電容式液位傳感器課程設(shè)計_李云浩

1、吉 林 鐵 道 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院畢 業(yè) 設(shè) 計 論 文論文題目：電容式液位傳感器課程設(shè)計專業(yè)：機(jī)電設(shè)備維修與管理學(xué)生姓名：吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院設(shè)計（論文）指導(dǎo)教師：劉振波開題日期：年月日完成日期：年月日一、設(shè)計題目及內(nèi)容二、基本要求三、重點研究問題四、主要技術(shù)指標(biāo)五、應(yīng)收集的資料及參考文獻(xiàn)六、進(jìn)度計劃設(shè)計環(huán)節(jié)日 期123456七、附注目 錄摘 要11.1 設(shè)計原理31.2 系統(tǒng)框圖32.1 傳感器簡述52.2 電容式液位計52.3 傳感器的組成62.4 測量原理73.1 測量電路84.1 整流電路124.2 放大電路125.1ad 轉(zhuǎn)換電路及與單片機(jī)接口136.1 誤差來源156.2 影

2、響液位測量的主要因素15摘 要在工業(yè)自動化生產(chǎn)過程中，為了實現(xiàn)安全快速有效優(yōu)質(zhì)的生產(chǎn)，經(jīng)常需要對液位進(jìn)行精確測量，繼而進(jìn)行自動調(diào)節(jié)、智能控制使生產(chǎn)結(jié)果更趨完善。通常進(jìn)行液位測量的方法有二十多種，分為直接法和間接法。其中電容式液位測量價格低廉、結(jié)構(gòu)簡單，是間接測量方法中最常用的方法之一。本設(shè)計采用電容式傳感器的原理、電容電壓轉(zhuǎn)換電路、精確測量電壓幅度的測量法 , 及利用ds1820 測量溫度和用單片機(jī)進(jìn)行溫度補償?shù)姆椒?。設(shè)計并制作了圓柱形電容器，利用二極管t 型網(wǎng)絡(luò)電路將容量變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化，并利用單片機(jī)進(jìn)行測量，通過軟件計算液位高度，減小了電容與電壓轉(zhuǎn)換的線性誤差，具有溫度軟件補償功能。通

3、過實驗測試，該裝置的測量精度優(yōu)于1cm。引 言液位檢測在許多控制領(lǐng)域已較為普遍，各種類型的液位檢測傳感器較多，按原理分有浮子式、壓力式、超聲波式、吹氣式等。各種方式都根據(jù)其需要設(shè)計完成，其結(jié)構(gòu)、量程和精度適用于各自不同的場合，大多結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜， 制造成本偏高； 市面上也有現(xiàn)成的液位計， 有投入式、浮球式、彈簧式等，多數(shù)成品價格驚人。以上液位計多數(shù)輸出為模擬量電流或電壓，有些為機(jī)械指針讀數(shù)，不能用于遠(yuǎn)程監(jiān)視；普遍適用于靜止液面，在波動液面易引起讀數(shù)的波動；也有用電容法測液位的系統(tǒng)，此法是一種簡單易行的方案。本文利用圓柱形電容器原理，結(jié)合單片機(jī)設(shè)計出一種智能液位檢測裝置。一、設(shè)計方案1.1 設(shè)計原

4、理本設(shè)計采用筒式電容傳感器采集液位的高度。主要利用在柱形電容器的極板之間，充以不同高度的介質(zhì)時，電容量的大小也會有所不同。從而引起對應(yīng)電容量變化的關(guān)系進(jìn)行液位測量。由于從傳感器得出的電壓一般在 030mv之間，太小不易測量，所以要通過放大電路進(jìn)行放大。從放大電路出來的是模擬量， 因此送入 adc0809轉(zhuǎn)換成數(shù)字量， adc0809連接于單片機(jī)，把信號送入單片機(jī)。顯示電路連接于單片機(jī)用于顯示水位的高度。該顯示接口用一片mc14499和單片機(jī)連接以驅(qū)動數(shù)碼管。1.2 系統(tǒng)框圖被測物理量：主要是指非電的物理量，在這里為水位。傳感器：將輸入的物理量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號輸出，實現(xiàn)非電量到電量的變換。傳感

