本發(fā)明涉及液位傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于納升級(jí)液位傳感器的微弱電容檢測電路。

背景技術(shù)：

mems電容式傳感器具有環(huán)境適應(yīng)性好，靈敏度高的特點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用?；趍ems技術(shù)的連續(xù)液位測量和液位信號(hào)器的出現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)μm(10^-6m)/nl(10^-9l)級(jí)別液位測量，同時(shí)電容式液位傳感器具有較好的環(huán)境適應(yīng)性和溫度穩(wěn)定性等特點(diǎn)，可以填補(bǔ)常規(guī)工藝下的液位傳感器應(yīng)用領(lǐng)域的空白，被廣泛地應(yīng)用于石油化工、生物制藥微型流量控制等領(lǐng)域，并向高精度，小體積，大量程范圍發(fā)展。

電容式mems液位傳感器采用mems(微機(jī)電系統(tǒng))加工工藝，其將液位信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，可以等效成一個(gè)隨液位變化的待測電容，電容變化區(qū)間在1-200pf(10^-12f)之間。對(duì)于10pf以下的電容，由于pcb電路板所產(chǎn)生的寄生電容已達(dá)到這個(gè)量級(jí)，很難使用傳統(tǒng)的方法測量，急需提出新的測試方法來解決。現(xiàn)有木代雅巳、金湘亮等人采用的pcb級(jí)別電容讀取電路，前者需要采用pcb電路焊接虛設(shè)電容的方式，難以克服電容選擇誤差，而后者通過相關(guān)雙采樣技術(shù)消除了失調(diào)電壓，同時(shí)集成了數(shù)模轉(zhuǎn)換器，雜散電容補(bǔ)償陣列，以抵消靜態(tài)偏移的影響，但是存在量化誤差以及電路設(shè)計(jì)過于復(fù)雜的情況，可能導(dǎo)致逐級(jí)噪聲累加。

一種低g值電容式mems加速度計(jì)及其模態(tài)局域化測量電路首次提出模態(tài)局域化與高靈敏度差分加計(jì)結(jié)合的方法，為電容檢測技術(shù)打開了新思路。該方法使用兩個(gè)等效lrc振蕩環(huán)路，通過耦合電容耦合的起來，將mems加速度計(jì)的電容變化轉(zhuǎn)化為模態(tài)局域化電路的電流變化，電路兩個(gè)環(huán)路的響應(yīng)電流與電容變化近似呈線性變化關(guān)系。然而這種方式需要一個(gè)額外的信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行掃頻操作，并且需實(shí)時(shí)記錄下頻率-電流信號(hào)，才能進(jìn)行離線計(jì)算，不能實(shí)時(shí)得到信號(hào)結(jié)果，且穩(wěn)定性不佳，可能發(fā)生頻率漂移過大的情況，這種開環(huán)方式在實(shí)際應(yīng)用中還存在許多問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的是提出一種閉環(huán)模態(tài)局域化測量電路方法，用于納升級(jí)液位傳感器的微弱電容檢測，方便、快速的讀出電容式液位傳感器微弱電容的變化情況。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

一種用于納升級(jí)液位傳感器的微弱電容檢測電路，采用閉環(huán)模態(tài)局域化測量原理，包括電容c3、c4，電容c3、c4串聯(lián)連接后，與依次串聯(lián)的電阻r1、電感l(wèi)1、電容c1并聯(lián)，同時(shí)與依次串聯(lián)的電阻r2、電感l(wèi)2、電容c2并聯(lián)，其中電容c4右端與電容c1、電容c2右端相連，電容c3左端與電阻r1、電阻r2左端相連，電容c3、c4串聯(lián)構(gòu)成耦合電容6；電阻r1、電感l(wèi)1、電容c1與串聯(lián)的電容c3、c4構(gòu)成第一振蕩回路1，電阻r2、電容c2和電感l(wèi)2與串聯(lián)的電容c3、c4構(gòu)成第二振蕩回路2；電容c3、c4公共端共地，第一振蕩回路1、第二振蕩回路2中電容c1、c2、c4的右端通過電阻r3輸入到第一放大器(op-amp)反相輸入端，第一放大器反相輸入端和電阻r4一端相連，電阻r4另一端和第一放大器輸出端相連，第一放大器同相輸入端接地，電阻r3、r4和第一放大器構(gòu)成反相放大電路3；反相放大電路3輸出端通過反饋回路4和帶通濾波器5輸入端相連，帶通濾波器5輸出端和分壓電阻r5一端連接，分壓電阻r5另一端和電阻r1、電阻r2左端連接；

