传感器课程设计--超声波液位传感器在工业中的应用

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1、 传感器与测试技术传感器与测试技术 课程设计任务书课程设计任务书 课题名称：课题名称：超声波超声波液位传液位传感器感器 在在工业工业中的应用中的应用 传感器与测试技术传感器与测试技术 课程设计任务书课程设计任务书 1 课程课程设计的性质和任务设计的性质和任务 传感器与测试技术系统地论述了测试系统及其基本特性；介绍了测试系统中 传感器的结构、基本原理和典型应用，以及传感器的发展趋势、选用原则等；讲 解了“信号处理”，包括测试系统中的信号调理与数据采集，信号处理和数字信 号处理基础等；还专门讲述了“典型测试系统”，包括振动、噪声、机械参量、 工业自动化等测试系统的构建与应用。 2 课程课程设计的目

2、的设计的目的 通过课程设计，使学生学生加深理解所学的理论知识，提高运用所学知识的 能力，按照给定的设计资料和设计要求，使学生掌握电气控制系统设计的基本技 能，增强独立分析与解决问题的能力。 3 课程课程设设计内容与要求计内容与要求 3.1 设计题目的选择设计题目的选择 1设计题目：液位传感器在水处理中的应用。 2题目的选择： 液位传感器（静压液位计/液位变送器/液位传感器/水位传感器）是一种测量 液位的压力传感器静压投入式液位变送器（液位计）是基于所测液体静压与该 液体的高度成比例的原理， 采用国外先进的隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压 力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修

3、正，转化成标准 电信号。 基于上述原因，我选择液位传感器在水处理工业中的应用。 3.2 设计的内容与要求设计的内容与要求 3.2.1 设计内容 液位传感器在水处理工业中的应用 3.2.1 设计要求 能感受液位(液位，料位)并转换成可用输出信号的传感器。 液位传感器可分两 类：一类是连续测量液位变化的连续式液位传感器；另一类是以点测为目的的开 关式液位传感器即液位开关。目前，开关式液位传感器比连续式液位传感器应用 得广。它主要用于过程自动控制的门限、溢流和空转防止等。连续式液位传感器 主要用于连续控制和仓库管理等方面，有时也可用于多点报警系统中。 4.4.设计过程设计过程 4.1 系统方案设计

4、液位传感器的种类繁多，本设计选择超声波传感器。超声波液位传感 器它是一种非接触式的液位传感器，应用领域十分广泛。其工作原理是， 工作时向液面或粉体表面发射一束超声波，被其反射后，传感器再接收此 反射波。设声速一定，根据声波往返的时间就可以计算出传吸器到液面（粉 体表面）的距离，即测量出液面（粉体表面）位置。其敏感元件有二种， 一种是由线圈、磁铁和膜构成的，另一种是由压电式磁致伸缩材料构成的。 前者产生的是 10KHz 的超声波，后者产生的是 2040Khz 的超声波。超声 波的频率愈低，随着距离的衰减愈小，但是反射效率也小。因此，应根据 测量范围、液位表面状况和周围环境条件来决定所使用的超声波

5、传感器。 高性能的超声波液位传感器由微机控制。以紧凑的硬件进行特性调整和功 能检测。它可以准确地区别信号波和噪声，因此，可以在搅拌器工作的任 况下测量液位。此外，在高温或吹风时也可检测液位，特别是可以检测高 粘度液体和粉状体的液位。 4.2 工作过程 超声波测量液位的基本原理是：由超声探头发出的超声脉冲信号，在 气体中传播，遇到空气与液体的界面后被反射，接收到回波信号后计算其 超声波往返的传播时间，即可换算出距离或液位高度。超声波测量方法有 很多其它方法不可比拟的优点： （1）无任何机械传动部件，也不接触被测 液体，属于非接触式测量，不怕电磁干扰，不怕酸碱等强腐蚀性液体等， 因此性能稳定、可靠

6、性高、寿命长； （2）其响应时间短可以方便的实现无 滞后的实时测量。 一般水处理工业系统采用的超声波传感器的工作频率为 40kHz 左右。 由发射传感器发出超声波脉冲，传到液面经反射后返回接收传感器，测出 超声波脉冲从发射到接收到所需的时间，根据媒质中的声速，就能得到从 传感器到液面之间的距离，从而确定液面。考虑到环境温度对超声波传播 速度的影响，通过温度补偿的方法对传播速度予以校正，以提高测量精度。 计算公式为： V=331.5+0.607T （1） 式中：V 为超声波在空气中传播速度；T 为环境温度。 S=V t/2=V（t1t0）/2 （2） 式中：S 为被测距离；t 为发射超声脉冲与接收其回波的时间差；t1 为 超声回波接收时刻；t0 为超声脉冲发射时刻。利用 MCU 的捕获功能可以很 方便地测量 t0 时刻和 t1 时刻，根据以上公式，用软件编程即可得到被测 距离 S。由于本系统的 MCU 选用了具有 SOC 特点的混合信号处理器，其内部 集成了温度传感器，因此可利用软件很方便的实现对传感器的温度补偿。 超声波传感器超声波传感器 图图 1