本發(fā)明涉及工業(yè)測量領域，具體地，涉及一種點式電容低溫液位變換器。

背景技術：

火箭飛行過程中，貯箱內(nèi)的推進劑不斷消耗，當推進劑消耗到箱內(nèi)關機液位時，由關機液位傳感器向控制系統(tǒng)發(fā)出相應的關機信號，經(jīng)過一定時間的延遲后，實現(xiàn)火箭發(fā)動機的正式關機，因此推進劑關機液位點的準確測量非常重要。目前火箭系統(tǒng)中常用的推進劑為液氧、液氫和煤油，它們都屬于絕緣介質(zhì)，其中：液氫、液氧是低溫介質(zhì)，煤油是常溫介質(zhì)，由于它們的介電常數(shù)都比較小(0.1Mpa壓力，煤油2.2、液氧1.485、液氫1.22)，并且液氫、液氧的工作溫度低于-150℃，因此現(xiàn)有的電容式低溫液位變換器普遍檢測精度不高，而且實際測量時容易受到線路上電纜和外界環(huán)境的干擾。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種點式電容低溫液位變換器。

根據(jù)本發(fā)明提供的點式電容低溫液位變換器，包括硬件檢測電路，其中，所述硬件檢測電路主要包括：文氏振蕩電路、變壓器電橋取樣電路、交流兩級放大電路、交流信號移相電路、解調(diào)電路、低通濾波及直流放大電路、絕對值電路、電平比較電路以及驅(qū)動電路；

所述文氏振蕩電路，用于產(chǎn)生低頻正弦信號，激勵變壓器；

所述變壓器電橋取樣電路，用于將傳感器電容值與參考電容值進行比較，并輸出一個幅度與傳感器電容值成正比的交流信號；

所述交流兩級放大電路，用于將取樣后的交流小信號進行兩級放大；

所述交流信號移相電路，用于將經(jīng)兩級交流放大的交流信號中的正弦信號進行90°的相位移動；

所述解調(diào)電路，用于將移相后的正弦信號與放大后的交流取樣信號進行同頻解調(diào)；

所述低通濾波及放大電路，用于提取解調(diào)出的直流分量，并輸出至絕對值電路；

所述絕對值電路，用于將直流信號轉(zhuǎn)換成正電壓信號后輸出至電平比較電路；

所述電平比較電路，用于將正電壓信號與+2.5V電壓進行比較，輸出高低電平信號；

所述驅(qū)動電路，用于將輸出的高低電平信號轉(zhuǎn)換成具有驅(qū)動能力的高低電平信號。

優(yōu)選地，所述文氏振蕩電路包括：運算放大器、場效應管、功率運算放大器、精密電容、電阻、二極管；所述文氏振蕩電路構(gòu)成RC振蕩器，用于產(chǎn)生低頻正弦信號；其中，場效應管等效為一個壓控電阻，利用場效應管和運算放大器實現(xiàn)文氏振蕩電路輸出信號自動穩(wěn)幅，并且信號的幅度穩(wěn)定性能夠達到1％，同時采用精密電容、電阻，使得輸出信號的頻率穩(wěn)定度到達5‰。

優(yōu)選地，所述變壓器電橋取樣電路包括：變壓器、電容式低溫液位傳感器輸入電容、參考電容、取樣電阻，文氏振蕩電路產(chǎn)生的正弦信號驅(qū)動變壓器的電橋，并將電容式低溫液位傳感器輸入電容和參考電容進行求差運算，其中，取樣后的信號幅度與傳感器輸入電容值成線性關系。

優(yōu)選地，所述兩級交流信號放大電路包括：雙通道運算放大器、精密電容、精密電阻，其中，運算放大器模塊為兩個同相輸入放大器，兩個同相輸入放大器為級聯(lián)關系，放大倍數(shù)是兩個同相放大器的放大倍數(shù)之積。

優(yōu)選地，所述交流信號移相電路包括：運算放大器、精密電容、電阻，所述交流信號移相電路將正弦信號進行90°的相位移動，移相后的信號作為解調(diào)電路的載波信號。

