CN109690262A - 快速响应的电容性流体水平位传感器 - Google Patents

Abstract

一种电容性传感器组件，用于通过由射频差分电压源驱动的电容性元件引起的阻抗变化来感测流体储存器内的流体水平。芯片具有一对具有相反相位和类似幅度的电压源，所得到的电容变化经由电容性分压器布置表示为变化电压输出。还将具有LC电路的反馈回路施加到所接收的电压以保持相同的值，从而补偿用相同的传感器配置测量不同的流体或者随着油老化而发生的油的介电常数老化/酸化变化。

Description

快速响应的电容性流体水平位传感器

相关申请的交叉引用

本发明专利申请根据35U.S.C.第119(e)条要求于2016年8月17日提交的申请号为62/376,186的美国临时申请的优先权。

发明领域

本发明涉及电子电路和系统。更具体地，本发明涉及在流体检测应用中使用的电容性感测电路。

背景技术

在用于汽车应用的众多类型的流体水平位传感器中，电容性流体水平位传感器是形状和尺寸最简单的传感器之一。因为其他传感器需要浮动机构或者按照水平位增高或降低而开关的一系列开关。电容性传感器不需要浮动机构或一系列小型开关，而是在普通PCB上简单实现电极的印刷图案，因而设计和实现简单且紧凑。基于电容性的流体传感器基于给定电介质内的电容的变化。随着流体水平位沿传感器的电容板的大致垂直的电极变化，传感器的电容器的电容量增大或降低。该电容量现与流体水平位成比例。

基于电容性的流体传感器在汽车工业中(例如在发动机、变速器、齿轮箱和燃料箱内)具有实际应用。基本上在需要确定给定部件或机器内的流体水平位的任何地方。由于这些传感器的电容特性，它们向用户或处理芯片提供实时数据。

尽管具有最简单的设计和应用，但是传统的接触/浸没在油中的基于电容性的流体水平位传感器具有若干问题。首先，当流体由一种流体变为另一种流体时，传统的电容性流体水平位传感器无法测量相同的流体水平位，因为这些流体可具有不同的定义电容量的介电常数因而电容与水平位成正比。此外，由于流体的选择取决于使用者，因此介电常数取决于使用者对流体的选择。另一个问题是，随着电介质的温度变化，介电常数的值也会发生变化。许多现有传统设计的电容性流体水平位传感器无法解释介电常数值的变化、温度摆动或用户选择从典型矿物油到合成油的任何类型的发动机油，其相对介电常数可以在2到4之间变化。

此外，传统的接触/浸没在油中的基于电容性的流体水平位传感器的其他问题是，随着时间的推移，介电常数的值和流体的电阻率通常由于劣化而改变，劣化由金属碎屑、黑碳的积聚或发动机的燃烧燃料的化学物质侵入而引起的发动机油的酸化导致。此外，传统的基于电容性的流体传感器不能补偿在其他汽车应用(例如挡风玻璃清洗液的流体水平位感测)中由于发动机罩下的恶劣环境而导致的改变介电常数值的外来污染物。

传统电容性传感器的源阻抗非常高，因而EMC设计非常困难，这样，传统的电容性传感器具有超过任何其他类型实现的高噪声基底。因此，由于高的源阻抗，无法容易地排除输入噪声。因此，高的源阻抗导致传感器的输出具有高水平噪声且变得不稳定。例如，由DC电源供电的单个电容器的阻抗基本上无穷大。因此，传统上以10Khz范围内的频率驱动频率。

因此，期望具有能够补偿介电常数值的这些变化、具有使用由高RF频率驱动的传感器的多功能性并且提供精确的流体水平位测量的传感器。

发明内容

在一个实施例中，公开了一种用于电容性流体水平位传感器的装置，该装置包括处理器芯片，其结构具有LC差分谐振器和用于解调RF信号的相敏整流器对。所述芯片配有由LC振荡器形成的具有相反相位和相似幅度的电压源对(也称为差分电压源)，差分RF电压源将来自传感器的电容变化的慢信号调制为RF信号。还应用具有LC电路的反馈回路以维持恒定的传感器信号值，以补偿油变为其他类型或随着油老化而发生的油的介电常数的老化/酸化变化。

在另一个实施例中，公开了一种用于平衡电容器的装置。芯片也配有具有相反相位和相似幅度的电压源对。电容器对以这种方式连接到该电压源对以平衡系统。平衡是指，相同的输入电容量等于具有平衡电压对的相同输出电容量。电容器的平衡与定义零信号点和测量油位有关，而与油的介电常数无关。

在又一个实施例中，公开了一种用于两对电容器的装置，两对电容器在空气中平衡但在其中一个浸没在流体中时不平衡，使得电流转换桥可以检测不平衡电容量，并被馈送到处理器芯片。电容器的平衡与定义零信号点和测量油位有关，而与油的介电常数无关。电流转换桥包含分压器，以匹配适合处理器的电压和相位电平。

