電容式液位傳感器課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要- 2 -</b></p><p>　　引 言- 3 -</p><p>　　1設(shè)計(jì)方案- 4 -</p><p>　　1.1設(shè)計(jì)原理- 4 -</p><p>　　1.2系統(tǒng)框圖- 4

2、 -</p><p>　　2傳感器原理- 6 -</p><p>　　2.1傳感器簡(jiǎn)述- 6 -</p><p>　　2.2電容式液位計(jì)- 7 -</p><p>　　2.3傳感器的組成- 9 -</p><p>　　2.4測(cè)量原理- 9 -</p><p>　　3電容測(cè)量電路設(shè)計(jì)-

3、 11 -</p><p>　　3.1測(cè)量電路- 11 -</p><p>　　4電信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)- 17 -</p><p>　　4.1整流電路- 17 -</p><p>　　4.2放大電路- 17 -</p><p>　　5 AD轉(zhuǎn)換電路及與單片機(jī)接口- 18 -</p><p&

4、gt;　　6 誤差分析- 20 -</p><p>　　6.1誤差來(lái)源- 21 -</p><p>　　6.2影響液位測(cè)量的主要因素- 21 -</p><p>　　7總結(jié)- 21 -</p><p>　　參考文獻(xiàn)- 23 -</p><p><b>　　摘要</b></p>

5、<p>　　在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，為了實(shí)現(xiàn)安全快速有效優(yōu)質(zhì)的生產(chǎn)，經(jīng)常需要對(duì)液位進(jìn)行精確測(cè)量，繼而進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)、智能控制使生產(chǎn)結(jié)果更趨完善。</p><p>　　通常進(jìn)行液位測(cè)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(cè)量?jī)r(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是間接測(cè)量方法中最常用的方法之一。本設(shè)計(jì)采用電容式傳感器的原理、電容電壓轉(zhuǎn)換電路、精確測(cè)量電壓幅度的測(cè)量法,及利用DS1820 測(cè)量溫度和用單片機(jī)

6、進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)姆椒?。設(shè)計(jì)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(cè)量，通過(guò)軟件計(jì)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(bǔ)償功能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該裝置的測(cè)量精度優(yōu)于1cm。引 言</p><p>　　液位檢測(cè)在許多控制領(lǐng)域已較為普遍，各種類型的液位檢測(cè)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(jì)完成，其結(jié)構(gòu)、量

7、程和精度適用于各自不同的場(chǎng)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(jì)，有投入式、浮球式、彈簧式等，多數(shù)成品價(jià)格驚人。以上液位計(jì)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(dòng)液面易引起讀數(shù)的波動(dòng)；也有用電容法測(cè)液位的系統(tǒng)，此法是一種簡(jiǎn)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(jì)出一種智能液位檢測(cè)裝置。</p><p><b>　　1設(shè)

8、計(jì)方案</b></p><p><b>　　1.1設(shè)計(jì)原理</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)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(shí)，電容量的大小也會(huì)有所不同。從而引起對(duì)應(yīng)電容量變化的關(guān)系進(jìn)行液位測(cè)量。由于從傳感器得出的電壓一般在0~30mv之間，太小不易測(cè)量，所以要通過(guò)放大電路進(jìn)行放大。從放大電路出來(lái)的是模

9、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(hào)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(dòng)數(shù)碼管。</p><p><b>　　1.2系統(tǒng)框圖</b></p><p>　　被測(cè)物理量：主要是指非電的物理量，在這里為水位。</p><p>　　傳感器：將輸入的物

10、理量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)非電量到電量的變換。傳感器的精度直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的性能，所以是系統(tǒng)中一個(gè)重要的部件。</p><p>　　放大，整形，濾波：傳感器的輸出信號(hào)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(lái)完成。</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換器：實(shí)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。</p>

11、<p>　　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)。</p><p>　　顯示設(shè)備：在此用到8段數(shù)碼管。</p><p>　　控制設(shè)備：控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行或關(guān)閉。</p><p><b>　　2傳感器原理</b></p><p><b>　　2.1傳感器簡(jiǎn)述</

