一种频差式物位传感器的制作方法

本实用新型涉及一种物位传感器，尤其涉及一种频差式物位传感器属于物料检测技术领域。

背景技术：

物位传感器为能够感受物位(液位，料位)并转换成可用输出信号的传感器。物位传感器可分为两类：一类是连续测量物位变化的连续式物位传感器；另一类是以点测为目的的开关式物位传感器。

传统音叉、电容等形式的物位传感器在进行物料检测时，如果生产物料为浆体、粘稠物等容易产生气泡或易吸附粉末时，物料很容易附着于物位传感器上，使得物位传感器的检测结果不准确，甚至出现错误检测的现象发生，并且还有发生堵塞、爆炸等事故的危险。另外，现有的物位传感器在运输、安装和使用过程中，振动元件可能受到冲击，进而损坏其内部的元件，从而影响物位传感器的使用寿命。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种频差式物位传感器。

为了实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案：

一种频差式物位传感器，包括控制单元、倍频放大和解调单元、谐振单元、检测单元、第一输出单元、第二输出单元和探头；所述控制单元的输出端连接所述倍频放大和解调单元的输入端，所述谐振单元的输入端连接所述探头，所述倍频放大和解调单元与所述谐振单元的输出端连接在一起后与所述检测单元的输入端连接，所述检测单元的输出端连接所述控制单元的输入端，所述控制单元相应的输出端分别连接所述第一输出单元、所述第二输出单元。

其中较优地，所述倍频放大和解调单元包括隔离模块、倍频放大模块、反相模块、反相滤波模块和解调模块；所述隔离模块的正相输入端连接所述控制单元的输出端，所述隔离模块的输出端分别连接所述倍频放大模块、所述反相模块的输入端，所述倍频放大模块、所述反相模块的输出端分别连接所述反相滤波模块的输入端，所述反相滤波模块输出端连接所述解调模块的输入端，所述解调模块的输出端与所述谐振单元的输出端连接在一起后与所述检测单元的输入端连接。

其中较优地，所述倍频放大模块包括第一电容、第一电感、第一稳压二极管、第二电容和第二稳压二极管；所述第一电容的一端分别连接所述第一电感的一端、所述第一稳压二极管的阴极，所述第一电容的另一端连接所述反相模块的输入端，所述第一电感的另一端分别连接所述第二电容的一端、所述第二稳压二极管的阴极，所述第一稳压二极管和所述第二稳压二极管的阳极分别接地，所述第二电容的另一端分别连接所述反相模块的输出端、所述反相滤波模块的输入端。

其中较优地，所述反相模块包括第一反相器、第二电阻和第三电阻；所述第一反相器的输入端连接所述第三电阻的一端，所述第三电阻的另一端分别连接所述第一反相器的输出端、所述倍频放大模块的输出端、所述反相滤波模块的输入端。

其中较优地，所述解调模块包括第五电阻、第二电感、第四电容和第五电容；所述第五电阻的一端分别连接所述第二电感与所述第四电容的一端，所述第五电阻的另一端分别连接所述第二电感的另一端、所述第五电容的一端，所述第四电容和所述第五电容的另一端分别接地，所述第五电阻的另一端还通过第六电阻与所述谐振单元的输出端连接在一起后和所述检测单元的输入端连接。

其中较优地，所述谐振单元包括第三电感、第六电容和第七电阻；所述第三电感的一端与所述第七电阻的一端连接，所述第三电感的另一端连接所述第六电容的一端，所述第六电容的另一端连接所述探头，所述第七电阻的另一端接地。

其中较优地，所述检测单元包括隔离放大模块、第一滤波模块、第二滤波模块和第三滤波模块；所述隔离放大模块的输入端分别连接所述倍频放大和解调单元与所述谐振单元的输出端，所述隔离放大模块的输出端连接所述第一滤波模块的输入端，所述第一滤波模块的输出端连接所述第二滤波模块的输入端，所述第二滤波模块的输出端连接所述第三滤波模块的输入端，所述第三滤波模块的输出端连接所述控制单元的输入端。