優(yōu)選地，所述解調(diào)電路包括：解調(diào)芯片AD630SD、濾波電容、可變電阻器，解調(diào)電路用于將兩個輸入的交流信號做乘法運算進行相敏檢波，兩個輸入交流信號具有相同的頻率和相位，兩個輸入交流信號分別為經(jīng)過兩級交流放大的取樣信號和90°移相后的正弦信號。

優(yōu)選地，所述低通濾波及放大電路采用三階巴特沃斯有源濾波電路，包括：運算放大器芯片AD712SQ、電容C17、電容C18、電容C19、電容C20、電容C21、電阻R21、電阻R22、電阻R23、電阻R24，運算放大器芯片AD712SQ的引腳3分別連接至電阻R22的一端、電容C19的一端，電阻R22的另一端分別連接至電阻R21的一端、電容C18的一端，電阻R21的另一端構(gòu)成低通濾波及放大電路的輸入端，電容C19的另一端接地，電容C18的另一端分別連接至運算放大器芯片AD712SQ的引腳1、引腳2以及電阻R23的一端；運算放大器芯片AD712SQ的引腳5接地，運算放大器芯片AD712SQ的引腳4連接至電源的負極并通過電容C20接地，運算放大器芯片AD712SQ的引腳8連接至電源的正極并通過電容C17接地；電阻R23的另一端分別連接至芯片AD712SQ 的引腳6、電容C21的一端、電阻R24的一端，電阻R24的另一端、電容C21的另一端均連接至運算放大器芯片AD712SQ的引腳7并構(gòu)成所述低通濾波及放大電路的輸出端；所述低通濾波及放大電路用于對解調(diào)后的交流信號做低通濾波，取出交流信號中的直流成分，同時對直流信號進行放大，使得直流信號的幅度調(diào)整到設定的范圍。

優(yōu)選地，所述絕對值電路包括：第一運算放大器芯片OP07CP、第二運算放大器芯片OP07CP、二極管D3、二極管D4、電容C22、電容C23、電容C24、電容C25、電阻R25、電阻R26、電阻R27、電阻R28、電阻R29，第一運算放大器芯片OP07CP的引腳2分別連接至電阻R25的一端、電阻R27的一端、二極管D3的負極并構(gòu)成絕對值電路的輸入端；第一運算放大器芯片OP07CP的引腳3接地，第一運算放大器芯片OP07CP的引腳4連接至電源的負極并通過電阻C23接地，第一運算放大器芯片OP07CP的引腳7連接至電源的正極并通電容C22接地，第一運算放大器芯片OP07CP的引腳6、二極管D3的正極均連接至二極管D4的負極，二極管D4的正極分別連接至電阻R27的另一端、電阻R28的一端，電阻R28的另一端分別連接至電阻R26的另一端、電阻R29的一端、第二運算放大器芯片OP07CP的引腳2；第二運算放大器芯片OP07CP的引腳3接地，第二運算放大器芯片OP07CP的引腳4連接至電源的負極并通過電容C25接地，第二運算放大器芯片OP07CP的引腳7連接至電源的正極并通過電容C24接地，電阻R29的另一端連接至第二運算放大器芯片OP07CP的引腳6并構(gòu)成所述絕對值電路的輸出端，所述絕對值電路將濾波后的直流信號處理成正電壓信號，然后輸出到后級比較電路與基準電壓+2.5V進行比較。

優(yōu)選地，所述電平比較電路包括：基準電壓芯片AD580、比較器芯片LM193、偏置電阻，所述基準電壓芯片的AD580輸入端連接至電源端，所述基準電壓芯片AD580的GND端接地，所述基準電壓芯片AD580的輸出端連接至比較器芯片LM193的反相輸入端，比較器芯片LM193的同相輸入端連接至絕對值電路的第二輸出端，比較器芯片LM193的引腳8連接至電源端，比較器芯片LM193的引腳4接地，比較器芯片LM193的輸出端通過偏置電阻連接至電源端并構(gòu)成電平比較電路的輸出端口與驅(qū)動電路的輸入端相連，電平比較電路將絕對值電路的輸出與基準電壓+2.5V進行比較，然后輸出高低電平。

