電容式液位測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、傳感器技術(shù)(JournaI of Transducer TechnoIogy2004年第23卷第3期電容式液位測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)招惠玲1,周美娟2,胡遠(yuǎn)忠1(1.湛江海洋大學(xué)機(jī)械系,廣東湛江524088;2.湛江海洋大學(xué)電子信息工程系,廣東湛江524088摘要:電容式液位測(cè)量系統(tǒng)是基于改變介電常數(shù)時(shí),電容器的電容量變化的原理來測(cè)量液位的。利用電容式傳感器,ADC0809,8031,2764,8155單片機(jī)和LED數(shù)碼管等組成測(cè)量系統(tǒng),對(duì)煤油的液位進(jìn)行測(cè)量。它具有設(shè)定液位、顯示當(dāng)前液位和聲光報(bào)警的功能。實(shí)驗(yàn)表明:該系統(tǒng)能對(duì)導(dǎo)電液體的液位測(cè)量,并具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞:電容式傳感

2、器;液位;測(cè)量系統(tǒng)中圖分類號(hào):TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1000-9787(200403-0040-03Design of capacitive system for liguid level measurementZHAO Hui-Iing1,ZHOU Mei-juan2,HU Yuan-zhong1(1.Dept of Mach,Zhanjiang Ocean University,Zhanjiang524088,China;2.Dept of Elct and Info Engin,Zhanjiang Ocean University,Zhanjiang524088,Chin

3、aAbstract:Capacitive system for Iiguid IeveI measurement can measure the Iiguid IeveI according to the principIewhich capacitance vaIue is changed with the dieIectric constant.The system which consists of capacitive sensorand singIe chip processor of8031,ADC0809,2764and8155,and Iight emitting diode(

4、LEDis used to measurethe Iiguid IeveI of coaI oiI.It can enact the Iiguid IeveI,show the present Iiguid IeveI and give an aIarm with voiceand Iight.The experiment shows as foIIows.It can measure the Iiguid IeveI of conductive Iiguid,and its structureis simpIe,its price is Iower,its performance is st

5、abIe.Key words:capacitive sensor;Iiguid IeveI;measure system0 引言液位測(cè)量主要是基于相界面兩側(cè)物質(zhì)的物性差異或液位改變時(shí)引起有關(guān)物理參數(shù)的變化的原理而實(shí)現(xiàn)的。這些物理參數(shù)可能是電量的或非電量的,如電阻、電容、電感、差壓以及聲速和光能等,它們的共同特點(diǎn)是能夠反映相應(yīng)的液位變化并易于檢測(cè)。由于電子技術(shù)的發(fā)展,很好地解決了溫度變化和寄生電容干擾等對(duì)電容式傳感器測(cè)量準(zhǔn)確度的影響,為電容式傳感器的應(yīng)用開辟了廣闊的前景。電容式傳感器是將被測(cè)非電量的變化轉(zhuǎn)換成電容量的變化的一種傳感器1。它可以用來測(cè)量位移、厚度、壓力、流量、液位等物理量。電容式液

6、位測(cè)量系統(tǒng)是基于液位變化時(shí),引起介電常數(shù)變化,最終導(dǎo)致電壓變化,實(shí)現(xiàn)液位-電壓轉(zhuǎn)換。傳感器部分是一個(gè)敏感器件,它可以測(cè)出導(dǎo)電液體和非導(dǎo)電液體的液位高度。電容式傳感器具有抗干擾能力強(qiáng)、傳送距離遠(yuǎn)、能用顯示儀表顯示等優(yōu)點(diǎn);利用可編程控制器與計(jì)算機(jī)接口聯(lián)結(jié),可實(shí)現(xiàn)編程控制。收稿日期:2003-10-09本文以測(cè)量煤油的液位為例,設(shè)計(jì)出測(cè)量導(dǎo)電液體液位的系統(tǒng),該系統(tǒng)具有顯示和報(bào)警功能。1 液位電容式傳感器測(cè)量原理導(dǎo)電液體電容式傳感器主要利用傳感器兩電極的覆蓋面積隨被測(cè)液體液位的變化而變化,從而引起電容量變化的關(guān)系進(jìn)行液位測(cè)量2。圖1為傳感 器部分的結(jié)構(gòu)原理圖。圖1 測(cè)量導(dǎo)電液體液位Fig1 Ligui

