利用電容傳感技術進行液位測量的解決方案

無論是監測咖啡機中的水位，還是當奶瓶快要沒奶時發出提醒的智能冰箱。液位測量在提高產品性能的同時，并從競爭對手中脫穎而出。

技術干貨

• 電容感應技術可以在任何環境因素下提供可靠的、強大的液位測量解決方案。

• 互電容傳感器不易受寄生電容的影響。

• 測量結果的準確性取決于合適的校準、傳感器的線性度以及是否能夠消除影響性能的因素，比如傳導性干擾和環境變化影響。

說到電容感應技術，我們首先想到的是不同設備的用戶界面所使用的電容感應按鈕。但這是電容感應技術的唯一用途嗎？非也。該項技術可用于任何系統輸入可能引起電容變化的應用。電容傳感器在許多應用中可以取代傳統技術，如液體位置測量、濕度感應、金屬物體檢測等。它不會受環境條件變化的影響，同時更加可靠和穩定。

液體位置測量也是咖啡機等家用電器的一項重要功能。它能探測咖啡機中的水位或者奶瓶容器中牛奶的液位，也能探測洗衣機中洗衣液的用量。液位測量分為兩種：

• 點液位測量：這種測量方式，傳感器被安置在容器上的不同的區域，用于檢測容器滿或空的狀態，并顯示單個的較低分辨率的不連續的液位高度。

• 連續液位測量：正如其名所示，這種傳感器可以精確探測到液位的細微變化。

每種傳感器都有其各自的使用方式。本文主要介紹連續測量和確保測量精度的一些重要因素。

目前已有多種液位測量方法，包括：

1. 磁性浮子：將磁體安裝在一個隨容器液位變化而移動的浮子上，并會促發桿體中密封的“舌簧開關”。這種解決方案具有很高的可重復性，但由于磁浮子的可移動性，因此壽命較短，可靠性也較低。

2. 超聲波傳感：傳感器傳輸到液體表面的超聲波信號與反射的回波信號之間的延遲被轉換為相關容器的液位。此類系統可以探測的最大液位取決于收發器的結構。測量會受到溫度、壓力和濕度等環境因素變化的影響。

3. 導電測量：此類設備通過兩個導電電極測量傳導性。這種方法比前兩種更可靠，但無法用于可燃液體。

顯然，制造商需要更強大、更可靠、更精確且用途更廣泛的液位測量技術。電容感應技術可以滿足這些需求。它不使用任何運動部件，能夠安全地用于易燃材料，且不會輕易受到環境變化的影響。

電容傳感基礎知識

電容感應技術是最可靠的液位監測方法之一。這是因為液體本身具有導電性，從而引起電容傳感器的電容發生變化。

電容傳感器分為兩種：自電容和互電容。自電容使用單個引腳作為傳感器，測量該引腳和地面之間的電容。這一電容被稱為寄生電容。液體對傳感器寄生電容的改變程度取決于液體體積。

互電容使用一對引腳。其中一個作為發送器（TX），另一個作為接收器（RX）。這種方法測量的是兩者之間的電容，即互電容。液體會引起互電容的變化，而變化程度取決于液位?；ル娙菔鞘走x的液位測量方法，其主要原因之一是它無需測量傳感器的寄生電容。

互電容傳感器的應用

讓我們了解一下互電容液位測量如何應用于咖啡機。傳感器可監測咖啡機液體容器中的水位。

圖1：安裝在咖啡機側面（黃色長方形）的

互電容傳感器PCB用于測量儲水容器中的液位

傳感器PCB由互電容傳感器組成，裝在咖啡機的隔板中，而隔板與儲水容器之間存在空隙（參見圖2）。傳感器的發送器和接收器位于其主板上，液體會改變它們之間的互電容。

圖2：液位測量系統正視圖 –

傳感器與儲水容器的相對位置

傳感器主板主要包含一個發送器TX和n個接收器RX陣列（參見圖3）組成。n的值取決于容器的高度和期望獲得的分辨率值。接收器RX數量越多，測量分辨率就越高。

圖3：使用多個接收器進行持續液位監測的

互電容傳感器上的發送器和接收器的布局

傳感器主板上的控制器用來測量互電容。通過使用以下方程式將讀數轉換成液位L：

其中:

當前信號= 所有發送傳感器RX上對應液位的信號數量

空信號= 所有發送傳感器RX上容器為空時的信號數量

滿信號= 所有接收傳感器TX上容器為滿時的信號數量

傳感器高度= 容器高度（所有發送傳感器的高度總和）

可基于上述方程式在固件中進行測量，并通過其他方法滿足系統層面的要求，包括精度、線性、響應時間和功耗等。

確保精度

下面我們來討論一下使用液位傳感技術時需要考慮的重要因素，包括校準、線性度、溫度補償和傳導性干擾。

校準

校準是獲得精確結果所必要條件之一。等式1中的滿信號和空信號數量必需在工廠中確定并儲存在EEPROM中以便用于后續測量。

線性度

非線性也是一個誤差來源。等式1假設發送傳感器TX在從關閉狀態轉換為開啟狀態（即傳感器上沒有液體和有液體兩種狀態）時為線性響應。但實際情況不同于這種理想狀態。實際數據顯示，當液體沒過傳感器時，發送傳感器TX的信號達到最大值的時間會出現明顯的延遲（參見圖4）。這就導致了測量的液位出現非線性響應。

圖4：基于賽普拉斯PSoC?4應用的接收傳感器的信號反應顯示，相比理想的傳感器（綠色），實際傳感器（紅色）出現非線性響應。

為了克服這一非線性問題，必須考慮當前啟用的傳感器信號和為未啟用的傳感器所保存的滿信號數值動態計算得到滿信號值。

溫度補償

溫度會影響電容。隨著溫度的變化，電容值也會發生變化，這可能會引起液位測量的誤差。為了獲得精確的結果，必須對溫度變化進行補償。

補償溫度的方法之一是使用虛擬傳感器。虛擬傳感器的溫度、電容變化特性與真實的傳感器相同，因此溫度對這兩種設備的影響力是等效的。在正常運行期間，虛擬傳感器的信號變化用于抵消真實傳感器因溫度而產生的信號變化。

傳導性干擾

用于液位測量的傳感器和虛擬傳感器應放置在遠離人體等導體物質的地方。如果傳感器位于導體附近，那么很有可能出現錯誤的測量結果。避免這一問題的唯一方式，是在測量部分和其他導體之間采取合適的絕緣措施，這樣導體就不會增加用于測量液位的傳感器的電容。

無論是執行基本的功能（如監測咖啡機液位），還是提供增值服務（如盛放橙汁的盒子快要空的時候提醒用戶），液位測量都能大大改善消費者的產品體驗。電容傳感是穩定而可靠的解決方案。

正如本文所述，這項技術十分直觀，但要取得精確的結果還是有一定的挑戰性。同時，設計洗衣機或咖啡機的設計師會將自己的精力放在電器的性能上，而不是液位傳感器這種細枝末節上。幸運的是，傳感器的功能可以集成在一些微型控制器上，如賽普拉斯的PSoC?4系列可編程片上系統控制器。開發人員可以利用這項技術輕松地加入電容感應能力，同時把注意力放在食物的低溫保鮮或者煮上一杯滿意的咖啡等關鍵功能上。