传感器大作业汇总.doc

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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date传感器大作业汇总传感器课程设计 -检测与转换技术大 作 业 题 目 电容式传感器在水箱液位装置上的设计 院 系 信息工程学院 班 级 自动化133班 学生姓名 张如江 日 期 2015年11月18日 目 录摘要.21 设计方案.21.1设计原理.21.2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.3 2.3传感器的组成.4 2.4测量原理

2、.53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.9 4.1整流电路.9 4.2放大电路.95 AD转换电路及与单片机接口.106 误差分析.11 6.1误差来源.11 6.2影响液位测量的主要因素.11 7总结.12 参考文献.12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DS1

3、820 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。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，A

4、DC0809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 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

5、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。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 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

6、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传感器的组成 图3-1-2 为传感器部分的结构原理图。它主要是由细长的不锈钢管(半径为R1 ) 、同轴绝缘导线(半径为R0 ) 以及其被测液体共同构成的金属圆柱形电容器构成。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

7、而变化, 从而引起对应电容量变化的关系进行液位测量。 2.4测量原理 由图（a）可知, 当可测量液位H = 0 时, 不锈钢管与同轴绝缘导线构成的金属圆柱形电容器之间存在电容C0 , 根据文献得到电容量为: （1）（1）式中, C0 为电容量, 单位为F ; 0 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; R1 为不锈钢管半径;R0 为绝缘导线半径, 单位为m。当可测量液位为H 时, 不锈钢管与同轴绝缘电线之间存在电容CH : （2）式中, 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H 时, 其电容的变化量C 可由式(1) 和式(2)

8、 得 (3) 由式（3）式可知, 参数0 , , R1 , R0 都是定值。所以电容的变化量C 与液位变化量H 呈近似线性关系。因为参数0 , , R1 , R0 , L 都是定值, 由式(2) 变形可得:CH = a0 + b0 H ( a0 和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H 成线性关系。由此, 只要测出电容值便能计算出水位。3.电容测量电路设计 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。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

9、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

10、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

11、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，RL1kW时，上升时间20ms，可测量动态信号 。 4.电信号放大电路设计 4.1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。 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3-3所示，采用最基本的比例运算反放大电路. 图3-3 比例放大电路要将30mV电压放大成5V，根据公式U=-（R1/R2）Uo,所以选择R1=50

12、0K,R2=3K，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=1K,R6=R3/R5。 5 . AD转换电路及与单片机接口本设计采用A/D转换器ADC0809。ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式AD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，EO

13、C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.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。液位高度与电压变化曲线： 6 .误差分析6.1误差来源 （1）温度对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

14、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大作业忙碌而充实，对于这次的传感器的结课作业，总的来说基本完成了课设的任务要求，从这次的课程设计当中也学会了许多的东西，在平时当中我们设计的的程序比较简单，趋于理论化，而这次的课程设计题目趋于生活的实际，做起来有较大的兴趣。由于平时在实

15、验室做实验时，有较多的外接硬件供使用，程序就相对简单一些，而这次的传感器结课作业没有提供外加的硬件设施，开始时觉得无从下手，经过多方面的搜索资料，慢慢有了头绪，并且发现要用到的知识并非所想象中的那么难以理解，经过一番自学，逐一的弄明白，使自己对这次设计有了很大的帮助。通过将要实现的任务分成多块，然后分而治之，最终将各分功能进行合并，最终获得成功，完成之时，相当有成就感。在我们平时的学习期间，我们所学的知识都是书本上的一些不大灵活的东西,而且学习期间的这种考核是单科进行，主要是考查我们对本门学科所学知识的记忆程度和理解程度。但我认为这种传感器的结课论文则不同，它不是单一地对我们进行某一学科已学知

16、识的考核，而是着重考查我们运用所学知识对某一问题进行探讨和研究的能力。整个设计的过程，同时也是专业知识的学习过程，而且是更生动、更切实、更深入的专业知识的学习。首先，一个设计是结合科研课题，把学过的专业知识运用于实际，在理论和实际结合过程中进一步消化、加深和巩固所学的专业知识，并把所学的专业知识转化为分析和解决问题的能力。其次，在搜集材料、调查研究、接触实际的过程中，既可以验证学过的书本知识，又可以学到许多课堂和书本里学不到的活生生的新知识。此外，我们在这种自己亲自的完成的课题中，对所学专业的某一侧面和专题作了较为深入的分析。在此我感谢老师对我的帮助和鼓励！总之，这次的课程设计对我来说说是一个

17、很好锻炼自己的机会！ 参考文献（1）何道清、张禾.2008.传感器与传感器技术（第二版）.北京.科学出版社（2）单成祥.2007.传感器设计基础.北京.国防工业出版社（3）张红润.2007.传感器技术大全.北京.北京航空航天大学出版社（4）阎石.2005.数字电子技术基础（第五版）.北京.高等教育出版社（5）杜如彬,柯象恒.1987,2.液位检测技术M.原子能出版社 （6）孙传友,孙晓斌,张一.2004,6.感测技术与系统设计M.科学出版社（7）苏东波.1995.新型液位传感器J.传感器技术.原子能出版社（8）张国雄.2008.测控电路（第三版）.机械工业出版社（9）胡寿松.2007.自动控制原理（第五版）.科学出版社（10）阮亚婕.2002.智能电容式液位计系统设计.仪表技术（11）黄长艺，卢文祥.2004.熊诗波.机械工程测量与试验技术. 机械工业出版社