電容式液位傳感器課程設(shè)計(jì)_李云浩

1、吉 林 鐵 道 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文論文題目：電容式液位傳感器課程設(shè)計(jì)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(jì)（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(jì)題目及內(nèi)容二、基本要求三、重點(diǎn)研究問(wèn)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(jì)劃設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)日 期123456七、附注目 錄摘 要11.1 設(shè)計(jì)原理31.2 系統(tǒng)框圖32.1 傳感器簡(jiǎn)述52.2 電容式液位計(jì)52.3 傳感器的組成62.4 測(cè)量原理73.1 測(cè)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(lái)源156.2 影

2、響液位測(cè)量的主要因素15摘 要在工業(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。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)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

3、過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該裝置的測(cè)量精度優(yōu)于1cm。引 言液位檢測(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。一、設(shè)計(jì)方案1.1 設(shè)計(jì)原

4、理本設(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 030mv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。1.2 系統(tǒng)框圖被測(cè)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(hào)輸出，實(shí)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(gè)系統(tǒng)的性能，所以是系統(tǒng)中一個(gè)重要的部件。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。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。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?？刂圃O(shè)備：控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行或關(guān)閉。二、傳感器原理2.1 傳感器簡(jiǎn)述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

6、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)。2.2 電容式液位計(jì)測(cè)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(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。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 0 的介質(zhì)時(shí)，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(zhǎng)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(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 0 乘

7、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。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(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。2.4 測(cè)量原理由圖（ 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 :（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(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 :（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(shí) , 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?yàn)閰?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(cè)出電容值便能計(jì)算出水位。液位高度與電容變化曲線三、電容測(cè)量電路設(shè)計(jì)3.1 測(cè)量電路本設(shè)計(jì)采用二極管 t形網(wǎng)絡(luò)（雙 t電橋）如下圖所示。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(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）。該電路的工作原理如下：當(dāng)電源為正半周時(shí)

10、，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(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

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(shí)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(shí)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(xiàng)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(cè)量時(shí)的電容變化量。二極管 t形網(wǎng)絡(luò)電路特點(diǎn)：（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(wú)關(guān)，與 r1 ， r2同數(shù)量級(jí)

12、，可用 maa表直接測(cè)量；（5）rl影響電容放電速度， 宜小些， rl1k上升時(shí)間 20s，可測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)。四、電信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)4.1 整流電路將模擬電壓轉(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。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(cè)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 .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(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。五、 ad 轉(zhuǎn)換電路及與單片機(jī)接口本設(shè)計(jì)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(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。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

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(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，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(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。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(lái)

15、源誤差來(lái)源主要包括：溫度對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的影響溫度對(duì)介電常數(shù)的影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中邊緣效應(yīng)的影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(cè)量的主要因素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。七、總結(jié)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)

16、計(jì)題目趨于生活的實(shí)際，做起來(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，開始時(shí)覺得無(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。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

17、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。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，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)的書本知識(shí)，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(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)！總之，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)！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(jì)基礎(chǔ) .北京 .國(guó)防工業(yè)出版社3. 張紅潤(rùn) .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(cè)技術(shù) m. 原子能出版社6. 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7. 蘇東波 .1995. 新型液位