电容式液位传感器

1、嘉兴学院毕业设计（论文）外文翻译原文题目： Capacitive Liquid Level Sensor译文题目：电容式液位传感器学院名称：机电工程学院专业班级：电气081班学生姓名：毛勇电容式液位传感器这篇申请包含了 1990年1月18日提交的辑07/466, 936号描述的电容式液位传 感器和1990年1月18日提交的辑07/466, 938号描述的容性液界面传感器共同 专利申请材料。1.本发明的背景本发明涉及到的是电容式液位传感器。这种液位传感器发现被许多的仪器使 用，其中一个用于从要分析的样品或试剂的容器里的液体中退出的机器人探测 器，就用到了该传感器。在这样的机器人系统，它有容器内液

2、位水平的知识，这样用于退出液体的探 测器能够被控制，以尽量减少与容器的内容接触。这种方式可以减少样品和试剂 之间的交叉污染，使清洗探头这样的尖端工作变得更为简单。在这种机器人系统 的探测器引入液体容器，最好保持低于液体的表面。为了实现这一目标，各种液位传感器已被开发。这些就是所谓的电容式液 位传感器。这些都是基于任何导体都有有限电容的事实。当探测器真的接触液体， 液体的高介电常数和更大的表面面积会增加探测器的电容。这些电容的变化可以 相当小，因此敏感的检测设备是必需的。现有技术已知的设备，适用于检测像桥梁，RC或LC振荡器和频率计计数 器（包括外差），锁相环，过零间对米，一个RC或LC滤波器的

3、幅度变化，通过 一个RC或LC电路的相移的变化这样微小变化的电容。其中现有的液位传感器是美国金士顿公司第3391547专利，使液罐的电容液 位探测器公诸于世。他采用了电容式探测器，置于液体中，作为电桥电路的一条 桥臂。作为探测器电容变化的结果，电路的不平衡是被一个相敏检波器检测到， 这是通过引用可变相位转换器固定频率振荡器激发的。可变相位转换器允许偏移 调整。以类似的方式，Oberli的美国第3635094号专利公开了意味着电容式液位 传感器的自动移液管。取样探头被用作第一个元素，样品容器周围的金属支架是 电桥电路一支桥臂电容的第二个元素。电桥的其余桥臂由一个可变电容器桥臂和 两个电阻桥臂组成

4、。可变电容器的桥臂可能会调整，这样其电容与接触液体的探 测器相匹配。电桥电路是由固定频率振荡器激发的，一个差分放大器是用来确定 桥是平衡的，以表明探测器已经接触液体。Bello等人的美国第4326851号专利公开了使用在自动临床分析仪上的液位 传感器和方法，这其中一个可变电容是由接地的探测器和金属板构成，它是用来 连接到检测电路，处置下面的样品容器。一个固定频率的激励信号的利用和探针 接触到液体的金属探头的电容变化检测作为检测电路中的电压变化。这个设计暴 露出的电极上或供应托盘的泄漏问题可以改变电路的操作，而且电路需要使用屏 蔽垫。另一项Okawa等人的美国第4736638号专利，公开了使用在

5、液体自动临床 分析仪的在液位传感器。根据样品容器处置的一块金属板，通过样品连接到一个 固定频率振荡器，发出低频电磁辐射。当探针接触液体样品时有适当的带通滤波， 检测电压的幅度变化可以免除探针作为天线和连接到一个检测电路。该电路有许 多贝罗的缺点。此外，使用低频率限制电路的响应时间。最后，Shimizu的美国第4818492耗专利，公开了用在自动临床分析仪上的 容性液体液位传感器。他采用了有固定频率振荡器的电阻桥来激发电桥的对角。 作为探探测器的电容变化的结果，电容（探测器）两端的相移是通过可变相位转 换器的固定频率激励振荡器引用的相位检测器检测到的。可变相位转换器允许偏 移调整。相位检测器的输

6、出量是经过筛选和比较的有价值的参考量，提供了一个 信号以表明探测器里液体的存在。之前这些许多传感器的问题是，他们往往是运行在频率相对较高的AM广播 频带。由于传感器本身的辐射发光，将与附近的无线电辐射产生干扰问题。一个 次要的问题是附近的无线电发射器，可以严重干扰电平检测，造成探头伺服系统 中的错误。2.发明概要以前电容式液位传感器的许多干扰问题，通过主体发明使用“扩频”技术减 少在任何频率区域的平均能量而减少。因此，要降低传感器的无线电干扰和缩小 与干扰、噪声的空间宽度，它们都可能作为附近发射器干扰传感器的结果而发生。根据本发明，一个移液系统的电容式液位传感器包括：为退出样品液体的移 液器探

7、头，探头加上一个振荡器来为探测器获得一个高频信号，受探测器电容变 化影响的振荡器的幅度和/或相位，根据比较振荡器幅度和相位产生液位传感器 信号，以说明探测器到达了样品的液位，在一个重复的方式扫描振荡器的不同频 率，据此减少了外部无线电发射机和干扰当地无线电接收机的干扰。本发明的首选体现一一扫描频率远大于16千赫（kHz），以至于它在由于探 测器接触液体时产生的频率成分之上。在线性方式（三角波）下最好的扫描频率 是不同的，而且振荡器是一种电压控制的矩形波输出振荡器。比较方式可能包含 一个相位检测器，产生一个直流信号幅值的变化，根据振荡器和探头信号之间的 相位差产生一个直流信号，它的振幅因探测器与

