油位传感器相关计算

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。

1. 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11

30.5232768

Y T us =

=…………………………………………①

2.TP1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t W 是暂稳态的停留时间，即电容C 的电压从0充电到

2

3

VCC 所需的时间。根据电容C 的充电过程可知： 2

(0)0 , () , u (t ) , ,3

C C CC T C W CC U U U U U RC τ+=∞====

12()(0)t 113 1.1()C C W C T

U U RC n

RC n R C U U +∞-===∞-………………………………………….. ②

代入电容、电阻值可得最大、最小t W 时间

3132t 1.1*100*10*30 3.3t 1.1*100*10*909.9W W us us

====最大时间为9.9us ，最小时间为3.3us

3. 方波占空比=

1

t W

Y T , 电容最小占空比=1

1t W Y T =

3.30.10830.52

= 电容最大占空比=

2

1t W Y T =

9.90.324530.52

=………………………………………………③ 4. 555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max v =4.5V ，低电平是min v =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()v t

10001max min

211

()2

((sin sin 3sin 5...))350.152

W s s Y s t v v t v w t w t w t T v v v π-=++++=+

…………………………④

60.4

5

0.97624960.4

=+………………………⑤

由④⑤式02Y

w T π

=

=205871Hz

分析R14，,C3组成的低通滤波电路可知截止频率

36111010*10*10*10

H w RC -=

==Hz 分析R15，,C2组成的低通滤波电路可知截止频率

36111000100*10*0.01*10

H w RC -=

==Hz

所以()v t 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212

W s Y t v T -21

2W s Y t

v T 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(3v 为555输出电压)

根据以上电路可知14317R C R i i i =+，列出电路微分方程的零状态响应

如下：

314141414173R R R v v v dv

C R R dt

-=+

代入数据化简得：14

314142()0.2

R R R dv v v v dt

-=+………………………….. ⑧ 1431420.233R R dv v v dt

=+……………………………………………………….. ⑨ ⑨是一个非齐次微分方程，微分方程包括特解和通解

31

0.20.2

14

333222333

t t R v v v e v e --=-+…………………………………………………………. ⑩ 同理可得电路零输入响应,由R17与C3组成零输入回路

1730R C u u -=

3173

30c c dv R C v dt +=代入数据（3c v 初始状态电压为32

3

v ）解齐次微分方程可得： 1

0.2

3323

t c v v e -=…………………………………………………. ⑪

联合零状态⑩和零输入⑪的电路全响应

310.20.2

14

333222333

t t R v v v e v e --=-+，推出t 时间较短14323R v v =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

5. 后级放大电路