一种用于纳升级液位传感器的微弱电容检测电路的制作方法

本发明涉及液位传感器技术领域，特别涉及一种用于纳升级液位传感器的微弱电容检测电路。

背景技术：

mems电容式传感器具有环境适应性好，灵敏度高的特点，在工业领域被广泛应用。基于mems技术的连续液位测量和液位信号器的出现，可以实现μm(10^-6m)/nl(10^-9l)级别液位测量，同时电容式液位传感器具有较好的环境适应性和温度稳定性等特点，可以填补常规工艺下的液位传感器应用领域的空白，被广泛地应用于石油化工、生物制药微型流量控制等领域，并向高精度，小体积，大量程范围发展。

电容式mems液位传感器采用mems(微机电系统)加工工艺，其将液位信号转化为电信号，可以等效成一个随液位变化的待测电容，电容变化区间在1-200pf(10^-12f)之间。对于10pf以下的电容，由于pcb电路板所产生的寄生电容已达到这个量级，很难使用传统的方法测量，急需提出新的测试方法来解决。现有木代雅巳、金湘亮等人采用的pcb级别电容读取电路，前者需要采用pcb电路焊接虚设电容的方式，难以克服电容选择误差，而后者通过相关双采样技术消除了失调电压，同时集成了数模转换器，杂散电容补偿阵列，以抵消静态偏移的影响，但是存在量化误差以及电路设计过于复杂的情况，可能导致逐级噪声累加。

一种低g值电容式mems加速度计及其模态局域化测量电路首次提出模态局域化与高灵敏度差分加计结合的方法，为电容检测技术打开了新思路。该方法使用两个等效lrc振荡环路，通过耦合电容耦合的起来，将mems加速度计的电容变化转化为模态局域化电路的电流变化，电路两个环路的响应电流与电容变化近似呈线性变化关系。然而这种方式需要一个额外的信号发生器进行扫频操作，并且需实时记录下频率-电流信号，才能进行离线计算，不能实时得到信号结果，且稳定性不佳，可能发生频率漂移过大的情况，这种开环方式在实际应用中还存在许多问题。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的是提出一种闭环模态局域化测量电路方法，用于纳升级液位传感器的微弱电容检测，方便、快速的读出电容式液位传感器微弱电容的变化情况。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种用于纳升级液位传感器的微弱电容检测电路，采用闭环模态局域化测量原理，包括电容c3、c4，电容c3、c4串联连接后，与依次串联的电阻r1、电感l1、电容c1并联，同时与依次串联的电阻r2、电感l2、电容c2并联，其中电容c4右端与电容c1、电容c2右端相连，电容c3左端与电阻r1、电阻r2左端相连，电容c3、c4串联构成耦合电容6；电阻r1、电感l1、电容c1与串联的电容c3、c4构成第一振荡回路1，电阻r2、电容c2和电感l2与串联的电容c3、c4构成第二振荡回路2；电容c3、c4公共端共地，第一振荡回路1、第二振荡回路2中电容c1、c2、c4的右端通过电阻r3输入到第一放大器(op-amp)反相输入端，第一放大器反相输入端和电阻r4一端相连，电阻r4另一端和第一放大器输出端相连，第一放大器同相输入端接地，电阻r3、r4和第一放大器构成反相放大电路3；反相放大电路3输出端通过反馈回路4和带通滤波器5输入端相连，带通滤波器5输出端和分压电阻r5一端连接，分压电阻r5另一端和电阻r1、电阻r2左端连接；

当液位改变时，导致输出电容发生变化，变化的电容δc并联在电容c2两端；

电容c3、电阻r1、电阻r2左端连接有第一缓冲器7，电阻r1和电感l1之间连接有第三缓冲器9，电阻r2和电感l2之间连接有第二缓冲器8。

第三缓冲器9、第二缓冲器8输出端分别接入单刀双掷开关s12的a、b节点，s12的固定端与电阻r9一端连接，电阻r9另一端接入第二放大器反相输入端，第二放大器反相输入端和电阻r10一端相连，电阻r10另一端和第二放大器输出端相连，第二放大器同相输入端和电阻r12一端相连，电阻r12另一端接地；第一缓冲器7输出端和电阻r11一端相连，电阻r11另一端与第二放大器反相输入端相连；第二放大器输出端与电阻r13一端相连，电阻r13另一端和第四放大器反相输入端连接，第四放大器反相输入端和电阻r14一端相连，电阻r14另一端和第四放大器输出端相连，第四放大器同相输入端与电阻r15一端相连，电阻r15另一端接地。

