基于变介质感测的液位传感器研究

1、文章编号：1001-9944(2012 07-0020-04基于变介质感测的液位传感器研究赵远鹏，靳宝全，程珩（太原理工大学机械电子工程研究所新型传感器与智能控制教育部重点实验室，太原030024）摘要：针对水质差和测量环境恶劣等问题，利用变介质电容原理设计了一种新型液位传感器。通过聚四氟乙烯电缆将水位高度转化成电容值，通过专用电路进一步将电容值转化为标准的电压值，并综合运用平均值滤波法及插值法拟合系统曲线，消除干扰误差，实现了非线性校正。试验表明：本传感器具有较高的测量精度，适用于各种复杂环境的水位检测。关键词：变介质电容原理；液位传感器；CAV444；平均滤波法；非线性校正中图分类号：T

2、P212文献标志码：BStudy on Liquid Level Sensor Based on Principle of Variable Media Capaci -tance SensingZHAO Yuan -peng ，JIN Bao -quan ，CHENG Hang（Institute of Mechatronics Engineering ，Key Laboratory of Advanced Transducers and Intelligent Control Systems ，Min -istry of Education ，Taiyuan University of T

3、echnology ，Taiyuan 030024，China ）Abstract ：Aiming at the problems of the poor water quality and bad measurement environment ，a new liquid level sensor based on the variable media capacitance principle was designed. The liquid level was converted to capaci -tance value by Teflon coaxial cable ，and th

4、en the capacitance value was transformed to standard voltage through the special circuit. Finally the average filter and interpolation method was synthetically used to fit the system curve and to eliminate interference error ，thus the nonlinear correction was implemented. The result of test shows th

5、at the de -signed sensor has a higher measurement accuracy ，and it is suitable for the water level detection under different complicate environments.Key words ：principle of variable media capacitance ；liquid level sensor ；CAV444；average filter ；nonlinear correction随着地质开采领域技术的不断提高，其水文探测的难度也在不断增大，进而对水

6、文检测精度的要求也越来越高1。文献28各采用不同技术对液面高度进行了定位。然而上述原理研制的传感器存在结构复杂、成本高、工程实现困难，或者在水质浑浊、界面模糊以及监测环境恶劣的条件下，不能保证传感器的正常收稿日期：20120217；修订日期：20120326工作或精准测量等问题。本文提出以聚四氟乙烯电缆为传感器的敏感元件，利用变介质电容原理，设计了电容式液位传感器。由于传感器的测量精度受到环境扰动和非线性的影响，硬件补偿会导致结构复杂、成本高和精度低，在复杂工况下很难达到理想的预期效果。本文综合采用平均值滤波法及一次函数插值法拟合系统曲线，消除复杂工况带来的误差，提基金项目：国家自然科学基金项

7、目（51035007）、山西省自然科学基金资助项目（2011011026-3）作者简介：赵远鹏（1987），男，硕士研究生，研究方向为机电系统与生产过程智能控制；靳宝全（1972），男，副教授，研究方向为故障诊断与智能控制；程珩（1956），女，教授，研究方向为机电系统测试与故障诊断。20Automation Instrumentation 2012(7 高传感器的检测精度。MSP430F169聚四氟乙烯电缆电容电压转换电路1变介质电容感测机理电容式水位传感器是根据电容大小与水位高ADC UART0UART1MAX485TCP/IP模块LCD 显示按键电路红外遥控度成比例关系而研制的，通过敏感

8、元件聚四氟乙烯电缆将水位高度转化为电容值，其等效原理如图1。D dI/ODAC420mA 模块如果超过警戒水位将会触发声光报警，并将实时水Hh1位通过三种传输方式传输给上位机，即通过DAC 转换器的420mA 模拟信号接口、串口UART0的RS485数字信号接口以及串口UART1的TCP/IP协议的数字信号接口进行传输。2.2图1聚四氟乙烯电缆等效图电容信号转电压信号检测原理电容电压转换电路如图3所示。U3R 6R 7V CCRCM RCWCW CF1CW CF1Fig.1Equivalent figure of the Teflon coaxial cable根据变介质电容原理，聚四氟乙烯电