5、器的精度直接影響到整個系統(tǒng)的性能，所以是系統(tǒng)中一個重要的部件。放大，整形，濾波：傳感器的輸出信號一般不適合直接去轉(zhuǎn)換數(shù)字量，通常要進(jìn)行放大，濾波等環(huán)節(jié)的預(yù)處理來完成。a/d 轉(zhuǎn)換器：實現(xiàn)將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，常用的是并行比較型、逐次逼近式、積分式等。在此用到逐次逼近式。單片機(jī)：目前的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能和性能日趨完善，因此主控部分一般都采用單片機(jī)。顯示設(shè)備：在此用到8 段數(shù)碼管。控制設(shè)備：控制電動機(jī)的運行或關(guān)閉。二、傳感器原理2.1 傳感器簡述電容式液位傳感器系統(tǒng);它利用被測體的介電常數(shù)不同, 使電容的大小也不相同，通過傳感器將液位高度變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電容量變化，再通過測量電路轉(zhuǎn)化成電壓脈沖寬度變

6、化,再由單片機(jī)進(jìn)行測量并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的液位高度進(jìn)行顯示, 該系統(tǒng)對液位深度具有測量、顯示與設(shè)定功能 ,并具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。2.2 電容式液位計測量原理在柱形電容器的極板之間，充以不同高度的介質(zhì)時，電容量的大小也會有所不同。因此，可通過測量電容量的變化來檢測液位。圖（ a）是由兩個同軸圓筒極板組成的電容器，在兩圓筒之間充以介電常數(shù)為 0 的介質(zhì)時，則兩圓筒間的電容量表達(dá)式為式中 l- 兩極板相互遮蓋部分的長度； d， d- 圓筒形內(nèi)電極的外徑和外電極的內(nèi)徑； 0- 兩電極間介質(zhì)的介電常數(shù)。所以，當(dāng) d和 d 一定時，電容量 c 的大小與極板的長度l 和介質(zhì)的介電常數(shù)的 0 乘

7、機(jī)成比例。這樣，將電容傳感器（探頭）插入被檢測物料中，電極浸入物料中的深度隨物位高低變化，必然引起電容量的變化，從而可檢測出物位。2.3 傳感器的組成圖 3-1-2為傳感器部分的結(jié)構(gòu)原理圖。 它主要是由細(xì)長的不銹鋼管( 半徑為 r1 )、同軸絕緣導(dǎo)線 ( 半徑為r0 )以及其被測液體共同構(gòu)成的金屬圓柱形電容器構(gòu)成。該傳感器主要利用其兩電極的覆蓋面積隨被測液體液位的變化而變化,從而引起對應(yīng)電容量變化的關(guān)系進(jìn)行液位測量。2.4 測量原理由圖（ a）可知 , 當(dāng)可測量液位 h = 0 時, 不銹鋼管與同軸絕緣導(dǎo)線構(gòu)成的金屬圓柱形電容器之間存在電容 c0 , 根據(jù)文獻(xiàn)得到電容量為 :（1）（1）式中

8、, c0 為電容量 , 單位為 f ; 0 為容器內(nèi)氣體的等效介電常數(shù) , 單位為 f/ m; l 為液位最大高度 ; r1 為不銹鋼管半徑 ;r0 為絕緣導(dǎo)線半徑 , 單位為 m。當(dāng)可測量液位為 h 時, 不銹鋼管與同軸絕緣電線之間存在電容 ch :（2）（ 2）式中 , 為容器內(nèi)氣體的等效介電常數(shù) , 單位為 f/ m 。因此 ,當(dāng)傳感器內(nèi)液位由零增加到 h 時 , 其電容的變化量c 可由式 (1) 和式量 h 呈近似線性關(guān)系。因為參數(shù) 0 , , r1 , r0 , l都是定值 ,由(2) 得（ 3）由式（ 3）式可知 , 參數(shù) 0 , , r1 , r0都是定值。所以電容的變化量 c

9、與液位變化式 (2) 變形可得 :ch = a0+ b0 h ( a0 和b0為常數(shù) ) (4) ?？梢?, 傳感器的電容量值 ch 的大小與電容器浸入液體的深度 h 成線性關(guān)系。由此 , 只要測出電容值便能計算出水位。液位高度與電容變化曲線三、電容測量電路設(shè)計3.1 測量電路本設(shè)計采用二極管 t形網(wǎng)絡(luò)（雙 t電橋）如下圖所示。它是利用電容器充放電原理組成的電路。其中 e是高頻電源，提供幅值電壓為 e的對稱方波； c1和c2為差動電容傳感器； d1和d2為兩只理想二極管； r1和r2為固定電阻，且 r1=r2；rl 為負(fù)載電阻（或后接儀器儀表的出入電阻）。該電路的工作原理如下：當(dāng)電源為正半周時

