CN105352565A - 差分电容料位传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种利用差分电容测量原理来实现物料位置测量的传感器（料位传感器），传感器包括构成差分电容的平面电极，用于将差分电容信号转换成电信号，并进行信号处理的差分电容传感器专用电路，用于设置差分电容传感器专用电路及信号处理的微处理器。本发明克服了现有的单电容料位传感器容易受外界因素，如温度，湿度，相邻物体耦合电容，电磁干扰等影响的缺点，具有较强的抗干扰能力和较好的长期稳定性，可广泛用于液态和固态物料的料位测量。
Description
技术领域
本发明是一种用于物料位置测量的电容传感器,特别是一种基于差分电容测量原理的物料位置测量的传感器（料位传感器）。
背景技术
在工业自动化及其他多个领域中，需要对容器中液态或固态物料的位置进行检测。基于电容测量原理的电容物料位置传感器（料位传感器）是被广泛应用于料位测量的传感器之一。
现有的电容料位传感器通常基于物料位置引起单电容变化测量方法，但是，基于单电容测量原理的传感器容易受各种外界因素影响，如测量环境的温度，湿度，邻近物体的耦合电容，都会使单电容传感器的电容值发生变化。特别是工业生产环境中，由于电磁干扰严重，单电容传感器容易受干扰而出现误触发的情况。因此，现有的电容料位传感器存在着抗干扰能力和长期稳定性比较差的缺点，阻碍了电容料位位传感器在各个领域的广泛应用。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种克服上述缺点的电容物料位置传感器（料位传感器）。
本发明利用差分电容测量原理实现对容器中的物料位置进行测量。这样组成的差分电容料位传感器，传感器的输出正比于2个电容的差值（C1-C2），而不是单个电容C1或C2的值。由于外界因素，如温度，湿度，邻近物体的耦合电容，电磁干扰对2个相邻的电容的影响是一样的，因此，基于差分电容测量原理的差分电容料位传感器的输出受外界因素的影响远小于同样的因素对基于单电容的料位传感器的影响，具有较强的抗干扰能力和较好的长期稳定性,克服了现有单电容式料位传感器易受外界因素影响的缺点。
本发明的技术方案如下:所述传感器由电容C1和电容C2组成的差分电容（C1-C2），差分电容传感器专用电路及微处理器组成。作为本发明的一种优选方案，电容C1，C2由平面电极板电容构成,组成电容C1的2个电极位于电路板的正面，电容C1所处位置的电路板的反面的相应面积由接地的电路板敷铜覆盖。组成电容C2的2个电极位于电路板的反面，电容C2所处位置的电路板正面的相应面积由接地的电路板敷铜覆盖。
作为本发明的进一步技术方案，由平面电极板组成的差分电容C1-C2，通过差分电容传感器专用电路（ASIC）转换成电信号，并可以选择输入到微处理器进行进一步处理。
作为本发明的进一步技术方案，所述传感器中的差分电容传感器专用电路（ASIC）由可编程差分电容－电压转换电路，可编程零点校正电路，可编程放大电路，可编程带通滤波电路，温度补偿电路+模拟输出缓冲模块，可编程比较器电路，数字处理电路+数字输出驱动模块，一次可编程OTP或多次可编程EEPROM存储器，I/O通讯接口模块组成。专用电路的各个可编程参数可以通过接口通讯模块设置。
作为本发明的进一步技术方案，传感器的零点及灵敏度可以通过可编程零点校正电路及可编程放大电路调整。
作为本发明的另一种优选方案，传感器的零点及灵敏度也可以通过外接可调电阻调节。
作为本发明的另一种优选方案，所述专用电路的数字处理电路具有可编程上电延时，短路保护功能，可编程数字滤波功能，脉宽可编程脉冲（Pulse）输出电路等功能。
作为本发明的另一种优选方案，可编程比较器电路具有可编程的上下限及可编程的回差。
