电容式液位传感器

1、电容式传感器湖南科技大学课程设计课程设计名称:传感器/测控电路课程设计学生姓名：肖卫学院：机电工程学院专业及班级：10级测控技术与仪器3班学号： 10003030311指导教师：余以道、杨书仪2013年 6月12日3/17目录题目及要求1设计方案-3-1.1设计原理31.2系统框图3-4-.4,4.562传感器原理2. 1传感器简述.2. 2电容式液位计 2.3传感器的组成 2.4测量原理.3电容测量电路设计3. 1测量电路.4电信号放大电路设计 124.1整流电路124. 2放大电路135 AD转换电路156误差分析166. 1误差来源166. 2影响液位测量的主要因素167总结16参考文献

2、17电容式液位传感器题目：电容式液位传感器要求：1.工作在常温、常压、静态、环境良好；2. 精度：0.1%FS （本设计量程为50mm,精度为0.05mm）3. 分辨率：参考HK-602系列电容式液位变送器精度：0.2级、 0.5级；承压范围：-0.lMPa32MPa；探极温度：50200 °C； 环境温度:2085 °C；输出信号：420mA、010mA、020mA、 15V、05V；供电电源：负载电阻0750Q DC24V；根据上面 本课程设计取输出信号420mA.4. 测量范围：根据HK-602范围为0.2200m,本课程设计选取 50mm。1设计方案1.1设计原理本

3、设计采用极板电容传感器采集液位的高度。主要利用在极板电 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MCI4499和单片机连 接以驱动数码管。1.2系统框图力-fTr*放大、整形、a / r悠曲滤波A/ U TV IX被测物理量：主要是指非电的物理量，在这里为液位。传感器：将输

4、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。2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

5、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1 .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)是由两个极板组成的电容器，在两极板之间充以介电常数为 的介质时，则两极板间的电容量表达式为：电容式传感器C=e obL/6式中L-.两极板相互遮盖部分的长度;£ 0两电极间介质的介电常数;b一两极板相互遮盖部分的宽度;6 一两极板之间的距离。1*1/,(a)结构原理所以，当$和1）一定时，电容量c的大小与极板的K度乙和介质的 介电常数的，o乘机成比例。这样，将电容传

6、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。其中设计 b=l 0mm,L=50inm, 8=2nun.2. 3传感器的组成5/17电容式传感器图(b)为传感器的主视图。它主要是由两块细长的不锈钢板(b=10mm, L=50mm)以及其被测液体共同构成的金属板式电容器构成。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。(b) 主视图2. 4测量原理由图(a)可知，当可测量液位H = 0时，不锈钢板之间构成的板式电容器之间存在电容Co,根据文献得到电容量为：Co=£

7、; obL/5 ( 1)(1) 式中,C。为电容量，单位为F; £。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;b为极板的宽度；。为极板之间的距离, 单位为m。当可测量液位为时，两极板之间存在电容以：Ch=£o( L-hx) b/6+erhxb/6(2)3. 1测量电路9/17（2）式中，E。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hx时，其电容的变化量可由式（1）和式 得ACChCo （$£（） bhx/6 （3）由式（3）式可知，参数£ 0, E ,b,6都是定值。所以电容的变化量 C 与液位变化

8、量H呈近似线性关系。因为参数ES ,6,L,b都是定值, 由式变形可W：Ch= boHx（bO为常数）（4）。可见,传感器的电容量值 G的大小与电容器浸入液体的深度瓦成线性关系。由此，只要测出电 容值便能计算出液位3电容测量电路设计本设计采用二极管T形网络（双T电桥）如下图所示。(a)_ IlR1_I? R2+100K oIn 100K+ j=Z：C1Rf=C2J.IK+*m Ynr(b)电容式传感器100K I 100K -| RfI±ZC2IK+(c)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6V的对称方波;C】和C2为差动电容传感器,C2为定值电容但

