基于高分辨率Σ-Δ型電容-數(shù)字轉換器實現(xiàn)液位的檢測

基于高分辨率Σ-Δ型電容-數(shù)字轉換器實現(xiàn)液位的檢測簡介輸液和輸血等程序要求監(jiān)控液體的確切數(shù)量，因此這些應用需要采用精確、易于實施的方法來實現(xiàn)液位的檢測。本文描述24位電容-數(shù)字轉換器和液位檢測技術，可通過測量電容對液位進行高性能檢測。電容測量基礎知識電容是物體存儲電荷的能力。電容C定義如下：其中，Q是電容上的電荷，V是電容上的電壓。在圖1所示電容中，兩個面積為A的平行金屬板間距為d。電容C為：其中C是電容，單位為FA是兩塊板的重疊面積，A=a×bd是兩塊板之間的距離εR是相對介電常數(shù)εO是自由空間的介電常（εO≈8.854×10?12Fm?1）圖1.兩塊平行板的電容電容數(shù)字轉換器（CDC）單通道AD7745和雙通道AD7746均為高分辨率Σ-Δ型電容-數(shù)字轉換器，可測量直接連接輸入端的電容。這些器件具有高分辨率（21位有效分辨率和24位無失碼）、高線性度（±0.01%）和高精度（出廠校準至±4fF），非常適合檢測液位、位置、壓力和其他物理參數(shù)。這些器件具有完整的功能，電容輸入端集成多路復用器、激勵源、用于電容DAC，溫度傳感器、基準電壓源、時鐘發(fā)生器、控制和校準邏輯、I2C兼容型串行接口以及高精度轉換器內核，該內核集成二階Σ-Δ型電荷平衡調制器和三階數(shù)字濾波器。轉換器用作電容輸入的CDC和電壓輸入的ADC。所測電容Cx連接在激勵源和Σ-Δ型調制器輸入端之間。轉換期間在Cx上施加方波激勵信號。調制器會不間斷地對流過Cx的電荷進行采樣，并將其轉換為0和1的流。調制器輸出1的密度經數(shù)字濾波器處理，確定電容值。濾波器輸出通過校準系數(shù)縮放調節(jié)。然后，外部主機便可通過串行接口讀取最終值。圖2中的四個配置顯示了單端、差分、接地和浮動式傳感器應用中CDC如何檢測電容。圖2.單端、差分、接地和浮動傳感器應用中的配置電容式液位檢測技術一種簡單的液位監(jiān)控技術是將平行板電容器浸入液體中，如圖3所示。隨著液位變化，板之間的電介質材料數(shù)量發(fā)生改變，導致電容也隨之改變。同時第二對電容傳感器（圖中為C2）用作基準。圖3.電容式液位檢測由于εR（水）》》εR（空氣），傳感器電容可由浸沒部分的電容近似表示。因此，液位為C1/C2：其中Level是浸入液體的長度Ref是基準傳感器的長度電容式液位檢測系統(tǒng)硬件24位AD7746具有兩條電容測量通道，非常適合液位檢測應用。圖4顯示了系統(tǒng)功能框圖。傳感器和基準電容信號轉換為數(shù)字信號，數(shù)據(jù)通過I2C端口傳輸至主機PC或微控制器。圖4.電容式液位檢測系統(tǒng)要實現(xiàn)精確測量，PCB設計很關鍵。圖5顯示了傳感器板和CDC連接。為了保證精度，AD7746安裝在4層PCB表面盡可能靠近傳感器的地方。接地層暴露在PCB背面。該應用使用了轉換器全部的兩個輸入通道。傳感器板如圖6所示。圖5.傳感器板和CDC連接圖6.PCB正面和反面照片傳感器板設計為在一塊PCB上的兩個共面金屬板，而非兩個平行板。共面極板在4層PCB內無需直接接觸液體。共面極板電容的電介質由PCB材料、空氣和液體組成，軌道每一單位長度的電容值約為：其中d是兩個平行軌道中點之間的距離l是軌道長度w是每一條軌道的寬度（假定寬度相等）t是軌道的厚度有效εR由d與h的比值決定（h是PCB板的厚度）若d/h》》1;則εR（eff）≈1若d/h≈1;則εR（eff）=（1+εR）/2就該等式而言，測得的電容值與浸入液體的長度成比例，而共面?zhèn)鞲衅髅恳粏挝卉壍篱L度的電容近似值不變。使用LabVIEW?軟件執(zhí)行系統(tǒng)校準有助于實現(xiàn)更高的精度。LabVIEW軟件PC上運行的LabVIEW程序通過I2C串行接口獲取CDC數(shù)據(jù)。圖7是PC監(jiān)視器上顯示的圖形用戶界面（GUI）。啟動液面演示系統(tǒng)后，會實時顯示液面數(shù)據(jù)、環(huán)境溫度和電源電壓。圖7.PC監(jiān)視器上顯示的系統(tǒng)GUI液面推導公式為：LabVIEW程序包括基本校準和高級校準，可實現(xiàn)更精確的測量。在浸入液體時進行干（基本）校準用來確定體中。C1DRY和C2DRY。濕（高級）校準則用來確定一階方程中