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。
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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
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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
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图7.pc 显示器上显示的系统 gui。
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