如何利用电容传感技术进行液位测量

无论是监测咖啡机中的水位，还是当奶瓶快要没奶时发出提醒的智能冰箱。液位测量在提高产品性能的同时，并从竞争对手中脱颖而出。

技术干货

● 电容感应技术可以在任何环境因素下提供可靠的、强大的液位测量解决方案。

● 互电容传感器不易受寄生电容的影响。

● 测量结果的准确性取决于合适的校准、传感器的线性度以及是否能够消除影响性能的因素，比如传导性干扰和环境变化影响。

说到电容感应技术，我们首先想到的是不同设备的用户界面所使用的电容感应按钮。但这是电容感应技术的唯一用途吗?非也。该项技术可用于任何系统输入可能引起电容变化的应用。电容传感器在许多应用中可以取代传统技术，如液体位置测量、湿度感应、金属物体检测等。它不会受环境条件变化的影响，同时更加可靠和稳定。

液体位置测量也是咖啡机等家用电器的一项重要功能。它能探测咖啡机中的水位或者奶瓶容器中牛奶的液位，也能探测洗衣机中洗衣液的用量。液位测量分为两种：

● 点液位测量：这种测量方式，传感器被安置在容器上的不同的区域，用于检测容器满或空的状态，并显示单个的较低分辨率的不连续的液位高度。

● 连续液位测量：正如其名所示，这种传感器可以精确探测到液位的细微变化。

每种传感器都有其各自的使用方式。本文主要介绍连续测量和确保测量精度的一些重要因素。

目前已有多种液位测量方法，包括：

● 磁性浮子：将磁体安装在一个随容器液位变化而移动的浮子上，并会促发杆体中密封的“舌簧开关”。这种解决方案具有很高的可重复性，但由于磁浮子的可移动性，因此寿命较短，可靠性也较低。

● 超声波传感：传感器传输到液体表面的超声波信号与反射的回波信号之间的延迟被转换为相关容器的液位。此类系统可以探测的最大液位取决于收发器的结构。测量会受到温度、压力和湿度等环境因素变化的影响。

● 导电测量：此类设备通过两个导电电极测量传导性。这种方法比前两种更可靠，但无法用于可燃液体。

显然，制造商需要更强大、更可靠、更精确且用途更广泛的液位测量技术。电容感应技术可以满足这些需求。它不使用任何运动部件，能够安全地用于易燃材料，且不会轻易受到环境变化的影响。

电容传感基础知识

电容感应技术是最可靠的液位监测方法之一。这是因为液体本身具有导电性，从而引起电容传感器的电容发生变化。

电容传感器分为两种：自电容和互电容。自电容使用单个引脚作为传感器，测量该引脚和地面之间的电容。这一电容被称为寄生电容。液体对传感器寄生电容的改变程度取决于液体体积。

互电容使用一对引脚。其中一个作为发送器(TX)，另一个作为接收器(RX)。这种方法测量的是两者之间的电容，即互电容。液体会引起互电容的变化，而变化程度取决于液位。互电容是首选的液位测量方法，其主要原因之一是它无需测量传感器的寄生电容。

互电容传感器的应用

让我们了解一下互电容液位测量如何应用于咖啡机。传感器可监测咖啡机液体容器中的水位。

图1：安装在咖啡机侧面(黄色长方形)的互电容传感器PCB用于测量储水容器中的液位

传感器PCB由互电容传感器组成，装在咖啡机的隔板中，而隔板与储水容器之间存在空隙(参见图2)。传感器的发送器和接收器位于其主板上，液体会改变它们之间的互电容。

图2：液位测量系统正视图–传感器与储水容器的相对位置

传感器主板主要包含一个发送器TX和 n 个接收器RX阵列(参见图3)组成。 n 的值取决于容器的高度和期望获得的分辨率值。接收器RX数量越多，测量分辨率就越高。

图3：使用多个接收器进行持续液位监测的互电容传感器上的发送器和接收器的布局

传感器主板上的控制器用来测量互电容。通过使用以下方程式将读数转换成液位L：

其中：

当前信号 = 所有发送传感器RX上对应液位的信号数量

空信号 = 所有发送传感器RX上容器为空时的信号数量

满信号 = 所有接收传感器TX上容器为满时的信号数量

传感器高度 = 容器高度(所有发送传感器的高度总和)

可基于上述方程式在固件中进行测量，并通过其他方法满足系统层面的要求，包括精度、线性、响应时间和功耗等。

确保精度

下面我们来讨论一下使用液位传感技术时需要考虑的重要因素，包括校准、线性度、温度补偿和传导性干扰。

校准

校准是获得精确结果所必要条件之一。等式1中的满信号和空信号数量必需在工厂中确定并储存在EEPROM中以便用于后续测量。

线性度

非线性也是一个误差来源。等式1假设发送传感器TX在从关闭状态转换为开启状态(即传感器上没有液体和有液体两种状态)时为线性响应。但实际情况不同于这种理想状态。实际数据显示，当液体沒过传感器时，发送传感器TX的信号达到最大值的时间会出现明显的延迟(参见图4)。这就导致了测量的液位出现非线性响应。

图4：基于赛普拉斯PSoC 4应用的接收传感器的信号反应显示，相比理想的传感器(绿色)，实际传感器(红色)出现非线性响应

为了克服这一非线性问题，必须考虑当前启用的传感器信号和为未启用的传感器所保存的满信号数值动态计算得到满信号值。

温度补偿

温度会影响电容。随着温度的变化，电容值也会发生变化，这可能会引起液位测量的误差。为了获得精确的结果，必须对温度变化进行补偿。

补偿温度的方法之一是使用虚拟传感器。虚拟传感器的温度、电容变化特性与真实的传感器相同，因此温度对这两种设备的影响力是等效的。在正常运行期间，虚拟传感器的信号变化用于抵消真实传感器因温度而产生的信号变化。

传导性干扰

用于液位测量的传感器和虚拟传感器应放置在远离人体等导体物质的地方。如果传感器位于导体附近，那么很有可能出现错误的测量结果。避免这一问题的唯一方式，是在测量部分和其他导体之间采取合适的绝缘措施，这样导体就不会增加用于测量液位的传感器的电容。

无论是执行基本的功能(如监测咖啡机液位)，还是提供增值服务(如盛放橙汁的盒子快要空的时候提醒用户)，液位测量都能大大改善消费者的产品体验。电容传感是稳定而可靠的解决方案。

正如本文所述，这项技术十分直观，但要取得精确的结果还是有一定的挑战性。同时，设计洗衣机或咖啡机的设计师会将自己的精力放在电器的性能上，而不是液位传感器这种细枝末节上。幸运的是，传感器的功能可以集成在一些微型控制器上，如赛普拉斯的PSoC 4系列可编程片上系统控制器。开发人员可以利用这项技术轻松地加入电容感应能力，同时把注意力放在食物的低温保鲜或者煮上一杯满意的咖啡等关键功能上。