具有校正功能的液面檢測器設計與應用

王文軍

（江西水利職業學院信息工程系，南昌330013）

具有校正功能的液面檢測器設計與應用

王文軍*

（江西水利職業學院信息工程系，南昌330013）

為了以更低的成本和更加簡單的操作方式來實現液面計量，提出了一種新的具有校正功能的液面檢測器，其輸出信號是脈沖流。通過設計具有比較電路和校驗電路的芯片，該液面檢測器只需要簡單地調整參數就可以實現各種液位傳感器的修正，然后使用配置范圍在3.97 mm～123.34 mm之間的液位傳感器，相應的輸出頻率范圍可以達到3.12 kHz～57.25 kHz。最后進行了實際雨量測量實驗，經過校正后，測量的最大頻率誤差為1.46%，驗證了提出的液面檢測器的正確性和精確性。

液面檢測；液面傳感器；校正；脈沖流

最近，液位的檢測問題變得越來越重要。特別是如果遇到爆炸型或易燃型的液體，那么勢必極其強烈地需要用于確保必要的內在安全的液位檢測器。為了快速地了解液位的變化，一臺兼備廉價、小型的液位監測設備顯然變得十分必要。

以前的測量液位設備設計的原則是基于電容性、高頻電波、光學、感應，以及電阻式的技術。例如，萬里霞［3］等人提出了一種基于電容式傳感器的液面檢測系統，通過鎖相環CD4046電路實現對電容式傳感器數值變化的測量。文獻［2］提出了基于高頻聲波的液面傳感器。王占勇［1］等人提出的液面檢測系統使用了PLC電路和變頻器，并配有專門的觸摸屏，但是其應用場景比較局限。張祖力［4］等人使用加熱式熱電偶傳感器來實現液面變化的檢測，通過讀取發熱體在氣體和液體中放熱系數的較大變化來實現檢測，可靠性較高但是精確度一般。關春穎［5］等人提出的設計則是典型的光學感應液面檢測，適用于光纖液體傳感器的擴展應用，采用有限元方法，通過數值模擬。

為了克服以上提出的各種問題，本文首次通過芯片解決方案提出具有校正功能的液面檢測器。無需專門的硬件和軟件，具備更低成本，使用者更容易操作。此外，為了在廣泛的數字傳輸系統中輸出電流，直接輸出信號是具有脈沖流的特征，輸出的電流可以很容易地被接收到，并且通過無線傳感器網絡（WSN）處理，如圖1所示。因此，提出的具有校正功能的液面檢測器可以將液位的信息轉換為輸出脈沖。通過監控頻率，使用者或者工人都可以很容易地知道液位。

圖1　提出的液面檢測器的方框圖

本文提出的具有校正功能的液面檢測器，是基于0.35 μm 2P4M CMOS技術，電壓在3.3 V～5.0 V之間。通過配置范圍在3.97 mm～123.34 mm之間的液位傳感器，相應的輸出頻率范圍在3.12 kHz～57.25 kHz之間。提出的校準液位傳感器變換器適用于各種可檢測液位的設備。

1　提出的系統架構

首先，使用固定在量杯內側壁上的金屬電線作為感應液位的設備。如圖2所示，在異或門與金屬電線的輸出信號連接之后，建立了液位傳感器。因此，液位對應于它的直流電壓。設計使用的電壓為0.1 V～3.2 V。該液位感應器的設計將應用于以下的電路設計中。

圖2顯示了提出的液面檢測器的電路原理圖。它由一組液位傳感器、一個運算放大器（OP），一個PMOS和NMOS電流反射鏡，一個比較器，以及一組校驗電路組成。校驗電路是由5 bit的譯碼器控制。A0～A4這5個編碼可以由用戶調整。