12、b></p><p>　　電容式液位傳感器系統(tǒng); 它利用被測(cè)體的介電常數(shù)不同,使電容的大小也不相同， 通過(guò)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(guò)測(cè)量電路轉(zhuǎn)化成電壓脈沖寬度變化, 再由單片機(jī)進(jìn)行測(cè)量并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的液位高度進(jìn)行顯示,該系統(tǒng)對(duì)液位深度具有測(cè)量、顯示與設(shè)定功能, 并具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。</p><p><b>　　2.2電容式液位計(jì)&

13、lt;/b></p><p><b>　　測(cè)量原理</b></p><p>　　在柱形電容器的極板之間，充以不同高度的介質(zhì)時(shí)，電容量的大小也會(huì)有所不同。因此，可通過(guò)測(cè)量電容量的變化來(lái)檢測(cè)液位。</p><p>　　圖（a）是由兩個(gè)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ε0的介質(zhì)時(shí)，則兩圓筒間的電容量表達(dá)式為</p>

14、;<p>　　式中L---兩極板相互遮蓋部分的長(zhǎng)度；d，D---圓筒形內(nèi)電極的外徑和外電極的內(nèi)徑；ε0---兩電極間介質(zhì)的介電常數(shù)。 </p><p>　　所以，當(dāng)D和d一定時(shí)，電容量C的大小與極板的長(zhǎng)度L和介質(zhì)的介電常數(shù)的ε0乘機(jī)成比例。這樣，將電容傳感器（探頭）插入被檢測(cè)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(cè)出物位。</p><p>

15、<b>　　2.3傳感器的組成</b></p><p>　　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(zhǎng)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(cè)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(cè)液體液位的變化而變化, 從而引起對(duì)應(yīng)電容量變化的關(guān)系進(jìn)行液位測(cè)量。</p><p><b>　　2.

16、4測(cè)量原理</b></p><p>　　由圖（a）可知, 當(dāng)可測(cè)量液位H = 0 時(shí), 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:</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　?。?）式中, C0 為電容量, 單位為F ; ε0 為容器內(nèi)氣體的等效介電常數(shù),單位為F/

17、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(cè)量液位為H 時(shí), 不銹鋼管與同軸絕緣電線之間存在電容CH :</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　（2）式中, ε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(shí), 其電容的變化量ΔC 可由式(1) 和式(2) 得

18、 （3）</p><p>　　由式（3）式可知, 參數(shù)ε0 , ε, R1 , R0 都是定值。所以電容的變化量ΔC 與液位變化量H 呈近似線性關(guān)系。因?yàn)閰?shù)ε0 , ε, R1 , R0 , L 都是定值, 由式(2) 變形可得:CH = a0 + b0 H ( a0 和b0 為常數(shù)) (4)?？梢?jiàn), 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(cè)出電容值便能計(jì)算出水位。

19、</p><p>　　液位高度與電容變化曲線</p><p><b>　　3電容測(cè)量電路設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　3.1測(cè)量電路</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)采用二極管T形網(wǎng)絡(luò)（雙T電橋）如下圖所示。</p><p>　　它是利用電容器充放電原理組成的電

20、路。其中e是高頻電源，提供幅值電壓為E的對(duì)稱方波；C1和C2為差動(dòng)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）。</p><p>　　該電路的工作原理如下：當(dāng)電源為正半周時(shí)，二極管D1導(dǎo)通而D2截止，其等效電路如圖（b)所示。此時(shí)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(shí)，電容C2經(jīng)R2和RL放電，放電電流I2(

21、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(shí)，二極管D2導(dǎo)通而D1截止，其等效電路如圖（c)所示。此時(shí)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(shí)，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）所示。</p><p>　　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