8、振荡器之间信号的相位差而变 化。相位检测器可能是一个“异或”电路，其输出耦合到一个RC滤波器。在所 有情况下，扫描频率低于高频振荡器。根据本发明的原理，液体样品的液位可能会用用于从样品中提取液体的探测 器检测，步骤包括：对探头的信号源应用高频率电信号，高频率的相位或者幅值 成为探测器电容的功能，从探头检测信号相位或幅度的变化，确定当检测到的变 化超过一定程度时对应的探头达到样品的液体水平，在重复方式下来自电源的高 频信号的不同频率低于高频信号的频率，据此无线电发射机的干扰在减少，而且 在任何给定的的频率，电源的辐射在减少。当接收到的信号与高频振荡器传感器 正常运行的频率范围内发送差分信号的频率

9、节拍一致时附近的发射机就会产生 干扰。扫频振荡器（即频率调制）在相位比较器输出的“啁啾”时将于接收到的 信号同步，但这是能够被过滤的。选择宽扫描能够在很宽的频率范围内产生不同 的信号，如此之广，事实上，它主要在传感器正常运作的频率范围之外。本发明的方法传播的频谱，以便在一个无线电接收器接收带宽的能量是很小 的。更重要的是，节拍变成一个超过音频范围的频率，而不是一个无线电接收器 的连续音频节拍。这使系统更好地遵守关于仪器允许RF发射的政府规章制度。 此外，减少传入的射频干扰（假触发）。图纸描述其中附图可以对发明和它的优点的有一个较完整的理解：图一是一个按照本发明构建的液位传感器框图SWEEPSW

10、EEP注释：fluid流体、sweep drive扫描驱动器、osc振荡器、servo drive伺服驱动器、phase detector相位检测器、comparator比较 器、cpu中央处理器图二是一个根据本发明建造一个液位传感器的原理图首选方案说明现在参考图一，给出了一个典型的探测器10,由机械臂12驱动，而机械臂 12由常规设计的伺服驱动器14控制。探测器10通过常规设计的伺服驱动器14 分解成X，Y，Z三个方向，是为了适应移动到任何一个多元的样品或试剂容器 16。探头10通过一个灵活的塑料管20耦合到作为一种液体的指定移液器22。 液体的移液器22能够通过通过探头容器16的内容排除或

11、者装入探测器里的内 容。油管20是由一个合适的化学惰性弹性塑料制成的，如聚丙烯；探头10是由 一个合适的化学惰性金属制成的，如铂金或不锈钢。受伺服驱动器14控制下的 机械臂能够升高和降低探头10，从而从容器16浸吸液体和使探头在X和Y方向 作平移运动，使其移动进入任何一个样品，试剂，反应容器16（其中只有两个）。按照这项发明，高频振荡器30是通过同轴电缆70耦合到导电探针10，同 轴电缆70的护套接地。反过来振荡器，可能是一个压控振荡器（VCO），连接到 一个扫频振荡器32,最好提供一个线性（例如，三角或锯齿波）波形，以便使 高频振荡器能陆续扫描频率范围。当探头接触液体时会发生探头电容的突然变

12、 化，频率检测器输出产生的频谱。扫频振荡器最好在上述探头电容突然变化产生 的频率成分里有重复频率时扫描高频振荡频率。反过来，振荡器30，最好是一 个压控振荡器，如上所述，或类似的振荡器，其不同的频率可以作为输入扫描信 号的结果。高频振荡器30的输出耦合到一个相位检测器34,能够提供最好的直流输出 电压。高频振荡器30通过一个电阻36耦合到同轴电缆70的输出，而且探头侧 的电阻36连接到相位检测器。在这种方式中，探测器受到介质变化引起的相移 会影响相位检测器。换句话说，介质是RC移相器的一部分。在探头10和液体 之间有一个杂散电容器16。液体提供了一个比空气更大的介电常数。当探头接 触液体，较高

13、的介电常数和更大的表面面积会导致探头接地电容的增加。相位检 测器的输出是一个直流信号，它的幅值会根据探头感应到的电容值的变化而不断 变化。电压比较38把来自相位检测器34的信号与由可调电压源40产生的参考信 号相比较。比较器的输出被送到一个中央处理单元（CPU） 42,事实上就是用任 何的传统方式去控制可编程伺服驱动器14,如美国第4818492号专利中描述的 那样。当液位的比较信号达到时就控制流体分配器22从容器16吸取液体。因此， 中央处理单元42控制着探头10的位置和是否分配探头或从容器吸进液体。这样 的中央处理单元是众所周知的，并不进一步说明，因为它们不是特定的发明，而 是一个液位传感