所述的第一缓冲器7、第二缓冲器8、第三缓冲器9采用相同的结构，即信号点与第五放大器反相输入端相连，第五放大器反相输入端和输出端短接。

所述的带通滤波器5信号输入端in与电阻r6一端相连，电阻r6另一端与电容c5相连，电容c5另一端与第六放大器反相输入端相连，第六放大器同相输入端接地，第六放大器反相输入端与电阻r8一端相连，电阻r8另一端与第六放大器输出端接通，第六放大器输出端和电容c6一端连接，电容c6另一端与电阻r6、电容c5公共端相连，电阻r6、电容c5公共端与电阻r7一端相连，电阻r7另一端与第六放大器同相输入端共地。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：在本发明中，系统振荡回路不需要外接变频的交流电压驱动信号，只需给各个放大器提供直流工作电压；通过形成闭环回路，可实现在线实时监测输入变化电容情况，极大地提升了电容检测的可行性与实时性。

附图说明

图1是本发明闭环模态局域化电路原理图。

图2是本发明信号处理电路原理图。

图3是缓冲器的结构示意图。

图4是带通滤波单元的结构示意图。

图5是模态局域化开环检测原理图。

图6是本发明信号处理的流程图。

图7是实施例测得一组数据。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细描述。

如图1所示，一种用于纳升级液位传感器的微弱电容检测电路，采用闭环模态局域化测量原理，包括电容c3、c4，电容c3、c4串联连接后，与依次串联的电阻r1、电感l1、电容c1并联，同时与依次串联的电阻r2、电感l2、电容c2并联，其中电容c4右端与电容c1、电容c2右端相连，电容c3左端与电阻r1、电阻r2左端相连，电容c3、c4串联构成耦合电容6；电阻r1、电感l1、电容c1与串联的电容c3、c4构成第一振荡回路1，电阻r2、电容c2和电感l2与串联的电容c3、c4构成第二振荡回路2；电容c3、c4公共端共地，第一振荡回路1、第二振荡回路2中电容c1、c2、c4的右端通过电阻r3输入到第一放大器(op-amp)反相输入端，第一放大器反相输入端和电阻r4一端相连，电阻r4另一端和第一放大器输出端相连，第一放大器同相输入端接地，电阻r3、r4和第一放大器构成反相放大电路3；反相放大电路3输出端通过反馈回路4和带通滤波器5输入端相连，带通滤波器5输出端和分压电阻r5一端连接，分压电阻r5另一端和电阻r1、电阻r2左端连接；

当液位改变时，导致输出电容发生变化，变化的电容δc并联在电容c2两端；

电容c3、电阻r1、电阻r2左端连接有第一缓冲器7，电阻r1和电感l1之间连接有第三缓冲器9，电阻r2和电感l2之间连接有第二缓冲器8。

变化的电容δc输入到电容c2两端，第一振荡回路1，第二振荡回路2的平衡状态被引入的变化电容δc打破，引起模态局域化现象，导致相应的振荡电流i1、i2、发生变化；第一、第二振荡回路通过串联的耦合电容c3、c4形成弱耦合，信号从c4右端输入到反相放大器3，经放大后进入带通滤波器5去除纹波噪声，经电阻r5分压后反馈输入到电阻r1左端；耦合电容c3、c4同时还起到调节反馈强度的作用，其比例作为调节参数，可使电路稳定高效的振荡起来。

参照图2，第三缓冲器9、第二缓冲器8输出端分别接入单刀双掷开关s12的a、b节点，s12的固定端与电阻r9一端连接，电阻r9另一端接入第二放大器反相输入端，第二放大器反相输入端和电阻r10一端相连，电阻r10另一端和第二放大器输出端相连，第二放大器同相输入端和电阻r12一端相连，电阻r12另一端接地；第一缓冲器7输出端和电阻r11一端相连，电阻r11另一端与第二放大器反相输入端相连；第二放大器输出端与电阻r13一端相连，电阻r13另一端和第四放大器反相输入端连接，第四放大器反相输入端和电阻r14一端相连，电阻r14另一端和第四放大器输出端相连，第四放大器同相输入端与电阻r15一端相连，电阻r15另一端接地。

第一缓冲器7、第二缓冲器8、第三缓冲器9分别将检测的相应的信号点参数通过差分放大计算，其中单刀双掷开关s12按照测量时序，分被接通a点和b点，与第一缓冲器7输入的信号做差分运算；其中当第三缓冲器9接通时，监测到的信号与第一振荡回路i1相关；其中当第二缓冲器8接通时，监测到的信号与第二振荡回路i2相关；信号进入第四放大器，经反相放大后输出到dsp中作进一步运算。

