本發(fā)明涉及工業(yè)測量領(lǐng)域，具體地，涉及一種分節(jié)電容式低溫液位變換器。

背景技術(shù)：

燃料劑和氧化劑在貯箱里的液位是火箭發(fā)射過程中重要的技術(shù)指標(biāo)，以耗盡關(guān)機液位傳感器為例，燃料劑和氧化劑的液位情況決定火箭發(fā)動機的關(guān)機時間。如果液位測量不準(zhǔn)確，火箭關(guān)機時間會推遲或提前，火箭關(guān)機時間推遲會導(dǎo)致進(jìn)入火箭發(fā)動機的燃料劑和氧化劑的量不夠充分或配比變化，從而容易引起火箭發(fā)射失敗?；鸺P(guān)機時間提前會導(dǎo)致燃料劑和氧化劑利用不充分，火箭有可能不能到達(dá)預(yù)定軌道。

總之，燃料劑和氧化劑液位的準(zhǔn)確測量對于整個火箭系統(tǒng)來說是非常重要的，常用的火箭氧化劑是液氧介質(zhì)，常用的燃料劑是煤油和液氫，它們都屬于絕緣性介質(zhì)，相對介電常數(shù)非常小(0.1Mpa壓力，煤油2.2、液氧1.485、液氫1.22)，且液氧、液氫工作溫度到達(dá)-150℃以下，現(xiàn)有的電容式液位變換器主要存在以下兩個不足：測量精度不高。

電容式液位變換器的測量原理是將介質(zhì)液位變化導(dǎo)致的電容量變化線性轉(zhuǎn)換為電壓量的變化，液位變化小、介質(zhì)介電常數(shù)小則電容量變化小，然而對于小電容量的檢測是比較困難的，因此現(xiàn)有的電容式液位變換器的測量精度很難做到1％，特別是介電常數(shù)非常小的液氫、液氧和煤油就更難做到；被檢測電容容易受到干擾外界電磁環(huán)境干擾以及傳輸過程中線纜分布電容的影響。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種分節(jié)電容式低溫液位變換器。

根據(jù)本發(fā)明提供的分節(jié)電容式低溫液位變換器，包括硬件檢測電路，所述硬件檢測電路包括：文氏振蕩電路、級聯(lián)變壓器取樣電路、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；其中：

所述文氏振蕩電路，用于用來產(chǎn)生低頻正弦激勵信號，激勵變壓器；

所述級聯(lián)變壓器取樣電路，用于產(chǎn)生與液位成線性關(guān)系的交流取樣信號；

所述交流兩級放大電路，用于對交流取樣信號進(jìn)行放大，并輸出至交流信號移相電路；

所述交流信號移相電路，用于對正弦激勵信號分別進(jìn)行90°移相；

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

所述低通濾波及直流放大電路，用于提取解調(diào)出的直流分量。

優(yōu)選地，所述文氏振蕩電路包括：運算放大器、場效應(yīng)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)生低頻正弦激勵信號；其中，場效應(yīng)管等效為一個壓控電阻，利用場效應(yīng)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(dá)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(dá)5‰。

優(yōu)選地，所述級聯(lián)變壓器取樣電路包括：級聯(lián)變壓器、奇數(shù)電容Cj、偶數(shù)電容Co、參考電容C0、取樣電阻，級聯(lián)變壓器電橋?qū)ζ鏀?shù)電容Cj和偶數(shù)電容Co進(jìn)行求差、求和運算，取樣后的交流小信號傳輸至交流兩級放大電路。

優(yōu)選地，所述交流兩級放大電路包括：雙通道運算放大器、精密電容、精密電阻，其中，運算放大器為兩個同相輸入放大器，兩個同相輸入放大器為級聯(lián)關(guān)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激勵信號進(jìn)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、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(jìn)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，所述低通濾波及直流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，用于對解調(diào)后的交流信號進(jìn)行低通濾波，取出交流信號中的直流成分，同時對直流信號進(jìn)行放大，使得直流信號的幅度調(diào)整到設(shè)定的范圍。

與現(xiàn)有技術(shù)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，通過硬件檢測將分節(jié)電容信號轉(zhuǎn)換成直流電壓信號，該系列變換器動態(tài)響應(yīng)快、測量范圍廣、檢測精度高(以液氧為例，液位檢測誤差不大于±2mm)，特別適合與分節(jié)電容式傳感器配合進(jìn)行液氮、液氫、液氧等超低溫絕緣介質(zhì)的液位連續(xù)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(xì)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為分節(jié)電容式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為電容和信號、電容差信號與液位測量關(guān)系圖；

圖9為實測曲線與理論曲線放大對比圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)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(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

根據(jù)本發(fā)明提供的分節(jié)電容式液位變換器，包括：硬件檢測電路，所述硬件檢測電路將連續(xù)式低溫液位傳感器輸入的用于表征液位的奇數(shù)電容Cj和偶數(shù)電容Co線性轉(zhuǎn)換成直流電壓量的變化，其中Cj+Co的電容量表征液位所處的分節(jié)數(shù)，Co-Cj的電容量表征液位在某節(jié)中的精確位置；采用分節(jié)電容式檢測方法，利用奇數(shù)電容Cj和偶數(shù)電容Co在電路中進(jìn)行加減法，消除電纜線上和信號通路上產(chǎn)生的其他電容干擾，從而進(jìn)一步提供傳感器的測量精度。

所述分節(jié)電容式低溫液位變換器，包括硬件檢測電路，硬件檢測電路部分主要作用將電容量變化轉(zhuǎn)變成電壓量變化，所述硬件檢測電路至少包括：文氏振蕩電路、級聯(lián)變壓器取樣電路、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；