7、d level measurement of conductive liguid04第3期 招惠玲等:電容式液位測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖1中的不銹鋼棒、聚四氟乙烯套管以及容器內(nèi)的被測(cè)導(dǎo)電液體共同構(gòu)成圓柱形電容器。當(dāng)可測(cè)量液位H =O ,傳感器與容器之間存在分布電容,根據(jù)文獻(xiàn)3,得到電容量為C O =2!O Lln (D O /d ,(1 式中 C O 為電容量,F ;!O 為聚四氟乙烯和容器內(nèi)氣體的等效介電常數(shù),F /m ;L 為液位最大高度,m ;D O 為容器內(nèi)徑,m ;d 為不銹鋼棒直徑,m 。當(dāng)液位高度為H ,傳感器電容量C H 為C H =2!O (L -H ln (D O /d -2!H

8、ln (D O /d ,(2式中 !為聚四氟乙烯介電常數(shù),F /m ;D 為聚四氟乙烯管外徑,m 。因此,當(dāng)容器內(nèi)液位由零增加到H 時(shí),傳感器電容變化量"C 為"C =2!H ln (D /d -2!O Hln (D O /d .(3由于D O !D ,!>!O ,因此,上式第二項(xiàng)可忽略,則"C "2!Hln (D /d .(4可見,當(dāng)電極確定后,參數(shù)!,D 和d 都是定值,傳感器的電容量與液位的變化量呈近似線性關(guān)系。2 液位測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)該系統(tǒng)是由數(shù)據(jù)測(cè)量電路和單片機(jī)檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)兩個(gè)部分組成。首先,被測(cè)電路由電容式傳感器與二極管環(huán)形橋路組成4,如圖

9、2 所示。圖2 電容式傳感器液位測(cè)量電路Fig 2 Circuit of liguid level measurement using capacitive sensor當(dāng)液體處在圓柱型電極與圓柱形容器之間,由于液面高度不同,引起介電常數(shù)變化,導(dǎo)致電容量的變化。電路由脈沖發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)提供激勵(lì)電壓,設(shè)低電平為E 1,高電平為E 2,脈沖方波頻率為f ;電橋一端接標(biāo)準(zhǔn)電容器C c ,另一端接電容式傳感器C X ,A 為電流/電壓放大器(設(shè)放大系數(shù)為A ,U O 為輸出電壓。當(dāng)液位為O 時(shí),調(diào)C c 使其為O 。當(dāng)液位變化為H 時(shí),U O 與液位成正比例關(guān)系,即U O =Af "C (E

10、 2-E 1"Af(E 2-E 12!H /ln (D /d .(8測(cè)量系統(tǒng)采用具有較高性能價(jià)格比的8O31單片機(jī)5,6,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖3所示,由A /D 轉(zhuǎn)換、鍵盤接口及動(dòng)態(tài)顯示、液位報(bào)警監(jiān)測(cè)電路等組成。圖3 測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig 3 Structural diagram of measure system由傳感器檢測(cè)到的模擬信號(hào),由ADCO8O9轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入8O31單片機(jī)。P2.7和WR 聯(lián)合控制啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)端(START 和ALT 端,低三位地址加到ADCO8O9的ADDA ,ADDB ,ADDC 端,選中ADCO8O9的INO 通道的地址為7FF8H ,傳感器檢測(cè)到的

11、液位信號(hào)可以從INO 端送入。ADCO8O9的時(shí)鐘取自8O31的ALE 經(jīng)二分頻后的信號(hào)。當(dāng)A /D 轉(zhuǎn)換完畢,8O31讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。由LED 顯示器,鎖存器74LS373、存儲(chǔ)器2764、8155擴(kuò)展I /O 的行列式鍵盤組成鍵盤接口及動(dòng)態(tài)顯示電路。其中,2764的CE 引腳為片選信號(hào)的輸入端,低電平有效,它通過LS74O6與轉(zhuǎn)換器ADCO8O9的OE 端相接。2764占有的存儲(chǔ)器地址為8OOOH FFFFH 。該單元設(shè)置15個(gè)鍵。數(shù)字鍵O 9的鍵值與鍵名相同,其余5個(gè)鍵為功能鍵,它們對(duì)應(yīng)的鍵值如表1所示。表1 鍵值表Tab 1 Sheet of keyboard values鍵名設(shè)定