9、缆感测到电容C 为21h 2（H -h ）2h （1-）C +C 0+ln d ln d ln d（1）R 4R 1R 5R 3VB GAIN VOUT VREF VTEMP N.C.RA CF2CM VCC GND N.C.V CCR A CF2C式中：1为极板间介质的介电常数；为空气介电常数；D 为传感器探头的外径；d 为传感器探头的内径；h 为水位高度；H 为电缆总高度；C 0为初始电容值，由传感器的基本尺寸决定，C 0的表达式为Cvref R 2CAV444C 0=2H ln d（2）传感器通过CAV444电容电压转换模块将电容信号转化为相应的电压信号，CAV444通过对内置振荡器电容

10、及被测电容进行充放电，产生周期性振荡频率与被测电容成线性关系。振荡频率表达式为由式（1）可见，理想条件下电容值与液位高度成近似线性关系。22.1硬件系统设计传感器系统原理主要由以下几个部分构成传感器硬件系统：电f OSC =V REFREF 6（3）容电压转换电路、A/D采集电路、液晶屏显示电路、信号输出电路、电源保护电路、键盘电路、红外遥控电路、声光报警以及核心处理器等。系统原理图如图2所示。系统采用MSP430F169单片机作为传感器的核心处理器。利用聚四氟乙烯电缆将实时水位高度转换为电容值，通过电容电压转换芯片CAV444将电容值转化为标准的电压值，A/D采集后经过单片机的运算处理，将实

11、时水位高度显示在LCD 屏幕上，自动化与仪表式中：f OSC 为产生的振荡频率；C 为测量电容；V REF 为参考电压；R 6为CAV444内置振荡器的外接电阻；V REF 是振荡器的输出电压峰谷值之差，它是一个固定的电压值2.1V ，由内置电阻来确定。对固定电容C W 进行周期性充电，充电频率为振荡器产生的频率，固定电容两端的最大电压值V CW 为V CW =I V CR =OSC W W 7（4）式中，I CW 为电容式积分器的电流，由外接电阻R 7和2012(7 参考电压V REF 来确定。经过滤波和光滑处理后的直流电压信号V TPAS 为定性较差问题。由于测量对象变化缓慢，并对核心处理

12、器的数据运算速度要求较快，本文采样递推滤波法解决稳定性差的问题。将式（11）得到的值i 看做一个新测量值，存放在样本容量为m 的队列中。每存放一个新测量值就擦除掉该位置存放的旧值，数组始终只占有内存的固定位置和大小，因此队列中始终只有m 个最新数据。将队列中m 个数据进行算术平均，即可得到稳定的实时高度值U S ，即（7）V TPAS 3V REF CR 6（5）W 7信号V TPAS 可通过内置电压运算放大器直接放（6）大，增益G ZY 由外接电阻R 3和R 5确定，增益G ZY 为G ZY 1+R 5R 3电容电压转化模块最终的输出电压V OUT 为）+V REF V OUT （1+）（R

13、 38C W R 7电容的变化值C 为2h （-）C =ln d化值V OUT 为U S =（8）Uj 1mi（12）通过综合运用平均滤波法和递推平均滤波法，消除了冲击干扰带来的采集偏差，抑制了周期性干扰带来的系统误差，提高了系统的采样精度和稳定性，满足了实时控制系统对快速运算的要求。电容变化值C 经过CAV444后引起的电压变R 3V REF CR 6）V OUT =（1+5）（3W 7由式（7）和（8）推导可得V OUT 为（9）3.2非线性校正由于电子元器件的工艺特性和工作环境的特殊性，容易造成测量水位高度x 与系统采集到电压值V OUT =（1+R 6V h （-）R ）（）R 38C