作为本发明的另一种优选方案，差分电容传感器专用电路的模拟和数字输出可连接到微处理器进行进一步数字信号处理，微处理器的I/O口同差分电容传感器专用电路的I/O口连接，对差分电容传感器专用电路内部的参数进行设置。
附图说明
图1是本发明的差分电容料位传感器传感器。
图2是本发明的差分电容料位传感器专用电路框图。
图3是本发明的差分电容料位传感器***框图。
具体实施方式
请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明，本发明是按如下的方式来实现的：如图1所示，利用双层电路板上的平板电极构成电容C1和C2。
电容C1位于双层电路板的正面，由2个平面电极板，极板1和极板2组成，这个电容被用来感应容器中的物料位置。其背面，即电路板的反面相应的位置由接地的电路板敷铜作为电容C1的屏蔽层。
电容C2位于双层电路板的反面,由2个平面电极板，极板3和极板4组成，这个电容被用来作为参考电容，其背面，即电路板的正面相应的位置由接地的电路板敷铜作为电容C2的屏蔽层。
如果采用多层电路板，如4层电路板，则电路的第一层作为电容C1的2个极板，极板1和极板2，电路板的第二层接地（GND）作为电容C1的屏蔽层，电路板的第三层接地（GND）作为电容C2的屏蔽层，电路板的第4层作为电容C2的2个极板，极板3和极板4。
本发明的电容极板的形状不局限于图1所示的形状，由其他电极形状构成的各种平面电容，如回字形平面电容，梳状平面电容等其他形状的平面电容也可以作为构成本发明差分电容料位传感器的电容。
如图1所示，C1的极板1连接到差分电容传感器专用电路的正(+)输入端，电容C2的极板3连接到差分电容传感器专用电路的负(-)输入端，电容C1的极板2同电容C2的极板4相连，作为由C1，C2组成的差分电容(C1-C2)的公共极板，连接到差分电容传感器专用电路的公共端（COMM）。
图2是用于本发明的差分电容传感器专用电路（ASIC）的框图。差分电容传感器专用电路（ASIC）由可编程差分电容－电压转换电路，可编程零点校正电路，可编程放大电路，可编程带通滤波电路，温度补偿电路+模拟输出缓冲模块，可编程比较器电路，数字处理电路+数字输出驱动模块，一次可编程OTP或多次可编程EEPROM存储器，I/O通讯接口模块组成。专用电路的各个可编程参数可以通过接口通讯模块设置。如图2所示，专用电路的零点，灵敏度，比较器阈值也可以通过外接可调电阻设置。
差分电容（C1-C2）由差分电容传感器专用电路转换成电信号，并通过电路进行信号处理，输出模拟量信号Sout和开关量信号Dout和脉冲输出信号Pulse。如图3所示，专用电路的输出Sout，Dout，Pulse也可以选择输入到微处理器进行进一步处理。
测量物料位置时，C1所处的电路板的正面贴于装有物料的容器上。当容器中的物料位置发生变化，电容C1随物料位置的变化而变化，而电容C2由于C2和物料之间有接地的电路板敷铜作为屏蔽层，因而对物料的位置变化不敏感，因而，差分电容(C1-C2)同物料位置成一定的对应关系。如果传感器受其他外界因素的干扰，如电磁干扰，湿度变化，则由于C1,C2距离很近，外界因素对电容的影响是一样的，因此，差分电容(C1-C2)不受其他外界因素的影响。
差分电容（C1-C2）由本发明的差分电容传感器专用电路中的可编程差分电容-电压转换电路转换成电信号后进入专用电路的零点调节模块，当容器中的物料为空时，通过外接的可调电阻调节或通过微处理器设置ASIC电路中的零点调节模块，使得传感器的Sout为传感器预定的零点。当物料逐渐升高并到达预定的位置时，通过外接可调电阻调节或通过微处理器设置ASIC电路中传感器灵敏度模块，使得传感器的输出Sout达到预定的灵敏度。由于调节传感器的灵敏度对传感器的零点可能会有影响，必要时可以重复以上零点、灵敏度设置过程，直到零点，灵敏度都达到预定的值为止。