10、，二極管 d1導(dǎo)通而 d2 截止，其等效電路如圖（ b) 所示。此時電容 c1很快充電至 e，電源 e經(jīng)r1以電流 i1 向負(fù)載 rl供電；與此同時，電容 c2經(jīng) r2和 rl放電，放電電流 i2(t) 。流經(jīng) rl的電流 il(t) 是i1 和i2(t) 之和，他們的極性如圖（ b）所示。當(dāng)電源 e為負(fù)半周時， 二極管 d2導(dǎo)通而 d1截止，其等效電路如圖 （c)所示。此時電容 c1很快充電至 e，電源 e經(jīng) r1以電流 i1 向負(fù)載 rl供電；與此同時，電容 c2經(jīng) r2和rl放電，放電電流 i2(t) 。流經(jīng) rl的電流 il(t) 是 i1 和i2(t) 之和，他們的極性如圖（ c）所

11、示。利用電路分析可以求得電源e的負(fù)半周內(nèi)電路的輸出為：式中，為電容 c1的放電時間常數(shù)。同理，在電源 e的正半周期內(nèi)電路的輸出為式中，為電容 c2的放電時間常數(shù)。由此可得輸出電流的平均值為式中， f 為電源 e的頻率； k1、k2為系數(shù)，輸出電壓的平均值為適當(dāng)選擇電路中元件的參數(shù)以及電源頻率 f ，則上式中指數(shù)項所引起的誤差可以小于 1%。式中， k為常數(shù)，為電容傳感器測量時的電容變化量。二極管 t形網(wǎng)絡(luò)電路特點：（1）e，c1 ，c2接地 ；（2）工作電平高， d1 ，d2工作在線性區(qū)靈敏度與電源幅值和頻率有關(guān)；（3）輸出電壓高；（4）輸出阻抗與 c1 、c2無關(guān)，與 r1 ， r2同數(shù)量級

12、，可用 maa表直接測量；（5）rl影響電容放電速度， 宜小些， rl1k上升時間 20s，可測量動態(tài)信號。四、電信號放大電路設(shè)計4.1 整流電路將模擬電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號所用的轉(zhuǎn)換芯片為adc0809，它僅能將單極性電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，所以我們將測量電路轉(zhuǎn)換后的電壓先經(jīng)整流電路、濾波器和穩(wěn)壓電路將輸入電壓變?yōu)閱螛O性電壓供給放大電路。4.2 放大電路由于從傳感器得出的電壓一般在 030mv之間，太小不易測量，所以要通過放大電路進(jìn)行放大，如圖 3-3 所示，采用最基本的比例運算反放大電路 .圖 3-3比例放大電路要將 30mv電壓放大成5v，根據(jù)公式u=-（ r1/r2） uo, 所以選擇r1=50

13、0k,r2=3k，r4=r1/r2, 后邊的是一個反相器，把第一個運放得到的電壓反相成正的，其中r3=r5=1k,r6=r3/r5。五、 ad 轉(zhuǎn)換電路及與單片機(jī)接口本設(shè)計采用 a/d轉(zhuǎn)換器 adc0809。adc0809是 cmos單片型逐次逼近式 a d轉(zhuǎn)換器，由于輸出級有 8位三態(tài)輸出鎖存器，因而 0809的數(shù)據(jù)輸出端可以直接與單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線連接。adc0809的工作過程是：首先輸入3位地址，并使 ale=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。start上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動a/d 轉(zhuǎn)換，之后 eoc輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到a

14、/d轉(zhuǎn)換完成， eoc變?yōu)楦唠娖?，指示a/d轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當(dāng)oe輸入高電平時，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上 .adc0809轉(zhuǎn)換是采用逐次比較的方法完成a/d轉(zhuǎn)換的，由單一的+5v供電，片內(nèi)帶有鎖存功能的8路選一的模擬開關(guān)，由 a， b， c引腳的編碼來確定所選通道。 0809完成一次轉(zhuǎn)換需要 100us左右，輸出具有 ttl三態(tài)鎖存緩沖器，可直接連到mcs-51的數(shù)據(jù)總線上，通過適當(dāng)?shù)耐饨与娐罚?809可對 0-5v的模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換。液位高度與電壓變化曲線：圖 5-1 adc0809 與單片機(jī)的接口電路六、誤差分析6.1 誤差來