其中较优地，所述第一输出单元包括第十二电阻和LED指示灯；所述第十二电阻的一端连接所述控制单元的一个输出端，所述第十二电阻的另一端连接所述LED指示灯的阳极，所述LED指示灯的阴极接地。

其中较优地，所述第二输出单元包括第十三电阻、第一晶体三极管、第十四电阻；所述第十三电阻的一端连接所述控制单元的一个输出端，所述第十三电阻的另一端连接所述第一晶体三极管的基极，所述第一晶体三极管的源极连接电源电压，所述第一晶体三极管的漏极分别连接所述第十四电阻的一端和第一输出接口，所述第十四电阻的另一端接地。

其中较优地，所述第二输出单元包括第十五电阻、第二晶体三极管和第十六电阻；所述第十五电阻的一端连接所述控制单元的一个输出端，所述第十五电阻的另一端连接所述第二晶体三极管的基极，所述第二晶体三极管的源极分别连接所述第十六电阻的一端和第二输出接口，所述第十六电阻的另一端连接电源电压，所述第二晶体三极管的漏极接地。

本实用新型所提供的频差式物位传感器通过探头接收经倍频放大和解调单元生成的载波信号，实现检测待测位置是否有物料，并反馈给谐振单元生成相应谐振频率的谐振信号，该谐振信号与载波信号叠加在一起经过相应的滤波后发送至控制单元，实现与控制单元中的频率预设值进行比较，以使得控制单元根据比较结果控制相应输出单元的状态，从而便于工作人员判断待测位置是否有物料。该频差式物位传感器中无振动部件，使得其具有耐冲击、振动，使用寿命长的特点。该频差式物位传感器还不受物料形态影响，使得其测量结果准确，可靠性高。

附图说明

图1为本实用新型所提供的频差式物位传感器的结构示意图；

图2为本实用新型所提供的频差式物位传感器的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型的技术内容做进一步的详细说明。

如图1所示，本实用新型所提供的频差式物位传感器包括控制单元1、倍频放大和解调单元2、谐振单元3、检测单元4、第一输出单元5、第二输出单元6和探头7；其中，控制单元1的输出端连接倍频放大和解调单元2的输入端，谐振单元3的输入端连接探头7，倍频放大和解调单元2与谐振单元3的输出端连接在一起后与检测单元4的输入端连接，检测单元4的输出端连接控制单元1的输入端，控制单元1相应的输出端分别连接第一输出单元5、第二输出单元。其中，本频差式物位传感器的各单元设置在同一个印刷电路板上，该印刷电路板封装与该频差式物位传感器的壳体(图中未示出)内，探头7安装于壳体上。

本频差式物位传感器通过控制单元1向倍频放大和解调单元2发送扫频信号，该扫频信号经过倍频放大和解调单元2进行倍频放大预设倍数后，形成调制信号，并根据该调制信号解调出预设频率范围的载波信号，用于加载到探头7上，使得探头7检测是否有物料通过，并反馈给谐振单元3，以生成相应谐振频率的谐振信号，用于与载波信号叠加在一起发送至检测单元4依次进行低频和高频滤波后，发送至控制单元1，控制单元1将叠加后的谐振信号和载波信号的频率与预设频率值进行比较，以控制第一输出单元5、第二输出单元6的状态，从而便于工作人员根据第一输出单元5、第二输出单元6的状态，判断待测位置是否有物料。

控制单元1，不仅用于向倍频放大和解调单元2发送扫频信号，还用于接收检测单元4发送的经过滤波处理的叠加后的谐振信号和载波信号，并将该叠加后的谐振信号和载波信号的频率与控制单元1中预先存储的预设频率值进行比较，以控制第一输出单元5、第二输出单元6的状态。该控制单元1可以采用能够输出扫频信号的单片机控制芯片。

