技术摘要：
本发明公开一种非接触式容器液位测量装置和方法，包括上位机和至少一个液位测量装置；每个液位测量装置主要由电容式液位传感器组件、数据处理模块、通信模块和上位机组成；电容式液位传感器的上表面紧贴在待测容器的外壁上，电容式液位传感器的输出端与微弱电容检测模  全部
背景技术：
随着社会和电子技术的发展，在化工、医药、汽车、农业、家电等领域都要求可以对 容器内的液位进行快速和准确的测量，以满足人们的需求。电容式液位测量主要是利用液 体与气体的介电常数不同，当容器内的液位发生变化时，电容传感器两极板间的电容量随 着容器内液位的变化而变化，实现了将容器内液位值的变化转换为电容值的变化，然后将 该电容值经过处理、换算得到液位值。 非接触式电容液位传感器通常由一个或多个感应电容极板组成，感应的电容极板 粘附在由非导电材料制成的容器(如：塑料、玻璃)外壁，通过电容极板与待测液体形成的微 弱电容变化，来间接测量容器的液位。因其具有低成本、低功耗、容易安装和维护等优点，在 液位测量中应用广泛。但通过查阅文献资料显示，现有的非接触式电容液位测量装置都存 在有不足。比如：申请号为201010122561.0的中国发明专利申请所披露的“一种非接触式电 容液位计”，其电容传感器的电极需要通过套管伸入容器内，不易安装，增加安装成本；申请 号为201510940995.4的中国发明专利申请所披露的“非接触式电容液位测量装置”，其电容 传感器易受到外界环境的干扰，同时不能进行多个容器液位和体积的测量；申请号为 201820969500.X的中国发明专利申请所披露的“一种非接触式电容液位检测装置”，其通过 弹片与电极板弹性接触，多次接触电极容易磨损，致使测量精度下降。
技术实现要素：
本发明针对现有非接触式电容液位测量装置所存在的不足，提供一种非接触式容 器液位测量装置和方法，其能够非接触地连续、准确测量容器内液位的变化值。 为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的： 一种非接触式容器液位测量装置，包括上位机和至少一个液位测量装置。其中每 个液位测量装置主要由电容式液位传感器组件、数据处理模块、通信模块和上位机组成；电 容式液位传感器组件包括电容式液位传感器和微弱电容检测模块。电容式液位传感器整体 呈薄片状，并主要由PCB绝缘基板、第一电极、第二电极、底层PCB敷铜层和顶层PCB敷铜层组 成；第一电极、第二电极和底层PCB敷铜层覆于PCB绝缘基板的下表面，且第一电极、第二电 极和底层PCB敷铜层相互绝缘；第一电极和第二电极呈矩形，并分别设置在PCB绝缘基板下 表面的左右两侧；底层PCB敷铜层环绕在第一电极和第二电极的周围，且整体呈倒日字形； 顶层PCB敷铜层覆于PCB绝缘基板的上表面；顶层PCB敷铜层呈矩形；底层PCB敷铜层和顶层 PCB敷铜层通过贯穿PCB绝缘基板下表面和上表面的PCB过孔进行电气连接；第一电极上设 有第一输出接口，第二电极上设有第二输出接口，且第一输出接口和第二输出接口形成电 容式液位传感器的输出端。电容式液位传感器的上表面紧贴在待测容器的外壁上，电容式 4 CN 111595413 A 说　明　书 2/11 页 液位传感器的输出端与微弱电容检测模块的输入端连接，微弱电容检测模块的输出端连接 数据处理模块的输入端，数据处理模块与通信模块相连，通信模块与上位机相连。 上述非接触式容器液位测量装置，还进一步包括三轴陀螺仪与加速度传感器，三 轴陀螺仪与加速度传感器紧贴在待测容器的外壁上，三轴陀螺仪与加速度传感器的输出端 与数据处理模块的输入端连接。 上述方案中，微弱电容检测模块主要由第一电容频率转换电路、第二电容频率转 换电路和电容传感器芯片组成。第二电容频率转换电路和第一电容频率转换电路的结构相 同，其包括电感L1、电阻R1-R2、以及电容C1-C5；电阻R1的一端与电容C2的一端、电感L1的一 端和电容C3的一端相连后，形成该电容频率转换电路的输入端的一端；电阻R2的一端与电 容C5的一端、电感L1的另一端和电容C3的另一端相连后，形成该电容频率转换电路的输入 端的另一端；电阻R1的另一端与电容C1的一端相连后，形成该电容频率转换电路的输出端 的一端；电阻R2的另一端与电容C4的一端相连后，形成该电容频率转换电路的输出端的另 一端；电容C1的另一端、电容C2的另一端、电容C4的另一端和电容C5的另一端同时接地。