一种液位检测装置的制作方法

1.本实用新型属于容器或者管道内的介质液面位置高度检测技术领域，具体涉及一种液位检测装置。


背景技术：

2.随着各行业产品在智能化控制技术方面的普及和提高，而智能化控制技术离不开对环境、位置、距离以及材料消耗等因素的实时监测，因此各类感应探测技术也越来越多地应用于各种产品的智能控制系统中；例如在家用和工业用途的智能设备中，通常需要对储丰液体的容器或者输送液体管道内的液面位置进行实时监测；传统技术中一般采用以下几种形式的的液面位置检测装置对容器或者管道内的液面位置进行实时监测：超声波水流计、电极式检测装置和红外管式检测装置等，这几种形式的液面位置检测装置均存在一定缺陷，超声波水流计在制造和使用过程中都需要投入很高的成本；电极式装置的检测电极与液体直接接触，易造成液体被污染和液体泄漏；红外管式检测装置的检测效果不稳定。
3.现有技术中通常采用无接触的电容式液体检测技术，虽然能够克服上述部分缺陷，但是现有技术中的电容式液体检测产品通过金属片、弹簧或导电布等结构组合构成，仍然存在结构复杂，零件数量多，安装操作不方便，极片间距一致性不好，检测成本高、稳定性不好的问题。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术存在的上述问题，本实用新型目的在于提供一种液位检测装置，结构简单紧凑，安装连接操作方便，成本低廉，检测结果稳定可靠。
5.本实用新型所采用的技术方案为：
6.一种液位检测装置，包括有第一电极片、第二电极片、极片载体和检测电路；
7.所述极片载体设置于需要检测的目标装置的外壁上，所述第一电极片和第二电极片并排设置于极片载体上，构成平行板电容器；第一电极片和第二电极片电连接至检测电路；
8.所述第一电极片和第二电极片用于检测目标装置的液面位置信息；所述检测电路包括有输入端、灵敏度调节模块、稳压模块、充放电模块、信号优化模块和输出端；所述第一电极片和第二电极片电连接至输入端，所述输入端依次经灵敏度调节模块、稳压模块和信号优化模块连接至输出端；
9.所述充放电模块与信号优化模块并联后，经稳压模块连接至灵敏度调节模块；
10.所述输出端用于输出检测值。
11.所述极片载体为fpc柔性印刷线路板，第一电极片和第二电极片集成设置于fpc柔性印刷线路板上；fpc柔性印刷线路板上设置有接线座，第一电极片和第二电极片均通过接线座电连接至检测电路，构成检测电路的输入端。
12.所述接线座的输入侧通过焊接、铆接或者插接连接在fpc柔性印刷线路板上，并电
连接至第一电极片和第二电极片；所述接线座的输出侧通过第一导线和第二导线连接至检测电路。
13.所述灵敏度调节模块设置有电平调节单元和电容调节单元；
14.所述电平调节单元并联设置有第一电平调节电阻r8和第二电平调节电阻r9，第一电平调节电阻r8和第二电平调节电阻r9连接至第二电极片；第一电平调节电阻r8和第二电平调节电阻r9用于拉高或者拉低第二电极片的电平；
15.所述电容调节单元设置有第一充电电容c5和第一电容电阻r7，所述第一充电电容c5用于调节电路的灵敏度。
16.所述稳压模块设置有稳压电阻r4和稳压电容c6。
17.所述充放电模块设置有充放电电源、启动电阻r10、上拉电阻r5、第三充电电容c3、场效应晶体管q1、第二充电电容c4、充电电阻r3和放电电阻r6；所述充放电电源(405)通过启动电阻r10连接至场效应晶体管q1的g极上，所述第三充电电容c3连接至场效应晶体管q1的s极上，场效应晶体管q1的s极与g级之间连接有上拉电阻r5，所述第二充电电容c4连接至场效应晶体管q1的d极上，所述充电电阻r3的一端与放电电阻r6并联连接至第二充电电容c4，充电电阻r3的另外一端经稳压电阻r4连接至灵敏度调节模块；所述信号优化模块连接在充电电阻r3和稳压电阻r4之间的位置上。
18.所述第三充电电容c3的电容值大于第二充电电容c4的电容值；
19.所述第三充电电容c3的电容值与第二充电电容c4的电容值之间比例关系大于200：1。
20.所述信号优化模块包括有信号放大单元和信号增强单元，所述信号放大单元设置有运算放大器u1a和去耦电容c1，所述信号增强单元设置有rc滤波电路。
