一種測(cè)量非金屬容器中液體容量的裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型涉及一種測(cè)量非金屬容器中液體容量的裝置，包括檢測(cè)IC電路、MCU和至少兩個(gè)電容感應(yīng)片，所述檢測(cè)IC電路與每一個(gè)所述電容感應(yīng)片分別一一聯(lián)接，所述檢測(cè)IC電路通過(guò)第一通訊接口與所述MCU相聯(lián)接；所述至少兩個(gè)電容感應(yīng)片均具有突出部分和凹下部分，一個(gè)所述電容感應(yīng)片的突出部分伸入相鄰另一個(gè)所述電容感應(yīng)片的凹下部分，從而使得相鄰電容感應(yīng)片相互交錯(cuò)。本實(shí)用新型使用由軟性PCB上布置的銅箔形成的電容感應(yīng)片、檢測(cè)IC電路、MCU和矢量傳感器進(jìn)行測(cè)量，容器無(wú)須透明，裝配簡(jiǎn)單，對(duì)測(cè)量環(huán)境適應(yīng)性好。掉電重啟后可以識(shí)別當(dāng)前的液面高度，抗干擾性能好適應(yīng)各種使用場(chǎng)景，即使容器傾斜，也能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種測(cè)量非金屬容器中液體容量的裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型屬于液體測(cè)量領(lǐng)域，具體而言，涉及一種測(cè)量非金屬容器中液體容量 的裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)有技術(shù)中，測(cè)量容器中液體容量的方法主要有容器外壁標(biāo)示刻度法、壓力變化 測(cè)試法和傳統(tǒng)電容感應(yīng)測(cè)試法。利用容器外壁標(biāo)示刻度法測(cè)量液體容量時(shí)，容器的外壁需 標(biāo)示刻度，操作者通過(guò)肉眼直接對(duì)比觀察。此方法存在的缺陷是：容器外壁必須透明；受操 作者主觀因素影響較大，不容易保證測(cè)量結(jié)果的精度。利用壓力變化測(cè)試法測(cè)量液體容量 時(shí)，當(dāng)容器內(nèi)液體重量變化時(shí)，必然產(chǎn)生壓力的變化，通過(guò)設(shè)置壓力傳感器感知上述壓力的 變化，并將這種壓力變化換算為液體容量。此方法存在的缺陷是：壓力傳感器成本較高，裝 配困難，尤其是裝配空間狹小時(shí)；測(cè)量精度較差，容器需要水平擺放，誤測(cè)幾率較高；壓力 傳感器需要與液體直接接觸，容易污染液體，其測(cè)試精度也易受液體溫度及種類(lèi)的影響。利 用傳統(tǒng)電容感應(yīng)測(cè)試法測(cè)量液體容量時(shí)，有無(wú)液體，會(huì)導(dǎo)致電容感應(yīng)片的電容量發(fā)生變化， 通過(guò)比較電容量的變化值以確定液體的高度。此方法存在的缺陷是：測(cè)量精度受電容感應(yīng) 片數(shù)量的限制；如圖1所示，由于電容感應(yīng)片之間存在生產(chǎn)工藝導(dǎo)致的間隙，當(dāng)液面位于上 述間隙時(shí)，電容感應(yīng)片無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)出液面高度，從而使得上述間隙成為測(cè)量死角，導(dǎo)致測(cè)量 誤差較大；測(cè)量電路需要一直供電，掉電重啟后無(wú)法判斷當(dāng)前的液面高度；易受環(huán)境影響 和靜電干擾。以上三種液體容量的測(cè)試方法，當(dāng)容器傾斜時(shí)，均無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0003] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本實(shí)用新型提出一種測(cè)量非金屬容器中液體容量的 裝置，容器無(wú)須透明，不依賴(lài)于人的主觀感覺(jué)；裝配簡(jiǎn)單，成本較低；測(cè)量精度較高，可以無(wú) 縫測(cè)量；對(duì)測(cè)量環(huán)境適應(yīng)性好；掉電重啟后可以識(shí)別當(dāng)前的液面高度；抗干擾性能好；超低 功耗；適應(yīng)各種使用場(chǎng)景，即使容器傾斜，也能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量。具體技術(shù)方案如下：