當(dāng)液位改變時(shí)，導(dǎo)致輸出電容發(fā)生變化，變化的電容δc并聯(lián)在電容c2兩端；

電容c3、電阻r1、電阻r2左端連接有第一緩沖器7，電阻r1和電感l(wèi)1之間連接有第三緩沖器9，電阻r2和電感l(wèi)2之間連接有第二緩沖器8。

第三緩沖器9、第二緩沖器8輸出端分別接入單刀雙擲開關(guān)s12的a、b節(jié)點(diǎn)，s12的固定端與電阻r9一端連接，電阻r9另一端接入第二放大器反相輸入端，第二放大器反相輸入端和電阻r10一端相連，電阻r10另一端和第二放大器輸出端相連，第二放大器同相輸入端和電阻r12一端相連，電阻r12另一端接地；第一緩沖器7輸出端和電阻r11一端相連，電阻r11另一端與第二放大器反相輸入端相連；第二放大器輸出端與電阻r13一端相連，電阻r13另一端和第四放大器反相輸入端連接，第四放大器反相輸入端和電阻r14一端相連，電阻r14另一端和第四放大器輸出端相連，第四放大器同相輸入端與電阻r15一端相連，電阻r15另一端接地。

所述的第一緩沖器7、第二緩沖器8、第三緩沖器9采用相同的結(jié)構(gòu)，即信號(hào)點(diǎn)與第五放大器反相輸入端相連，第五放大器反相輸入端和輸出端短接。

所述的帶通濾波器5信號(hào)輸入端in與電阻r6一端相連，電阻r6另一端與電容c5相連，電容c5另一端與第六放大器反相輸入端相連，第六放大器同相輸入端接地，第六放大器反相輸入端與電阻r8一端相連，電阻r8另一端與第六放大器輸出端接通，第六放大器輸出端和電容c6一端連接，電容c6另一端與電阻r6、電容c5公共端相連，電阻r6、電容c5公共端與電阻r7一端相連，電阻r7另一端與第六放大器同相輸入端共地。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果：在本發(fā)明中，系統(tǒng)振蕩回路不需要外接變頻的交流電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)，只需給各個(gè)放大器提供直流工作電壓；通過形成閉環(huán)回路，可實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測輸入變化電容情況，極大地提升了電容檢測的可行性與實(shí)時(shí)性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明閉環(huán)模態(tài)局域化電路原理圖。

圖2是本發(fā)明信號(hào)處理電路原理圖。

圖3是緩沖器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是帶通濾波單元的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是模態(tài)局域化開環(huán)檢測原理圖。

圖6是本發(fā)明信號(hào)處理的流程圖。

圖7是實(shí)施例測得一組數(shù)據(jù)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)描述。

如圖1所示，一種用于納升級(jí)液位傳感器的微弱電容檢測電路，采用閉環(huán)模態(tài)局域化測量原理，包括電容c3、c4，電容c3、c4串聯(lián)連接后，與依次串聯(lián)的電阻r1、電感l(wèi)1、電容c1并聯(lián)，同時(shí)與依次串聯(lián)的電阻r2、電感l(wèi)2、電容c2并聯(lián)，其中電容c4右端與電容c1、電容c2右端相連，電容c3左端與電阻r1、電阻r2左端相連，電容c3、c4串聯(lián)構(gòu)成耦合電容6；電阻r1、電感l(wèi)1、電容c1與串聯(lián)的電容c3、c4構(gòu)成第一振蕩回路1，電阻r2、電容c2和電感l(wèi)2與串聯(lián)的電容c3、c4構(gòu)成第二振蕩回路2；電容c3、c4公共端共地，第一振蕩回路1、第二振蕩回路2中電容c1、c2、c4的右端通過電阻r3輸入到第一放大器(op-amp)反相輸入端，第一放大器反相輸入端和電阻r4一端相連，電阻r4另一端和第一放大器輸出端相連，第一放大器同相輸入端接地，電阻r3、r4和第一放大器構(gòu)成反相放大電路3；反相放大電路3輸出端通過反饋回路4和帶通濾波器5輸入端相連，帶通濾波器5輸出端和分壓電阻r5一端連接，分壓電阻r5另一端和電阻r1、電阻r2左端連接；

