传感器课程设计基于电容压力传感器的液位测量系统设计.doc

传感器及检测技术课程设计学生姓名 房洪生 学号 12010154043 目录一、项目叙述2二、电容式液位传感器的结构与测量原理22.1电容式液位传感器的结构22.2电容式液位传感器的工作原理3三、测量电路设计43.1测量电路43.2整流电路73.3放大电路8四、误差分析94.1机械结构参数的影响94.2测量电路的影响9五、结论9六、明细表10基于电容压力传感器的液位测量系统设计一、项目叙述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。二、电容式液位传感器的结构与测量原理2.1电容式液位传感器的结构电容式传感器是把被测的非电量转换为自身电容量变化的一种传感器。这些被测量是用于改变组成电容器的可变参数而实现其转换的。电容式传感器的基本工作原理可以用最普通的平行极板电容器来说明。两块相互平行的金属极板，当不考虑其边缘效应（两个极板边缘处的电力线分布不均匀引起电容量的变化）时，其电容量为： （1）公式中 电容极板间介质的介电常数； A 两平行板所覆盖的面积； d 两平行板之间的距离。因此只要改变其中的一个参数，就会引起电容量的变化，根据这一电容结构关系可构成变极距电容传感器，变面积型电容传感器和变介质型传感器、用于测量液位的电容式传感器。是利用容器中的物料为恒定的介电常数时，极间电容正比于液位的原理而构成的，并应用电子学方法测量电容值，从而探测液面位置信息。特点是液位测量只与电容结构有关，与物料的密度无关 根据这一特点，可采用圆筒形结构构成变面积型的液位传感器，这种传感器结构的探头是由这两个电极极板构成，通过气、液或料相介质的高度不同引起极间电容改变来探测物面位置的。其结构十分简单轻巧，便于安装、维护与使用。 电容式液位传感器的电极结构如图1所示。图1适用于导电容器中的绝缘液体的液位测量，且容器为立式圆筒形，容器壁为一极，沿轴线插入裸金属棒作为另一极电极，其间构成的电容 CX 与液位成比例，也可悬挂带重锤的软导线作为电极。图1 电容式液位传感器的电极结构2.2电容式液位传感器的工作原理导电液体电容式传感器主要利用传感器两电极的覆盖面积随被测液体液位的变化而变化，从而引起电容量变化的关系进行液位测量，属于面积变化型电容传感器。以图1为例 设导电容器直径为D，中央电极直径为d，上部空气的介电常数为1，下部液体的介电常数为2,电极总长为H0，浸没在液体中的长度为H1，则根据同心圆筒状电容的公式可写出空气部分的电容数学模型为： （2） 液体部分的电容为： （3） 如果忽略杂散电容及端部的边界效应后，则两电极间的总电容为： = (4)其中：表示被测电容；为初始电容，液体为零时测出的电容，这个电容可以在初始标定时消除；表示被测液位的高度;表示传感器的灵敏度；三、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。输入、输出信号如下图 （a）它是利用电容器充放电原理组成的电路。其中e(函数发生器XFG1)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mA或mA表直接测量；（5）RL影响电容放电速度，宜小些，RL1k时，上升时间20s，可测量动态信号 。3.2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。3.3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4-3所示，采用最基本的比例运算反放大电路.图4-3放大电路要将30mV电压放大成10V，根据公式U=-（R1/R2）Uo,所以选择R1=1000K,R2=6K，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=2K,R6=R3/R5。四、误差分析4.1机械结构参数的影响从公式与分析方法中可以看出：传感器的电容量是结构参数的函数，温度的变化会引起内外圆筒直径的变化，从而引起电容量的变化，导致测量误差，所以，选用制作电容的材料的线膨胀系数应足够小，如，选用铝合金材料，线膨胀系数为230 xl0 ，可以满足使用要求；如果采用合适的非金属材料，其变形系数会更小。在高精度要求的场合下，还可以通过测量温度，进行温度修正，以达到更高的测量精度。为了减小加工和装配对电容量与液位关系的影响，应尽量提高加工精度，保证二圆筒的直径精度，特别是装配时要保证二筒轴线的平行度。4.2测量电路的影响由于测量电路电缆存在分布电容，这种即使每米几pF的影响要获得高的测量精度也是不能接受的。因此，在使用屏蔽电缆防止引入干扰的同时，还应采取驱动屏蔽技术，使电缆的影响降到最小。五、结论当被测介质物位变化时，传感器电容量发生相应变化，电容量的变体 Cx 通过转换器转换成与物位成比例的直流电压信号，间接测量出液位H1。 六、明细表测量电路元器件明细表序号元器件代号元器件名称规格/型号数量总数量备 注1R1、R2电阻200k2直插2C1、C2电容1F2直插3RL电阻1k1直插4D1、D2二极管02BZ2.22直插放大电路元器件明细表序号元器件代号元器件名称规格/型号数量总数量备 注9R1电阻3k1直插10R2、R6电阻500k2直插11R3、R5电阻1k2直插12R4二极管5.5k1直插13NE5532P放大器NE5532P2直插