如图2所示，倍频放大和解调单元2包括隔离模块21、倍频放大模块22、反相模块23、反相滤波模块24和解调模块25，隔离模块21的正相输入端连接控制单元1的输出端，隔离模块21的输出端分别连接倍频放大模块22、反相模块23的输入端，倍频放大模块22、反相模块23的输出端分别连接反相滤波模块24的输入端，反相滤波模块24输出端连接解调模块25的输入端，解调模块25的输出端与谐振单元3的输出端连接在一起后与检测单元4的输入端连接。

具体的说，隔离模块21，用于将控制单元1发送的扫频信号与倍频放大和解调单元2各部分进行隔离，防止扫频信号中产生干扰信号。如图2所示，隔离模块21包括运算放大器U6B，运算放大器U6B的正相输入端连接控制单元1的输出端，即运算放大器U6B的正相输入端连接单片机控制芯片U1的信号输出引脚1，用于接收单片机控制芯片U1发送的扫频信号；运算放大器U6B的反相输入端连接其输出端，运算放大器U6B的输出端通过第一电阻R18分别连接倍频放大模块22、反相模块23的输入端。

倍频放大模块22，用于接收隔离模块21发送的扫频信号，并将该扫频信号的频率增加至原来的整数倍(如扫频信号的频率增加至原来的5倍)。如图2所示，倍频放大模块22包括第一电容C9、第一电感L4、第一稳压二极管D5、第二电容C8和第二稳压二极管D4，第一电容C9的一端分别连接第一电感L4的一端、第一稳压二极管D5的阴极和第一电阻18，第一电容C9的另一端连接反相模块23的输入端；第一电感L4的另一端分别连接第二电容C8的一端、第二稳压二极管D4的阴极，第一稳压二极管D5和第二稳压二极管D4的阳极分别接地，第二电容C8的另一端分别连接反相模块23的输出端、反相滤波模块24的输入端。其中，通过第一电容C9和第一电感L4实现将将接收的扫频信号的频率增加至原来的整数倍；当经过倍频放大后的扫频信号的振幅过大时，通过第一稳压二极管D5和第二稳压二极管D4将扫频信号中的尖峰滤去。

反相模块23，用于接收隔离模块21发送的扫频信号，并将该扫频信号进行反相，以使得经反相后的扫频信号与经倍频放大模块22倍频放大后的扫频信号进行叠加，形成预设频率的调制信号。如图2所示，反相模块23包括第一反相器U2A、第二电阻R6和第三电阻R16；第一反相器U2A的输入端分别连接第一电容C9的另一端、第三电阻R16的一端，第三电阻R16的另一端分别连接第一反相器U2A的输出端、第二电容C8的另一端、反相滤波模块24的输入端；第一反相器U2A的一个电源端连接电源电压VCC，并与电源电压VCC之间设置第二电阻R6，第一反相器U2A的另一个电源端接地。通过第一反相器U2A实现将接收的扫频信号进行反相，以使得经反相后的扫频信号与经倍频放大模块22倍频放大后的扫频信号在第二电容C8处进行叠加，形成预设频率的调制信号。

反相滤波模块24，用于接收经倍频放大模块22和反相模块23生成的预设频率的调制信号，并将该调制信号依次进行反相和滤波。如图2所示，反相滤波模块24包括第二反相器U2B和第三电容C3；第二反相器U2B的输入端连接第一反相器U2A的输出端、第二电容C8的另一端，第二反相器U2B的输出端连接第三电容C的一端，第三电容C的另一端通过第四电阻R9连接解调模块25的输入端。通过第二反相器U2B将接收的调制信号进行反相，并通过第四电阻R9发送至解调模块25进行解调。

解调模块25，用于将接收经反相滤波模块24反相和滤波后的调制信号，并根据该调制信号解调出预设频率范围的载波信号(如解调出100Mhz到180Mhz范围的载波信号)。如图2所示，解调模块25为由第五电阻R10、第二电感L1、第四电容C4和第五电容C5组成的振荡电路；其中，第五电阻R10的一端分别连接第二电感L1与第四电容C4的一端、第四电阻R9，第五电阻R10的另一端分别连接第二电感L1的另一端、第五电容C5的一端，第四电容C4和第五电容C5的另一端分别接地；第五电阻R10的另一端还通过第六电阻R11与谐振单元3的输出端连接在一起后和检测单元4的输入端连接，不仅用于将解调模块25解调出的载波信号加载到探头7上，使得探头7检测是否有物料通过；还用于将解调模块25解调出的载波信号与谐振单元3生成的谐振信号叠加在一起发送至检测单元4依次进行低频和高频滤波。

