在 本文的第 1 部分中，我們解釋了流行的液位傳感方法及其局限性。我們還深入研究了為什么電容傳感技術(shù)優(yōu)于用于液位傳感的傳統(tǒng)方法。

在這里，我們將探討如何在點(diǎn)級(jí)和連續(xù)級(jí)傳感應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)電容傳感器。但首先，讓我們看一下電容傳感器在液位傳感系統(tǒng)中的工作原理(圖 1)。

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圖 1：液位傳感系統(tǒng)框圖。

微控制器(例如賽普拉斯 PSoC)采用電容傳感器輸入并在 CPU 和電容感應(yīng)引擎(在 PSoC 術(shù)語中稱為 CapSense)的幫助下計(jì)算液位。然后將液位信息發(fā)送到系統(tǒng)主機(jī)以進(jìn)行進(jìn)一步操作，同時(shí)將校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在 EEPROM 中。

實(shí)施點(diǎn)位感應(yīng) 點(diǎn)位感應(yīng)根據(jù)應(yīng)用要求使用一個(gè)或多個(gè)傳感器放置在罐上的離散水平面上。這種傳感方法依賴于各個(gè)傳感器的開/關(guān)狀態(tài)來確定液位。

圖 2 顯示了一個(gè)儲(chǔ)罐，其底部裝有一個(gè)傳感器，用于檢測(cè)空位。根據(jù)傳感器的開/關(guān)狀態(tài)確定罐空狀態(tài)。當(dāng)水箱未空且充滿導(dǎo)電液體時(shí)，傳感器將開啟。當(dāng)水箱空了時(shí)，傳感器將關(guān)閉。

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圖 2：用于空位檢測(cè)的電容式傳感器。

需要注意的是，在點(diǎn)級(jí)傳感操作中，傳感本身需要一個(gè)參考。如果參考不正確，感應(yīng)將不準(zhǔn)確。在電容感應(yīng)方法中，基線是參考。

通常，對(duì)于基于電容感應(yīng)的實(shí)現(xiàn)，對(duì)于用戶界面，系統(tǒng)假定在通電時(shí)沒有手指接觸傳感器。因此，基線是使用傳感器特性初始化的，主要是寄生電容——傳感器相對(duì)于系統(tǒng)接地的電容。

但在液位傳感方面，設(shè)置基線并不像開發(fā)用戶界面那么簡(jiǎn)單。上電時(shí)沒有液體，傳感器熄滅，表示水箱是空的。并且當(dāng)水箱充滿液體時(shí)，液體會(huì)增加電容，傳感器會(huì)開啟，表明水箱未空。

但是，如果在通電時(shí)罐中有液體，則可能會(huì)出現(xiàn)問題，尤其是在原始計(jì)數(shù)方面——當(dāng)電容感應(yīng)電路將測(cè)量的電容轉(zhuǎn)換為數(shù)字計(jì)數(shù)時(shí)。由于上電時(shí)測(cè)量的原始計(jì)數(shù)用作基準(zhǔn)參考，因此傳感器將報(bào)告為關(guān)閉，表明儲(chǔ)罐未清空時(shí)為空。

有兩種方法可以解決這個(gè)問題：可靠的參考方法和校準(zhǔn)方法。

可靠的參考方法

該方法使用與用于檢測(cè)液位的傳感器具有相似特性的虛擬傳感器進(jìn)行。但是，它不會(huì)與液體直接接觸。換言之，該傳感器必須不受液位的影響。

然后可以將虛擬傳感器的原始計(jì)數(shù)用作實(shí)際傳感器的參考，因?yàn)檫@兩個(gè)傳感器具有相同的物理特性，并且理想情況下具有相同的基線。讓 C X 是虛擬傳感器和沒有液體的罐空檢測(cè)傳感器的電容。令 C L 為液體增加的電容。

無液體： 虛擬傳感器電容 = C X 空罐檢測(cè)器 - 傳感器電容 = C X

使用液體： 虛擬傳感器電容 = C X Tank-empty檢測(cè)器-傳感器電容 = C X + C L

測(cè)量罐空檢測(cè)傳感器和虛擬傳感器的電容(C L )的差值以檢測(cè)罐是否為空。

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圖 3：帶有虛擬傳感器的板，顯示前視圖(左)和側(cè)視圖(右)。

設(shè)計(jì)虛擬傳感器對(duì)于布局設(shè)計(jì)師來說可能是一個(gè)挑戰(zhàn)。一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則是，在設(shè)計(jì)虛擬傳感器時(shí)，用于檢測(cè)的傳感器和虛擬傳感器的電容應(yīng)該相同。為此，建議采用以下布局建議：

? 虛擬傳感器尺寸：應(yīng)與用于液位檢測(cè)的傳感器相同。? 傳感器走線長(zhǎng)度：應(yīng)與用于液位檢測(cè)的傳感器具有相同的走線長(zhǎng)度。但是，可以改變走線長(zhǎng)度以匹配電容。? 過孔數(shù)量：必須與用于液位檢測(cè)的傳感器相同。為了減少整體寄生電容，通孔的數(shù)量必須限制為最多三個(gè)。? 傳感器放置：虛擬傳感器和用于液體檢測(cè)的傳感器必須放置在 PCB 的不同層上。

校準(zhǔn)方法 傳感器在用于傳感前需要在工廠校準(zhǔn)。有和沒有液體的傳感器的原始計(jì)數(shù)應(yīng)存儲(chǔ)在 EEPROM 中。接下來，在完成校準(zhǔn)后，將傳感器的運(yùn)行時(shí)原始計(jì)數(shù)與存儲(chǔ)的原始計(jì)數(shù)進(jìn)行比較，以確定傳感器的開/關(guān)狀態(tài)。

實(shí)現(xiàn)連續(xù)液位感應(yīng)

以咖啡機(jī)為例，它使用電容式傳感器的連續(xù)液位感應(yīng)。連續(xù)液位傳感需要一個(gè)傳感板，主要由一個(gè)發(fā)射器 (TX) 和“n”個(gè)接收器 (RX) 傳感器組成，而“n”是接收器傳感器的數(shù)量。該值取決于罐的高度和所需的液位傳感分辨率。

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圖 4：液位傳感器堆疊。

如圖 4所示，傳感板垂直放置在水箱的側(cè)面。傳感可以在固件中完成，如有必要，還可以使用其他技術(shù)，以滿足系統(tǒng)級(jí)要求，例如精度、線性度、響應(yīng)時(shí)間和功耗。

校準(zhǔn)對(duì)于獲得與空罐和滿罐相對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)確信號(hào)是必要的。罐滿時(shí)校準(zhǔn)和罐空時(shí)校準(zhǔn)稱為兩點(diǎn)校準(zhǔn)。

此外，為了減少溫度等外部因素的影響，校準(zhǔn)過程應(yīng)考慮空信號(hào) 和滿信號(hào)的多個(gè)樣本。在這里，已發(fā)現(xiàn) 256 個(gè)樣本數(shù)量很多。每個(gè)完整信號(hào)樣本是 所有單個(gè)傳感器的完整信號(hào) 的平均值。

類似地，每個(gè)空信號(hào)樣本是 所有單個(gè)傳感器的空信號(hào) 的平均值。在收集了 256 個(gè)樣本后，取所有這些樣本的平均值并將其存儲(chǔ)為校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。在校準(zhǔn)過程中，推薦的樣本數(shù)量為 256 個(gè)，而傳感器的數(shù)量為 13 個(gè)。

審核編輯：湯梓紅