在又一个实施例中，公开了一种用于由具有4Mhz射频(RF)频率的差分AC电压源驱动的传感器电桥的装置。该电桥包括分压器，该分压器具有提供单个差分输出的无源元件对。电路由两个电压源供电，并可具有一对电感器，一对电阻器和/或一对电容器。电路可以包括一对在漏极之间具有桥接元件的N沟道晶体管。桥接元件为电感性、电容性和电阻性传感器应用提供差分输出。通过测量电桥的差分输出，可以确定流体水平位。

在又一个实施例中，公开了一种具有由具有4Mhz射频(RF)频率的差分AC电压源驱动的传感器电桥对的装置。电路配置用于检测传感PCB板的传感电容器和参考电容器的差异，并由差分电压源驱动，以便获得流体水平位的比率度量读数，而不管流体、温度的变化或流体的酸化。通过分解那些常见模式(例如介电常数、温度或机械影响的变化)，传感器的比率度量实现允许具有相同的传感器输出，而不管流体的类型如何。

附图说明

参考附图结合阅读后面的详细描述，其中在所有若干视图中相同的附图标记指代相同的部分，附图中：

图1A是根据本文所示和描述的一个或多个实施例的由差分LC振荡器实现的相位相反的电压源对的电路图；

图1B是根据本文所示和描述的一个或多个实施例的具有偏置电压的电流转换桥式电路的图，其中传感器电容器连接相位相反的电压源；

图1C是根据本文所示和描述的一个或多个实施例提供了来自一对电流转换桥式电路的、用于也适用于电感性传感器应用的信号处理器的正弦信号和余弦信号对的图；

图2示出了根据本文所示和描述的一个或多个实施例的电容性电流转换桥式电路，其电源电压等于零并且指示输出电压与零附近的差分电容成比例；

图3A和3B分别提供了根据本文所示和描述的一个或多个实施例的与根据本发明的流体水平位检测原理有关的电容性分压器电路的I相和Q相的图；

图4A和4B示出了根据本文所示和描述的一个或多个实施例的电压-电容器传感器组件的连续I相和Q相实现物理布局图，其中用于Q相信号的基础电容器可以是芯片电容器或浸没式PC板电容器中的任何一个；

图5A和5B分别进一步示出了根据本文所示和描述的一个或多个实施例的被集成到相关的处理器芯片中以用于生成所需正交信号的可变电容器第一层上的I相和第二层上的Q相；

图6是根据本文所示和描述的一个或多个实施例的用电场线形成的数字电极间电容的截面图，例如用于防止相关处理器浸没在其中的油液粘在电容器板的厚度之间，从而提高感测速度和相关的响应时间；

图7A是根据本文所示和描述的一个或多个实施例的具有相位相反的电压源的平衡电压对的不平衡电容器对的电路图；

图7B是根据本文所示和描述的一个或多个实施例的有单个控制电容器插入并具有相位相反的电压源的平衡电压对的平衡电容器对的电路图；

图7C是根据本文所示和描述的一个或多个实施例的有两个控制电容器插入并具有相位相反的电压源的平衡电压对的平衡电容器对的电路图；

图8示出了根据本文所示和描述的一个或多个实施例的具有菱形设计的传感器布局；

图9示出了根据本文所示和描述的一个或多个实施例的菱形设计参数；

图10示出了根据本文所示和描述的一个或多个实施例的传感器上的连接器引脚布局；

图11示出了根据本文所示和描述的一个或多个实施例的PCB上的电路布局；

图12示意性地示出了根据本文所示和描述的一个或多个实施例的具有差分LC振荡器和戴维宁等效电路的LC电感性传感器；

图13示意性地示出了根据本文所示和描述的一个或多个实施例的具有带电流吸收器的差分放大器以形成桥式电路的电流转换桥式电路；

图14A示意性地示出根据本文所示和描述的一个或多个实施例的图13的转换桥式电路，其中图13中的阻抗被桥接阻抗元件代替；

图14B示意性地示出根据本文所示和描述的一个或多个实施例的图14A的戴维南等效电流转换桥式电路；

图15A示意性地示出根据本文所示和描述的一个或多个实施例的图14A的具有四分之一电桥的差分阻抗电流转换桥式电路；

图15B示意性地示出根据本文所示和描述的一个或多个实施例的图14A的具有四分之一电桥的差分阻抗电流转换桥式电路；

图16示意性地示出根据本文所示和描述的一个或多个实施例的图14A的具有四分之一电桥的差分电容性电流转换桥式电路；

图17A示意性地示出根据本文所示和描述的一个或多个实施例的不带具有两个可变电感器的中心抽头的差分电感性电流转换桥式电路；

图17B示意性地示出根据本文所示和描述的一个或多个实施例的不带具有四个可变电感器的中心抽头的差分电感性电流转换桥式电路；以及

图18示意性地示出根据本文所示和描述的一个或多个实施例的差分电容性电流转换桥式电路的比率度量输出。

具体实施方式

本申请的电容性传感器是用于检测流体水平位的装置，例如在一个非限制性应用中结合到车辆油箱中作为流体水平位指示器。如将进一步描述的，现有的处理器芯片用于在同一传感器系统中通过耦合电压的测量来测量电感的原理，如在电感性旋转传感器中那样确定其它量(例如位移)，部分地寻求利用这种现有技术，并且取代电感性测量，通过电容到电压的转换提供相同的功能。