第 一电容频率转换电路的输入端与电容式液位传感器的第一输出接口连接，第一电容频率转 换电路的输出端与电容传感器芯片的一组IN端口连接；第二电容频率转换电路的输入端与 电容式液位传感器的第二输出接口连接，第二电容频率转换电路的输出端与电容传感器芯 片的另一组IN端口连接；电容传感器芯片的SDA、SCL、ADDR、INTB和SD端口与数据处理模块 连接。 上述方案中，电容式液位传感器为柔性PCB板。 上述方案中，第一电极和第二电极的长度从待测容器的底部沿其液位测量方向延 伸至待测容器的顶部。 上述方案中，电容式液位传感器和微弱电容检测模块外加装有屏蔽罩。 上述方案中，底层PCB敷铜层上还丝印有卡尺刻度。 上述装置所实现的一种非接触式容器液位测量方法，包括步骤如下： 电容式液位传感器安装到待测容器的外壁上实现容器液位信息到电容量的转换， 获取待测容器液位值所对应的电容模拟量；微弱电容检测模块对该电容模拟量进行检测与 处理后，实现电容模拟量到电容数字量的转换，得到容器液位对应的电容数字量； 用户通过上位机设置任务指令；上位机将任务指令通过通信模块发送至数据处理 模块； 数据处理模块在收到任务指令后，按任务指令要求进行工作： 在标定模式的任务指令下，待测容器液位从0mm开始，以增量ΔY连续进行递增，数 据处理模块读取微弱电容检测模块所采集到的每个液位下的电容数字量，并利用最小二乘 法对这些电容数字量进行线性拟合，求出液位与电容之间的最佳拟合方程； 在测量模式的任务指令下，数据处理模块读取微弱电容检测模块所采集到的待测 容器的实时液位对应的电容数字量，并将该电容数字量代入最佳拟合方程中，得到待测容 器的实时液位； 数据处理模块将所得到的待测容器的实时液位通过通信模块送至上位机。 上述非接触式容器液位测量方法，还进一步包括如下步骤： 将三轴陀螺仪与加速度传感器安装到待测容器的外壁上，获取待测容器的实时三 5 CN 111595413 A 说　明　书 3/11 页 轴数据，即X轴数据Ax、Y轴数据Ay和Z轴数据Az； 在测量模式的任务指令下，数据处理模块读取三轴陀螺仪与加速度传感器所采集 到的待测容器的实时三轴数据，并基于实时三轴数据和实时液位计算待测容器内液体的实 时体积： 其中，V为待测容器的实时体积，L为待测容器的长度，W为待测容器的宽度，y为待 测容器的实时液位，Ax为三轴陀螺仪与加速度传感器输出的X轴数据，Ay为三轴陀螺仪与加 速度传感器输出的Y轴数据，Az为三轴陀螺仪与加速度传感器输出的Z轴数据； 数据处理模块将所得到的待测容器内液体的实时体积通过通信模块送至上位机。 与现有技术相比，本发明具有如下特点： 1、采用非接触式测量容器内的液位，解决接触式液位测量技术存在的不足，既可 以测量容器内的液位，又可以测量倾斜一定角度的容器内液体的体积。 2、电容式液位传感器贴附在非导电材料容器外壁进行液位测量，安装和维护更加 方便； 3、电容式液位传感器可以采用FPC柔性PCB、非柔性PCB、导电布带等导电材料制 作，制作简单，容易实现，成本低。当采用柔性PCB设计非接触电容式液位传感器，既可以用 于平面容器液位的测量，又可以用于曲面容器液位的测量。 4、数据处理模块具有标定和测量工作模式，使系统使用方便，液位测量与被测溶 液介质无关，不受环境变化影响，测量更加准确； 5、系统信号采集更加稳定、可靠，测量数据更加准确，安装拆卸更加方便，且能够 远程地实现对多个液位测量装置进行同时采集。 附图说明 图1为一种非接触式容器液位测量装置的原理框图。 图2为本发明的一种使用场景示意图。 图3为本发明的另一种使用场景示意图。 图4为供电模块的原理框图。 图5为电容式液位传感器的结构示意图。 图6为图5的剖面图。 图7为微弱电容检测模块原理图。 图8为数据处理模块的原理框图。 图9为数据处理模块的工作处理流程图。 图10为容器液体体积测量的原理图。 图中标示：1.PCB绝缘基板，2.第一电极，3.第二电极，4.底层PCB敷铜层，5.顶层 PCB敷铜层，6.第一输出接口，7.第二输出接口，8.PCBPCB过孔，9.卡尺刻度。 6 CN 111595413 A 说　明　书 4/11 页