简单介绍一下应用背景。在一些工业场合，比如说油罐区，通常需要监测罐体密封效果是否理想。例如，双层罐整个罐体埋在蓄水槽中，内层罐用来存储汽柴油(或者液态化工剂)，内外层之间填充的是卤水(卤水吸潮，不会越放越少)，所以检测罐体是否破裂就转换成一个检测夹层内部液位高低变化的问题了。

　　图1：方案应用背景示意图

　　电容式液位检测原理：液体填充在极板之间，等效形成电容，液面浸没的多少会改变电容大小，从而间接反映液位的高低。

　　图:2：电容传感器原理示意图

　　原对比方案：

　　本案的原理不难，难点在于如何将电容转化为可用的信号。作为对比方案，跟大家分享一个失败的经验，算是我们走过的弯路吧。设计之初，我们采用搭建555电路的方式，将参考电容替换成电容式传感器，传感器随着填充介质的多少(浸没液面高低)，555电路输出不同频率的方波，通过输出频率的变化来反映液位高低。功能上可以实现，但是随之而来的问题是：温度的变化、人体的触摸都会带来数据上的漂移，分立器件也容易引入噪声。我们尝试过做温度和噪声上的补偿，但外围电路太多不易于集成。而且后期挂机发现555芯片的稳定性不高，方案的可靠性不强，用在工控，必须放弃。

　　优化方案：

　　摸索的过程不叙述了，选用了一套成熟电容检测方案。采用德国acam公司的PICOCAP®系列芯片实现对电容的直接测量，所选的PCAP01芯片内部集成DSP单片机，测量范围覆盖了从几fF 到几百nF，外围电路少，且自带内部补偿，有超低的增益和零点漂移。整个项目开发过程轻松加愉悦。

　　图3：PCap01电气连接图

Pcap01是一款带有单片机处理单元的专用电容测量的电容数字转换单芯片方案，其内部结构原理如图2所示。其前端转换单元是基于Acam公司的PICOCAP测量原理。这种转换测量原理提供了对于转换时间范围最小可达2μs的高精度时间转换。芯片内部带有一个48位DSP单元，这个处理单元将处理电容测量的信息，获得测量数据，并将结果送到芯片输出端口。所得数据将存放在内部RAM当中，而内部有OTP或者SRAM两种方法编写程序。

Pcap01有漂移和接地两种连接电容传感器的方式，由于本设计管脚资源充足，为提高抗干扰性，采用漂移连接法，电容传感器通过屏蔽线直接连到Pcap01，测得的电容值转换成数字值，精度最高可达21位有效位，可通过读取读寄存器中待测电容与参考电容的比率从而计算出待测电容值。实验设计量程为16～45 pF，而Pcap01可测量范围覆盖达到几F到几百nF，所以满足本设计对于测量范围的要求。

电容传感器数据可在芯片内部进行校准，然后通过SPI或者I2C数据串行接口进行传送。Pcap01带有标准固件，提供了20个配置和参数寄存器以及12个读寄存器。

　　PCAP01的工作模式在配置的时候，任何情况下，尽可能地配置为floating(漂移模式)。我们采用的是单一传感器的floating模式，测量发现，在不同的数据输出频率下，floating模式的测量精度跟有效分辨率都要高于Grounded模式。

　　参考电容Cref的选择通常没有特定的要求，但是用作传感器电容的参考最好与传感器实测电容在一个数量级上。如果电容传感器极板正对面积不是大的特别离谱，等效出的电容往往是在PF数量级的，所以按照经验在方案里选用10pf的参考电容。

　　然后值得一提的就是，PCAUX这个管脚。虽然这不是一个常用的配置管脚，但是如果需要测量大容量的电容(接内部放电电阻实测范围在0~30nf左右)就必须要用到这个引脚。这是由芯片测量电容的原理决定的，简单的说就是参考电容与Sensor连接到芯片内部的放电电阻构成一个lowpass滤波器。而内部的放电电阻阻值限制了这个低通滤波器的频段，因此，如果想要测量更高容值的电容就必须要通过PCAUX外接更大的放电电阻来实现。

　　最后就是电容Sensor的设计了。这是一个看似简单实则困难重重的设计。从若干实验过的方案中挑选其中两种供参考：一种是通过绘制电路板组成平行极板的电容Sensor。这种方式好处是机加工简单，不需要机械上做过多的配合。使用这种方式推荐绘制4层板，铜箔建议放置在中间层，如果铜箔与液体之间只有一层绿油，运输磕碰、长期通电等因素都可能造成Sensor的损伤。

　　图4：电路板组成平行极板的电容Sensor

　　在实验阶段这种Sensor放置在水、汽柴油等这种对固体浸润能力不强的液体中效果比较理想。但是如果在卤水等一些比较“粘稠”容易浸润固体的液体中，这个Sensor几乎不能用，原因是液体的“挂壁”会严重的影响电容测量的精度。

　　图5：液体“挂壁”浸润极板示意图

　　如果现场应用环境也像我们这样用在卤水中，这里还有一套方案，可以减少液体“挂壁”对容值测量的影响，那就是一种纯机械式的方案。次方案的内部极板外包裹疏水材料(聚四氟镀层、拒水涂层)，利用荷叶效应减少液体的浸润对电容测量的干扰。

　　图6：机械式电容Sensor实物原型

　　啰嗦了这么久，想面面俱到但能力有限，希望我的分享能够给在做基于电容数字转换器的项目开发的同学带来一点便利。

　　电容测试仪检测各种型号真空开关管，采用新型励磁线圈进行真空度的不拆卸测量。不仅具有使用方便、操作简便、不拆卸测量和测试精度高等优点，是一种实用的检测仪器，广泛适用于电力、钢铁、石化、纺织、煤炭、铁路等使用真空开关的部门。

　　1、采用侧附式新型电磁线圈，测量时勿需拆卸真空泡。

　　2、测量结果量化，可直接与国家相关行业标准接轨，准确判断被试品优劣。

　　3、大屏幕液晶显示，全中文傻瓜机式菜单操作，操作直观、简单、方便。

　　4、测量结果精度高，稳定性好。