如将进一步描述的，该流体水平位传感器教导输入具有相似幅度的相位相反的电压信号，这些信号被输入到与可变电容器对(其空间排列的板浸没在目标流体中)连通的芯片。流体)。所得到的电容变化通过电容性分压器布置表示为变化电压输出。以这种方式，通过电容器分压器布置由所感测的激励产生的变化电压获得电容变化的测量值。

对应的电流转换桥式电路转换出相位相反的电流(作为各正弦和余弦信号)，其中电容器之间的差分量表现为电压(通过Rsen)。还将带有LC电路的反馈回路施加于接收电压，保持恒定值，以补偿随着油老化产生的介电常数的老化/酸化变化。

另外，如将进一步描述的，本文公开的流体水平位传感器教导了使用控制器电容器控制不平衡电容器对、电压对或控制寄生电容。控制器电容器与电压对通信并设置为使得电压对的相反支路控制附加电容器。此外，可以存在两个附加控制电容器，每个控制电容器由电压对的相反分路控制。

另外，如将进一步描述的，电流转换桥式电路的电桥结构被配置用于差异测量以获得最大信息，使得当非差异具有特定信号和非信息的普通信号时，仅提供差异信息。此外，由于所有共模信号都被分解出来，因此使用相同的传感器配置测量不同介质的比率度量测量。具有比率度量测量的电流转换桥式电路不仅允许实现电容性传感器，而且允许感测架构内的电感性传感器和电阻性感测。

考虑以上所述，并参考所附图示，图1A示出了提供给LC电路并最终提供给处理器芯片(在后续示例中用74标记)的相位相反的电压源对的电路10的图，在一种变型中处理器芯片包括电感性传感器芯片，且已知当应用于多种车辆应用(包括线性/旋转踏板位置、燃料水平等)时，与磁传感器相比，其能提供优越的坚固性和寿命周期。尽管未示出，但是现有的电流电感性传感器还可以包括小型处理器芯片或PC板，其上设置有信号处理部件，其中电感性输入功能包括例如支撑在发送和接收线圈的布置之上的铝转子。

与芯片相关的可变电容器对还可包括浸没在流体(例如油)介质中的空间排列的板，以便根据本发明的教导提供流体水平位读数。图1A中的电路10还示出了相位相反的激励电压源对12和14，它们位于与电感性传感器驱动电路18的LC谐振器相关的电容器16的相反侧，电感性传感器驱动电路18的输出通过检流计20提供为跟踪电流(通常低于1mA)，以便接下来转换为变化电压输出。

图1B是具有偏置电压的电流转换桥式电路22的图，其中传感器电容器对(可变电容器Csen24和电容器C_REF26)连接相位相反的电压源12和14，这些电压源的幅度对于所有驱动频率(例如包括从几百Khz到几十Mhz的非限制性范围)是相同的。在此布置中，可变电容器24成为通过电阻器30送出一定量的激励电流28的电流源，而另一个电容器26通过电阻器34产生激励电流32。

电流转换桥式电路结构运行以转换出相位相反的电流，其中电容器之间具有差分量，所得到的感测电流36对应于差分电流，该差分量通过电阻器36表现为电压38，图1C提供了例如来自图1B所示的电流转换桥式电路对的一对正弦信号40和余弦信号42的图，用于也适用于电感性传感器应用的信号处理器芯片。

图2示出了图1B的电容性电流转换桥式电路44。设定为等于零的源电压指示在大约零读数处的与差分电容36'成比例的输出电压38'。

图3A和3B分别提供了与根据本发明的流体水平位检测原理相关的电容性分压器电路的I相图46和Q相图48(对应于由反相电压源对产生的正交信号，检测到的信号代表电压的差别)。首先参见图3A，可变电容器对50和52由通过电阻器54和56馈电的反相的电压源58和60驱动，并进而使得采自电阻器64的电压62开始增加并且在相位曲线(一并参见图1C中的正弦图40)的中心处达到最大值，随后在中点之后减小，使得电压62(Vi)表现为正弦信号。

