使用电容式数字转换器进行液位检测

输液和输血等程序需要监测精确量的液体，因此需要一种准确、易于实施的液位检测方法。本文介绍可实现液位高性能电容式检测的24位电容数字转换器和液位检测技术。

电容测量基础知识

电容是物体储存电荷的能力。电容 C 由下式给出

其中

Q

是电容器上的电荷，

V

是电容器两端的电压。

在图1所示的电容器中，两个面积

为A

的平行金属板相隔距离d。电容 

C

为

哪里

C 是以法拉为单位的电容

A 是两个板块的重叠面积 = a × b

d 是两个板之间的距离

εR是相对静态介电常数

εO是自由空间的介电常数 （εO≈ 8.854 × 10−12F m−1)

图1.两个平行板的电容。

电容数字转换器 （CDC）

单通道AD7745和双通道AD7746高分辨率Σ-Δ电容数字转换器可测量直接连接到其输入端的电容。它们具有固有的高分辨率（21 位有效分辨率，24 位无失码）、高线性度 （±0.01%） 和高精度（±4 fF 工厂校准），是检测液位、位置、压力和其他物理参数的理想选择。

功能齐全，它们集成了多路复用器、激励源、用于容性输入的开关电容DAC、温度传感器、基准电压源、时钟发生器、控制和校准逻辑、I2C兼容串行接口和高精度转换器内核，其中包括二阶Σ-Δ电荷平衡调制器和三阶数字滤波器。该转换器用作电容输入的CDC和电压输入的ADC。

测得电容，Cx，连接在激励源和Σ-Δ调制器输入之间。将方波激励信号施加到Cx在转换过程中。调制器连续对通过C的电荷进行采样x并将其转换为 0 和 1 的流。数字滤波器处理调制器输出以确定电容，电容由1s的密度表示。滤波器输出按校准系数缩放。然后，外部主机可以通过串行接口读取最终结果。

图2所示的四种配置展示了CDC如何在单端、差分、接地和浮动传感器应用中检测电容。

图2.适用于单端、差分、接地和浮动传感器应用的配置。

电容式液位检测技术

监测液位的一种简单技术是将平行板电容器浸入液体中，如图3所示。随着液位的变化，板之间的介电材料量发生变化，从而导致电容也发生变化。第二对电容式传感器（显示为C2） 用作参考。

图3.电容式液位检测。

由于εR（水）>> εR（空气），传感器的电容可以用浸没部分的电容近似。因此，液体的液位可以计算为 C1/C2:

哪里

液位是浸没在液体中的长度

Ref 是参考传感器的长度

电容式液位传感系统硬件

24位AD7746具有两个电容测量通道，非常适合电平检测应用。图 4 显示了系统框图。传感器和基准电容转换为数字电容，数据通过I2主机 PC 或微控制器的 C 端口。

图4.电容式液位传感系统。

PCB设计对于精确测量至关重要。图 5 显示了传感器板和 CDC 连接。为了保持精度，AD7746安装在PCB的顶面上，尽可能靠近4层PCB内部的两块金属板。接地层暴露在PCB的背面。两个输入通道都在应用中使用。传感器板如图6所示。

图5.传感器板和 CDC 连接。

图6.顶部和底部PCB的图片。

传感器板设计使用两个共面金属板而不是两个平行板。对于PCB上的平行板，电介质由PCB材料，空气和液体形成。相比之下，内部共面层不必直接接触液体。对于共面板，每条轨道长度的近似电容为

哪里

d 是两条平行轨道的中点之间的距离

l 是轨道的长度

w 是每个轨道的宽度（假设它们相同）

t 是轨道的厚度

有效εR由d与h的比值决定（h是PCB板的厚度）

对于 d/h >> 1;εR（eff）≈ 1

对于 d/h ≈ 1;εR（eff）= (1 + εR)/2

根据这个公式，测得的电容与浸入水中的长度成正比，因为共面传感器每条轨道长度的近似电容保持不变。使用 LabVIEW 软件 执行 系统 校准 有助 于 实现 更高 的 精度。®

LabVIEW 软件

在 PC 上运行 的 LabVIEW 程序 通过 我 从 CDC 检索 数据2C 串行接口。图 7 显示了 PC 显示器上的图形用户界面 （GUI）。当液位演示系统打开时，将显示实时液位数据、环境温度和电源电压。

图7.PC 显示器上显示的系统 GUI。

液位推导为

LabVIEW 程序 包括 基本 校准 和 高级 校准， 以 实现 更 准确 的 测量。干（基本）校准用于确定C1干和 C2干.增益和失调可以从0“和4”校准得出，因为每次校准确定一个具有两个一阶未知数的方程。在校准和测量过程中，基准电容器必须浸入液体中。

结论

本文介绍了电容式液位传感演示系统。

审核编辑：郭婷