如何利用電容傳感技術(shù)進(jìn)行液位測量

無論是監(jiān)測咖啡機(jī)中的水位，還是當(dāng)奶瓶快要沒奶時發(fā)出提醒的智能冰箱。液位測量在提高產(chǎn)品性能的同時，并從競爭對手中脫穎而出。

技術(shù)干貨

● 電容感應(yīng)技術(shù)可以在任何環(huán)境因素下提供可靠的、強(qiáng)大的液位測量解決方案。

● 互電容傳感器不易受寄生電容的影響。

● 測量結(jié)果的準(zhǔn)確性取決于合適的校準(zhǔn)、傳感器的線性度以及是否能夠消除影響性能的因素，比如傳導(dǎo)性干擾和環(huán)境變化影響。

說到電容感應(yīng)技術(shù)，我們首先想到的是不同設(shè)備的用戶界面所使用的電容感應(yīng)按鈕。但這是電容感應(yīng)技術(shù)的唯一用途嗎?非也。該項(xiàng)技術(shù)可用于任何系統(tǒng)輸入可能引起電容變化的應(yīng)用。電容傳感器在許多應(yīng)用中可以取代傳統(tǒng)技術(shù)，如液體位置測量、濕度感應(yīng)、金屬物體檢測等。它不會受環(huán)境條件變化的影響，同時更加可靠和穩(wěn)定。

液體位置測量也是咖啡機(jī)等家用電器的一項(xiàng)重要功能。它能探測咖啡機(jī)中的水位或者奶瓶容器中牛奶的液位，也能探測洗衣機(jī)中洗衣液的用量。液位測量分為兩種：

● 點(diǎn)液位測量：這種測量方式，傳感器被安置在容器上的不同的區(qū)域，用于檢測容器滿或空的狀態(tài)，并顯示單個的較低分辨率的不連續(xù)的液位高度。

● 連續(xù)液位測量：正如其名所示，這種傳感器可以精確探測到液位的細(xì)微變化。

每種傳感器都有其各自的使用方式。本文主要介紹連續(xù)測量和確保測量精度的一些重要因素。

目前已有多種液位測量方法，包括：

● 磁性浮子：將磁體安裝在一個隨容器液位變化而移動的浮子上，并會促發(fā)桿體中密封的“舌簧開關(guān)”。這種解決方案具有很高的可重復(fù)性，但由于磁浮子的可移動性，因此壽命較短，可靠性也較低。

● 超聲波傳感：傳感器傳輸?shù)揭后w表面的超聲波信號與反射的回波信號之間的延遲被轉(zhuǎn)換為相關(guān)容器的液位。此類系統(tǒng)可以探測的最大液位取決于收發(fā)器的結(jié)構(gòu)。測量會受到溫度、壓力和濕度等環(huán)境因素變化的影響。

● 導(dǎo)電測量：此類設(shè)備通過兩個導(dǎo)電電極測量傳導(dǎo)性。這種方法比前兩種更可靠，但無法用于可燃液體。

顯然，制造商需要更強(qiáng)大、更可靠、更精確且用途更廣泛的液位測量技術(shù)。電容感應(yīng)技術(shù)可以滿足這些需求。它不使用任何運(yùn)動部件，能夠安全地用于易燃材料，且不會輕易受到環(huán)境變化的影響。

電容傳感基礎(chǔ)知識

電容感應(yīng)技術(shù)是最可靠的液位監(jiān)測方法之一。這是因?yàn)橐后w本身具有導(dǎo)電性，從而引起電容傳感器的電容發(fā)生變化。

電容傳感器分為兩種：自電容和互電容。自電容使用單個引腳作為傳感器，測量該引腳和地面之間的電容。這一電容被稱為寄生電容。液體對傳感器寄生電容的改變程度取決于液體體積。

互電容使用一對引腳。其中一個作為發(fā)送器(TX)，另一個作為接收器(RX)。這種方法測量的是兩者之間的電容，即互電容。液體會引起互電容的變化，而變化程度取決于液位?；ル娙菔鞘走x的液位測量方法，其主要原因之一是它無需測量傳感器的寄生電容。

互電容傳感器的應(yīng)用

讓我們了解一下互電容液位測量如何應(yīng)用于咖啡機(jī)。傳感器可監(jiān)測咖啡機(jī)液體容器中的水位。

圖1：安裝在咖啡機(jī)側(cè)面(黃色長方形)的互電容傳感器PCB用于測量儲水容器中的液位

傳感器PCB由互電容傳感器組成，裝在咖啡機(jī)的隔板中，而隔板與儲水容器之間存在空隙(參見圖2)。傳感器的發(fā)送器和接收器位于其主板上，液體會改變它們之間的互電容。

