电容式液位传感器课程设计

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1、 - 1 - 目目 录录 摘 要 .- 2 - 引 言 .- 2 - 1 设计方案 - 2 - 1.1 设计原理 - 2 - 1.2 系统框图 - 2 - 2 传感器原理 - 3 - 2.1 传感器简述 - 3 - 2.2 电容式液位计 - 4 - 2.3 传感器的组成 - 5 - 2.4 测量原理 - 5 - 3 电容测量电路设计 - 6 - 3.1 测量电路 - 6 - 4 电信号放大电路设计 - 10 - 4.1 整流电路 - 10 - 4.2 放大电路 - 10 - 5 AD 转换电路及与单片机接口 - 11 - 6 误 差 分 析 .- 12 - 6 . 1 误 差 来 源 .- 1

2、2 - 6 . 2 影响液位测量的主要因素 .- 13 - 7 总结 - 13 - 参 考 文 献 - 14 - - 2 - 摘 要摘 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

3、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。 引引 言言 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

4、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。 1 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

5、动数码管。 1.2 系统框图 - 3 - 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。

6、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 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。 - 4 - 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 - 5 - 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