电容式液位传感器

电容式传感器1/17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日电容式传感器2/17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…………………………………32传感器原理………………………………………-4-2.1传感器简述..........................42.2电容式液位计.........................42.3传感器的组成.........................52.4测量原理............................63电容测量电路设计.........................73.1测量电路............................74电信号放大电路设计.......................124.1整流电路...........................124.2放大电路...........................135AD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...............................17电容式传感器3/17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：-0.1MPa~32MPa；探极温度：-50~200゜C；环境温度：-20~85゜C；输出信号：4~20mA、0~10mA、0~20mA、1~5V、0~5V；供电电源：负载电阻0~750ΩDC24V；根据上面本课程设计取输出信号4~20mA.4.测量范围：根据HK-602范围为0.2~200m,本课程设计选取50mm。1设计方案1.1设计原理本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0~30mv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和单片机连接以驱动数码管。1.2系统框图电容式传感器4/17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ε0的介质时，则两极板间的电容量表达式为：被测量物传感器放大、整形、滤波A/D转换电容式传感器5/17C=ε0bL/δ式中L---两极板相互遮盖部分的长度；ε0---两电极间介质的介电常数;b—两极板相互遮盖部分的宽度；δ—两极板之间的距离。（a）结构原理图所以，当δ和b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ε0乘机成比例。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。其中设计b=10mm,L=50mm,δ=2mm.2.3传感器的组成电容式传感器6/17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C0,根据文献得到电容量为:C0=ε0bL/δ（1）（1）式中,C0为电容量,单位为F;ε0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；δ为极板之间的距离，单位为m。当可测量液位为hx时,两极板之间存在电容CH:Ch=ε0(L-hx)b/δ+εrhxb/δ（2）电容式传感器7/17（2）式中,ε0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ΔC可由式(1)和式(2)得ΔC=Ch-C0=(εr-ε0)bhx/δ（3）由式（3）式可知,参数ε0,ε,b,δ都是定值。所以电容的变化量ΔC与液位变化量H呈近似线性关系。因为参数ε0,ε,δ,L,b都是定值,由式(2)变形可得:Ch=b0Hx(b0为常数)(4)。可见,传感器的电容量值Ch的大小与电容器浸入液体的深度hx成线性关系。由此,只要测出电容值便能计算出液位F(h)。液位高度与电容变化曲线C3电容测量电路设计3.1测量电路电容式传感器8/17本设计采用二极管T形网络（双T电桥）如下图所示。（a）(b)电容式传感器9/17(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；C1和C2为差动电容传感器,C2为定值电容但是大小可以改变，C1位电容式液位传感器；D1和D2为两只理想二极管；R1和R2为固定电阻，且R1=R2=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V1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：电容式传感器10/17I’L(t)=𝐸𝑅+𝑅𝐿(1-𝑒−𝑡/𝜏1)式中，τ2=𝑅(2𝑅𝐿+𝑅)𝑅𝐿+𝑅C2为电容C2的放电时间常数。由此可得输出电流的平均值IL̅为IL̅=1𝑇∫[I’L(t)−IL(t)]𝑇0dt=1𝑇𝐸𝑅+𝑅𝐿∫[(1−𝑒−𝑡/𝜏1)−(1−𝑒−𝑡/𝜏2)]𝑇0=E𝑅+2𝑅𝐿(𝑅+𝑅𝐿)2Rf(C1-C2-C1𝑒−𝑘1+C2𝑒−𝑘2)式中，f为电源e的频率；k1、k2为系数，K1=𝑅+𝑅𝐿𝑅𝑓𝐶1(𝑅+2𝑅𝐿)K2=𝑅+𝑅𝐿𝑅𝑓𝐶2(𝑅+2𝑅𝐿)输出电压的平均值𝐔𝟎̅̅̅̅为U0̅̅̅̅=IL̅RL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%。U0̅̅̅̅=IL̅RL≈𝑅(𝑅+2𝑅𝐿)(𝑅+𝑅𝐿)2RLEf(C1-C2)=2kEf∆C∝∆C电容式传感器11/17式中，k为常数，K=𝑅(𝑅+2𝑅𝐿)(𝑅+𝑅𝐿)2RL∆𝐂为电容传感器测量时的电容变化量。2∆C=C1-C2二极管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A表直接测量；（5）RL影响电容放电速度，宜小些，RL＝1k20s，可测量动态信号。经过proteus设置电源幅值为6V，频率为1KHZ，连接示波器得到如图电容式传感器12/17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：电容式传感器13/17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0~30mv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，采用最基本的比例运算反放大电路.电容式传感器14/17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=-（R1/R2）Uo,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//R10。现在测量电路已经设置完了，下图是整个电路的仿真电路图：电容式传感器15/175AD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OE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.电容式传感器16/17ADC0809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100us左右，输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接连到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总结一个多星期的课程设计结束了，到最后学到的东西