21.所述第一电极、稳压电阻r4、充电电阻r3和放电电阻r6均连接至参考地，使得第一电极为低电平。
22.所述第一电平调节电阻r8连接有第一直流电源，第一直流电源为第一电平调节电阻r8补充能量；
23.所述第三充电电容c3连接有第二直流电源，第二直流电源为第三充电电容c3；
24.所述运算放大器u1a连接有第三直流电源，第三直流电源为运算放大器u1a供电；
25.所述第一充电电容c5为可变电容器；
26.所述检测电路设置于mcu或者cpu上。
27.本实用新型的有益效果为：
28.一种液位检测装置，在fpc柔性印刷线路板上集成设置第一电极片和第二电极片，构成平行板电容器；通过稳压电阻r4和充电电阻r3对平行板电容器充电；容器或者管道内的介质液面位置高度发生变化时，两个电极片之间的电容值相应也变化；根据时间常数公式，在稳压电阻r4和充电电阻r3的阻值固定时，平行板电容器的电容值与上电时间常数成正比；根据容器或者管道内介质的介电常数与空气的介电常数不相同，可以得出容器或者管道内的介质液面有无上升时间的不同，从而能够判断容器或者管道内是否存在介质。
29.通过调节稳压电阻r4和充电电阻r3的阻值，使得时间常数落在单片机可稳定检测的范围内，通过设置单片机上升电压触发阀值，保留上升斜率陡峭的部分，可以提高精度；结构简单紧凑，安装连接操作方便，成本低廉，检测结果稳定可靠。
附图说明
30.图1是本实用新型的液位检测装置的立体结构示意图；
31.图2是本实用新型的液位检测装置贴装在管道或者容器表面时的立体结构示意图；
32.图3是本实用新型的液位检测装置贴装在管道或者容器表面时另外一个视角的立体结构示意图；
33.图4是本实用新型的液位检测装置的电路结构示意图。
具体实施方式
34.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
35.如图1～4所示，本实用新型提供一种液位检测装置，总的发明构思策划方案如下：基础结构主要由第一电极片10、第二电极片20、极片载体30和检测电路组合构成；
36.将极片载体30固定贴装设置在需要检测的目标装置50的外壁上，第一电极片10和第二电极片20并排设置在极片载体30上，从而构成平行板电容器；将第一电极片10和第二电极片20通过导线导电连接至检测电路；使用中通过第一电极片10和第二电极片20构成的平行板电容器可以检测目标装置的液面位置信息，并通过平行板电容器转换为电流信息输送至检测电路，通过检测电路运算转换为输出信息。
37.由于液体的介电常数和空气的不同，当目标装置的管道或容器内液位变化时，会引起第一电极片10和第二电极片20两个电极片间的电容值变化。
38.根据时间常数公式，τ＝r*c，在串阻r固定时，得到平行板电容器大小和上电时间常数成正比。
39.依据平行板电容原理，当电极间填充介质的介电常数不同时，平行板电容器容值也不同。依据rc滤波器的上升时间公式τ＝r*c，电路中的电容固定时，检测过程中的上升时间τ与平行板电容器的容值成正比。而平行板电容器容值又和介质介电常数相关。依据空气的介电常数和流液的介电常数不同，得到管道内有无流液的上升时间τ不同。从而可以判断管道内是否存在流液。
40.实施例一：
41.如图1所示，目标装置50以管道为例。
42.采用fpc柔性印刷线路板作为极片载体30，第一电极片10和第二电极片20集成设置在fpc柔性印刷线路板上；在fpc柔性印刷线路板上设置一个接线座51，第一电极片10和第二电极片20均通过接线座51电连接至检测电路，构成检测电路的输入端401
43.具体地，接线座51的输入侧通过焊接、铆接、插接或者其他方式固定连接在fpc柔性印刷线路板上；接线座51的插针脚通过fpc柔性印刷线路板的内部印刷线路分别连接至第一电极片10和第二电极片20。第一电极片10、第二电极片20、接线座51和fpc柔性印刷线路板为集成制作的整体结构，通过fpc柔性印刷线路板固定贴装设置在需要检测的目标装置50的外壁上，可以极大地降低安装复杂度，fpc制造工艺稳定，精度高，易于批量化生产，
降低了制造成本和使用成本。可保证两个电极片距离一致性，质量稳定。并且fpc柔性印刷线路板的背面设置有背胶，可以方便的贴装在管道或容器外壁，即实现电容式液位检测，且不破坏管道或容器。