14、器的一部分。参照图二，说明了液位传感这一发明的按照首选体现的电路结构。这个电路 本质上是两个集成电路芯片。首先是锁相环可以使用，例如，国家半导体制造的 CD4046BM芯片。另外，德州仪器公司生产的四芯运算放大器TLC274CN可能可以 使用。该锁相环集成电路由虚线块50指定的。同样，四芯运算放大器集成电路 由虚线块52指定。锁相环包括一个压控振荡器54和几个相比较器，其中只有一 个如56所示。电控振荡器54有几个外部元件，即通过电阻R1和R2和电容C1 的选择，被选定去提供1兆赫的标称频率。这些值的选择在国家半导体公司的芯 片应用笔记有过描述。此外，电阻R1和R2的比例，使VCO的输入能够在

15、约20 kHz 速率下扫描频率为200 kHz的振荡器。VCO54的频率变化是非稳态振荡器形式的扫频振荡器造成的，该扫频振荡器 是构成四芯运算放大器芯片52的一部分。标示为58的扫频振荡器的构建是为了 通过电阻R7和电容C6输出的应用到标示为Q2放大器的反相输入。此外，Q2的 输出通过电阻R8和R9被应用到放大器的同相输入端。它的运作被理解成假设放 大器的输出变高。在同相输入端电压变高。由于电容C6,反相输入端的电压将 保持低电平。当电容C6电压超过同相输入端一段时间后电荷积累，而在此时， Q2输出摆动低点。以类似的方式电阻R8和R9适用于Q2的低电压同相输入端。 由于电容C6在反相输入端其电

16、压将保持高位。此状态将保持到C6两端的电压放 电至低于同相输入端，此时Q2的输出摆幅变高，周期将无休止地重复。在这个电路中，它是经常从输出获得电压，这是一个方波62。但是获得电 压，以提供频率振荡器的一个线性扫描，锯齿波或三角波是首选。这是在R7和 C6交界处发现的信号。这大约是三角波60适用于VCO54的输入。这个信号导致 压控振荡器在标称1 MHz频率下大约扫描200个千赫。在它向上和向下扫描的频率大约为20 kHz，这是由电阻R 7, R8, R9，和C6的值决定的。电压控制振荡器54的输出方波发生器64决定OVCQ的输出是适用于两部分。一部分是提供给相比较56。这可作为波形66所示的参

17、考信号。VCQ输出的其他 部分提供给由元素R3, C2和探头组成一个RC移相器。电容C2是用作隔直电容。 实际电容影响相移是由同轴电缆标记70的电容和探头的接地电容组成。探头所 述的金属。它可能有已连接到一台泵的塑料管（未显示）。在R3和C2之间的交 界处，是标有76的一个信号，它受到有液位要求的样品介质决定。这个信号76 是一个近似三角波，并应用到相比较器56输入的信号。相位比较器56是异或比较器。相位比较器的输出是一系列的脉冲，其宽度 取决于参考信号66和输入信号76之间的相位差。在一个脉冲序列78的形式下， 相比较56的输出，是适用于由电阻R4和电容C3组成的RC滤波器网络84。此 滤波

18、器的目的是消除从相位比较器输出的脉冲，并产生一个近似直流的水平相称 的波形面积78。如果78的脉冲宽度变化则滤波器84的近似直流电平将改变。 不断变化的直流电平代表80的波形，这是适用于一个微分器90，它的关键部分 是组成四芯运算放大器的运放Q1。因此，效果差异，RC滤波器84的输出通过 电阻R5和电容C4适用于放大器90的输入。反馈放大器90部分由R6和C5并行 组成。这些组件已被选定为低频率形成一个微分，即80波形的变化部分。这些 组件还筛选出可能会通过过滤网络84泄漏的高频率噪音。微分器90的输出是脉冲的形式，高度依赖于波形80的变化率和变化程度。 此输出信号代表的是波形82。然后这些脉

19、冲可以被筛选，通过一个窗口比较器 选择足够振幅的脉冲来代表探头的一个有意义的过渡电容，当然，是敏感样品的 介电效应。标有94和96的窗口比较器由运算放大器52的放大器组成。这些放 大器的信号电平是相对于标记为V1和V2的电压。例如，如果输入到94的输入 电压是反相输入，只要输入电压低于V1则输出电压会变高。一段时间后，输入 电压增高到V1以上，输出将保持低电平。因此，正脉冲波形82会导致一个负脉 冲波形98。以类似的方式，出现的负脉冲波形82可以作为电路96和波形标记 100的一个负脉冲。这两个波形98和100是电路的输出。当探头接触到液体电 容增加时，波形98是一个负脉冲。每当探头遇到液体，电导率或介电常数增加 时，波形98是一个负脉冲。以类似的方式，每当探头电容容量减小时，波形100 是一个负脉冲。例如，探头从高介电或电导特性的流体中退出。应用到VCO54的频率调制可以导致检测手段的扰动。扫描频率方法的选择，其滤 波器84的幅度和带通，将减少或消除任何干扰。例如，一些FM会影响相位器的 输出，因为RC的相移随频率变化，使相移探测器84的输出有一个相应