[0004] -種測(cè)量非金屬容器中液體容量的裝置，包括檢測(cè)1C電路、MCU和至少兩個(gè)電容 感應(yīng)片，所述檢測(cè)1C電路與每一個(gè)所述電容感應(yīng)片分別一一聯(lián)接，所述檢測(cè)1C電路通過(guò)第 一通訊接口與所述MCU相聯(lián)接；所述至少兩個(gè)電容感應(yīng)片均具有突出部分和凹下部分，一 個(gè)所述電容感應(yīng)片的突出部分伸入相鄰另一個(gè)所述電容感應(yīng)片的凹下部分，從而使得相鄰 電容感應(yīng)片相互交錯(cuò)。
[0005] 所述裝置進(jìn)一步包括矢量傳感器，所述矢量傳感器通過(guò)第二通訊接口與所述MCU 相聯(lián)接。
[0006] 所述裝置進(jìn)一步包括電源開(kāi)關(guān)和電源，所述電源通過(guò)所述電源開(kāi)關(guān)向所述檢測(cè)1C 電路供電，所述電源開(kāi)關(guān)通過(guò)10通訊接口與所述MCU相聯(lián)接，所述MCU可打開(kāi)或關(guān)閉所述 電源開(kāi)關(guān)。
[0007] 所述裝置進(jìn)一步包括參考電容感應(yīng)片，所述參考電容感應(yīng)片與所述檢測(cè)1C電路 單獨(dú)聯(lián)接，所述參考電容感應(yīng)片被設(shè)置于所述容器外壁上的、液面高度無(wú)法達(dá)到的位置。
[0008] 所述第一通訊接口和第二通訊接口均為IIC、SPI或UART通訊接口。
[0009] 所述至少兩個(gè)電容感應(yīng)片均由布置于軟性PCB上的、自上而下均勻分布的銅箔構(gòu) 成。
[0010] 所述至少兩個(gè)電容感應(yīng)片的形狀均為鋸齒形。
[0011] 所述軟性PCB四周和背面均鋪設(shè)銅網(wǎng)格接地。
[0012] 使用膠將所述軟性PCB自上而下貼裝在所述容器的外壁。
[0013] 一種測(cè)量非金屬容器中液體容量的方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0014] (1)制作與所述容器的形狀和尺寸相對(duì)應(yīng)的軟性PCB，所述軟性PCB包括至少兩塊 具有一定面積的銅箔，每塊所述銅箔均構(gòu)成一個(gè)電容感應(yīng)片，即構(gòu)成至少兩個(gè)電容感應(yīng)片； 所述至少兩個(gè)電容感應(yīng)片均具有突出部分和凹下部分，一個(gè)所述電容感應(yīng)片的突出部分伸 入相鄰另一個(gè)所述電容感應(yīng)片的凹下部分，從而使得相鄰電容感應(yīng)片相互交錯(cuò)；
[0015] (2)檢測(cè)1C電路與每一個(gè)電容感應(yīng)片分別一一聯(lián)接；當(dāng)所述容器中液面高度變 化時(shí)，所述檢測(cè)1C電路檢測(cè)與液面高度變化相對(duì)應(yīng)的若干電容感應(yīng)片的變化后的電容值 數(shù)據(jù)；所述檢測(cè)1C電路通過(guò)第一通訊接口與MCU相聯(lián)接，并將檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)傳送給所述 MCU ;在所述容器的外壁上設(shè)置矢量傳感器，用以檢測(cè)所述容器傾斜的角度，所述矢量傳感 器通過(guò)第二通訊接口與MCU相聯(lián)接，并將檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)傳送給所述MCU ;
[0016] (3)根據(jù)接收到的所述檢測(cè)1C電路和所述矢量傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)，所述MCU計(jì)算 出液面的高度；
