作者：Ron DeLong，Brian Thorsen，Grek Richmond

電場成像器件IC（MC33794）

如今，設計工程師在需要非接觸探測和三維（3D）電場成像的嵌入式系統中使用MC33794，可減少系統所需器件和成本。這款IC支持微控制器及多達9個簡單的電極。這些電極均可獨立使用，以提供在微弱電場中的物體尺寸和位置等信息。

下文描述了利用此技術如何無干擾地測定液體高度。

水的檢測

電場成像技術非常適合于非導電容器內液體高度的測定。測定工作可以在容器外完成，而且測量時無需內部或接地結構。這種方法可以測量任何介電常數的導電液體，或者介電常數比一般值大很多的非導電液體。

水的測定可以通過放置于容器外的電極來完成。水存在與不存在的靈敏度是由透過水的電場強度和未透過水的電場所決定的。簡單地說，兩塊電極可以放置于容器的兩邊，電場會穿過這個中間區域，探測到是水還是空氣。這個區域的電流量是由多少電場流經水和多少沒有決定。

這種簡單方法的問題是：隨著電極之間距離增大，電場的強度（V/m）會隨之減小，最終的結果是電流變小。隨著穿透容器距離的增加，靈敏度也開始下降。

另一種方法是測量放置于容器外的兩相鄰電極之間的彌散場。在某些情況下，這種方法要比容器兩側電極測量的方法更有效。

測量實驗

我們決定使用 Motorola的MC33794電場成像器件評估套件研究這種方法。圖1為實驗設備的示意圖。使用粘性銅帶作為電極，可以在銅帶上直接焊接，然后作為帶子繞在試管上。試管為本地塑料供應廠提供的透明聚氯乙烯管（PVC）。評估模塊的EFLD程序和模塊本身使實際建立電場測量系統非常容易。

圖1 電場水層檢測設備圖

首先使用自來水，加水到不同的高度，從屏幕上讀出電極的輸出數值。如果銅帶相隔2英寸放置，結果會產生一條水平面和銅帶的關系曲線。如果銅帶相隔減少為1英寸和1/4英寸，則會相應得到不同的曲線。

如果向水中加入鹽，增加其導電性，同樣會得到不同的曲線。上部電極的測量曲線如圖2所示。

圖2 讀數和水高度的關系曲線

測量過程的實現

MC33794芯片內部是一個正弦波發生器，它的頻率可以通過一個連接在IC引腳上的電阻加以調整。使用時，它的頻率通常被調整在 120～130kHz的ISM波段范圍之內。這個5V p-p信號通過IC內部的22kΩ電阻，然后再通過一個模擬開關后，被反饋到一個電極引腳上。由于內部電阻上電壓的回落，該引腳上信號的幅度就會隨引腳輸出電流而降低。IC內的探測器將這個交流電壓轉化成直流電平。在評估模塊中，模塊控制單片機的8位AD轉換器將這個模擬信號轉換成8位的數字。當計算機發出請求后，這個帶有RS232 IC的單片機就通過COM口把測得的數值返回給計算機。EFLD程序把這個值轉換為0～255之間的十進制數，并顯示在屏幕上。同時，還能產生與液體高度相關的模擬條狀圖。

在一次測量中，只選擇一個單獨的電極引腳。所有其它的電極引腳都通過IC內部開關連接到IC的地線引腳上。從電極引腳流出的電流必須經過一個完整的回路后，回到IC的地線引腳上。可以利用連接到地線引腳上的目標或者是通過其它的電極來完成這個工作。IC的地線引腳需要連接到地線層上，連接到這個引腳的路徑并不要求是直流路徑。但是，這個路徑必須能夠在120kHz的操作頻率下傳送電流。在整個電源主體部分中，通常都可以發現一條從電源供給端到地線的回路。其重點是任何一個通過IC的交流回路都能提供電流并改變讀數。所以要做的一個很重要的事情就是要減小這種“雜亂”的路徑，而盡可能獲得由你所要測量的目標物所帶來的較高百分比的測量值變化。在我們的測試設置中，提供給從電極引腳流出電流的最近返回路徑是將其連接到臨近的電極上得到的。

我們之所以能夠“看到”管子內部的液體是由于兩個電極之間存在著彌散邊緣電場。如圖3所示，表示了兩個導體之間端到端的直接電力線和電極之間的一對彌散電場電力線。該圖還表明了為什么我們希望通過遠離兩個電極來獲得更大的測量值結果。可以在圖2中看到實際的測量值。與圓柱內水面的上升相對應，在電極間距為2英寸時，得到測量值的變化總量為18，而在電極間距為1/4英寸時，得到的總量為15。

圖3 邊緣電場與電極間距的影響

對實驗結果的分析

可以看到圖2中銅帶間隔為 1/4英寸所對應的曲線要比相距2英寸所對應的曲線低。這是因為電極相距越近，電極間的固有電容就越大。這意味電極的負載越高所得讀數越低。在水面上升并超過電極的過程中，如果銅帶間隔越小，曲線的變化率越大。

當水面高度位于兩個電極之間時，水柱的變化和曲線變化有較好的線性關系。這意味著可以在水柱周圍放置多個電極，通過觀察哪些電極測得的值在某一參考值之下來定出水面的位置;如需更加準確地算出液面的位置可以采用線性內插法。

當水中加鹽時，對曲線整體形狀變化很小，僅向左平移。在離電極稍遠處，曲線的變化已經很大了。在鹽水到達電極高度之后，曲線幾乎保持不變。這樣的結果主要是由于加鹽后液體導電能力增加引起的。當我們改用石油（介電常數＝2.1）來做實驗時，液面上升引起邊緣電場的變化不足以被探測器探測到， 至少一個8位的AD變換數值分析器不能探測出來。

一個更好的用于探測低介電常數和低導電率液體的方法是：讓盡量多的電場都通過被測液體。要獲得最大靈敏度通常要求電極浸入液體中，但是電極與液體的接觸通常是應該避免的。直流電或直流電引發的化學反應都會使讀數產生錯誤。如果電極與液體的直接接觸不可避免，可以在電極和IC之間串接一個10nF的電容來消除直流影響，如圖4所示。

圖4 串接10nF電容消除直流影響

針對不同液體的測量可能采用不同的電極，電極的電容應控制在50pF左右。包括IC引腳，印刷線路板，引線和其它雜散電容在內的整個系統總電容必須嚴格控制在100pF之下，最好能保持在75pF以下。這個電容值能使系統與MC33794芯片很好地匹配。在測量距離大時應使用大電極，距離小時用小電極。

采用MC33794和簡單的電極，加上一個MCU就能使設計者輕松地進行3D 成像和檢測。除了測量液面高度外，系統還能夠檢測有無液體溢出或者測量濕度。比如，可以用于控制火爐在液體沸騰時自動降低功率或者關閉。

組件信息

◇ 最佳工作頻率為120kHz使用純正的可調正弦波發生器;

◇ 多達9個測量電極和2個參考電容;

◇ 屏蔽驅動可減低較長同軸電纜上的電容影響;

◇ 帶觸摸指示燈驅動;

◇ 有上電復位、內置看門狗、電源和ISO9141物理層通信接口等支持MCU的信號。

上面的實驗是Motorola MC33794評估模塊的應用實例。該模塊包括一個已有程序的MCU和在測量中必須使用的軟件。利用KIT33794DWB開發工具包可以幫助開發者縮短研發周期。該開發工具包包括：技術文檔、軟件光盤、MC33794芯片、Motorola 68HC908GY4單片機、輔助器件和 RS232串行驅動芯片。

責任編輯：gt