44.如图2～3所示，fpc柔性印刷线路板固定贴装在需要检测的管道外壁上后，第一电极片10和第二电极片20构成互相平行的平行板电容器结构，管道内部的流体介质间隔在第一电极片10和第二电极片20之间，管道内部的流体介质的液面位置变化会引起两个电极片间的电容值变化。
45.接线座的输出侧上对应于第一电极片10的连接处通过第一导线11连接至检测电路，接线座的输出侧上对应于第二电极片20的连接处通过第二导线21连接至检测电路。
46.接线座在检测电路中的结构表现形式为端子座j1，端子座j1的触点1与第一电极片10连接，触点2与第二电极片20连接。
47.进一步地，检测电路的具体结构由输入端401、灵敏度调节模块402、稳压模块403、充放电模块404、信号优化模块和输出端408组合构成；第一电极片10和第二电极片20通过导线导电连接至输入端401，第一电极片10和第二电极片20连接输入端401，依次经灵敏度调节模块402、稳压模块403和信号优化模块连接至输出端408。
48.第一电极片10和第二电极片20检测的液面位置信息输入端401输入后，依次通过电路依次经灵敏度调节模块402、稳压模块403和信号优化模块进行去处处理后，最终通过输出端408输出检测信息。
49.通过充放电模块和稳压模块对平行板电容器进行充电，使得第一电极片10和第二电极片20两个电极片间的电容值从而能够随目标装置的管道或容器内液位的变化而变化；充放电模块404与信号优化模块并联后，经稳压模块403连接至灵敏度调节模块402，输入端401连接在灵敏度调节模块402上；输出端408连接在信号优化模块上。
50.通过灵敏度调节模块可以调节灵敏度，通过信号优化模块对信号进行放大和增强，得到最终检测结果后，通过输出端输出最终检测值。结构简单紧凑，安装连接操作方便，成本低廉，检测结果稳定可靠。
51.进一步地，检测电路各模块的具体结构组成形式如下：
52.灵敏度调节模块402由电平调节单元和电容调节单元组合构成；
53.电平调节单元设置两个并联的第一电平调节电阻r8和第二电平调节电阻r9，第一电平调节电阻r8和第二电平调节电阻r9连接至第二电极片20，第一电平调节电阻r8和第二电平调节电阻r9用于拉高或者拉低第二电极片20的电平。
54.在第一电平调节电阻r8上连接第一直流电源，通过第一直流电源为第一电平调节电阻r8补充能量，从而可以通过第一电平调节电阻r8拉高第二电极片20的电平，或者通过第二电平调节电阻r9拉低第二电极片20的电平。
55.也可以通过第一电平调节电阻r8拉低第二电极片20的电平，或者通过第二电平调节电阻r9拉高第二电极片20的电平。
56.电容调节单元设置第一充电电容c5和第一电容电阻r7，通过第一电容电阻r7降低电极片电压上升斜率，增加电路测试的稳定性能。第一充电电容c5采用电容量可以在一定范围内调节的可变电容器。
57.进一步地，稳压模块403设置有稳压电阻r4和稳压电容c6，可以提高电路电压稳定
性能。
58.进一步地，充放电模块404由充放电电源405、启动电阻r10、上拉电阻r5、第三充电电容c3、场效应晶体管q1、第二充电电容c4、充电电阻r3和放电电阻r6组合构成；
59.将充放电电源405通过启动电阻r10连接至场效应晶体管q1的g极上，第一检测电容c3连接至场效应晶体管q1的s极上，场效应晶体管q1的s极与g级之间连接有上拉电阻r5，第二检测电容c4连接至场效应晶体管q1的d极上；充放电电源405通过启动电阻r10可以控制场效应晶体管q1的导通或者关闭；充电电阻r3的一端与放电电阻r6并联连接至第二充电电容c4，充电电阻r3的另外一端经稳压电阻r4连接至灵敏度调节模块；信号优化模块连接在充电电阻r3和稳压电阻r4之间的位置上。
60.在测试前充放电电源405通过启动电阻r10向效应晶体管q1的g极输出高电平，效应晶体管q1关闭；第一电极10、稳定电阻r4、充电电阻r3和放电电阻r6均连接至参考地，使得第一电极10设置为低电平。
61.在开启测试时，充放电电源405通过启动电阻r10控制场效应晶体管q1导通开启，从而可以控制电流信号通过充电电阻r3和稳压电阻r4对第一电极片进行充电，完成电极片的充电测试步骤，充电测试过程中同时对第二充电电容c4进行充电；然后关闭场效应晶体管q1，第二充电电容c4通过放电电阻r6放电，并同时通过放电电阻r6、充电电阻r3和稳压电阻r4对第一电极片放电，完成电极片的放电测试步骤。
