油位传感器相关计算剖析.docx

油位传感器相关计算由于智能油位与普通油位在原理及计算很相近，本文仅计算智能油位的相关计算，计算仅仅参考交流，可能有错误和疏漏，希指正和交流，同时也继续在后续实践检验。前级电容采集、波形发生电路结构如下图：由上图有源晶振Y1输出32.768Khz方波信号作为555单稳态定时器的触发源，Y1输出占空比1：1的波形，幅值范围(0V-5V)晶振输出周期…………………………………………①TP1与PE端接探棒，探棒在实际液位等效电容为30Pf-90Pf，探棒电容值是油位传感器核心物理量，电容值与探棒的介质有关，空气基本可以忽略，相同介质电容值也就是探棒液位值的一个映射，它们是正相关。实际电路可以等效如下555定时器构成单稳态定时器模型555定时器构成的单稳态定时器模型根据555单稳态电路逻辑结构，输出波形的高电平仅与充放电电容C(探棒)、电阻R12相关。输出脉冲宽度tW是暂稳态的停留时间，即电容C的电压从0充电到所需的时间。根据电容C的充电过程可知：…………………………………………..②代入电容、电阻值可得最大、最小时间最大时间为9.9us，最小时间为3.3us方波占空比=,电容最小占空比==电容最大占空比==………………………………………………③555定时器输出是单稳态PWM波，再经过RC滤波可以有效除去高频高次谐波，得到稳定的直流模拟电压信号，方便信号处理及提高测量稳定性。555定时器输出波形是一个方波高电平是=4.5V，低电平是=0.15V的方波型号（参考上图）由于输出方波是非周期信号，经过傅里叶变换可以得到输出电压…………………………④………………………⑤由④⑤式=205871Hz分析R14，,C3组成的低通滤波电路可知截止频率Hz分析R15，,C2组成的低通滤波电路可知截止频率Hz所以傅里叶变换得到的高频包括一次wo、三次3wo、五次5wo及以上谐波全部大于1000Hz，经过RC两级滤波后仅剩下直流分量所以经过RC滤波后电压范围为-代入数据可得电压范围为0.5022V-1.5066V,其中0.5022对应探棒30Pf的输出直流分量电压，1.5066对应90Pf的输出直流分量电压(为555输出电压)根据以上电路可知，列出电路微分方程的零状态响应如下：代入数据化简得：…………………………..⑧………………………………………………………..⑨⑨是一个非齐次微分方程，微分方程包括特解和通解………………………………………………………….⑩同理可得电路零输入响应,由R17与C3组成零输入回路代入数据（初始状态电压为）解齐次微分方程可得：………………………………………………….?联合零状态⑩和零输入?的电路全响应，推出t时间较短近似成立，所以VR14的电压范围为0.5022V*2/3-1.5066V*2/3，即0.3384V-1.0044V后级放大电路由前分析opa2180的5脚输入模拟直流电压范围为（0.5022，1.5066），opa2180的A放大器是作一个电压跟随器，根R3、R4分压可得1脚电压恒为V，B放大器由R7、C1组成一个比例、积分放大器，而比例是电路的主要部分，积分部分主要是电容充放电，电容较小，作用是平波，除去高频噪声干扰，提高系统稳定性。比例部分由R7、R11组成放大器，有放大器高阻抗和反馈作用满足虚短和虚断定理，v5=v6，,，根据KCL节点电流定理和虚短可得即：…………………………………………⑥将⑥方程拉斯变换并代入数字可得………………………………………………..⑦由⑦式对输入v5高频信号有较强衰减作用，由于v5及vo电压在经过RC滤波后波形较为平坦，可以近似为直流，所以可以忽略微分项。……………………………………………………………………⑧前面推测vc3范围为0.3384V-1.0044V，后级RC滤波因R18开路，C2较少，对直流分量没有降压作用仅相当于平稳波形，v5电压范围也为0.3384V-1.0044V。由⑧方程可得vo在探棒在30pf到90pf时对应输出电压为-0.9248v-1.0732v，所以按最少30pf空壳电容值计算不符合原理，经实际测量800mm电容杆空状态时电容为60Pf左右，60pf-120pf输出电压为0.09V-2.236V符合理论计算与实践验证结果。