當(dāng)液位改變時(shí)，導(dǎo)致輸出電容發(fā)生變化，變化的電容δc并聯(lián)在電容c2兩端；

電容c3、電阻r1、電阻r2左端連接有第一緩沖器7，電阻r1和電感l(wèi)1之間連接有第三緩沖器9，電阻r2和電感l(wèi)2之間連接有第二緩沖器8。

變化的電容δc輸入到電容c2兩端，第一振蕩回路1，第二振蕩回路2的平衡狀態(tài)被引入的變化電容δc打破，引起模態(tài)局域化現(xiàn)象，導(dǎo)致相應(yīng)的振蕩電流i1、i2、發(fā)生變化；第一、第二振蕩回路通過串聯(lián)的耦合電容c3、c4形成弱耦合，信號(hào)從c4右端輸入到反相放大器3，經(jīng)放大后進(jìn)入帶通濾波器5去除紋波噪聲，經(jīng)電阻r5分壓后反饋輸入到電阻r1左端；耦合電容c3、c4同時(shí)還起到調(diào)節(jié)反饋強(qiáng)度的作用，其比例作為調(diào)節(jié)參數(shù)，可使電路穩(wěn)定高效的振蕩起來。

參照?qǐng)D2，第三緩沖器9、第二緩沖器8輸出端分別接入單刀雙擲開關(guān)s12的a、b節(jié)點(diǎn)，s12的固定端與電阻r9一端連接，電阻r9另一端接入第二放大器反相輸入端，第二放大器反相輸入端和電阻r10一端相連，電阻r10另一端和第二放大器輸出端相連，第二放大器同相輸入端和電阻r12一端相連，電阻r12另一端接地；第一緩沖器7輸出端和電阻r11一端相連，電阻r11另一端與第二放大器反相輸入端相連；第二放大器輸出端與電阻r13一端相連，電阻r13另一端和第四放大器反相輸入端連接，第四放大器反相輸入端和電阻r14一端相連，電阻r14另一端和第四放大器輸出端相連，第四放大器同相輸入端與電阻r15一端相連，電阻r15另一端接地。

第一緩沖器7、第二緩沖器8、第三緩沖器9分別將檢測的相應(yīng)的信號(hào)點(diǎn)參數(shù)通過差分放大計(jì)算，其中單刀雙擲開關(guān)s12按照測量時(shí)序，分被接通a點(diǎn)和b點(diǎn)，與第一緩沖器7輸入的信號(hào)做差分運(yùn)算；其中當(dāng)?shù)谌彌_器9接通時(shí)，監(jiān)測到的信號(hào)與第一振蕩回路i1相關(guān)；其中當(dāng)?shù)诙彌_器8接通時(shí)，監(jiān)測到的信號(hào)與第二振蕩回路i2相關(guān)；信號(hào)進(jìn)入第四放大器，經(jīng)反相放大后輸出到dsp中作進(jìn)一步運(yùn)算。

通過第一緩沖器7、第二緩沖器8、第三緩沖器9采樣得到3點(diǎn)電壓信號(hào)v7、v8、v9做差分放大處理，即得到電阻r1、r2上的電流值：

其中k為第四放大器的放大倍數(shù)。

參照?qǐng)D3，所述的第一緩沖器7、第二緩沖器8、第三緩沖器9采用相同的結(jié)構(gòu)，即信號(hào)點(diǎn)與第五放大器反相輸入端相連，第五放大器反相輸入端和輸出端短接。

緩沖器由一個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成，信號(hào)通過同相輸入端進(jìn)入，輸入端即可得到衰減較小的電壓信號(hào)；第五放大器輸出端和反相輸入端短接，理論輸出阻抗無限大，可以盡可能小的減小對(duì)振蕩回路的影響。

參照?qǐng)D4，所述的帶通濾波器5信號(hào)輸入端與電阻r6一端相連，電阻r6另一端與電容c5相連，電容c5另一端與第六放大器反相輸入端相連，第六放大器同相輸入端接地，第六放大器反相輸入端與電阻r8一端相連，電阻r8另一端與第六放大器輸出端接通，第六放大器輸出端和電容c6一端連接，電容c6另一端與電阻r6、電容c5公共端相連，電阻r6、電容c5公共端與電阻r7一端相連，電阻r7另一端與第六放大器同相輸入端共地。

根據(jù)預(yù)設(shè)的中心頻率fp計(jì)算公式設(shè)置帶通濾波參數(shù)，得以下方程：

其中c5＝c6＝c＝1nf,bw為設(shè)計(jì)帶寬，聯(lián)立方程即可解得電阻r6、r7、r8的參數(shù)。

本發(fā)明的工作原理為：

采用閉環(huán)模態(tài)局域化檢測原理，通過輸入電容變化引起上下環(huán)路振蕩電流的改變，經(jīng)放大、帶通濾波環(huán)節(jié)后構(gòu)成閉環(huán)回路；通過兩支路電流信號(hào)作比較，可得到下支路電容變化量。