15、源誤差來源主要包括：溫度對結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的影響溫度對介電常數(shù)的影響結(jié)構(gòu)設(shè)計中邊緣效應(yīng)的影響結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用絕緣材料的影響寄生電容的干擾的影響6.2 影響液位測量的主要因素溫度常常是影響液位測量精度的一個主要因素，在不同溫度下，傳感器所用材料都將發(fā)生不同程度的尺寸變化，這些都將影響傳感器的精度。同時，各種介質(zhì)的介電常數(shù)也是隨溫度的變化而變化的。所以應(yīng)當(dāng)選用適當(dāng)?shù)臏囟妊a償電路，減小溫度帶來的影響。七、總結(jié)一個多星期的課程設(shè)計忙碌而充實，對于這次的測控電路課程設(shè)計，總的來說基本完成了課設(shè)的任務(wù)要求，從這次的課程設(shè)計當(dāng)中也學(xué)會了許多的東西， 在平時當(dāng)中我們設(shè)計的的程序比較簡單， 趨于理論化，而這次的課程設(shè)

16、計題目趨于生活的實際，做起來有較大的興趣。由于平時在實驗室做實驗時， 有較多的外接硬件供使用， 程序就相對簡單一些，而這次的課程設(shè)計沒有提供外加的硬件設(shè)施，開始時覺得無從下手，經(jīng)過多方面的搜索資料，慢慢有了頭緒，并且發(fā)現(xiàn)要用到的知識并非所想象中的那么難以理解，經(jīng)過一番自學(xué)，逐一的弄明白，使自己對這次設(shè)計有了很大的幫助。通過將要實現(xiàn)的任務(wù)分成多塊，然后分而治之，最終將各分功能進(jìn)行合并，最終獲得成功，完成之時，相當(dāng)有成就感。在我們平時的學(xué)習(xí)期間，我們所學(xué)的知識都是書本上的一些不大靈活的東西 , 而且學(xué)習(xí)期間的這種考核是單科進(jìn)行，主要是考查我們對本門學(xué)科所學(xué)知識的記憶程度和理解程度。但我認(rèn)為這種實踐

17、性課程設(shè)計則不同，它不是單一地對我們進(jìn)行某一學(xué)科已學(xué)知識的考核，而是著重考查我們運用所學(xué)知識對某一問題進(jìn)行探討和研究的能力。整個設(shè)計的過程，同時也是專業(yè)知識的學(xué)習(xí)過程，而且是更生動、更切實、更深入的專業(yè)知識的學(xué)習(xí)。首先，一個設(shè)計是結(jié)合科研課題，把學(xué)過的專業(yè)知識運用于實際，在理論和實際結(jié)合過程中進(jìn)一步消化、加深和鞏固所學(xué)的專業(yè)知識，并把所學(xué)的專業(yè)知識轉(zhuǎn)化為分析和解決問題的能力。其次，在搜集材料、調(diào)查研究、接觸實際的過程中，既可以印證學(xué)過的書本知識，又可以學(xué)到許多課堂和書本里學(xué)不到的活生生的新知識。此外，我們在這種自己動手的設(shè)計中，對所學(xué)專業(yè)的某一側(cè)面和專題作了較為深入的分析。在此我感謝老師對我的幫助和鼓勵！總之，這次的課程設(shè)計對我來說說是一個很好鍛煉自己的機(jī)會！參考文獻(xiàn)1. 何道清、張禾 .2008.傳感器與傳感器技術(shù)（第二版） .北京 .科學(xué)出版社2. 單成祥 .2007.傳感器設(shè)計基礎(chǔ) .北京 .國防工業(yè)出版社3. 張紅潤 .2007.傳感器技術(shù)大全 .北京 .北京航空航天大學(xué)出版社4. 閻石 .2005.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版） .北京 .高等教育出版社5. 杜如彬 , 柯象恒 .1987,2. 液位檢測技術(shù) m. 原子能出版社6. 孫傳友 , 孫曉斌 , 張一 .2004,6. 感測技術(shù)與系統(tǒng)設(shè)計 m. 科學(xué)出版社7. 蘇東波 .1995. 新型液位