进一步参见图3B的Q相图48，流体水平位的增加对应于通过衍生的基础电容器66(与可变电容器52并联)馈送的初始电压，电压68减小并且在中点处变为零(一并参见余弦图42)，然后随后反相减小，电压68(V_Q)表现为余弦信号。在此布置中，电容66表示传感器(可变)电容器50和52的最大差分电容。

图4A和4B示出了电压-电容器传感器组件的连续I相和Q相实现的物理布局图70和72，如图1和图2的电容分压器相位电路46和48中一般性描述的。如图3A和3B所示，其中用于Q相信号的基电容可以是芯片电容(例如在5pF范围)或浸没式PC板电容器中的任何一个，如图4B中74处的阴影模型所示，应理解为浸没在储油器或其他流体容器中，例如但不限于图5B。如前所述，物理层可以如图所示用于产生正交信号。用于Q相信号的基极电容器66也可以与电容C152和CO50的类型相同。

图5A和5B进一步分别示出了被集成到相关的处理器芯片74中以用于生成所需正交信号的可变电容器第一层76上的I相和第二层78上的Q相。如先前通过一个非限制性示例所描述的，每个信号的最大差分电容可以设置为大约5pF(皮法)或更大，并且基础电容器(C_B)可以表示最大差分电容。还应理解，所示的布局仅代表电容板结构的一个可能的示例，这也设想为每个电极提供的简单条带，以便与平面外电容相比最小化面内电容。

图6是数字电极间电容的截面图80，该电极间电容由接地指86和交替的电容器指88之间排列的电场线(参见场内电场线82和场外电场线84)形成，这有助于防止相关处理器浸入其中的油液粘在电容器板的厚度之间，从而提高感测速度和相关的响应时间。主要粘滞力导致间隙建立并且间隙处场内线82以相对高的密度存在，还应理解，当窄间隙填充有例如环氧树脂的涂层时，该区域将不会响应油交互作用，这进一步帮助减少信号错误。

如上述说明所进一步支持的，具有LC电路的反馈回路被施加到接收电压12/14以维持恒定值，以便补偿与目标流体(例如油)相关的介电常数的老化/酸化变化。还应理解，流体电容测量的困难在很大程度上是由于其老化/酸化导致的流体介电常数的这种变化。接收电压上的反馈回路基于所建立的函数维持恒定值，其中激励电压12/14被改变以保持输入信号恒定。

校正反馈回路的附加变化可包括利用采样机构，该采样机构表现出比允许减小输入信号所需更高的分辨率，同时在激励电压达到其极限时仍保持输出分辨率。在一个非限制性示例中，这种控制可以提供关于给定流体类型的介电常数的更大因子或四范围(4x)。

在流体应用中平衡与介电常数相关的RF电容器传感器是重要的。电容器的平衡将定义零信号点，从而允许测量流体水平位而不管流体的介电常数如何。这一点很重要，原因很明显，例如由于温度、厚度、流体击穿引起的介电常数的变化等。平衡电容器对需要与具有平衡电压对的输出电容(Q_OUT)相同的输入电容(Q_IN)。

如图7A中的电路100中所示的不平衡电路示出了由于控制中继和电容器板的几何形状，电压V_sen122大于零。图7A中的电路100还示出电阻器103和相位相反的电压源对，即正相电压102和反相电压104。相位相反的电压源102和104因此产生平衡电压对106，其中V_IN＝-V_OUT。还示出与相位相反的电压源102和104连接的电容器对C_IN 108和C_OUT110以及与电容器C_IN108并联并由正相电压源102在联接点117驱动的附加控制电容器C_crtl1114，这样形成不平衡电容器对112，其中V_sen122大于零。

图7B是平衡电容器系统124的电路图120，其中V_sen122等于零。图7B中的电路120还示出了电阻器103和相位相反的电压源102和104，相位相反的电压源102和104因此产生平衡电压对106。还示出平衡系统124，平衡系统124具有与相位相反的电压源102和104连接的电容器对C_IN 108和C_OUT 110以及与电容器C _IN 108并联但是由反相电压源104在联接点118驱动的附加控制电容器C _crtl1 114。这允许通过电压对对不平衡的电容器对进行平衡。换句话说，由反相支路驱动的控制电容等于电容器对的不平衡部分。这可以通过以下等式表示：

等式1：C_INV_IN+C_ctrlV_OUT＝C_OUTV_OUT

等式2：(C_IN-C_ctrl)V_IN＝C_OUTV_OUT

使用上述等式可以将控制电容器添加到电路122以平衡电容器，其中C_IN大于C_OUT。通过添加控制电容器和将控制电容器布局到电压对的反相支路适用同样的原理，V_sen等于0。

然而，通过添加单个控制电容器，可能产生寄生不平衡。为了抵消任何寄生损耗或杂散电容，可以在任何电压对中添加第二控制电容器。图7C示出了电路130，其具有所添加的与C_IN 108并联的附加控制电容器C_crtl2116，并且类似地在联接点132处连接到正相电压102。通过插入控制电容器的平衡可以通过以下等式描述：

