电容式液位传感器课程设计_李云浩.pdf
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 1 2 3 4 5 6 七、附注 目 录 摘 要 1 1.1 设计原理 3 1.2 系统框图 3 2.1 传感器简述 5 2.2 电容式液位计 5 2.3 传感器的组成 6 2.4 测量原理 7 3.1 测量电路 8 4.1 整流电路 . .12 4.2 放大电路 . .12 5.1AD 转换电路及与单片机接口13 6.1 误差来源 15 6.2 影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 , 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 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，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，可用 mAA 表直接测量； （5）RL 影响电容放电速度， 宜小些，RL 1k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=500K,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 AD 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/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. 新型液位传感器 J. 传感器技术 . 原子能出版社 8.张国雄.2008.测控电路（第三版） .机械工业出版社 9.胡寿松.2007.自动控制原理（第五版） .科学出版社 1 0.阮亚婕 .2002.智能电容式液位计系统设计.仪表技术 1 1.黄长艺，卢文祥 .2004.熊诗波 .机械工程测量与试验技术. 机械工 业出版社 六、进度计划 设计环节日 期 1 设计原理、系统框图3 月 16 日 2 简述传感器组成及液位计测量原理3 月 18 日 3 测量电路3 月 21 日 4 整流、放大电路3 月 24 日 5 AD转换电路及与单片机接口3 月 27 日 6 误差来源及主要因素3 月 30 日
