原创 您感测到了什么？—— 适用于电容式液位感测的新方法

作者：David Wang11

人们用过各种方法来确定容器中的液位高度，但最近，电容式感测法因测量的高准确度和分辨率变得流行起来。如果您曾用电容式液位感测法进行过设计，那么当您把自己的手向您的系统移近时，您可能看到错误的测量读数。这是由于传统电容技术在稳健性方面存在局限而造成的，特别是有人手等任何外部寄生电容干扰时上述情况更容易发生。例如，不妨想想用液位感测法来确定每杯咖啡所需水量的咖啡机。要烹制一杯完美的咖啡，您需要适量的水。如果一个人在咖啡机运行时与其进行交互，那么人体的寄生电容干扰就会中断咖啡的混合。

在本文中，笔者将谈论传统的液位感测方法以及由TI提出的一种新方法 —— 被称为异相（OoP）技术，使用FDC1004电容数字转换器。这种新方法可提供必要的屏障，以尽量减少干扰，同时最大限度地提高系统信噪比和整体稳健性。

图1展示了典型的液位感测应用设置。

图1：液位感测设置

传统方法

传统方法采用平行手指拓扑结构：一个电极由激励信号驱动，另一个电极连接至接地（GND），如图2中左边所示。以GND为参考的电极存在的问题是，水具有电压电势差。当手接近装有液体的容器时，一种附加的寄生电容被引入到模型，自体电容会直接与水的电势差耦合在一起。这可以导致误测偏差和系统不准确。 

图2：传统方法与OoP方法

OoP技术

OoP技术依赖对称的传感器布局，还以独特的方式利用FDC1004电容数字转换器上的屏蔽驱动器来抵消人体电容的影响，并使测量值稳定。有了OoP技术，通过采用差分电容测量法，液体电势可在激励/驱动阶段保持恒定，从而能从测量值中消除人体电容的影响。OoP技术不使用GND电极，而是让CINx电极与SHLDy电极配对。CINx和SHLDy具有相同的波形，但二者180度异相；通过将FDC1004置于差分模式配置中，这是可能实现的。

笔者收集了用电容式液位感测TI设计参考设计测得的手干扰电容测量值，并将该参考设计与使用相同尺寸电极的传统方法进行了比较。图3展示了测试设置，参考设计在容器上，并连接至FDC1004评估模块（EVM）。表1展示了水位高度为5cm、人手离容器前部的距离固定时的电容测量值。当手直接接触容器（手的距离为0cm）的时候，如果采用传统方法，基于基线读数（手未在系统中出现时的读数）的电容变化会是采用OoP技术时的20倍。如果采用OoP技术，计算的液位绝对误差会从大约9％（采用传统方法时）降至大约0.4％。在系统的全范围（0至8cm的液位高度）内，OoP技术的总体绝对误差大约为0.5％。

图3：使用电容式液位感测TI设计参考设计的测试设置

表1：OoP与传统液位技术对比

任何电容式液位感测系统的稳健性均至关重要，以确保可靠性和准确性。与传统方法相比，OoP技术可减轻任何外部寄生电容的影响。尽可能对称的传感器布局将最大限度地提升该技术的性能。

其它资源

l  进一步了解电容式感测。

l  查阅《电容式感测：异相液位技术》应用手册。

l  开始使用TI的“电容式液位感测”TI设计参考设计。

l  立即用FDC1004 EVM启动您的设计。

l  阅读更多有关电容式感测设计的博客文章。

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