等式3：C_IN V_IN+C_ctrl1V_OUT＝C_OUTV_OUT+C_ctrl2V_IN

使用定义V_OUT＝V_IN时，等式3变为：

公式4：(C_INV_IN-C_ctrl1)V_IN＝(C_OUTV_OUT-C_crtl2)V_OUT

应当理解，可以将C_crtl2添加到任何不平衡电容，例如导线和连接器的寄生电容。

如图8中所示，示出了驱动器和驱动器的布线的菱形布局148(由长线和短线图案示出)。此外，图8示出了正交信号平衡布局，其具有由电压对102，104驱动的余弦和正弦电容器对150和152；然而，应该理解，也可以使用其他信号平衡和其他驱动器。此外，在传感器148的该最终组装中，调谐垫154，156可能是必要的，以平衡最终系统。平衡机构可以是之前未用的平衡机构相同，即使用连接到相位相反的电压对102，104的滑动调谐电容器154，156。此外，如调谐垫154，156与电压接合垫166，168间的距离X_crtl 162和Y_crtl 164所示，调谐垫间的重叠或距离形成所需的电容，以平衡系统。具体地，正相电源102通过导线160与电压接合垫168连接，电压接合垫168与调谐垫156间的距离为Y_crtl。同样，反相电源104通过导线158可操作地连接到电压接合垫166，电压接合垫166与调谐垫154间的距离为X_crtl。

图9示出了在菱形平衡中和导线中，两电源线102，104间的距离应该比信号线154，156间的距离小。应当理解，只要可以如图所示在连接线上画出菱形，信号与任何相的电源线之间的耦合是相同的。当可以形成菱形时，若距离ΔY 172大于或等于ΔX170，导线的中和可自动满足；然而，信号156，154之间的距离ΔY172应该在设计极限内尽可能大。应当理解，这种用于任何连接器导线集功能的菱形设计用于中和导线，而不管IDF或正交传感器类型如何。此外，菱形图可以结合到传感器PCB和连接导线集以抵消电性影响。

现重新参考图8，平衡系统的寄生损耗可能产生非预期的电容。因此，可以通过在每个信号驱动器150，156处分别使用调谐垫154，154和连接器导线集的菱形图148(由虚线和虚线表示)来控制寄生损耗。校准系统可在电容性不平衡存在的任何地方使用。此外，在该方法中也可以调整传感器板的不平衡。此外，可以以相同的方式完成连接器引脚和电路不平衡的调整。

图10示出传感器上的连接器引脚的布局。如图所示，将传感器146连接到电路176的导线符合菱形引脚图148，从而确保了信号解耦。如图所示，两电源线102，104之间的距离尽可能近180,182，而两信号线154,156之间的距离尽可能大178，184。此外，当竖向示出时，引脚布局可以是信号线被至少两条电源线隔开的任何配置。

图11示出传感器的调谐垫和驱动引脚的布局。菱形设计148在传感器的布局146中是明显的。再次，如图所示，两电源线102，104之间的距离尽可能接近，而两信号线154，156之间的距离尽可能大。此外，信号线垂直穿过电源线。

图12示意性地示出了具有差分LC振荡器和戴维宁等效电路的LC电感性传感器。LC电感性传感器200包括一对与漏极206之间具有桥接元件208的N沟道晶体管204。LC电感性传感器200还包括分压器210，其具有提供单个差分输出214的无源元件对212。此外，LC电感性传感器200包括一对电容器216，其中每个电容器并联连接并与一对电感器28和电阻器220连接，其中该对电感器28和电阻器中的每个电感器218和电阻器220彼此串联。尾电流222吸收晶体管对204和对应的漏端负载206。

如图所示，戴维南等效电路202取自电感器对28，使得等效源阻抗224a为R_sl＝Q[ω(L+Δ)+R]，等效源阻抗224b为R_s2＝Q[ω(L-Δ)+R]，此外，可以计算具有源阻抗和互补输出强度214的等效差分电压源V_m226和反相电压源V'_m228。戴维南等效电路202通过乘以因数Q对源阻抗224a，224b进行变换。因此，该电路用作阻抗放大器，其在电感检测电路中倍增检测量Δ。用于电感感测的输出210为应当理解，电路200和等效电路202的任何阻抗元件可以被放大Q倍，并且LC振荡器可以用作具有差分信号的传感器。应当理解，因子Q和I相具有相反的方向电流。此外，应当理解，电阻器、电容器或电感器的任何小变化都被放大为尾电流的两倍。

图13示意性地示出具有差分放大器的电流转换桥式电路230a以形成桥式电路，差分放大器带电流吸收器。尾电流232，234吸收具有相应漏端负载240，242的晶体管对236，238。晶体管236，238的漏极240，242之间的桥接元件允许漏极240，242的负载间的差分电流。因为漏极240,242在晶体管236,238之间加载，所以漏端负载是平衡的，所以没有任何电流通过桥接元件。然而，如果存在阻抗在漏端负载上产生不平衡状态，并且如果晶体管236,238接通，则将存在流过电桥的电流，其可被感测。