圖2　提出的具有校正功能的液面檢測器電路示意圖

現在討論電路設計，當金屬電線被浸泡在液體中，電流接入時，傳感器將接收到一個高電壓等級。正如邏輯1的定義。相反，當金屬電線浸泡在空中，而且沒有接入電流時，傳感器將接收到一個低電壓等級。正如邏輯0的定義。從Vin1到Vin32是32條金屬線的輸出電路，這些輸出電路將連接到異或門的輸入電路中。在由異或門操作之后，就產生了相應的直流電壓。這是從MOSMl_1n到Ml_32n分別進行。然后，電壓將由提出的液位傳感器變換器處理。MOSM0p到M8p被分組為PMOS電流鏡，而MOSM9n到M16n被分組為NMOS電流鏡，這些將傳感器的輸出電壓轉換成電流。當啟用信號EN處于邏輯高電位時，電流IB由此產生。

首先，電容器C0在電壓Vc上充電。這時Vc是5 V。然后，從液位轉換而來的電流IB向Cj放電，并且在比較器的輸入電路上降低電壓，將其命名為Vj。如果Vj下降低于比較器的閾值電壓Vref，則比較器的輸出電壓轉換成邏輯高電位，并且打開轉換的金屬氧化物半導體開關。當打開轉換的金屬氧化物半導體開關時，電容器C0將再次在電壓Vc上充電。輸出頻率和IB之間的關系由以下公式推導。

其中Ctotal表示在比較器負輸入節點的總電容，其推導公式如下：

我國食品工業標準包括國家標準、行業標準、地方標準、企業標準等。國家標準分為強制性和推薦性兩類，代號分別為 GB和GB/T。強制性國家標準由國務院批準發布或授權發布，推薦性國家標準由國務院標準化行政主管部門制定。

其中C0表示設計電容器495 fF。CFET表示比較器的線路電容和輸入電容。

IB推導如下：

其中Vl表示傳感器的輸出電壓。m表示電流鏡的比率。

合并式（1）～式（3），輸出頻率可以修改為：

分析式（2），電路的非線性效應來自于內在的寄生電容CFET。因此，應該添加提出的校驗電路。所提出的方法不僅可以解決來自電路寄生電容的問題，還可以解決各種液位傳感器的非線性問題。所提出的校驗方法的主要概念是調整校驗電容，補償輸出頻率。在實施該方法后，輸出頻率可以修改為：

其中，

其中Ci表示15 fF的電容器。當數字代碼A0到A4為11111時，Ccail為495 fF。在這種情況下，Ccail等于C0。校驗電容總和Ccail由5比特的數模轉換器（DAC）。用戶可以在A0到A4之間自適應地調整，靈活地校驗輸出頻率。因此，輸出頻率可以很容易得到校驗。

圖3　比較器的電路示意圖

比較器的電路示意圖如圖3所示。比較器的總增益推導如下：

并且，

其中K表示MOSM3和M7之間的W/L比率，gm表示晶體管跨導。二極管連接的晶體管和正反饋回路晶體管的結合充當了一個中等大小的阻抗。它從前置放大器階段到軌道—閉鎖階段獲得增益。

2　模擬仿真驗證

首先，對增益和相位進行驗證。增益是35dB，而延遲是35.5ns［10］。最后，比較器的比較函數如圖4所示。

圖4　比較器的模擬結果

圖4中，Vin+的輸入信號在1.650 01和1.649 99 V之間是變化的，而Vin-的輸入信號是固定的，為1.65 V。通過使用電流鏡，將輸出信號與輸入信號相隔離。因此沒有反沖的效果。從閉鎖邏輯可以獲得完整的邏輯擺幅。在構建整個電路之后，該芯片的電路功能得到了驗證。

校驗前后的模擬結果分別體現在圖5和圖6中。如圖所示，正確的電路功能全部成功執行。圖7體現了所有的液體水平和輸出頻率的比較。曲線是從式（1）計算獲得的，Ctotal總和等于495 fF。校驗之后，模擬的結果與計算的曲線吻合。如圖5～圖7所示，電路功能全部成功執行。該芯片所有的功能和性能都通過SPICE模擬進行了正確地設計。