如图2所示，谐振单元3包括第三电感L3、第六电容C6和第七电阻R12,第三电感L3的一端分别与第七电阻R12的一端、第六电阻R11连接，第三电感L3的另一端连接第六电容C6的一端，第六电容C6的另一端连接探头7，第七电阻R12的另一端接地。根据公式(1)可知，在不改变探头的情况下，由于探头检测的物料具有不同的介电常数，因此，不同物料的电容值也不同。

C＝εS/d(1)

其中，ε表示极板间介质的介电常数，S表示极板面积，d表示极板间的距离，极板面积与极板间的距离为固定值。

因此，通过探头检测待测位置是否有物料通过，并反馈给谐振单元3，谐振单元3根据公式(2)，生成相应谐振频率的谐振信号。

其中，L表示电感值，C表示物料的电容值。由此可知，探头7检测的物料的电容值不同，使得谐振单元3生成的谐振信号的谐振频率也不同。

如图2所示，检测单元4包括隔离放大模块41、第一滤波模块42、第二滤波模块43和第三滤波模块44；隔离放大模块41的输入端分别连接第三电感L3的一端、第六电阻R11，隔离放大模块41的输出端连接第一滤波模块42的输入端，第一滤波模块42的输出端连接第二滤波模块43的输入端，第二滤波模块43的输出端连接第三滤波模块44的输入端，第三滤波模块44的输出端连接控制单元1的输入端。

其中，隔离放大模块41，用于将接收的叠加在一起的解调模块25解调出的载波信号与谐振单元3生成的谐振信号进行隔离和功率放大。如图2所示，隔离放大模块41包括第七电容C6、第四电感L2和高频功率管；第七电容C6的一端分别连接第三电感L3的一端、第六电阻R11，第七电容C6的另一端连接第四电感L2的一端，第四电感L2的另一端连接高频功率管的输入端，高频功率管的输出端连接第一滤波模块42的输入端。

第一滤波模块42为无源滤波，用于将接收的叠加在一起的解调模块25解调出的载波信号与谐振单元3生成的谐振信号中的低频信号滤去。如图2所示，第一滤波模块42包括第八电容C11和第八电阻R20；第八电容C11的一端连接高频功率管的输出端，第八电容C11的另一端分别连接第八电阻R20的一端、第二滤波模块43的输入端，第八电阻R20的另一端接地。

第二滤波模块43也为无源滤波，用于进一步将接收的叠加在一起的解调模块25解调出的载波信号与谐振单元3生成的谐振信号中的低频信号滤去。如图2所示，第二滤波模块43包括二极管Q4、第九电阻R13和第九电容C20；二极管Q4的阳极连接第一滤波模块42的输出端，二极管Q4的阴极分别连接第九电阻R13和第九电容C20的一端、第三滤波模块的输入端，第九电阻R13和第九电容C20分别接地。

第三滤波模块44为有源滤波，用于将接收的叠加在一起的解调模块25解调出的载波信号与谐振单元3生成的谐振信号中的高频信号滤去。如图2所示，第三滤波模块44包括运算放大器U6A、第十电阻R41、第十一电阻R33和第十电容C19；运算放大器U6A的正相输入端连接第二滤波模块43的输出端，运算放大器U6A的反相输入端分别连接第十电阻R41、第十一电阻R33和第十电容C19的一端，第十电阻R41的另一端接地，第十一电阻R33和第十电容C19的另一端分别连接运算放大器U6A的输出端，运算放大器U6A的输出端连接控制单元1的输入端(如与单片机控制芯片U1的信号输入引脚16连接)。