由此，通过使一个漏端负载保持相同而用具有与剩余的漏端负载匹配的阻抗的感测元件替换另一个漏端负载，例如但不限于电容性、电感性或电传感元件被配置为检测机械应变下的半导体或金属的电阻变化，转换电桥230变为传感电路。

转换电桥230a包括分压器246，分压器246具有一对桥接阻抗元件Z_br247，在阻抗元件Z_br247之间具有输出端V_out248。此外，转换电桥230包括阻抗Z+Δ250和Z-Δ252。阻抗250，252可以用桥接阻抗元件247代替，以成为分压器246内的桥接阻抗元件。

图14A示意性地示出图13的转换桥式电路230a，其中阻抗250，252被桥接阻抗元件247代替。晶体管236，238的电压输入237，239与电流源232，234及负载阻抗元件Z_br247互补。因此，转换桥式电路230b具有与图12中讨论类似的戴维宁等效电路。然而，在电流转换桥式电路230b中，由于分压器246和具有强阻抗(1/gm)的桥接阻抗元件247，电压输出248明显变弱。因此，在传感器应用中，输出电压248是差分的并且与差Δ成比例。

图14B示意性地示出图14A的戴维南等效电流转换桥式电路。在戴维南等效电路230c下，晶体管236、电流232和254a的阻抗246可以组合为具有电压源V_m264和源阻抗Z_s260的等效电路258a。类似地，晶体管238、电流234和254b的阻抗246可以组合为具有电压源V'_m266和源阻抗Z_s262的等效电路258b。由此，电压源264，266足够强，使得源阻抗260，262变得小于桥接阻抗250，252，使得输出电压248可以由以下等式确定：其中源V_m 264和源V'_m 266是差分幅度电压源对。

图15A示意性地示出图14A的差分阻抗电流转换桥式电路。具有四分之一电桥的电流转换桥式电路230d包括差分电压源270，差分电压源270包括电压源V_m264和电压源V'_m266。电压源264，266上的符号约定表示AC电压的相位。源阻抗Z_s260,262连接到电压源V_m264和电压源V'_m266。差分电压源270驱动包括阻抗对Z_ref+Δ272和Z_ref274的电桥。阻抗对272，274是一对电容器，但并不限于电容器，如下所述，还可以是电感器、电阻器和/或其他元件。分压器276在节点a286处连接到电桥，并包括阻抗对Z₁278和Z₂280。应当理解，阻抗对272，274可以是一对电容器、电感器、电阻器、其任何组合和/或其他元件。

差分阻抗检测阻抗对的差Δ＝(Z_ref+Δ-Z_ref)。当Δ和源阻抗Z_s260，262较小时,电桥节点a286处的输出282变为另外，节点a286处的电桥的输出电压282频率过高，通常为必须被衰减的延迟信号(相位滞后)，并需要调整相位。结果，电流转换桥式电路230c的分压器276用作无源网络以衰减和调整相位。应当理解，电流转换桥式电路230d可适用于用于解码差分信号的各种传感元件，包括电容、电感或电阻。节点b 288处的分压器280的输出284被引导到被配置用于LC振荡器的信号处理器290。

图15B示意性地示出图14A的差分阻抗电流转换桥式电路。电流转换桥式电路230e包括具有4Mhz频率和V_m幅值的差分AC电压源270。应当理解，差分电压源的频率可以大于或小于4Mhz。差分电压源270包括电压源V_m264和电压源V'_m266。电压源264，266上的符号约定表示AC电压的相位。

差分电压源270驱动包括感测线圈对L_ref+Δ292和L_ref294的电桥。线圈对272，274为一对电感器，且如前所述，并不限于电感器，还可以是电容器、电阻器和/或其他元件。耦合器296相对于感测线圈对272，274定位，使得耦合器296可以沿着感测线圈对272，274移动，使得耦合器的位置由电流转换桥的输出产生的差分信号在电桥节点a 286处检测，其中分压器276在节点a286处连接到电桥，并包括阻抗对Z₁ 278和Z₂ 280。应当理解，阻抗对278，280可以是一对电容器、电感器、电阻器、其任何组合和/或其他元件。分压器276根据信号处理器的要求提供适当的衰减和相位。

图16示意性地示出了图14A的差分电容性电流转换桥式电路。电流转换桥式电路230f包括具有电压源V_m264和电压源V'_m266的差分AC电压源270。电压源264，266上的符号约定表示AC电压的相位。差分电压源270驱动包括电容对C_ref+Δ300和C_ref302的电桥。分压器276在节点a286处连接到电桥，并且包括示为电容器Z₁ 278和第二阻抗Z₂280的阻抗对。应当理解，阻抗对278，280可以是一对电容器、电感器、电阻器、其任何组合和/或其他元件。