第一、第二振蕩回路通過基爾霍夫電壓定律可以得到微分方程：

上式中，l1＝l2＝l表示電路第一、第二環(huán)路的電感值，r1＝r1＝r表示asic電路上下環(huán)路的電阻值，cc表示兩個(gè)環(huán)路之間耦合電容值(即電容c3、c4串聯(lián)電容值)，c表示第一、第二振蕩回路的參考電容值，q1，q2為電路兩個(gè)回路i1,i2的積分，vs是反饋回路r5輸入到第一振蕩回路、第二振蕩回路的能量，f為兩個(gè)回路耦合后的振蕩頻率。由上式解得：

其中wd1和wd2為模態(tài)局域化電路的諧振角頻率，u(t)為模態(tài)局域化電路的特征向量。s代表經(jīng)拉普拉斯變換后時(shí)域時(shí)間t對(duì)應(yīng)的復(fù)頻率，q1和q2分別對(duì)應(yīng)q1、q2經(jīng)過拉普拉斯變化后的值。

在諧振角頻率wd1和wd2上，q1,q2取峰值，其值隨δc變化而變化，wd1和wd2同樣隨著δc變化而改變，由此，可以通過計(jì)算得到wd1和wd2下的q1,q2對(duì)應(yīng)的峰值，而q1，q2為asic電路兩個(gè)回路i1,i2的積分，即可以得到諧振頻率下i1,i2隨著δc變化的關(guān)系，進(jìn)而得到i1,i2與液位變化的關(guān)系。

如圖5所示，圖5是已有的開環(huán)模態(tài)局域化測量原理：兩組耦合起來的rlc振蕩回路10、rlc振蕩回路11，通過耦合電容cc構(gòu)成弱耦合，振蕩回路通過外部交流源輸入能量，需要使用相關(guān)設(shè)備實(shí)時(shí)記錄下交流源信號(hào)變化下引起的振蕩電流i1,i2變化情況，且需要離線標(biāo)記諧振角頻率wd1和wd2上峰值和頻率，運(yùn)算過程漫長，無法實(shí)時(shí)記錄下信息。而本發(fā)明構(gòu)建閉環(huán)控制回路以實(shí)現(xiàn)更加便捷、直觀的讀取方式。閉環(huán)系統(tǒng)將不需要交流源，通過閉環(huán)反饋電路，可以維持第一振蕩回路、第二振蕩回路在相應(yīng)wd1和wd2的峰值電流上，實(shí)現(xiàn)快速采集、快速計(jì)算。

如圖6所示，本發(fā)明信號(hào)處理的流程如下：

1)系統(tǒng)復(fù)位清楚之前以后的數(shù)據(jù)；

2)預(yù)判液位傳感器的電容變化范圍；

3)選擇第一振蕩回路1、第二振蕩回路2的c1、c2參數(shù)值，根據(jù)弱耦合設(shè)計(jì)原則，選定耦合電容c3、c4的值；選擇帶通濾波器參數(shù)，反相放大器接入dc電壓起振；

4)使用差分放大電路讀取第一緩沖器7、第二緩沖器8、第三緩沖器9測得的信號(hào)，計(jì)算第一振蕩回路1、第二振蕩回路2的振蕩電流峰值i1,i2；

5)將得到數(shù)據(jù)傳入dsp中計(jì)算，輸出電容值。

實(shí)施例：設(shè)計(jì)參數(shù)c1＝100nf晦c2＝95nf晦l1＝l2＝10mh,設(shè)置帶通濾波器c3＝100μf，c4＝20μf，中心頻率5.4khz，帶寬1khz，增益為1。設(shè)定δc/c1為輸入擾動(dòng)。設(shè)置當(dāng)δc＝5nf時(shí)第一振蕩回路1、第二振蕩回路2所得電流為參考電流i10、i20，所得頻率為參考頻率f0。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測量，將測得的電流信號(hào)和擴(kuò)大100倍后的頻率信號(hào)繪制如圖7所示。得到該閉環(huán)模態(tài)局域化方法的檢測靈敏度(電流曲線斜率)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的頻率檢測方法。

無擾動(dòng)下測得基頻f0＝5.4khz，頻率讀取最小分辨率為1hz，圖7中頻率斜率k＝0.013382hz/nf，故而頻率檢測方式的最小電容分辨率為

而使用模態(tài)局域化電容檢測方式的分辨率是頻率方式的100倍以上，故而本發(fā)明所公開的模態(tài)局域化電容檢測電路的最小分辨率至少為ff(10^-15f)級(jí)別。