您感测到了什么?—— 适用于电容式液位感测的新方法

文章来源:弗戈工业在线 发布时间:2015-07-24
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人们用过各种方法来确定容器中的液位高度,但最近,电容式感测法因测量的高准确度和分辨率变得流行起来。如果您曾用电容式液位感测法进行过设计,那么当您把自己的手向您的系统移近时,您可能看到错误的测量读数。这是由于传统电容技术在稳健性方面存在局限而造成的,特别是有人手等任何外部寄生电容干扰时上述情况更容易发生。例如,不妨想想用液位感测法来确定每杯咖啡所需水量的咖啡机。要烹制一杯完美的咖啡,您需要适量的水。如果一个人在咖啡机运行时与其进行交互,那么人体的寄生电容干扰就会中断咖啡的混合。

在本文中,笔者将谈论传统的液位感测方法以及由TI提出的一种新方法 —— 被称为异相(OoP)技术,使用FDC1004电容数字转换器。这种新方法可提供必要的屏障,以尽量减少干扰,同时最大限度地提高系统信噪比和整体稳健性。

图1展示了典型的液位感测应用设置。

 

最大值

液位

接地(GND

屏蔽层

CINx

接地

图1:液位感测设置

传统方法

传统方法采用平行手指拓扑结构:一个电极由激励信号驱动,另一个电极连接至接地(GND),如图2中左边所示。以GND为参考的电极存在的问题是,水具有电压电势差。当手接近装有液体的容器时,一种附加的寄生电容被引入到模型,自体电容会直接与水的电势差耦合在一起。这可以导致误测偏差和系统不准确。

受人体电容影响(接近或接触)的传统电气模型

异相抵消

CW:水电容

RW:水电阻

CP:容器电容

CH:容器电容

 

FDC1004

接近液体的人体产生的影响

预期的Cmeas与液位相关变化图

液位容器高度【%】

液位容器高度【%】

图2:传统方法与OoP方法

OoP技术

OoP技术依赖对称的传感器布局,还以独特的方式利用FDC1004电容数字转换器上的屏蔽驱动器来抵消人体电容的影响,并使测量值稳定。有了OoP技术,通过采用差分电容测量法,液体电势可在激励/驱动阶段保持恒定,从而能从测量值中消除人体电容的影响。OoP技术不使用GND电极,而是让CINx电极与SHLDy电极配对。CINx和SHLDy具有相同的波形,但二者180度异相;通过将FDC1004置于差分模式配置中,这是可能实现的。

笔者收集了用电容式液位感测TI设计参考设计测得的手干扰电容测量值,并将该参考设计与使用相同尺寸电极的传统方法进行了比较。图3展示了测试设置,参考设计在容器上,并连接至FDC1004评估模块(EVM)。表1展示了水位高度为5cm、人手离容器前部的距离固定时的电容测量值。当手直接接触容器(手的距离为0cm)的时候,如果采用传统方法,基于基线读数(手未在系统中出现时的读数)的电容变化会是采用OoP技术时的20倍。如果采用OoP技术,计算的液位绝对误差会从大约9%(采用传统方法时)降至大约0.4%。在系统的全范围(0至8cm的液位高度)内,OoP技术的总体绝对误差大约为0.5%。


图3:使用电容式液位感测TI设计参考设计的测试设置

5cm的水位高度

手的距离(cm)

基于基线读数的电容变化(fF

计算的液位误差(%)

传统方法

OoP

传统方法

OoP

表1:OoP与传统液位技术对比

任何电容式液位感测系统的稳健性均至关重要,以确保可靠性和准确性。与传统方法相比,OoP技术可减轻任何外部寄生电容的影响。尽可能对称的传感器布局将最大限度地提升该技术的性能。

其它资源

进一步了解电容式感测。

查阅《电容式感测:异相液位技术》应用手册。

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阅读更多有关电容式感测设计的博客文章。

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