圖2：液位測量系統(tǒng)正視圖–傳感器與儲水容器的相對位置

傳感器主板主要包含一個發(fā)送器TX和 n 個接收器RX陣列(參見圖3)組成。 n 的值取決于容器的高度和期望獲得的分辨率值。接收器RX數(shù)量越多，測量分辨率就越高。

圖3：使用多個接收器進(jìn)行持續(xù)液位監(jiān)測的互電容傳感器上的發(fā)送器和接收器的布局

傳感器主板上的控制器用來測量互電容。通過使用以下方程式將讀數(shù)轉(zhuǎn)換成液位L：

其中：

當(dāng)前信號 = 所有發(fā)送傳感器RX上對應(yīng)液位的信號數(shù)量

空信號 = 所有發(fā)送傳感器RX上容器為空時的信號數(shù)量

滿信號 = 所有接收傳感器TX上容器為滿時的信號數(shù)量

傳感器高度 = 容器高度(所有發(fā)送傳感器的高度總和)

可基于上述方程式在固件中進(jìn)行測量，并通過其他方法滿足系統(tǒng)層面的要求，包括精度、線性、響應(yīng)時間和功耗等。

確保精度

下面我們來討論一下使用液位傳感技術(shù)時需要考慮的重要因素，包括校準(zhǔn)、線性度、溫度補(bǔ)償和傳導(dǎo)性干擾。

校準(zhǔn)

校準(zhǔn)是獲得精確結(jié)果所必要條件之一。等式1中的滿信號和空信號數(shù)量必需在工廠中確定并儲存在EEPROM中以便用于后續(xù)測量。

線性度

非線性也是一個誤差來源。等式1假設(shè)發(fā)送傳感器TX在從關(guān)閉狀態(tài)轉(zhuǎn)換為開啟狀態(tài)(即傳感器上沒有液體和有液體兩種狀態(tài))時為線性響應(yīng)。但實(shí)際情況不同于這種理想狀態(tài)。實(shí)際數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)液體沒過傳感器時，發(fā)送傳感器TX的信號達(dá)到最大值的時間會出現(xiàn)明顯的延遲(參見圖4)。這就導(dǎo)致了測量的液位出現(xiàn)非線性響應(yīng)。

圖4：基于賽普拉斯PSoC 4應(yīng)用的接收傳感器的信號反應(yīng)顯示，相比理想的傳感器(綠色)，實(shí)際傳感器(紅色)出現(xiàn)非線性響應(yīng)

為了克服這一非線性問題，必須考慮當(dāng)前啟用的傳感器信號和為未啟用的傳感器所保存的滿信號數(shù)值動態(tài)計(jì)算得到滿信號值。

溫度補(bǔ)償

溫度會影響電容。隨著溫度的變化，電容值也會發(fā)生變化，這可能會引起液位測量的誤差。為了獲得精確的結(jié)果，必須對溫度變化進(jìn)行補(bǔ)償。

補(bǔ)償溫度的方法之一是使用虛擬傳感器。虛擬傳感器的溫度、電容變化特性與真實(shí)的傳感器相同，因此溫度對這兩種設(shè)備的影響力是等效的。在正常運(yùn)行期間，虛擬傳感器的信號變化用于抵消真實(shí)傳感器因溫度而產(chǎn)生的信號變化。

傳導(dǎo)性干擾

用于液位測量的傳感器和虛擬傳感器應(yīng)放置在遠(yuǎn)離人體等導(dǎo)體物質(zhì)的地方。如果傳感器位于導(dǎo)體附近，那么很有可能出現(xiàn)錯誤的測量結(jié)果。避免這一問題的唯一方式，是在測量部分和其他導(dǎo)體之間采取合適的絕緣措施，這樣導(dǎo)體就不會增加用于測量液位的傳感器的電容。

無論是執(zhí)行基本的功能(如監(jiān)測咖啡機(jī)液位)，還是提供增值服務(wù)(如盛放橙汁的盒子快要空的時候提醒用戶)，液位測量都能大大改善消費(fèi)者的產(chǎn)品體驗(yàn)。電容傳感是穩(wěn)定而可靠的解決方案。

正如本文所述，這項(xiàng)技術(shù)十分直觀，但要取得精確的結(jié)果還是有一定的挑戰(zhàn)性。同時，設(shè)計(jì)洗衣機(jī)或咖啡機(jī)的設(shè)計(jì)師會將自己的精力放在電器的性能上，而不是液位傳感器這種細(xì)枝末節(jié)上。幸運(yùn)的是，傳感器的功能可以集成在一些微型控制器上，如賽普拉斯的PSoC 4系列可編程片上系統(tǒng)控制器。開發(fā)人員可以利用這項(xiàng)技術(shù)輕松地加入電容感應(yīng)能力，同時把注意力放在食物的低溫保鮮或者煮上一杯滿意的咖啡等關(guān)鍵功能上。