[0017] (4)根據(jù)計(jì)算得到的液面高度，如果所述容器的形狀是規(guī)則的，則所述MCU結(jié)合 所述容器的尺寸計(jì)算出所述容器內(nèi)液體的容量；如果所述容器的形狀是不規(guī)則的，則所述 MCU對(duì)于所述容器進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，根據(jù)多重積分算法計(jì)算出所述容器內(nèi)液體的容量，即利用 公式V = / / / nf(x，y，z)dxdydz計(jì)算所述容器內(nèi)液體的容量，其中，Q為積分區(qū)域即所 述容器內(nèi)液體表面區(qū)域，f(x，y，z)為液體密度的表達(dá)式。
[0018] 所述至少兩個(gè)電容感應(yīng)片的形狀均為鋸齒形。
[0019] 所述方法進(jìn)一步包括以下步驟：所述軟性PCB四周和背面鋪設(shè)銅網(wǎng)格接地。
[0020] 所述方法進(jìn)一步包括以下步驟：使用膠將所述軟性PCB自上而下貼裝在所述容器 的外壁。
[0021] 所述第一通訊接口和第二通訊接口均為IIC、SPI或UART通訊接口。
[0022] 所述檢測(cè)1C電路檢測(cè)并傳送給所述MCU的數(shù)據(jù)是：與所述容器中液面高度相對(duì)應(yīng) 的電容感應(yīng)片A的電容值C1、與所述容器中液面高度相對(duì)應(yīng)的另一電容感應(yīng)片B的電容值 C2以及完全處于液面以下的感應(yīng)電容片的數(shù)量N ;所述矢量傳感器檢測(cè)并傳送給所述MCU 的數(shù)據(jù)是：所述容器的傾斜角度。
[0023] 所述步驟（3)中液面高度的計(jì)算方法是：在接收電容值C1、電容值C2、完全處于液 面以下的感應(yīng)電容片的數(shù)量N和所述容器的傾斜角度數(shù)據(jù)后，所述MCU經(jīng)計(jì)算得到M值，再 由液面高度的計(jì)算公式h = P*N+M可得到液面高度h，其中，P為測(cè)量的精度，N為完全處于 液面以下的感應(yīng)電容片的數(shù)量。
[0024] 所述方法進(jìn)一步包括以下步驟：設(shè)置參考電容感應(yīng)片，所述參考電容感應(yīng)片與所 述檢測(cè)1C電路單獨(dú)聯(lián)接，可在掉電重啟后計(jì)算得到當(dāng)前液面的高度。
[0025] 所述方法進(jìn)一步包括以下步驟：通過(guò)所述矢量傳感器的檢測(cè)，所述MCU可檢測(cè)出 所述容器是否有倒出或倒入液體的動(dòng)作；在沒(méi)有所述倒出或倒入液體的動(dòng)作的情況下，所 述MCU關(guān)閉電源開(kāi)關(guān)從而停止向所述檢測(cè)1C電路供電；當(dāng)所述MCU檢測(cè)到所述容器有所述 倒出或倒入液體的動(dòng)作時(shí)，所述MCU打開(kāi)所述電源開(kāi)關(guān)從而向所述檢測(cè)1C電路供電。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0026] 圖1為現(xiàn)有技術(shù)中傳統(tǒng)電容感應(yīng)測(cè)試裝置測(cè)試方法的示意圖；
[0027] 圖2為本實(shí)用新型中測(cè)量非金屬容器中液體容量的裝置的示意圖；
[0028] 圖3a_3c為本實(shí)用新型中電容感應(yīng)片的形狀和布置示意圖，其中圖3a為容器傾斜 時(shí)的狀態(tài)圖，圖3b為容器水平時(shí)的狀態(tài)圖，圖3c為電容感應(yīng)片A、B的其它形狀示意圖。
[0029] 圖4為本實(shí)用新型中計(jì)算M值的示意圖；
[0030] 圖5為本實(shí)用新型中矢量傳感器檢測(cè)傾斜角度的示意圖；
[0031] 圖6為本實(shí)用新型中容器傾斜前后液面變化示意圖；
[0032]圖7為本實(shí)用新型中容器傾斜前后坐標(biāo)軸變換及液體容量計(jì)算示意圖，其中a為 初始狀態(tài)示意圖，b為傾斜狀態(tài)坐標(biāo)軸換算示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0033] 如圖2所示，本實(shí)用新型測(cè)量非金屬容器中液體容量的裝置包括電容感應(yīng)片、檢 測(cè)1C電路、MCU、矢量傳感器、電源開(kāi)關(guān)和電源。電源開(kāi)關(guān)通過(guò)10接口與MCU相聯(lián)接。