通过第一缓冲器7、第二缓冲器8、第三缓冲器9采样得到3点电压信号v7、v8、v9做差分放大处理，即得到电阻r1、r2上的电流值：

其中k为第四放大器的放大倍数。

参照图3，所述的第一缓冲器7、第二缓冲器8、第三缓冲器9采用相同的结构，即信号点与第五放大器反相输入端相连，第五放大器反相输入端和输出端短接。

缓冲器由一个运算放大器构成，信号通过同相输入端进入，输入端即可得到衰减较小的电压信号；第五放大器输出端和反相输入端短接，理论输出阻抗无限大，可以尽可能小的减小对振荡回路的影响。

参照图4，所述的带通滤波器5信号输入端与电阻r6一端相连，电阻r6另一端与电容c5相连，电容c5另一端与第六放大器反相输入端相连，第六放大器同相输入端接地，第六放大器反相输入端与电阻r8一端相连，电阻r8另一端与第六放大器输出端接通，第六放大器输出端和电容c6一端连接，电容c6另一端与电阻r6、电容c5公共端相连，电阻r6、电容c5公共端与电阻r7一端相连，电阻r7另一端与第六放大器同相输入端共地。

根据预设的中心频率fp计算公式设置带通滤波参数，得以下方程：

其中c5＝c6＝c＝1nf,bw为设计带宽，联立方程即可解得电阻r6、r7、r8的参数。

本发明的工作原理为：

采用闭环模态局域化检测原理，通过输入电容变化引起上下环路振荡电流的改变，经放大、带通滤波环节后构成闭环回路；通过两支路电流信号作比较，可得到下支路电容变化量。

第一、第二振荡回路通过基尔霍夫电压定律可以得到微分方程：

上式中，l1＝l2＝l表示电路第一、第二环路的电感值，r1＝r1＝r表示asic电路上下环路的电阻值，cc表示两个环路之间耦合电容值(即电容c3、c4串联电容值)，c表示第一、第二振荡回路的参考电容值，q1，q2为电路两个回路i1,i2的积分，vs是反馈回路r5输入到第一振荡回路、第二振荡回路的能量，f为两个回路耦合后的振荡频率。由上式解得：

其中wd1和wd2为模态局域化电路的谐振角频率，u(t)为模态局域化电路的特征向量。s代表经拉普拉斯变换后时域时间t对应的复频率，q1和q2分别对应q1、q2经过拉普拉斯变化后的值。

在谐振角频率wd1和wd2上，q1,q2取峰值，其值随δc变化而变化，wd1和wd2同样随着δc变化而改变，由此，可以通过计算得到wd1和wd2下的q1,q2对应的峰值，而q1，q2为asic电路两个回路i1,i2的积分，即可以得到谐振频率下i1,i2随着δc变化的关系，进而得到i1,i2与液位变化的关系。

如图5所示，图5是已有的开环模态局域化测量原理：两组耦合起来的rlc振荡回路10、rlc振荡回路11，通过耦合电容cc构成弱耦合，振荡回路通过外部交流源输入能量，需要使用相关设备实时记录下交流源信号变化下引起的振荡电流i1,i2变化情况，且需要离线标记谐振角频率wd1和wd2上峰值和频率，运算过程漫长，无法实时记录下信息。而本发明构建闭环控制回路以实现更加便捷、直观的读取方式。闭环系统将不需要交流源，通过闭环反馈电路，可以维持第一振荡回路、第二振荡回路在相应wd1和wd2的峰值电流上，实现快速采集、快速计算。

如图6所示，本发明信号处理的流程如下：

1)系统复位清楚之前以后的数据；

2)预判液位传感器的电容变化范围；

3)选择第一振荡回路1、第二振荡回路2的c1、c2参数值，根据弱耦合设计原则，选定耦合电容c3、c4的值；选择带通滤波器参数，反相放大器接入dc电压起振；

4)使用差分放大电路读取第一缓冲器7、第二缓冲器8、第三缓冲器9测得的信号，计算第一振荡回路1、第二振荡回路2的振荡电流峰值i1,i2；

5)将得到数据传入dsp中计算，输出电容值。

实施例：设计参数c1＝100nf晦c2＝95nf晦l1＝l2＝10mh,设置带通滤波器c3＝100μf，c4＝20μf，中心频率5.4khz，带宽1khz，增益为1。设定δc/c1为输入扰动。设置当δc＝5nf时第一振荡回路1、第二振荡回路2所得电流为参考电流i10、i20，所得频率为参考频率f0。经过实验测量，将测得的电流信号和扩大100倍后的频率信号绘制如图7所示。得到该闭环模态局域化方法的检测灵敏度(电流曲线斜率)远高于传统的频率检测方法。

无扰动下测得基频f0＝5.4khz，频率读取最小分辨率为1hz，图7中频率斜率k＝0.013382hz/nf，故而频率检测方式的最小电容分辨率为

而使用模态局域化电容检测方式的分辨率是频率方式的100倍以上，故而本发明所公开的模态局域化电容检测电路的最小分辨率至少为ff(10^-15f)级别。