基于反射计芯片的非接触液位传感

通过将空气介质传输线夹持于储罐外壁，利用反射计芯片检测射频阻抗变化，可实现无需钻孔的液位测量。本指南通过实证设计例演示单芯片反射计（如Analog Devices ADL5920）如何简化流程。

相比传统浮子传感器，反射计系统提供：

• 实时高速测量
• 广泛数字后处理
• 非接触操作——无液体污染
• 无运动部件，可靠性提升
• 极小辐射射频——远场抵消
• 无泄漏设计——罐壁无穿透
• 本质安全——罐内无电气元件

液位测量概览

图1系统框图展示射频源驱动平衡、50Ω终端空气介质线，内联反射计。

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图1. 液位测量系统框图。（来源：Analog Devices）

工作原理

空气介质线展现低损耗与明确特征阻抗（Z₀）。当介质材料——如罐壁或内部流体——靠近线路，阻抗、传播速度、衰减均位移。反射计测量由此产生的回波损耗，可关联液位。关键效应含：

• 特征阻抗降低
• 传播速度降低，增加有效电气长度
• 衰减增加

线路初次贴罐时，罐壁近场介质轻微降阻抗至Z_OA、增加电气长度（图2迹线1）。随流体注满，阻抗进一步降至Z_OF，史密斯圆图迹线顺时针旋转（迹线2、3），源端回波损耗降低。

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图2. 传输线输入阻抗史密斯圆图表征。迹线端点显示液位如何转化为回波损耗。（来源：Analog Devices）

为避免歧义，线路电气长度应≤90°；否则回波损耗呈现折返。

平衡-不平衡转换器（Balun）作用

Balun以等幅反相交流电压驱动线路，提供两大优势：

• 抑制杂散射频耦合，增强EMI合规
• 阻抗变换，扩大导体间距、加深电场以提高灵敏度

Balun须在工作带内提供高共模抑制比。

带通滤波器

当杂散射频可能耦合入线路，推荐带通滤波器（见图1）。其插入损耗应低、回波损耗优于~30dB。

基础设计流程

1. 选工作频率使线长为自由空间波长0.1-0.25倍。低频线性度好；高频回波损耗范围大但折返风险高。ISM频段选择见Wikipedia: ISM band。
2. 为所选频率设计或选型Balun。验证接电阻终端时单端口~30dB回波损耗。
3. 用任意传输线计算器（ATLC）(ATLC)计算目标Z₀的导体宽度与间距。

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图3. 推荐工作频率与传输线长度关系。（来源：Analog Devices）

简易设计例

我们为汽车挡风玻璃清洗液罐（~15cm高）构建液位传感器。设计步骤：

1. 目标频率~300MHz（见图3）。
2. 设计微阻抗变换LC Balun增强灵敏度；验证~30dB回波损耗。
3. 制造匹配Balun Z₀的平行传输线；线路入电路测~25dB回波损耗。

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图4. 液位传感示例用Balun与传输线。（来源：Analog Devices）

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图5. 贴罐前离散Balun与终端传输线。（来源：Analog Devices）

贴附线路至罐体（图6）后，因罐壁作额外介质观测到回波损耗轻微下降。

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图6. 传输线贴附罐体侧面。（来源：Analog Devices）

示例测试结果

完整测试装置见图7。DC2847A评估套件读取ADL5920前向与反射功率（dBm），自动计算回波损耗并图形化显示。

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图7. 设计示例完整测试装置。（来源：Analog Devices）

注液过程中罐液位线性上升，反射功率相应下降。~33s处斜率变化因罐底锥度——固件可修正此效应。

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图8. 测试结果随液位变化。线性单调，除罐体设计诱导非线性外。（来源：Analog Devices）

校准

两步校准提升精度：

• 器件校准——修正ADL5920斜率与截距变化。DC2847A套件自动执行。
• 液位校准——映射回波损耗至液位，覆盖制造公差、罐壁厚度、温度致介电变化。非线性时至少三点校准。

校准常数存非易失性存储器，嵌入式处理器内或专用EEPROM。

测量局限

反射计直接度决定入射/反射波分离能力。ADL5920直接度1GHz时~20dB，100MHz或更低提升至~43dB，适用≥30mm高罐体。

应用拓展

潜在拓展含：

• 低占空比运行节能
• 液位恒定时回波损耗关联粘度或pH
• 定制传感器几何实现量程顶/底高精度测量
• 金属罐可能需浸没式传输线
• 多射频功率电平自测对抗外部干扰
• 多面传输线补偿罐体倾斜
• 短高频线用于阈值检测

结论

ADL5920单芯片反射计开启新类液位传感器，消除运动部件、降低污染风险、为工业与汽车应用（如油/燃料监测）提供高可靠性。

致谢

感谢Michiel Kouwenhoven、James Wong、Bruce Nguyen、John Chung指导。