[0034] 制作與容器的形狀和尺寸相對(duì)應(yīng)的軟性PCB (即印刷電路板），所述軟性PCB包括 至少兩塊（如三塊、四塊、五塊或更多塊）具有一定面積的銅箔，每塊銅箔均構(gòu)成一個(gè)電容 感應(yīng)片，用符號(hào)T1、T2、……、Tn表示。可根據(jù)測(cè)量所需的精度來(lái)布置容器外壁上的電容感 應(yīng)片，例如被測(cè)量的容器高度為150mm時(shí)，軟性PCB上的電容感應(yīng)片可以自上而下均勻布置 15個(gè)，每一個(gè)電容感應(yīng)片可以直接定位到10mm的精度。
[0035] 每塊銅箔均具有突出部分和凹下部分。相鄰兩塊銅箔之間具有間隙，并且，其中一 塊銅箔的突出部分伸入另一塊銅箔的凹下部分。由此，所有相鄰銅箔均相互交錯(cuò)，當(dāng)從軟性 PCB的一側(cè)沿垂直于軟性PCB縱向軸線的方向觀察時(shí)，相鄰的銅箔彼此重疊。由此，如圖3a 所示，同時(shí)有兩個(gè)電容感應(yīng)片A、B感應(yīng)液面的高度，進(jìn)而提高測(cè)量精度。如果容器傾斜角度 較大，則有三個(gè)或更多電容感應(yīng)片同時(shí)感應(yīng)液面的高度。相鄰兩塊銅箔之間的間隙為生產(chǎn) 工藝間隙，一般為0. 1mm或更小。如圖1所示，銅箔的形狀為鋸齒形，但銅箔的形狀不限于 鋸齒形，只要具有突出部分和凹下部分并且能夠在形狀上相互交錯(cuò)，從而實(shí)現(xiàn)同時(shí)有至少 兩個(gè)電容感應(yīng)片感應(yīng)液面的高度，進(jìn)而提高測(cè)量精度，都符合本實(shí)用新型的發(fā)明精神，如圖 3c所示的形狀。根據(jù)本實(shí)用新型的發(fā)明精神，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可對(duì)銅箔的形狀進(jìn)行簡(jiǎn)單 設(shè)定。
[0036] 軟性PCB四周和背面鋪設(shè)銅網(wǎng)格接地，以屏蔽外界干擾，如人手接觸干擾和靜電 干擾。使用3M膠將軟性PCB自上而下貼裝在容器的外壁。
[0037] 在容器的外壁上設(shè)置矢量傳感器，用以檢測(cè)容器傾斜的方向和角度。所述矢量傳 感器通過(guò)通訊接口與MCU相聯(lián)接，并將數(shù)據(jù)傳送給MCU。所述通訊接口是IIC、SPI、UART或 其它通訊接口。初始狀態(tài)時(shí)，容器水平放置，矢量傳感器進(jìn)行X、Y、Z三方向坐標(biāo)的校準(zhǔn)。如 圖5所示，當(dāng)容器傾斜時(shí)，所述矢量傳感器根據(jù)傾斜后X'、Y'、Z'三方向的數(shù)據(jù)，計(jì)算出容器 在三方向的傾斜角度，并通過(guò)通訊接口將傾斜角度數(shù)據(jù)傳送給MCU。
[0038] 檢測(cè)1C電路與每一個(gè)電容感應(yīng)片分別一一聯(lián)接。當(dāng)容器中液面高度變化時(shí)，對(duì) 應(yīng)的若干電容感應(yīng)片的電容值發(fā)生變化，包括與液面齊平的電容感應(yīng)片以及完全處于液面 以下的感應(yīng)電容片。檢測(cè)1C電路通過(guò)通訊接口與MCU相聯(lián)接，并將檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)傳送 給MCU。所述通訊接口是IIC、SPI、UART或其它通訊接口。如圖3a-3c所示，檢測(cè)1C電路 分別檢測(cè)與容器中液面高度相對(duì)應(yīng)的電容感應(yīng)片A的電容值C1、電容感應(yīng)片B的電容值C2 以及電容感應(yīng)片A、B在所有電容感應(yīng)片中所處的位置（由此可得到完全處于液面以下的感 應(yīng)電容片的數(shù)量N)，并將電容值C1、電容值C2和完全處于液面以下的感應(yīng)電容片的數(shù)量N 通過(guò)通訊接口傳送給MCU。MCU根據(jù)以下算法即可得到M值（計(jì)算方法見(jiàn)以下內(nèi)容）。同 時(shí)可以測(cè)得完全處于液面以下的感應(yīng)電容片的數(shù)量N，MCU根據(jù)由液面高度的計(jì)算公式h = P*N+M(其中，P為測(cè)量的精度，以上實(shí)施例中的測(cè)量的精度P為10mm，如前所述，測(cè)量的精度 P取決于容器高度和電容感應(yīng)片的多少；N為完全處于液面以下的感應(yīng)電容片的數(shù)量）可得 到液面高度h。