电容器C_ref+Δ300可以印刷在PCB板上并且与流体304接触。当流体304沿方向306上升时，流体304沿着感测电极对移动，由于电容变化Δ随着与电容器接触的流体304的水平位改变，使得差分信号输出端282在电桥节点a286处进行流体304的水平位的检测，其中分压器276根据信号处理器的要求提供适当衰减和相位。

应当理解，电容器C_ref+Δ300可以由分立元件代替，并且通过利用流体304的水平位沿着感测电极对移动，转换桥式电路230f将以相同的方式作用，从而由于变化Δ随着流体304的水平位改变，使得差分信号输出端282进行流体304的水平位的检测。

由于本实施例以4Mhz的频率运行，本领域技术人员应能理解，这是优于传统电容性传感器设计的优点。本实施例的频率是传统电容性传感器的近400倍，因此源阻抗比传统电容性传感器低400倍。因此，本实施例的电容性传感器具有明显更好的噪声性能。

应当理解，上述实施例不限于如上所述的差分电压源。在非限制性示例中，可以将具有中心抽头的LC振荡器电路变换为具有变换的串联电阻R和相量V_m的差分电压源。等效源阻抗R_s成为原始电路的Q倍R，并且可以根据Q和槽路阻抗来评估V_m。

此外，如果电感器没有用于供电的中心抽头，但是具有用于为电路供电的一对相同的电阻器，该电路功能将与具有中心抽头的电感器的电路几乎相同，但是将存在由于Q(供电电阻对的品质因数)的损耗导致电压摆幅降低。这种差分电压源结构是有利的，因为它利用供电电阻器对的微调，提供对差分电压对V_m和V'_m的适当平衡的校准，其本身比使用电感器更为容易。此外，该差分电压源结构是有利的，因为在某些应用中，可以降低Vout的平均电压以消除电路下游的偏置电压，比如在感测元件是导电元件时。

图17A示意性地示出不带具有两个可变电感器的中心抽头的差分电感性电流转换桥式电路。电流转换桥式电路310包括一对电阻器312，314、电容器324、尾电流330和两个电桥。最上面的具有节点317的电桥将第一电感器对316，318分开，其中电感器316具有变化Δ。第一输出V_out326取自第一节点317。具有节点321的下一个电桥将第二电感器对320，322分开，其中电感器320具有变化Δ。第二输出V'_out 328取自第二节点321。

由此，电流转换桥式电路310是没有中心抽头的LC电路，并且具有多于一组的感测线圈。感测线圈可以被分开，因为谐振器的电感具有双重功能。既是作为谐振器线圈，当用涡流板调制时则作为感测线圈。换句话说，输出V_out326可以取自感测线圈对316，318之间的电桥317，而输出V'_out 328可以取向两个独立且不同的感测线圈320,322之间的电桥321。由于此结构，可以在一个以上的储存器或罐中使用LC振荡器310。

图17B示意性地示出不带具有四个可变电感器的中心抽头的差分电感性电流转换桥式电路。电流转换桥式电路332包括一对电阻器334，336、电容器350、尾电流352和两个电桥。最上面的具有节点339的电桥将第一电感器对338，340分开。该电感器对338，340中的两个电感器都是可变的，但是该对电感器中的第一电感器338具有变化Δ。第一输出V_out346取自第一节点339。

具有节点343的下一个电桥将第二电感器对342，344分开。该电感器对342,344中的两个电感器对都是可变的，但是该对电感器中的第二电感器344具有变化Δ。第二输出V'_out348取自第二节点343。

因此，电流转换桥式电路332具有被配置为自两个不同的储存器或罐产生两个输出的两个LC振荡器。

如上所述，虽然没有中心抽头的LC电路差分电压源结构可以用在四分之一电桥中，但是这种结构也可以用于半桥和全桥结构。

现在参考图18，该图示意性地示出差分电容性电流转换桥式电路的比率度量输出及图16差分电容性电流转换桥式电路230f。电流转换桥式电路354包括电路230f和电路230g。电流转换桥式电路230g包括具有电压源V_m358和电压源V'_m360的差分AC电压源。电压源358，360上的符号约定表示AC电压的相位。差分电压源驱动包括电容对C_oil 362和C_ref1364的电桥。分压器在节点366处连接到电桥，并包括示为电容器C₁ 370和第二阻抗Z₂372的阻抗对。应当理解，阻抗对370，372可以是一对电容器、电感器、电阻器、其任何组合和/或其他元件。电容器C_oil 362可以印刷在PCB板上并浸没在流体368中。输出V_ref378取自分压器节点374。