14、 W R 7ln D d（10）U 之间有一定的线性度误差。为了表现出良好的线性度，一般以端点连线拟合实测曲线，即用连接两端点的直线来逼近传感器的实测曲线，但是拟合误差较大。本文采用一次函数插值法对传感器进行非线性校正，即用分段折线逼近传感器的实测曲线。首先按照传感器的精度要求将实际采样函数f （x ）划分为k 份，当k 足够大时，每一小段均可看成为直线，把每段曲线用直线近似，即用折线逼近整个曲线。由于每条直线段的两个端点坐标（x i ，U i ）和（x i -1，由式（10）可以看出输出电压值与水位高度h 成线性关系，比例系数与极板间介质的介电常数1、空气介电常数、聚四氟乙烯电缆的内外径有关

15、。3信号滤波与非线性校正由于本传感器在恶劣的检测环境下工作，环境中存在冲击干扰和周期性干扰，影响了采样精度和稳定性。因此本文采用综合平均值滤波方法来消除干扰，提高系统控制精度和稳定性。U i -1）是已知的，因此该直线段的斜率k i -1可表示为（13）k i -1=x i -x i -1该直线段上的各点满足下列关系式：3.1信号滤波设传感器第i 次执行采样操作，采集输入电压U=Ui -1+k i -1（x-x i -1）（14）U i 的n 个样本观测值分别为U i 1、U i 2、U in 。利用冒泡排序法将U i 的n 个样本观测值按升序排列U i 1U i 2U in 。为了消除冲击干

16、扰引起的误差，去掉排列后数据中的最大值U in 和最小值U i 1，接下来计算U i 2、U i 3、U i （n -1）的算术平均值，消除了周期性干扰带来的误差影响，得到U i 的估计值，即：i =预先将每段直线方程的常数及测量数据存于存储器中。根据测量值的大小，找到合适的拟合直线，从而计算出实际被测参数，该方法就可以较好地解决拟合精度问题。4系统软件设计软件设计采用状态机建模的方式编写，主要有Uk 2n 1ikn -2（11）初始化程序、A/D采集程序、数据滤波程序、非线性校正程序、LCD 刷新程序、红外遥控程序、数据存取程序、信号输出程序、液位过限报警程序等组成。传感器系统的状态转移图如

17、图4所示。Automation Instrumentation 2012(7 可看出，式（11）消除了冲击干扰和周期性干扰引起的误差，提高了采样精度，然而还存在数据稳22信号滤波/线性补偿计算状态计算结束零点-复位键复位键零点+参数切换状态量程切换采样计数达到n 次/关闭ADC最大偏差L max 为-4.5mV ，系统的非线性度误差为0.3205%。因此采用一次函数插值法能够更好地拟合实测曲线。经过系统的线性拟合后，传感器输出的实测水位高度如图6所示，其水位高度能很好地吻合实际水位高度。4512刷新状态数据发送/LCD 刷新复位键复位键/关闭ADC采集状态3500500050025253035

18、4045121-实测水位曲线2-实际水位曲线0.5s 到达/开启ADCADC 采样完毕中断/采样计数+图4传感器的状态转移图Fig.4State transition diagram of the sensor5实验分析采用本传感器对某煤矿污水处理厂的水位高度进行实时测量，由于测量环境具有开放性，外界环境给水位测量带来各种干扰，测量数据如图5所示。350300250200150123253545121-实测曲线32-插值法拟合3-端点连线拟合6结语本设计采用聚四氟乙烯电缆为感测水位的敏感00000000000000000元件，利用变介质电容原理来测量水位高度，结构简单、工程实现容易、能够在界面模糊的情况下仍然能实现精确测量。传感器采用综合平均值滤波法取值和一次函数插值法进行系统非线性校正，使得系统的非线性度误差降低到0.3205%，测量误差减小到合理的范围，达到了复杂环境下工作的要求。参考文献：1郭凤仪，李斌，马文龙，等. 深水水位检测用压力传感器补偿方法研究J.仪表技术与传感器，2010（6）：6-8.刘高平，杨如祥，秦一涛，等. 光纤温度传感器在水库水位监测中的应用J.电子测量与仪器学