12、確認(rèn)刪除設(shè)置啟動(dòng)停止/退出鍵值OAHOBHOCHODHOEH在鍵盤掃描程序中,對(duì)數(shù)字鍵是直接將該鍵值送到顯示緩沖區(qū)進(jìn)行顯示。在該電路中,顯示分為兩部分:右邊四位LED 管顯示所設(shè)置的極限液位高度;左邊四位LED 管顯示由單片機(jī)計(jì)算出的實(shí)際液位高度。對(duì)功能鍵需找到功能鍵處理程序入口地址,再轉(zhuǎn)去執(zhí)行該鍵的功能。在使用時(shí),先按設(shè)定鍵,然后按數(shù)字鍵,設(shè)定液位高度值,最后按啟動(dòng)鍵,開始進(jìn)行液位測(cè)量。當(dāng)實(shí)際液位高于設(shè)定值時(shí),由8O31的P1.O 口輸出報(bào)警信號(hào),驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管進(jìn)行光報(bào)警,同時(shí),由P1.2通過74O6驅(qū)動(dòng)壓電式蜂鳴器產(chǎn)生蜂鳴音14傳感器技術(shù)第23卷響,進(jìn)行聲報(bào)警。3 實(shí)驗(yàn)與分析利用圖1的電容

13、式傳感器,不銹鋼棒直徑d= 10mm,聚四氟乙烯管外徑D=20mm,電容器電極高度L=3m,被測(cè)量的液體煤油的介電常數(shù)!I=2.0。采用傳感器OPa128型介質(zhì)隔離FET電流/電壓轉(zhuǎn)換放大器,采用Ow1630型函數(shù)信號(hào)發(fā)生器7,選用的方波脈沖頻率為10Hz,高電平為2.5V,低電平為0.5V。測(cè)量結(jié)果如表2所示。表2 不同液位時(shí)電壓值(25C時(shí)Tab2 Voltage values in different liguid level(25C液位H(m理論值U0(V實(shí)際值U1(V0.4 1.2835 1.28340.8 2.5670 2.56491.2 3.8505 3.85011.6 5.13

14、40 5.13392.0 6.4175 6.41692.47.70107.70022.88.98458.9838可見,最大測(cè)量誤差為0.08%。4 結(jié)束語根據(jù)文獻(xiàn)介紹,用全反射棱鏡作探頭的光纖液位傳感器靜態(tài)測(cè)量誤差為0.001%8。盡管該電容式液位測(cè)量系統(tǒng)比光纖液位傳感器測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確度低,但它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、零點(diǎn)漂移小和性能穩(wěn)定以及對(duì)導(dǎo)電和非導(dǎo)電的液體的液位都能測(cè)量等優(yōu)點(diǎn),所以,它可以對(duì)測(cè)量誤差要求稍低的液位進(jìn)行測(cè)量。使用時(shí)應(yīng)注意:(1傳感器電極高度與被測(cè)液位高度變化有關(guān);(2電容式傳感器必須固定在液池中,才能保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。由于它是接觸式測(cè)量,會(huì)影響原來液體的液位,而測(cè)量出來的

15、是新的液位高度。參考文獻(xiàn):1郝蕓,彭利標(biāo).傳感器原理與應(yīng)用M.北京:電子工業(yè)出版社,2002.93.2嚴(yán)兆大,王振子,俞小莉,等.熱能與動(dòng)力機(jī)械測(cè)試技術(shù)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.168-198.3單成祥.傳感器與理論與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)及其應(yīng)用M.北京:國防工業(yè)出版社,1999.148.4趙負(fù)圖.傳感器集成電路手冊(cè)M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002.548.5馬曉明,潘海璋,劉文卓,等.在線式液位測(cè)量儀表的系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.儀表技術(shù)與傳感器,2001,8:12-14.6李朝青.單片機(jī)原理及接口技術(shù)M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1999.119-129.7國防科工委后勤部.最新實(shí)用電子測(cè)量儀器手冊(cè)

16、M.北京:航空工業(yè)出版社,1988.357.8王惠文.光纖傳感器技術(shù)與應(yīng)用M.北京:國防工業(yè)出版社,2001.291.作者簡(jiǎn)介:招惠玲(1964-,女,廣東湛江市人,湛江海洋大學(xué)講師,工學(xué)碩士。主要從事機(jī)械振動(dòng)、噪聲與現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)等研究#。(上接第39頁表1是在實(shí)驗(yàn)過程中測(cè)得的數(shù)據(jù)。其中R, C,B分別表示紅色,綠色和藍(lán)色返回值的偏差。表1 CMucam視覺模塊測(cè)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab1 Measuring test result of CMucam vsion boardR C B RCB249 3 5 10525010 1 627248 5 10 814253 1 3 4210從實(shí)驗(yàn)過程中分析