22、：</p><p><b>　　式中，</b></p><p>　　為電容C1的放電時(shí)間常數(shù)。</p><p>　　同理，在電源e的正半周期內(nèi)電路的輸出為</p><p><b>　　式中，</b></p><p>　　為電容C2的放電時(shí)間常數(shù)。</p><

23、;p>　　由此可得輸出電流的平均值為</p><p>　　式中，f為電源e的頻率；k1、k2為系數(shù)，</p><p><b>　　輸出電壓的平均值為</b></p><p>　　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(xiàng)所引起的誤差可以小于1%。</p><p><b>　　式中，k為常數(shù)，&

24、lt;/b></p><p>　　為電容傳感器測(cè)量時(shí)的電容變化量。</p><p>　　二極管T形網(wǎng)絡(luò)電路特點(diǎn)：</p><p>　?。?）e，C1 ，C2接地 ；</p><p>　　（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)；</p><p><b>　　（3）輸出電壓高；

25、</b></p><p>　?。?）輸出阻抗與C1 、C2無(wú)關(guān)，與R1 ，R2同數(shù)量級(jí)，可用mA或?A表直接測(cè)量；</p><p>　　（5）RL影響電容放電速度，宜小些，RL＝1k?時(shí)，上升時(shí)間20?s，可測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào) 。</p><p>　　4電信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)</p><p><b>　　4.1整流電路</b

26、></p><p>　　將模擬電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)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(cè)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。</p><p><b>　　4.2放大電路</b></p><p>　　由于從傳感器得出的電壓一般在0~30mv之間，太小不易測(cè)

27、量，所以要通過(guò)放大電路進(jìn)行放大，如圖3-3所示，采用最基本的比例運(yùn)算反放大電路.</p><p>　　圖3-3 比例放大電路</p><p>　　要將30mV電壓放大成5V，根據(jù)公式U=-（R1/R2）Uo,所以選擇R1=500K,R2=3K，R4=R1//R2,,后邊的是一個(gè)反相器，把第一個(gè)運(yùn)放得到的電壓反相成正的，其中R3=R5=1K,R6=R3//R5。</p>&l

28、t;p>　　5 AD轉(zhuǎn)換電路及與單片機(jī)接口</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809。</p><p>　　ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器，由于輸出級(jí)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。</p><p>　　ADC0809的工作過(guò)程是：首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入

29、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(dòng) A/D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號(hào)變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到A/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(gè)信號(hào)可用作中斷申請(qǐng)。當(dāng)OE輸入高電平時(shí)，輸出三態(tài)門打開(kāi)，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上.</p><p>　　ADC0809轉(zhuǎn)換是采用逐次比較的方法完成A/D轉(zhuǎn)換的，由單

30、一的+5V供電，片內(nèi)帶有鎖存功能的8路選一的模擬開(kāi)關(guān)，由A，B，C引腳的編碼來(lái)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(guò)適當(dāng)?shù)耐饨与娐罚?809可對(duì)0-5V的模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。</p><p>　　液位高度與電壓變化曲線：</p><p>　　圖5-1 ADC0809與單片機(jī)的接口電路</p>

31、<p><b>　　6 誤差分析</b></p><p><b>　　6.1誤差來(lái)源</b></p><p><b>　　誤差來(lái)源主要包括：</b></p><p>　　溫度對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的影響</p><p>　　溫度對(duì)介電常數(shù)的影響</p><

32、p>　　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中邊緣效應(yīng)的影響</p><p>　　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用絕緣材料的影響</p><p>　　寄生電容的干擾的影響</p><p>　　6.2影響液位測(cè)量的主要因素</p><p>　　溫度常常是影響液位測(cè)量精度的一個(gè)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(shí)，各種介質(zhì)的介

33、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(bǔ)償電路，減小溫度帶來(lái)的影響。</p><p><b>　　7總結(jié)</b></p><p>　　一個(gè)多星期的課程設(shè)計(jì)忙碌而充實(shí)，對(duì)于這次的測(cè)控電路課程設(shè)計(jì)，總的來(lái)說(shuō)基本完成了課設(shè)的任務(wù)要求，從這次的課程設(shè)計(jì)當(dāng)中也學(xué)會(huì)了許多的東西，在平時(shí)當(dāng)中我們?cè)O(shè)計(jì)的的程序比較簡(jiǎn)單，趨于理論化，而這次的課程設(shè)計(jì)題目趨于生活的實(shí)際，做