第一输出单元5,用于指示本频差式物位传感器在待测位置是否检测到有物料；如图2所示，该第一输出单元5包括第十二电阻R215和LED指示灯；第十二电阻R215的一端连接控制单元1的一个输出端(如与单片机控制芯片U1的输出引脚14连接)，第十二电阻R215的另一端连接LED指示灯的阳极，LED指示灯的阴极接地。当控制单元1收到检测单元4发送的经过滤波处理的叠加后的谐振信号和载波信号时，会将该叠加后的谐振信号和载波信号的频率与控制单元1中预先存储的预设频率值进行比较，如果两者的差值在预设范围内，则认为待测位置有物料，并控制LED指示灯处于开启状态；反之，则认为待测位置没有物料，并控制LED指示灯处于关闭状态。其中，控制单元1中预先存储的预设频率值根据不同的物料进行设定。

第二输出单元6，用于通过输出高、低电平指示本频差式物位传感器在待测位置是否检测到有物料；根据用户的实际需求，可以将第二输出单元6设置为输出高电平表示本频差式物位传感器在待测位置检测到有物料，第二输出单元6设置为输出低电平表示本频差式物位传感器在待测位置没有检测到有物料。此时，第二输出单元6包括第十三电阻R61、第一晶体三极管Q1、第十四电阻R14；第十三电阻R61的一端连接控制单元1的一个输出端(如与单片机控制芯片U1的输出引脚6连接)，第十三电阻R61的另一端连接第一晶体三极管Q1的基极，第一晶体三极管Q1的源极连接电源电压VCC，第一晶体三极管Q1的漏极分别连接第十四电阻R14的一端和第一输出接口OUT1，第十四电阻R14的另一端接地。当控制单元1收到检测单元4发送的经过滤波处理的叠加后的谐振信号和载波信号时，会将该叠加后的谐振信号和载波信号的频率与控制单元1中预先存储的预设频率值进行比较，如果两者的差值在预设范围内，则认为待测位置有物料，并控制第二输出单元6使得第一输出接口OUT1输出高电平；反之，认为待测位置没有物料，并控制第二输出单元6使得第一输出接口OUT1输出低电平。

第二输出单元6还可以设置为输出低电平表示本频差式物位传感器在待测位置检测到有物料，第二输出单元6设置为输出高电平表示本频差式物位传感器在待测位置没有检测到有物料。此时，第二输出单元6包括第十五电阻R7、第二晶体三极管Q2和第十六电阻R15；第十五电阻R7的一端连接控制单元1的一个输出端(如与单片机控制芯片U1的输出引脚5连接)，第十五电阻R7的另一端连接第二晶体三极管Q2的基极，第二晶体三极管Q2的源极分别连接第十六电阻R15的一端和第二输出接口OUT2，第十六电阻R15的另一端连接电源电压VCC，第二晶体三极管Q2的漏极接地。当控制单元1收到检测单元4发送的经过滤波处理的叠加后的谐振信号和载波信号时，会将该叠加后的谐振信号和载波信号的频率与控制单元1中预先存储的预设频率值进行比较，如果两者的差值在预设范围内，则认为待测位置有物料，并控制第二输出单元6使得第二输出接口OUT2输出低电平；反之，认为待测位置没有物料，并控制第二输出单元6使得第二输出接口OUT2输出高电平。

本实用新型所提供的频差式物位传感器通过探头接收经倍频放大和解调单元生成的载波信号，实现检测待测位置是否有物料，并反馈给谐振单元生成相应谐振频率的谐振信号，该谐振信号与载波信号叠加在一起经过相应的滤波后发送至控制单元，实现与控制单元中的频率预设值进行比较，以使得控制单元根据比较结果控制相应输出单元的状态，从而便于工作人员判断待测位置是否有物料。该频差式物位传感器中无振动部件，使得其具有耐冲击、振动，使用寿命长的特点。该频差式物位传感器还不受物料形态影响，使得其测量结果准确，可靠性高。

以上对本实用新型所提供的频差式物位传感器进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本实用新型实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将属于本实用新型专利权的保护范围。