圖5　在校驗之前，當電壓Vl等于（a）0.1V、（b）1.1 V、（c）2.1 V、（d）3.2 V時，所提出電路的模擬結果

圖6　在校驗之后，當電壓Vl等于（a）0.1 V、（b）1.1 V、（c）2.1 V、（d）3.2 V時，所提出電路的模擬結果

圖7　提出的具有校正功能的液面檢測器在不同液位下的模擬結果

3　實際測量結果

圖8分別顯示了設計芯片的實際照片。接受試驗的芯片尺寸為2 mm×1.96 mm，包括數字緩沖區在內，實測的能耗為17.32 mW。圖9顯示了實際測量環境設置，包括電源、一個量杯，Agilent-33500B函數發生器，以及提出的芯片電路板。系統時鐘頻率fc為25 MHz。Vs為3.2 V，而Vc為5 V。

圖10分別顯示了在液面為1和32的情況下，所提議提出芯片在校驗前后的測量結果。如圖所示，該芯片的電路設計得到正確地驗證。現在，通過真實的降雨量，對提出的校準液位傳感器變換器進行了試驗。測試降雨量的范圍在3.97 mm～ 123.34 mm之間。

圖8　設計的芯片圖片，芯片尺寸為2 mm×1.96 mm

圖9　實際測量實驗設置

圖10　提出的芯片在這些步數下的測量結果

在這個實驗中，輸出頻率的測量結果如圖11所示。相應的輸出頻率范圍在3.12 kHz～57.25 kHz之間。線性誤差由式（10）推導［11］：

通過真實的降雨量監測，對提出的液面檢測器的測量結果進行試驗。降雨量的范圍在3.97 mm～123.34 mm之間進行測試，結果如圖12所示。

圖11　真實降雨量檢測結果

在校驗之后，測量的最大頻率誤差為1.46%。如以上圖顯示，通過提出的芯片級檢測器，可以很容易檢測并且得知降雨量的液位。測量結果已經成功地驗證了提出的具有校正功能的液面檢測器的功能和性能。表1對提出的液面檢測器的特點進行了總結。

表1　用于檢測植物園的降雨量而提出的校準液位傳感器變換器的特點總結

4　結論

提出了一種新的具有校正功能的液面檢測器。通過具有比較電路和校驗電路的芯片設計，該液面檢測器只需要簡單地調整參數就可以實現各種液位傳感器的修正，并且所提出芯片的輸出信號是脈沖流，它可以很容易地傳輸到各種傳播媒體中，比如發送包開關網絡、廣播、光學、紅外、超聲波等等。通過配置范圍在3.97 mm～123.34 mm之間的液位傳感器，相應的輸出頻率范圍在3.12 kHz～57.25 kHz之間。通過模擬和真實測試，提出的芯片所有的功能和性能都得到了驗證，從而證實了其正確性和實用性。

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王文軍（1967-）男，漢族，江蘇江陰市人，本科，副教授，研究方向為電子技術應用與智能控制，教學改革，wangwen?jun0901@126.com。

Design and Application of Liquid Level Detector with Correction Function

WANG Wenjun*
（Department of Information Engineering，Jiangxi Water Resources Institute，Nanchang 330013，China）

In order to realize liquid level measurement with lower cost and simpler operation mode，a new liquid level detector with the function of calibration is presented，and its output signal is pulse current.Through the design with comparison circuit and calibration circuit chip，the liquid level detector needs only simple adjustment of parameters，modification of various liquid level sensor can be realized，and then the allocation of 3.97 mm～123.34 mm in the liquid level sensor can be used.The corresponding output frequency range can reach to 3.12 kHz～57.25 kHz.Finally，the experimental results of the actual rainfall measurement show that，after the correction，the maximum frequency error of the measurement is 1.46%，the correctness and accuracy of the proposed liquid surface detector are verified. Key words：liquid level detection；liquid level sensor；correction；pulse flow

TP212

A

1005-9490（2016）02-0453-06

EEACC：7210B10.3969/j.issn.1005-9490.2016.02.041

2015-06-05修改日期：2015-07-17