34、起來(lái)有較大的興趣。由于平時(shí)在實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)時(shí)，有較多的外接硬件供使用，程序就相對(duì)簡(jiǎn)單一些，而這次的課程設(shè)計(jì)沒(méi)有提供外加的硬件設(shè)施，開(kāi)始時(shí)覺(jué)得無(wú)從下手，經(jīng)過(guò)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(shí)并非所想象中的那么難以理解，經(jīng)過(guò)一番自學(xué)，逐一的弄明白，使自己對(duì)這次設(shè)計(jì)有了很大的幫助。通過(guò)將要實(shí)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(shí)，相當(dāng)有成就感。</p><p>　

35、　在我們平時(shí)的學(xué)習(xí)期間，我們所學(xué)的知識(shí)都是書(shū)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(duì)本門學(xué)科所學(xué)知識(shí)的記憶程度和理解程度。但我認(rèn)為這種實(shí)踐性課程設(shè)計(jì)則不同，它不是單一地對(duì)我們進(jìn)行某一學(xué)科已學(xué)知識(shí)的考核，而是著重考查我們運(yùn)用所學(xué)知識(shí)對(duì)某一問(wèn)題進(jìn)行探討和研究的能力。</p><p>　　整個(gè)設(shè)計(jì)的過(guò)程，同時(shí)也是專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)過(guò)程，而且是更生動(dòng)、更切實(shí)、更深入的專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)。首先，

36、一個(gè)設(shè)計(jì)是結(jié)合科研課題，把學(xué)過(guò)的專業(yè)知識(shí)運(yùn)用于實(shí)際，在理論和實(shí)際結(jié)合過(guò)程中進(jìn)一步消化、加深和鞏固所學(xué)的專業(yè)知識(shí)，并把所學(xué)的專業(yè)知識(shí)轉(zhuǎn)化為分析和解決問(wèn)題的能力。其次，在搜集材料、調(diào)查研究、接觸實(shí)際的過(guò)程中，既可以印證學(xué)過(guò)的書(shū)本知識(shí)，又可以學(xué)到許多課堂和書(shū)本里學(xué)不到的活生生的新知識(shí)。此外，我們?cè)谶@種自己動(dòng)手的設(shè)計(jì)中，對(duì)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(duì)我的幫助和鼓勵(lì)！</p><p>　　總

37、之，這次的課程設(shè)計(jì)對(duì)我來(lái)說(shuō)說(shuō)是一個(gè)很好鍛煉自己的機(jī)會(huì)！</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　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</p><p>　　單成祥.2007.傳感器設(shè)計(jì)基礎(chǔ).北京.國(guó)防工業(yè)出版社</p><p>　　張紅潤(rùn).2007.傳感器技術(shù)大全

38、.北京.北京航空航天大學(xué)出版社</p><p>　　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</p><p>　　杜如彬,柯象恒.1987,2.液位檢測(cè)技術(shù)[M].原子能出版社</p><p>　　孫傳友,孫曉斌,張一.2004,6.感測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].科學(xué)出版社</p><p>　　蘇東波.1995.新型液位傳

39、感器[J].傳感器技術(shù).原子能出版社</p><p>　　張國(guó)雄.2008.測(cè)控電路（第三版）.機(jī)械工業(yè)出版社</p><p>　　胡壽松.2007.自動(dòng)控制原理（第五版）.科學(xué)出版社</p><p>　　阮亞婕.2002.智能電容式液位計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì).儀表技術(shù)</p><p>　　黃長(zhǎng)藝，盧文祥.2004.熊詩(shī)波.機(jī)械工程測(cè)量與試驗(yàn)技術(shù). 機(jī)械