9、 是大小可以改变，C位电容式液位传感器；和D?为两只理想二极 管；*和R2为固定电阻，且RR2=R=100k； 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D】导通而D2截 止，其等效电路如图（b）所示。此时电容Q很快充电至E,电源E经 以电流11向负载Rl供电；与此同时，电容C2经R2和Rl放电，放电 电流火）。流经乩的电流I”）是h和（t）之和，他们的极性如图（b） 所示。当电源V】为负半周时，二极管D?导通而D】截止，其等效电路 如图（c）所示。此时电容Ci很快充电至E,电源E经以电流I】向负 载Rl供电；与此同时，电容C2经R2和Rl放电

10、，放电电流l2（t）。流经 Rl的电流I”）是11和板代）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：1")=亮(l-e'/H)A "TAL式中,13/17R(2RL+R)-T2= C2z RL+R z为电容C2的放电时间常数。由此可得输出电流的平均值il为 = f#I'L（t）_IL（t）dtW高借（1 _ OF”）（1 一 厂少2）= ERf（CC2-M*+C2e*）式中，f为电源e的频率；瞄灼为系数,Ki=R+RLRfCl(R+2RL)k2=R+RLRfC2(R+2RL)输出电压的平均值uo为UO = ILrl适当

11、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%。而二ITR- 端制EdCg=2kEfAC oc AC式中,k为常数，K = R(R+2RL)r_ (R+RL)2 LC为电容传感器测量时的电容变化量。2AC=CrC2二极管T形网络电路特点：(1) E, Cl , C2 接地；(2) 工作电平高，DI , 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Cl、C2无关，与Rl , R2同数量级，可用mA或A表直接测量；(5) RL影响电容放电速度，宜小些，RL=lk 时，上升时间20s,可测量动态信号。经过proteus设置电源幅值为

12、6V,频率为1KHZ,连接示波器得到如图黄色的为输入正弦波信号，黄色岁的为Rf两端的电压值4电信号放大电路设计4. 1整流电路模拟信号不易控制，所以需要把它转换成数字信号，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。电路图如下：连接前续电路经过proteus仿真得到如下图形:黄色为电源信号，蓝色为转换电路输出电压，红色为整流后的信号。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，如图下图所示，

13、采用最基本的比例运 算反放大电路.电容式传感器比例放大电路由前向的反相放大器和后面一个反相器构成。要将30mV电压放大成5V,根据公式U=- (Ri/R2) U。,所以选择 R9=500K,R5=3.5K, R6=R5/R9,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/R7=R8/R10o现在测量电路己经设置完了，下图是整个电路的仿真电路图：5 AD转换电路本设计采用A/D转换器ADC0809。ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A / D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

14、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0E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lOOus左右，输

15、出具 有TTL三态锁存缓冲器，诃直接连到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。6误差分析6. 1误差来源误差来源主要包括：（1）温度对结构尺寸参数的影响（2）温度对介电常数的影响（3）结构设计中边缘效应的影响（4）结构设计中采用绝缘材料的影响（5 ）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。7总结一个多星期的

16、课程设计结束了，到最后学到的东西很多，从刚开 始的选题，和方案的制定，前两天没有什么头绪到慢慢的进入课程设 计的状态，这个过程让我很高兴，在图书馆找各种自己需要的资料并 从中找到有用的信息，锻炼了自己找资料和阅读资料的能力，网上也 能找到和自己课题差不多的设计，但是参数和图纸有很大的差别，让 没有见过实物的我只能参照别人的东西想象出合理的结构。在这次课程设计中我觉得自己学到的最有用的东西就是proteus 软件，虽然只是学会了最最基本的仿真操作，但提高了我对电路的认 识和学习软件以及电路的兴趣，软件仿真形象直观的看到某个需要为 质量的电压值，虽然目前还只学会了用示波器，但是我相信在以后的 时间里我能够学好proteus.课程设计是一门实践性的课程，把课堂学的东西用到实践中，我 觉得这对我以后的毕业设计甚至找工作都是一个不错的练手机会，从 中遇到了困难，通过自己调试仿真，查阅资料