17、,為了達(dá)到更高的識(shí)別準(zhǔn)確度,應(yīng)注意以下幾點(diǎn):(1攝像頭要對(duì)準(zhǔn)目標(biāo),保證攝像頭的軸線與目標(biāo)的軸線盡可能平行;(2調(diào)好攝像機(jī)的鏡頭焦距;(3目標(biāo)的顏色和它所在環(huán)境的背景顏色對(duì)比較明顯。4 結(jié)束語基于視覺智能的足球機(jī)器人系統(tǒng)具有全局視覺處理,視覺處理通過主計(jì)算機(jī)來完成,然后把處理結(jié)果給每個(gè)機(jī)器人,所有的機(jī)器人共用一個(gè)中央視覺子系統(tǒng),機(jī)器人是半自主式的2。而本文所討論的基于CMucam視覺模塊的足球機(jī)器人系統(tǒng)是每一個(gè)機(jī)器人具有自己獨(dú)立的視覺傳感器,獨(dú)立處理視覺信息,每個(gè)機(jī)器人是完全自主的。參考文獻(xiàn):1徐大宏,吳敏,曹衛(wèi)華.足球機(jī)器人視覺系統(tǒng)中彩色目標(biāo)分割方法J.中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2002,33(4:1

18、2-14.2苗奪謙,李順勇.基于多智能體對(duì)抗平臺(tái)微型足球機(jī)器人系統(tǒng)J.微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2002,23(3:20-23.作者簡(jiǎn)介:劉祚時(shí)(1963-,男,江西永新人,副教授.主要從事機(jī)器人工程、機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)及仿真的研究工作。24 電容式液位測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)作者:招惠玲, 周美娟, 胡遠(yuǎn)忠作者單位:招惠玲,胡遠(yuǎn)忠(湛江海洋大學(xué),機(jī)械系,廣東,湛江,524088, 周美娟(湛江海洋大學(xué),電子信息工程系,廣東,湛江,524088刊名:傳感器技術(shù)英文刊名:JOURNAL OF TRANSDUCER TECHNOLOGY年,卷(期:2004,23(3被引用次數(shù):12次參考文獻(xiàn)(8條1.郝蕓;彭利標(biāo)傳感器原

19、理與應(yīng)用 20022.嚴(yán)兆大;王振子;俞小莉熱能與動(dòng)力機(jī)械測(cè)試技術(shù) 20003.單成祥傳感器與理論與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)及其應(yīng)用 19994.趙負(fù)圖傳感器集成電路手冊(cè) 20025.馬曉明;潘海璋;劉文卓在線式液位測(cè)量儀表的系統(tǒng)設(shè)計(jì)期刊論文-儀表技術(shù)與傳感器 2001(086.李朝青單片機(jī)原理及接口技術(shù) 19997.國防科工委后勤部最新實(shí)用電子測(cè)量儀器手冊(cè) 19888.王惠文光纖傳感器技術(shù)與應(yīng)用 2001本文讀者也讀過(8條1.趙靜.顏德田利用電容式傳感器測(cè)量液位的研究期刊論文-計(jì)量技術(shù)2006(62.晏紅.王選擇.趙春華液位自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)期刊論文-現(xiàn)代儀器2002(23.隋修武.謝望.樊玉銘.張國雄.尹偉.SUI Xiu-wu.XIE Wang.FAN Yu-ming.ZHANG Guo-xiong.YIN Wei電容式液位傳感器的有限元計(jì)算與誤差分析期刊論文-傳感器與微系統(tǒng)2008,27(64.李書旗.沈金榮液位測(cè)量傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)期刊論文-計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制2009,17(115.焦仁普.莊慶德.王艷菊.JIAO Ren-pu.ZHUANG Qing-de.WANG Yan-ju智能化鐵路罐車液位測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)期刊論文-傳感器與微系統(tǒng)2007,26(36.王艷菊.劉靜.康岳屹基于電容式差動(dòng)敏感元件的液位測(cè)量系統(tǒng)期刊論文-傳感器技術(shù)2004