62.在第三充电电容c3上连接第二直流电源，通过第二直流电源为第三充电电容c3补充能量，保持第三充电电容c3持续有电。
63.进一步地，第三充电电容c3的电容值大于第二充电电容c4的电容值，使得第二充电电容c4的充电速度大于第三充电电容c3的充电速度，提高电路响应速度。
64.为确保电路响应速度足够快，第三充电电容c3的电容值与第二充电电容c4的电容值之间比例关系大于200：1，使得第二充电电容c4能够瞬间充满，以确保电路能够瞬时响应。
65.本实用新型中依据rc滤波器的上升时间公式τ＝r*c，串阻r由充电电阻r3和稳压电阻r4串联而成，c由平行板电容器和第一充电电容c5组成。通过串阻r对平行板电容器充电。依据时间常数公式τ＝r*c，在串阻r固定，即稳压电阻r4和充电电阻r3的阻值固定时，平行板电容器的电容值大小与上电时间常数成正比。根据容器或者管道内介质的介电常数与空气的介电常数不相同，可以得出容器或者管道内的介质液面有无上升时间的不同，从而能够判断容器或者管道内是否存在介质。
66.通过第一充电电容c5可以调节电路的灵敏度。第一充电电容c5固定后，测试上升时间τ和平行板电容器的容值成正比。
67.进一步地，信号优化模块由信号放大单元406和信号增强单元407组合构成。
68.信号放大单元406的核心结构具体由运算放大器u1a和去耦电容c1组成；通过运算放大器u1a对检测信号进行放大运算并隔离干扰处理；在运算放大器u1a上连接一个第三直流电源，第三直流电源为运算放大器u1a供电；通过去耦电容c1避免耦合干扰。
69.信号增强单元407的具体结构为rc滤波电路，rc滤波电路由第一滤波电阻r1、第二滤波电阻r2和滤波电容c2组合构成；通过rc滤波电路可以对输出信号进行平滑去噪处理，从而增强输出信号。
70.输出端设置为adc采样端；充电和放电测试过程被信号增强模块放大后，输出至adc采样端供系统做液流检测判断信号。
71.最后，将检测电路设置于mcu或者cpu上，在mcu或者cpu设置上gpio通用输入输出模块，通过gpio通用输入输出模块控制场效应晶体管q1的导通或者关闭；输出端设置为adc采样端。
72.在实际使用过程中，通过调节串阻r值，使得时间常数落在单片机可稳定检测的范围内，通过设置mcu或者cpu的上升电压触发阀值，保留上升斜率陡峭的部分，可以提高精度；结构简单紧凑，安装连接操作方便，成本低廉，检测结果稳定可靠。
73.为进一步降低误触发，可以连续测试多次，通过mcu或者cpu内的软件算法优化测试结果，用作管道或容器内液位变化判断条件。
74.为了降低目标装置的管道或容器内流体介质含有的气泡等干扰带来的影响，可以多次测试，通过算法优化流液有无输出检测结果。
75.本实用新型的液位检测装置中的检测电路也可以启用dc_5v供电。
76.本实用新型的液位检测装置，可以用于容器或管道内的液位高度检测、缺水检测，可以广泛应用于智能抽水或洒水系统，例如如扫地机、加湿器和净水器等。在fpc柔性印刷线路板上集成设置第一电极片和第二电极片，构成平行板电容器；通过稳压电阻r4和充电电阻r3对平行板电容器充电；容器或者管道内的介质液面位置高度发生变化时，两个电极片之间的电容值相应也变化；根据时间常数公式，在稳压电阻r4和充电电阻r3的阻值固定时，平行板电容器的电容值与上电时间常数成正比；根据容器或者管道内介质的介电常数与空气的介电常数不相同，可以得出容器或者管道内的介质液面有无上升时间的不同，从而能够判断容器或者管道内是否存在介质。
77.通过调节稳压电阻r4和充电电阻r3的阻值，使得时间常数落在单片机可稳定检测的范围内，通过设置单片机上升电压触发阀值，保留上升斜率陡峭的部分，可以提高精度；结构简单紧凑，安装连接操作方便，成本低廉，检测结果稳定可靠。
78.本实用新型不局限于上述可选实施方式，任何人在本实用新型的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本实用新型权利要求界定范围内的技术方案，均落在本实用新型的保护范围之内。