[0039] M值的計(jì)算方法
[0040] 如圖4所示，相鄰電容感應(yīng)片A、B，令電容感應(yīng)片A、B位于如圖4中所示的坐標(biāo)， 電容感應(yīng)片寬度2d，單個(gè)高度e，鋸齒高度g，生產(chǎn)工藝間隙f，電容感應(yīng)片展開(kāi)后與水平面 之間的夾角a，電容感應(yīng)片展開(kāi)后與水平面界線的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，液面與Y軸交點(diǎn)的坐標(biāo)為（0， M)，則液面的表達(dá)式為：Y = tan ( a ) *X+M，

【權(quán)利要求】
1. 一種測(cè)量非金屬容器中液體容量的裝置，包括檢測(cè)1C電路、MCU和至少兩個(gè)電容感 應(yīng)片，其特征在于，所述檢測(cè)1C電路與每一個(gè)所述電容感應(yīng)片分別一一聯(lián)接，所述檢測(cè)1C 電路通過(guò)第一通訊接口與所述MCU相聯(lián)接；所述至少兩個(gè)電容感應(yīng)片均具有突出部分和凹 下部分，一個(gè)所述電容感應(yīng)片的突出部分伸入相鄰另一個(gè)所述電容感應(yīng)片的凹下部分，從 而使得相鄰電容感應(yīng)片相互交錯(cuò)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量非金屬容器中液體容量的裝置，其特征在于，所述裝置 進(jìn)一步包括矢量傳感器，所述矢量傳感器通過(guò)第二通訊接口與所述MCU相聯(lián)接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的測(cè)量非金屬容器中液體容量的裝置，其特征在于，所述裝置 進(jìn)一步包括電源開(kāi)關(guān)和電源，所述電源通過(guò)所述電源開(kāi)關(guān)向所述檢測(cè)1C電路供電，所述電 源開(kāi)關(guān)通過(guò)10通訊接口與所述MCU相聯(lián)接，所述MCU可打開(kāi)或關(guān)閉所述電源開(kāi)關(guān)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量非金屬容器中液體容量的裝置，其特征在于，所述裝置 進(jìn)一步包括參考電容感應(yīng)片，所述參考電容感應(yīng)片與所述檢測(cè)1C電路單獨(dú)聯(lián)接，所述參考 電容感應(yīng)片被設(shè)置于所述容器外壁上的、液面高度無(wú)法達(dá)到的位置。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的測(cè)量非金屬容器中液體容量的裝置，其特征在于， 所述第一通訊接口和第二通訊接口均為IIC、SPI或UART通訊接口。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的測(cè)量非金屬容器中液體容量的裝置，其特征在于， 所述至少兩個(gè)電容感應(yīng)片均由布置于軟性PCB上的、自上而下均勻分布的銅箔構(gòu)成。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的測(cè)量非金屬容器中液體容量的裝置，其特征在于， 所述至少兩個(gè)電容感應(yīng)片的形狀均為鋸齒形。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的測(cè)量非金屬容器中液體容量的裝置，其特征在于，所述軟性 PCB四周和背面均鋪設(shè)銅網(wǎng)格接地。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的測(cè)量非金屬容器中液體容量的裝置，其特征在于，使用膠將 所述軟性PCB自上而下貼裝在所述容器的外壁。
【文檔編號(hào)】G01F22/00GK204241063SQ201420508724
【公開(kāi)日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年8月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月29日
【發(fā)明者】楊忠國(guó) 申請(qǐng)人:深圳睿謳科技有限公司