優(yōu)選地，所述驅(qū)動電路包括：三極管、第一電阻、第二電阻、電容，第一電阻的一端構(gòu)成驅(qū)動電路的輸入端，第一電阻的另一端連接至三極管的基極，三極管的發(fā)射極接地，三極管的集電極通過第二電阻連接至電源端；驅(qū)動電路將比較電平輸出的高低電平 信號轉(zhuǎn)換成具有驅(qū)動能力的高低電平信號。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

本發(fā)明克服了傳統(tǒng)電容式低溫液位變換器檢測精度低，測量結(jié)果容易受到干擾等問題，通過硬件檢測電路將電容信號轉(zhuǎn)換成直流電壓信號，最終得到表征液位點的高低電平信號，本發(fā)明中提出的變換器動態(tài)響應快、檢測精度高(以液氧為例，檢測誤差不大于±2mm)，特別適合與電容式低溫液位傳感器配合對液氧、液氮、液氫等超低溫絕緣介質(zhì)的重要液位點進行測量。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯：

圖1為點式電容液位變換器硬件電路原理框圖；

圖2為文氏振蕩電路原理圖；

圖3為變壓器電橋取樣電路原理圖；

圖4為交流兩級放大電路原理圖；

圖5為交流信號移相電路原理圖；

圖6為解調(diào)電路原理圖；

圖7為低通濾波及直流放大電路原理圖；

圖8為絕對值電路原理圖；

圖9為比較電路原理圖；

圖10為驅(qū)動電路原理圖；

圖11為液位與比較電路輸出信號的實測圖(液氮)；

圖12為液位與比較電路輸出信號的實測圖(煤油)。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變化和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。

根據(jù)本發(fā)明提供的點式電容低溫液位變換器，包括：硬件檢測電路，其中，所述硬 件檢測電路主要包括：文氏振蕩電路、變壓器電橋取樣電路、交流兩級放大電路、交流信號移相電路、解調(diào)電路、低通濾波及直流放大電路、絕對值電路、電平比較電路以及驅(qū)動電路；

所述文氏振蕩電路，用于產(chǎn)生低頻正弦信號，激勵變壓器；

所述變壓器電橋取樣電路，用于將傳感器電容值與參考電容值進行比較，并輸出一個幅度與傳感器電容值成正比的交流信號；

所述交流信號移相電路，用于將經(jīng)兩級交流放大的交流信號中的正弦激勵信號進行90°的相位移動；

所述解調(diào)電路，用于將移相后的信號與放大后的交流取樣信號進行同頻解調(diào)，其中，解調(diào)輸出信號中的直流分量與液位成線性關系；

所述低通濾波及放大電路，用于將解調(diào)出直流分量取出，并傳輸至絕對值電路；

所述絕對值電路，用于將直流信號轉(zhuǎn)換成正電壓信號后傳輸至電平比較電路；

所述電平比較電路，用于將正電壓信號與+2.5V電壓進行比較，輸出高低電平信號；

所述驅(qū)動電路，用于將輸出的高低電平信號轉(zhuǎn)換成具有驅(qū)動能力的高低電平信號。

更進一步地，

所述文氏振蕩電路包括：普通運算放大器、場效應管、功率運算放大器、精密電容、電阻、二極管；該文氏振蕩電路中的本質(zhì)是RC振蕩器，可用來產(chǎn)生低頻正弦信號；文氏振蕩電路中，場效應管等效為一個壓控電阻，利用場效應管和運算放大器電路實現(xiàn)文氏振蕩電路輸出信號自動穩(wěn)幅，并且信號的幅度穩(wěn)定性可達到1％，同時采用高精度的電阻器和電容器，使得輸出信號的頻率穩(wěn)定度到達5‰。

所述變壓器電橋取樣電路包括：變壓器、傳感器電容、參考電容、取樣電阻，文氏振蕩電路產(chǎn)生的正弦信號驅(qū)動變壓器電橋，取樣電路將傳感器電容和參考電容進行求差運算，取樣后的信號幅度與傳感器電容成線性關系。

所述交流信號移相電路包括：運算放大器、精密電容、電阻，移相電路將正弦信號進行90°的相位移動，移相后的信號作為解調(diào)電路的載波信號。

所述兩級交流信號放大電路包括：運算放大器、電容、電阻，交流兩級放大電路由兩個同相輸入放大器級聯(lián)組成，放大倍數(shù)是兩個同相放大器的放大倍數(shù)之積。

所述解調(diào)電路包括：解調(diào)芯片、濾波電容、可變電阻器，解調(diào)電路主要功能是將兩個輸入的交流信號做乘法運算，兩個輸入信號分別為經(jīng)過兩級交流放大的取樣信號和90°移相后的正弦信號。

所述低通濾波及放大電路采用三階巴特沃斯有源濾波電路，包括：運算放大器芯片、電阻、電容，運放有源濾波器體積小、重量輕、不存在電感帶來的損耗和非線性，同時運放有放大和緩沖的作用；低通濾波及放大電路主要作用：對解調(diào)后的交流信號做低通濾波，取出交流信號中的直流成分，同時可以對直流信號進行放大，使得直流信號的幅度調(diào)整到適合測量的范圍。

所述絕對值電路包括：運算放大器、電容、電阻、二極管，絕對值電路將濾波后的直流信號處理成正電壓信號，然后輸出到后級比較電路與基準電壓+2.5V進行比較。

所述電平比較電路包括：基準電壓芯片、比較器芯片、電阻、電容，電平比較電路將絕對值電路的輸出與基準電壓+2.5V進行比較，然后輸出高低電平。

所述驅(qū)動電路包括：三極管、電阻、電容，驅(qū)動電路將比較電平輸出的高低電平信號轉(zhuǎn)換成具有驅(qū)動能力的高低電平信號。

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進一步說明。

如圖1所示，點式電容液位變換器硬件電路原理框圖，電容信號的檢測處理流程如圖1所示，當傳感器的液位遠高于或者遠低于指定的液位點時，變換器電路輸出高電平；當傳感器的液位接近指定的液位點時，變換器電路輸出低電平，從而實現(xiàn)介質(zhì)重要液位點的精確測量。

如圖2所示，文氏振蕩電路原理圖，其中R1＝R2＝R，C1＝C2＝C，文氏振蕩電路是一種RC振蕩電路，用來產(chǎn)生低頻正弦信號激勵，當輸出信號幅度較小時，由于 電路產(chǎn)生自激振蕩，輸出信號幅度增大，場效應管R_DS也隨著增大，則電路的增益減小，限制了輸出信號幅度的繼續(xù)增加，最終輸出信號幅度達到穩(wěn)定；正弦信號的頻率為2πR，正弦信號的頻率可通過R和C來調(diào)整，兩路文氏振蕩電路產(chǎn)生兩個不同頻率的正弦信號用于激勵取樣電路。

如圖3所示，變壓器電橋取樣電路原理圖，信號SIN_OUT1為輸入的正弦激勵信號，電容C101為傳感器電容，電容C9為參考電容，R9為取樣電阻，采用變壓器電橋?qū)崿F(xiàn)了電容到電壓轉(zhuǎn)換。通過取樣電路，輸出一個與傳感器電容成線性關系的取樣電壓信號QY_OUT1。

如圖4所示，交流兩級放大電路原理圖，由于液位對應的電容信號很小，它與參考電容之間的差值也很小，因此將取樣信號進行兩級同相放大，放大倍數(shù)為兩個同相放大電路的放大倍數(shù)之積，放大倍數(shù)可通過R12和R15來調(diào)整。。

如圖5所示，交流信號移相電路原理圖，移相電路的輸入信號為文氏振蕩電路的正弦輸出信號，移相輸出信號與輸入信號之間關系為：

$\frac{V_{out}}{V_{in}}=\frac{jwRC-1}{jwRC+1}=-2\arctan wRC,$

其中：R18＝R19＝R，w是正弦交流信號頻率因此當正弦交流信號源頻率f與2πR相等時，輸出信號與輸入信號之間的相位移動為90°，即要求移相電路中電阻R17、電容C17與文氏橋振蕩電路的電阻R1、電容C1一致。

如圖6所示，解調(diào)電路原理圖，輸入信號為放大電路的輸出信號FD_OUT1，載波信號為移相電路的輸出信號YX_OUT1。解調(diào)電路將輸入信號與載波信號做乘法，對應頻域上是信號的卷積，這樣輸入信號中與載波信號同頻率的分量的頻域?qū)⒁浦猎c和2w頻率點，從而可以解調(diào)得到直流信號。

如圖7所示，低通濾波及直流放大電路原理圖，三階濾波器由二階濾波器和一階濾波器組成，每個低階濾波器相互獨立，也便于調(diào)試。一階濾波器的截止頻率由R23和C21決定，二階濾波器的截止頻率由R21、R22、C18和C19決定。由于解調(diào)后的信號中包括直流分量信號、倍頻分量信號以及諧波信號等，低通濾波器可以將直流信號提取出來，直流放大可以將直流信號幅度放大到適合測量的范圍。

如圖8所示，絕對值電路原理圖，主要功能是將低通濾波后的直流信號取絕對值轉(zhuǎn)換成正電壓信號。設計中，要求當液位遠高于或者遠低于指定的液位點時，低通濾波電路輸出一個幅值大于+2.5V的直流信號，這樣比較電路才能輸出高電平信號。要求當液位接近指定的液位點時，要求低通濾波電路輸出一個幅值小于+2.5V的直流信號，這樣比較電路才能輸出低電平信號。絕對值電路保證了只有當液位接近指定液位點時，變換器電路才輸出低電平信號。

如圖9所示，比較電路原理圖，主要功能是將絕對值電路的輸出信號與基準電壓信號+2.5V進行比較，當絕對值電路的輸出信號大于+2.5V時，比較電路輸出高電平；當絕對值電路的輸出信號小于+2.5V時，比較電路輸出低電平。

如圖10所示，驅(qū)動電路原理圖，主要功能是將比較電路輸出的無驅(qū)動能力的高低電平轉(zhuǎn)換成具有驅(qū)動能力的高低電平，可以驅(qū)動后級的繼電器、燈泡等功耗器件。當比較電路輸出低電平時，三極管集電極和發(fā)射極不導通，驅(qū)動電路輸出高電平；當筆記電路輸出高電平時，三極管集電極和發(fā)射極導通，驅(qū)動電路輸出低電平。

實際設計中，傳感器的機械結(jié)構(gòu)部分采用了有效量程為10mm的環(huán)形電容器， 要求當液位在傳感器5mm液位點時，絕對值電路的輸出信號為0V，比較電路輸出低電平信號，并且要求測量點誤差不大于±2mm，即當傳感器內(nèi)的液位在3mm-7mm之間時，比較電路必須輸出低電平信號。圖11為低溫液氮介質(zhì)中，傳感器液位與比較電路輸出信號的實測圖。

如圖11所示，傳感器液位與比較電路輸出信號的實測圖(液氮)，當傳感器液位在3.6mm處，比較電路輸出信號從高電平變成低電平，滿足了設計要求的測量點誤差不大于±2mm，實現(xiàn)了液氮介質(zhì)中重要液位點的準確測量。

如圖12所示，傳感器液位與比較電路輸出信號的實測圖(煤油)，為常溫煤油介質(zhì)中傳感器液位與比較電路輸出信號的實測圖，當傳感器液位在3.4mm處，比較電路輸出信號從高電平變成低電平，滿足了設計要求的測量點誤差不大于±2mm，實現(xiàn)了煤油介質(zhì)中重要液位點的準確測量。

經(jīng)過多次低溫液氮實驗和常溫煤油實驗，點式電容低溫液位傳感器的實驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，實驗結(jié)果良好，滿足設計任務要求的測量點誤差不大于±2mm，實現(xiàn)了低溫絕緣介質(zhì)重要液位點的精確測量。

以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內(nèi)做出各種變化或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。在不沖突的情況下，本申請的實施例和實施例中的特征可以任意相互組合。