所述文氏振蕩電路用來產(chǎn)生低頻正弦信號以驅(qū)動變壓器，

所述級聯(lián)變壓器取樣電路用于產(chǎn)生與液位成線性關(guān)系的交流取樣信號，級聯(lián)變壓器電橋取樣電路將傳感器奇數(shù)電容和偶數(shù)電容進(jìn)行求差、求和，并輸出幅度與液位高度成線性關(guān)系的交流取樣信號；

所述取樣信號經(jīng)過交流兩級放大電路進(jìn)行放大，同時兩個頻率的正弦激勵信號分別進(jìn)行90°移相，移相后的正弦信號與取樣信號中的同頻率信號相位相同，用于同頻解調(diào)，

所述解調(diào)電路根據(jù)輸入信號的頻率、相位進(jìn)行同頻率解調(diào)，解調(diào)電路輸出信號中直流成分與液位成線性關(guān)系，所述解調(diào)電路輸出信號經(jīng)過低通濾波電路及直流放大電路將直流信號取出。

更進(jìn)一步地，

所述文氏振蕩電路包括：運算放大器、場效應(yīng)管、功率運算放大器、精密電容、精密電阻、二極管，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(yīng)管等效為一個壓控電阻，利用場效應(yīng)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(dá)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(dá)5‰，文氏振蕩電路產(chǎn)生的正弦激勵信號驅(qū)動變壓器。

所述級聯(lián)變壓器電橋取樣電路包括：級聯(lián)變壓器、奇數(shù)電容Cj、偶數(shù)電容Co、參考電容C0、取樣電阻R；級聯(lián)變壓器電橋?qū)ζ鏀?shù)電容Cj和偶數(shù)電容Co進(jìn)行求差、求和運算，取樣后的信號輸出給交流放大電路；

所述交流信號移相電路包括：運算放大器、精密電容、精密電阻，移相電路將正弦信號進(jìn)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；

所述交流兩級放大電路包括：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中的濾波模塊采用三階巴特沃斯有源濾波電路，主要由運算放大器芯片、電阻、電容構(gòu)成；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(jìn)行放大，使得直流信號的幅度調(diào)整到適合測量的范圍。

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進(jìn)一步說明。

如圖1所示，分節(jié)電容式液位變換器硬件檢測電路原理框圖，電容信號的檢測處理流程；硬件電路原理所示，兩個不同頻率的載波信號分別輸入到兩個解調(diào)電路中，解調(diào)得到兩個頻率分量對應(yīng)的幅度直流信號，這兩個直流信號分別與電容和、電容差成正比；電容差信號反映液位在某一節(jié)電容環(huán)內(nèi)情況，而電容和信號反映液位在傳感器中具體哪節(jié)電容環(huán)。

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(dāng)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(yīng)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(dá)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，級聯(lián)變壓器電橋取樣電路原理圖，奇數(shù)電容C36和偶數(shù)電容C37由傳感器結(jié)構(gòu)部分通過屏蔽線連接到取樣電路上；通過取樣電路，輸出一個與電容和值(C36+C37)成正比、與電容差值(C36-C37)成正比的混合信號。電容C35為參考電容，它可以調(diào)節(jié)電容和值信號的幅度。

如圖4所示，交流兩級放大電路原理圖，由于液位對應(yīng)的電容信號很小，它們的和值信號和差值信號也很小，因此將取樣信號進(jìn)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R40和R45來調(diào)整。

如圖所5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(guān)系為其中R18＝R19＝R，w是正弦交流信號頻率因此當(dāng)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_OUT，載波信號為移相電路的輸出信號YX_OUT；解調(diào)電路將輸入信號與載波信號做乘法，對應(yīng)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R26和C27決定，二階濾波器的截止頻率由R23、R24、C23和C24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，電容和信號、電容差信號與液位測量關(guān)系圖，整個傳感器分為6節(jié)，每節(jié)250mm，總的有效測量范圍為1500mm。傳感器驗證實驗中，利用精密實驗裝置準(zhǔn)確控制傳感器的液位，傳感器液位、傳感器輸出電容和信號與電容差信號通過NI數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集；在液位變化時奇數(shù)電容、偶數(shù)電容交替變化，兩組電容信號的差值形成三角波信號，兩組電容信號的和值形成單調(diào)波信號；三角波的一邊代表分節(jié)電容的液位高度即分節(jié)單元的物理長度，根據(jù)三角波電壓可以計算出液位在每一節(jié)電容單元的位置；單調(diào)波信號與液位高度成線性關(guān)系，通過連續(xù)電壓輸出值的大小可以判別傳感器在介質(zhì)中的分節(jié)數(shù)，然后結(jié)合三角波信號可以計算出準(zhǔn)確的液位高度。

如圖9所示，實測曲線與理論曲線放大對比圖，驗證實驗前，首先測得傳感器電壓和、電壓差信號的最小值0V和最大值5V，并記錄對應(yīng)的液位0mm和250mm，然后計算得到液位與電容和信號、電容差信號的理論曲線；實驗中通過數(shù)據(jù)采集卡可以記錄實測的電壓數(shù)據(jù)和液位數(shù)據(jù)并生成實測曲線，將理論曲線與實測曲線進(jìn)行對比，實驗中各液位點的電壓值和同一點的理論電壓值之間的誤差小于±40mV，即各測量液位點誤差小于±2mm。經(jīng)過多次的常溫煤油介質(zhì)實驗和多次的低溫液氮介質(zhì)實驗均滿足測量誤差小于±2mm。

以上對本發(fā)明的具體實施例進(jìn)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(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)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。