易受到干扰外界电磁环境干扰以及传输过程中线缆分布电容的影响。

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分节电容式低温液位变换器。

根据本发明提供的分节电容式低温液位变换器，包括硬件检测电路，所述硬件检测电路包括：文氏振荡电路、级联变压器取样电路、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；其中：

所述文氏振荡电路，用于用来产生低频正弦激励信号，激励变压器；

所述级联变压器取样电路，用于产生与液位成线性关系的交流取样信号；

所述交流两级放大电路，用于对交流取样信号进行放大，并输出至交流信号移相电路；

所述交流信号移相电路，用于对正弦激励信号分别进行90°移相；

所述解调电路，用于将移相后的正弦激励信号与放大后的交流取样信号进行同频解调；

所述低通滤波及直流放大电路，用于提取解调出的直流分量。

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，用于产生低频正弦激励信号；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，所述级联变压器取样电路包括：级联变压器、奇数电容Cj、偶数电容Co、参考电容C0、取样电阻，级联变压器电桥对奇数电容Cj和偶数电容Co进行求差、求和运算，取样后的交流小信号传输至交流两级放大电路。

优选地，所述交流两级放大电路包括：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激励信号进行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、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，所述低通滤波及直流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，用于对解调后的交流信号进行低通滤波，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。

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，通过硬件检测将分节电容信号转换成直流电压信号，该系列变换器动态响应快、测量范围广、检测精度高(以液氧为例，液位检测误差不大于±2mm)，特别适合与分节电容式传感器配合进行液氮、液氢、液氧等超低温绝缘介质的液位连续测量。

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为分节电容式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为电容和信号、电容差信号与液位测量关系图；

图9为实测曲线与理论曲线放大对比图。

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。

根据本发明提供的分节电容式液位变换器，包括：硬件检测电路，所述硬件检测电路将连续式低温液位传感器输入的用于表征液位的奇数电容Cj和偶数电容Co线性转换成直流电压量的变化，其中Cj+Co的电容量表征液位所处的分节数，Co-Cj的电容量表征液位在某节中的精确位置；采用分节电容式检测方法，利用奇数电容Cj和偶数电容Co在电路中进行加减法，消除电缆线上和信号通路上产生的其他电容干扰，从而进一步提供传感器的测量精度。

所述分节电容式低温液位变换器，包括硬件检测电路，硬件检测电路部分主要作用将电容量变化转变成电压量变化，所述硬件检测电路至少包括：文氏振荡电路、级联变压器取样电路、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；

所述文氏振荡电路用来产生低频正弦信号以驱动变压器，

所述级联变压器取样电路用于产生与液位成线性关系的交流取样信号，级联变压器电桥取样电路将传感器奇数电容和偶数电容进行求差、求和，并输出幅度与液位高度成线性关系的交流取样信号；

所述取样信号经过交流两级放大电路进行放大，同时两个频率的正弦激励信号分别进行90°移相，移相后的正弦信号与取样信号中的同频率信号相位相同，用于同频解调，

所述解调电路根据输入信号的频率、相位进行同频率解调，解调电路输出信号中直流成分与液位成线性关系，所述解调电路输出信号经过低通滤波电路及直流放大电路将直流信号取出。

更进一步地，

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、精密电阻、二极管，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‰，文氏振荡电路产生的正弦激励信号驱动变压器。

所述级联变压器电桥取样电路包括：级联变压器、奇数电容Cj、偶数电容Co、参考电容C0、取样电阻R；级联变压器电桥对奇数电容Cj和偶数电容Co进行求差、求和运算，取样后的信号输出给交流放大电路；

所述交流信号移相电路包括：运算放大器、精密电容、精密电阻，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；

所述交流两级放大电路包括：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中的滤波模块采用三阶巴特沃斯有源滤波电路，主要由运算放大器芯片、电阻、电容构成；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。

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，分节电容式液位变换器硬件检测电路原理框图，电容信号的检测处理流程；硬件电路原理所示，两个不同频率的载波信号分别输入到两个解调电路中，解调得到两个频率分量对应的幅度直流信号，这两个直流信号分别与电容和、电容差成正比；电容差信号反映液位在某一节电容环内情况，而电容和信号反映液位在传感器中具体哪节电容环。

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，级联变压器电桥取样电路原理图，奇数电容C36和偶数电容C37由传感器结构部分通过屏蔽线连接到取样电路上；通过取样电路，输出一个与电容和值(C36+C37)成正比、与电容差值(C36-C37)成正比的混合信号。电容C35为参考电容，它可以调节电容和值信号的幅度。

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，它们的和值信号和差值信号也很小，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R40和R45来调整。

如图所5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_OUT，载波信号为移相电路的输出信号YX_OUT；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R26和C27决定，二阶滤波器的截止频率由R23、R24、C23和C24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，电容和信号、电容差信号与液位测量关系图，整个传感器分为6节，每节250mm，总的有效测量范围为1500mm。传感器验证实验中，利用精密实验装置准确控制传感器的液位，传感器液位、传感器输出电容和信号与电容差信号通过NI数据采集卡进行采集；在液位变化时奇数电容、偶数电容交替变化，两组电容信号的差值形成三角波信号，两组电容信号的和值形成单调波信号；三角波的一边代表分节电容的液位高度即分节单元的物理长度，根据三角波电压可以计算出液位在每一节电容单元的位置；单调波信号与液位高度成线性关系，通过连续电压输出值的大小可以判别传感器在介质中的分节数，然后结合三角波信号可以计算出准确的液位高度。

如图9所示，实测曲线与理论曲线放大对比图，验证实验前，首先测得传感器电压和、电压差信号的最小值0V和最大值5V，并记录对应的液位0mm和250mm，然后计算得到液位与电容和信号、电容差信号的理论曲线；实验中通过数据采集卡可以记录实测的电压数据和液位数据并生成实测曲线，将理论曲线与实测曲线进行对比，实验中各液位点的电压值和同一点的理论电压值之间的误差小于±40mV，即各测量液位点误差小于±2mm。经过多次的常温煤油介质实验和多次的低温液氮介质实验均满足测量误差小于±2mm。

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。