如果传感器工作温度范围较宽，可以利用专用电路中的零点及灵敏度的温度补偿模块对传感器的零点及灵敏度进行温度补偿，以提高传感器在不同温度下的工作。
如果需要开关量的输出，在设置完Sout后，可以通过外接可调电阻或通过微处理器设置专用电路的可编程比较器阈值，使比较器输出发生翻转，通过专用电路中的数字处理模块，滤除噪声，在比较器的输出满足一定的脉宽的条件下，数字输出模块Dout的输出翻转。如果需要脉冲输出是，可以选择在Pulse端口输出一定宽度的脉冲。
由于外界因素，如温度，湿度，电磁干扰，外界物体的耦合电容对2个相邻的等值电容的影响是一样的，又由于本发明的传感器的输出同电容的差值相关，C1-C2，而不是同电容的绝对值相关，因此，本发明的差分电容物料传感器大幅度降低了传感器受外界因素的影响。
综合上述，本发明利用差分电容的测量方法，根据2个相邻的电容组成的差分电容对外界温度，湿度的变化，电磁干扰及其他外界因素所带来的电容变化相减之后为零的原理，减小了外界因素对传感器的影响，提高了传感器的抗干扰能力及长期稳定性。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种利用差分电容实现对容器中的物料位置进行测量的传感器，其特征在于，传感器由差分电容，差分电容传感器专用电路（ASIC）及微处理器组成，差分电容连接到差分电容传感器专用电路的差分电容输入端，差分电容传感器专用电路的输出可连接到微处理器进行进一步数字信号处理，微处理器的I/O口同差分电容传感器专用电路的I/O口连接，对差分电容传感器专用电路内部的参数进行设置。
2.根据权利要求1所述的差分电容传感器专用电路，其特征在于，差分电容传感器专用电路由可编程差分电容－电压转换电路（C－V转换电路），可编程零点校正电路，可编程放大电路，可编程滤波电路，温度补偿电路，可编程比较器电路，数字处理电路，输出缓冲电路等模块组成，感应容器中物料位置的差分电容连接到差分电容－电压转换电路，通过差分电容－电压转换电路转换成电信号之后，顺序通过可编程零点校正电路，可编程放大电路，可编程滤波电路，温度补偿电路，可编程比较器电路，数字处理电路最后进入微处理器进行处理。
3.根据权利要求1所述的差分电容料位传感器，其特征在于，传感器的零点及灵敏度可以通过专用电路中的可编程零点校正电路及可编程放大电路进行调整，零点及灵敏度的温度系数可以通过专用电路的温度补偿模块进行补偿。
4.根据权利要求1所述的差分电容料位传感器，其特征在于，传感器的零点及灵敏度也可以通过外接可调电阻调节。
5.根据权利要求1所述的差分电容料位传感器，其特征在于，传感器的频率响应可以通过可编程带通滤波器来调节。
6.根据权利要求1所述的差分电容料位传感器，其特征在于，数字处理电路具有可编程上电延时，短路保护功能，可编程数字滤波功能，输出可编程脉冲功能。
7.根据权利要求1所述的差分电容料位传感器，其特征在于，可编程比较器电路具有可编程的上下限及可编程的回差。
8.根据权利要求1所述的差分电容料位传感器，其特征在于，传感器设置于容器的外壁，利用微处理器或可调电阻在容器中的物料为空的时候，设置传感器的输出零点。
9.根据权利要求1所述的差分电容料位传感器，其特征在于，在物料达到预定的位置时，通过微处理器或可调电阻调节传感器的灵敏度，使传感器的灵敏度满足要求。
10.根据权利要求1所述的差分电容料位传感器，其特征在于，在在物料达到预定的位置时，通过微处理器或外接可调电阻设定传感器传感器的阈值，回差，输出脉宽，使得传感器的输出满足预定的要求。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |