电容式液位传感器课程设计_李云浩

1、吉 林 铁 道 职 业 技 术 学 院毕 业 设 计 论 文论文题目：电容式液位传感器课程设计专业：机电设备维修与管理学生姓名：吉林铁道职业技术学院设计（论文）指导教师：刘振波开题日期：年月日完成日期：年月日一、设计题目及内容二、基本要求三、重点研究问题四、主要技术指标五、应收集的资料及参考文献六、进度计划设计环节日 期123456七、附注目 录摘 要11.1 设计原理31.2 系统框图32.1 传感器简述52.2 电容式液位计52.3 传感器的组成62.4 测量原理73.1 测量电路84.1 整流电路124.2 放大电路125.1ad 转换电路及与单片机接口136.1 误差来源156.2 影

2、响液位测量的主要因素15摘 要在工业自动化生产过程中，为了实现安全快速有效优质的生产，经常需要对液位进行精确测量，继而进行自动调节、智能控制使生产结果更趋完善。通常进行液位测量的方法有二十多种，分为直接法和间接法。其中电容式液位测量价格低廉、结构简单，是间接测量方法中最常用的方法之一。本设计采用电容式传感器的原理、电容电压转换电路、精确测量电压幅度的测量法 , 及利用ds1820 测量温度和用单片机进行温度补偿的方法。设计并制作了圆柱形电容器，利用二极管t 型网络电路将容量变化转换成电压的变化，并利用单片机进行测量，通过软件计算液位高度，减小了电容与电压转换的线性误差，具有温度软件补偿功能。通

3、过实验测试，该装置的测量精度优于1cm。引 言液位检测在许多控制领域已较为普遍，各种类型的液位检测传感器较多，按原理分有浮子式、压力式、超声波式、吹气式等。各种方式都根据其需要设计完成，其结构、量程和精度适用于各自不同的场合，大多结构较为复杂， 制造成本偏高； 市面上也有现成的液位计， 有投入式、浮球式、弹簧式等，多数成品价格惊人。以上液位计多数输出为模拟量电流或电压，有些为机械指针读数，不能用于远程监视；普遍适用于静止液面，在波动液面易引起读数的波动；也有用电容法测液位的系统，此法是一种简单易行的方案。本文利用圆柱形电容器原理，结合单片机设计出一种智能液位检测装置。一、设计方案1.1 设计原

4、理本设计采用筒式电容传感器采集液位的高度。主要利用在柱形电容器的极板之间，充以不同高度的介质时，电容量的大小也会有所不同。从而引起对应电容量变化的关系进行液位测量。由于从传感器得出的电压一般在 030mv之间，太小不易测量，所以要通过放大电路进行放大。从放大电路出来的是模拟量， 因此送入 adc0809转换成数字量， adc0809连接于单片机，把信号送入单片机。显示电路连接于单片机用于显示水位的高度。该显示接口用一片mc14499和单片机连接以驱动数码管。1.2 系统框图被测物理量：主要是指非电的物理量，在这里为水位。传感器：将输入的物理量转换成相应的电信号输出，实现非电量到电量的变换。传感

5、器的精度直接影响到整个系统的性能，所以是系统中一个重要的部件。放大，整形，滤波：传感器的输出信号一般不适合直接去转换数字量，通常要进行放大，滤波等环节的预处理来完成。a/d 转换器：实现将模拟量转换成数字量，常用的是并行比较型、逐次逼近式、积分式等。在此用到逐次逼近式。单片机：目前的数据采集系统功能和性能日趋完善，因此主控部分一般都采用单片机。显示设备：在此用到8 段数码管。控制设备：控制电动机的运行或关闭。二、传感器原理2.1 传感器简述电容式液位传感器系统;它利用被测体的介电常数不同, 使电容的大小也不相同，通过传感器将液位高度变化转换成相应的电容量变化，再通过测量电路转化成电压脉冲宽度变

6、化,再由单片机进行测量并转换成相应的液位高度进行显示, 该系统对液位深度具有测量、显示与设定功能 ,并具有结构简单、成本低廉、性能稳定等优点。2.2 电容式液位计测量原理在柱形电容器的极板之间，充以不同高度的介质时，电容量的大小也会有所不同。因此，可通过测量电容量的变化来检测液位。图（ a）是由两个同轴圆筒极板组成的电容器，在两圆筒之间充以介电常数为 0 的介质时，则两圆筒间的电容量表达式为式中 l- 两极板相互遮盖部分的长度； d， d- 圆筒形内电极的外径和外电极的内径； 0- 两电极间介质的介电常数。所以，当 d和 d 一定时，电容量 c 的大小与极板的长度l 和介质的介电常数的 0 乘

7、机成比例。这样，将电容传感器（探头）插入被检测物料中，电极浸入物料中的深度随物位高低变化，必然引起电容量的变化，从而可检测出物位。2.3 传感器的组成图 3-1-2为传感器部分的结构原理图。 它主要是由细长的不锈钢管( 半径为 r1 )、同轴绝缘导线 ( 半径为r0 )以及其被测液体共同构成的金属圆柱形电容器构成。该传感器主要利用其两电极的覆盖面积随被测液体液位的变化而变化,从而引起对应电容量变化的关系进行液位测量。2.4 测量原理由图（ a）可知 , 当可测量液位 h = 0 时, 不锈钢管与同轴绝缘导线构成的金属圆柱形电容器之间存在电容 c0 , 根据文献得到电容量为 :（1）（1）式中

8、, c0 为电容量 , 单位为 f ; 0 为容器内气体的等效介电常数 , 单位为 f/ m; l 为液位最大高度 ; r1 为不锈钢管半径 ;r0 为绝缘导线半径 , 单位为 m。当可测量液位为 h 时, 不锈钢管与同轴绝缘电线之间存在电容 ch :（2）（ 2）式中 , 为容器内气体的等效介电常数 , 单位为 f/ m 。因此 ,当传感器内液位由零增加到 h 时 , 其电容的变化量c 可由式 (1) 和式量 h 呈近似线性关系。因为参数 0 , , r1 , r0 , l都是定值 ,由(2) 得（ 3）由式（ 3）式可知 , 参数 0 , , r1 , r0都是定值。所以电容的变化量 c

9、与液位变化式 (2) 变形可得 :ch = a0+ b0 h ( a0 和b0为常数 ) (4) 。可见 , 传感器的电容量值 ch 的大小与电容器浸入液体的深度 h 成线性关系。由此 , 只要测出电容值便能计算出水位。液位高度与电容变化曲线三、电容测量电路设计3.1 测量电路本设计采用二极管 t形网络（双 t电桥）如下图所示。它是利用电容器充放电原理组成的电路。其中 e是高频电源，提供幅值电压为 e的对称方波； c1和c2为差动电容传感器； d1和d2为两只理想二极管； r1和r2为固定电阻，且 r1=r2；rl 为负载电阻（或后接仪器仪表的出入电阻）。该电路的工作原理如下：当电源为正半周时

10、，二极管 d1导通而 d2 截止，其等效电路如图（ b) 所示。此时电容 c1很快充电至 e，电源 e经r1以电流 i1 向负载 rl供电；与此同时，电容 c2经 r2和 rl放电，放电电流 i2(t) 。流经 rl的电流 il(t) 是i1 和i2(t) 之和，他们的极性如图（ b）所示。当电源 e为负半周时， 二极管 d2导通而 d1截止，其等效电路如图 （c)所示。此时电容 c1很快充电至 e，电源 e经 r1以电流 i1 向负载 rl供电；与此同时，电容 c2经 r2和rl放电，放电电流 i2(t) 。流经 rl的电流 il(t) 是 i1 和i2(t) 之和，他们的极性如图（ c）所

11、示。利用电路分析可以求得电源e的负半周内电路的输出为：式中，为电容 c1的放电时间常数。同理，在电源 e的正半周期内电路的输出为式中，为电容 c2的放电时间常数。由此可得输出电流的平均值为式中， f 为电源 e的频率； k1、k2为系数，输出电压的平均值为适当选择电路中元件的参数以及电源频率 f ，则上式中指数项所引起的误差可以小于 1%。式中， k为常数，为电容传感器测量时的电容变化量。二极管 t形网络电路特点：（1）e，c1 ，c2接地 ；（2）工作电平高， d1 ，d2工作在线性区灵敏度与电源幅值和频率有关；（3）输出电压高；（4）输出阻抗与 c1 、c2无关，与 r1 ， r2同数量级

12、，可用 maa表直接测量；（5）rl影响电容放电速度， 宜小些， rl1k上升时间 20s，可测量动态信号。四、电信号放大电路设计4.1 整流电路将模拟电压转化为数字信号所用的转换芯片为adc0809，它仅能将单极性电压转换为数字量，所以我们将测量电路转换后的电压先经整流电路、滤波器和稳压电路将输入电压变为单极性电压供给放大电路。4.2 放大电路由于从传感器得出的电压一般在 030mv之间，太小不易测量，所以要通过放大电路进行放大，如图 3-3 所示，采用最基本的比例运算反放大电路 .图 3-3比例放大电路要将 30mv电压放大成5v，根据公式u=-（ r1/r2） uo, 所以选择r1=50