在该实施例中，可以通过获取差分电容性电流转换桥式电路230f的输出V_x356除以差分电容性电流转换桥式电路358的输出378的比率来产生比率度量输出380。输出V_x356测量流体水平位，而输出V_ref378产生参考电容值。C_oil电容器362的电极总是浸没在液体368中。通过确定输出356和输出378之间的比率，现可忽略流体类型、温度、共同噪声和电磁接口。

因此，根据上述的本发明的实施例，通过传感器板的RF频率运行或通过两个输出信号的比率度量处理这两种方式之一完成电感性感测中的降噪。

根据以上公开内容，本发明的电容性感测机构利用比率度量和差分概念以消除与非预期影响相关联的大多数变化，感测元件的差分结构进一步消除了大多数共模影响。其他考虑因素包括所呈现的两个信号的比率，以进一步降低共模影响。LC型驱动机构的使用进一步允许抗干扰性能以及来自驱动谐波的低发射。

应当理解，具有LC振荡器的电感性传感器可以用作电容性传感器的电流转换电桥对的一部分，当可检测到关于气体强度或任何流体水平位的适当的阻抗、电容变化时，这可用于检测流体水平位、流体质量、加速度、湿度、压力或一些气体强度。此外，LC电感性电路具有良好的差分电压源以驱动电桥或如图所示的改进的电桥，而以比率方式测量各个量，以补偿传感器装置的温度、电磁接口或机械变化。

此外，应当理解，可以用分立组件代替上述任何组件，包括但不限于电容器、电感器或电阻器。

上面已经描述了本发明，对于本领域技术人员来说其他和另外的优选实施例将变得显而易见，且不偏离所附权利要求的范围。

Claims (14)

1.一种用于确定储存器流体水平位的传感器，包括：

处理器芯片；

适于浸没在所述储存器内的电容器对；

与所述电容器对连通的具有相反相位的电压源对；以及

表示所述电压变化的分压器布置，所述电压变化作为由所述处理器芯片通过输出电阻器测量的变化电压输出。

2.如权利要求1所述的传感器，还包括：所述分压器是表示所述电容器变化的电容分压器布置，所述电容器变化作为所述变化电压输出。

3.如权利要求1所述的传感器，还包括桥接无源元件对，所述无源元件对是电感器对。

4.如权利要求1所述的传感器，还包括桥接无源元件对，所述无源元件对是电阻器对。

5.如权利要求1所述的传感器，还包括桥接无源元件对，所述无源元件对是电容器对。

6.如权利要求1所述的传感器，还包括：所述处理器芯片还被配置为用于通过感应提供流体水平位感测。

7.如权利要求1所述的传感器，还包括：所述电压源对的每个电压源具有相似的幅度。

8.如权利要求1所述的传感器，所述处理器芯片还包括反馈回路，其中LC电路被施加于所述接收电压以保持恒定值，以补偿所述流体的介电常数的老化/酸化变化。

9.如权利要求2所述的传感器，其中，所述电容分压器布置还包括电流转换桥式电路，用于将由所述电容器产生的电流转换为正弦/余弦信号，其中所述电容器之间的差分量表现为所述变化电压输出。

10.如权利要求9所述的传感器，其中，所述电流转换桥式电路包括形成桥式电路的差分放大器，所述桥式电路包括晶体管对，所述晶体管对具有作为漏端负载的无源元件对。

11.如权利要求2所述的传感器，还包括：所述电容分压器布置还包括用于对由所述电容器所产生的电流进行转换的电流转换桥式电路，所述电流转换桥式电路被配置为用于相对于参考值测量变化电压输出。

12.如权利要求10所述的传感器，其中，所述桥式电路可以是四分之一电桥、半桥或全桥电路。

13.一种用于确定储存器流体水平位的传感器，包括：

具有电压源对的差分电压源；

具有桥接无源元件对以产生差分信号的电桥，所述桥接无源元件对中的至少一个桥接无源元件被配置为用于与流体接触，所述电压源对与所述电桥连通；以及

分压器，被配置用于为将所述差分信号处理到处理器芯片。

14.一种用于确定储存器流体水平位的传感器，包括：

具有第一电压源对的第一差分电压源；

具有第一桥接无源元件对以产生差分信号的第一电桥，所述第一桥接无源元件对中的至少一个桥接无源元件被配置为用于与第一流体接触，所述第一电压源对与所述第一电桥连通；

第一分压器，被配置为用于将所述第一差分信号处理到处理器芯片；

具有第二电压源对的第二差分电压源；

具有第二桥接无源元件对以产生差分信号的第二电桥，所述第二桥接无源元件对中的至少一个桥接无源元件被配置为用于浸没在第二流体内，所述第二电压源对与所述第二电桥连通；以及

第二分压器，被配置为用于将所述第二差分信号处理至所述处理器芯片；

其中，所述第一差分信号和所述第二差分信号由所述处理器芯片作为比率处理。