13、0k,r2=3k，r4=r1/r2, 后边的是一个反相器，把第一个运放得到的电压反相成正的，其中r3=r5=1k,r6=r3/r5。五、 ad 转换电路及与单片机接口本设计采用 a/d转换器 adc0809。adc0809是 cmos单片型逐次逼近式 a d转换器，由于输出级有 8位三态输出锁存器，因而 0809的数据输出端可以直接与单片机的数据总线连接。adc0809的工作过程是：首先输入3位地址，并使 ale=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。start上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动a/d 转换，之后 eoc输出信号变低，指示转换正在进行。直到a

14、/d转换完成， eoc变为高电平，指示a/d转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当oe输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上 .adc0809转换是采用逐次比较的方法完成a/d转换的，由单一的+5v供电，片内带有锁存功能的8路选一的模拟开关，由 a， b， c引脚的编码来确定所选通道。 0809完成一次转换需要 100us左右，输出具有 ttl三态锁存缓冲器，可直接连到mcs-51的数据总线上，通过适当的外接电路，0809可对 0-5v的模拟信号进行转换。液位高度与电压变化曲线：图 5-1 adc0809 与单片机的接口电路六、误差分析6.1 误差来

15、源误差来源主要包括：温度对结构尺寸参数的影响温度对介电常数的影响结构设计中边缘效应的影响结构设计中采用绝缘材料的影响寄生电容的干扰的影响6.2 影响液位测量的主要因素温度常常是影响液位测量精度的一个主要因素，在不同温度下，传感器所用材料都将发生不同程度的尺寸变化，这些都将影响传感器的精度。同时，各种介质的介电常数也是随温度的变化而变化的。所以应当选用适当的温度补偿电路，减小温度带来的影响。七、总结一个多星期的课程设计忙碌而充实，对于这次的测控电路课程设计，总的来说基本完成了课设的任务要求，从这次的课程设计当中也学会了许多的东西， 在平时当中我们设计的的程序比较简单， 趋于理论化，而这次的课程设

16、计题目趋于生活的实际，做起来有较大的兴趣。由于平时在实验室做实验时， 有较多的外接硬件供使用， 程序就相对简单一些，而这次的课程设计没有提供外加的硬件设施，开始时觉得无从下手，经过多方面的搜索资料，慢慢有了头绪，并且发现要用到的知识并非所想象中的那么难以理解，经过一番自学，逐一的弄明白，使自己对这次设计有了很大的帮助。通过将要实现的任务分成多块，然后分而治之，最终将各分功能进行合并，最终获得成功，完成之时，相当有成就感。在我们平时的学习期间，我们所学的知识都是书本上的一些不大灵活的东西 , 而且学习期间的这种考核是单科进行，主要是考查我们对本门学科所学知识的记忆程度和理解程度。但我认为这种实践

17、性课程设计则不同，它不是单一地对我们进行某一学科已学知识的考核，而是着重考查我们运用所学知识对某一问题进行探讨和研究的能力。整个设计的过程，同时也是专业知识的学习过程，而且是更生动、更切实、更深入的专业知识的学习。首先，一个设计是结合科研课题，把学过的专业知识运用于实际，在理论和实际结合过程中进一步消化、加深和巩固所学的专业知识，并把所学的专业知识转化为分析和解决问题的能力。其次，在搜集材料、调查研究、接触实际的过程中，既可以印证学过的书本知识，又可以学到许多课堂和书本里学不到的活生生的新知识。此外，我们在这种自己动手的设计中，对所学专业的某一侧面和专题作了较为深入的分析。在此我感谢老师对我的帮助和鼓励！总之，这次的课程设计对我来说说是一个很好锻炼自己的机会！参考文献1. 何道清、张禾 .2008.传感器与传感器技术（第二版） .北京 .科学出版社2. 单成祥 .2007.传感器设计基础 .北京 .国防工业出版社3. 张红润 .2007.传感器技术大全 .北京 .北京航空航天大学出版社4. 阎石 .2005.数字电子技术基础（第五版） .北京 .高等教育出版社5. 杜如彬 , 柯象恒 .1987,2. 液位检测技术 m. 原子能出版社6. 孙传友 , 孙晓斌 , 张一 .2004,6. 感测技术与系统设计 m. 科学出版社7. 苏东波 .1995. 新型液位