传感器课程设计说明书
电容式导电液体液位传感器Capacitive conductive liquid level sensor
学院名称：机械工程学院
专业班级：
学生：
学生学号：
指导教师：
指导教师职称：教授
2012年 1 月
电容式导电液体液位传感器
专业班级：**** 学生：**** 指导老师：**** 职称：****
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。直接液位测量法是以直观的方法检测液位的变化情况，如玻璃管或玻璃板法。然而随着工业自动化规模的不断扩大，因其方法原始、就地指示、精度低等逐渐被间接测量方法取代。目前国外工业生产中普遍采用间接的液位测量方法，如浮子式、液压式、电容法、超声波法、磁致伸缩式、光纤等。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。
本设计采用一种简单方便的电容式液位测量方法，电容式传感器是将被测非电量的变化转化为电容变化量的一种传感器,它具有结构简单、分辨力高、可实现非接触测量，并能在高温、辐射和强烈震动等恶劣条件下工作等优点，是很有发展前途的一种传感器。
本电容式液位测量设计方式是用等径的长直圆筒容器，液位的高低正比于导电液体与测杆中导电金属铜之间电容的大小，通过测量电路的转换，就可以很方便地测量出液面的位置。
此课程设计的目的是为了熟练掌握电容传感器的基本知识和各种测量电路的原理运用；基本掌握测量液位方法的基本思路和方法；能够利用所学的基本知识和技能，解决简单的传感器测量问题；培养综合利用传感器进行测量设计的能力。
关键词：液位测量电容式传感器测量电路电容传感器测量
目录
第一章绪论 (3)
1.1引言 (3)
1.2电容式液位测量技术的发展 (3)
1.2.1 电容式液位测量现状 (3)
1.2.2 电容式液位测量存在的问题 (4)
1.2.3 电容式液位传感器的发展趋势 (4)
第二章实验原理 (5)
2.1电容传感器 (5)
2.2电容传感器实物图 (6)
2.3电路结构 (8)
2.4实验所需部件 (8)
2.4.1 差动放大器 (8)
2.4.1.1 高精度运算放大器的构成 (8)
2.4.1.2 OP07CP (9)
2.4.2 低通滤波器 (11)
2.4.2.1 低通滤波器的构成 (11)
2.4.2.2 HA17741 1A1 (11)
2.4.3 电容变换器 (12)
2.4.3.1 电容变换器的构成 (12)
2.4.3.2 CA3140E (14)
第三章实验结果及数据处理 (16)
3.1初次实验 (16)
3.2二次实验 (17)
第四章影响液位测量的主要因素 (19)
结论和心得体会 (19)
致 (20)
参考文献 (21)
附录：课程设计任务书 (22)
第一章绪论
1.1 引言
在各种化工、食品、石油仓储等工业生产过程中经常要对存储在储仓罐和其它容器中的生产原料及产品液体或固体的体积或高度进行测量和控制，以确保生产的正常进行。通常方法是对物位进行测量，而物位又可以分为液位、料位、界面三种，其中液位又显得尤为重要，液位是指积存于各种容器的液体表面高度及所在的位置称为液位，如油罐水库水塔等容器所储的液体表面的位置或高度。用于测量这些参数的传感器称液位传感器
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，通过测量导电液体与测杆中导电金属铜之间电容的大小而进行监控，设计出一种液位检测装置。使用电容式传感器进行液位测量，具有以下优点：低成本（即对于传感器有比较成熟的技术）、低功耗、高线性度、对应用场合的几何形状有较高的适应性。
1.2 电容式液位测量技术的发展
1.2.1 电容式液位测量现状
在电容式液位测量这一领域的研究及应用，以美国的DREXELBROOK公司、Honeywell公司为代表的外国公司已经取得了令人瞩目的成就。尤其是DREXELBROOK公司依据其提出的射频导纳原理，推出了射频导纳电容式液位计，它可以克服由于挂料影响产生的测量误差，从而在电容式液位测量这一领域取得了巨大的成功。基于均匀传输线理论的射频导纳电容式液位计有较高的测量精度，可以应用在高温、高压、腐蚀性液位测量场合，有着许多其他类型液位测量仪表无法比拟的优点。当前国外的电容式液位测量仪表的普遍特点是测量精度高、
自动化程度高，具有4～20mA电流输出，采用HART协议、Honeywell协议等智能通讯协议，实现了从主控室到现场仪表的组态和维护。目前，已广泛应用于石油化工业、食品、医疗卫生等领域，一些产品也成功打入我国市场，在我国的液位测量领域占据主导地位。当然随着国的自主研发，电容式液位测量有所成就，典型的是自动化仪表五厂、集成仪器仪表研究所等部门开发了开关和连续式电容液位计等，但产品性能指标、功能与国外同类产品仍有差距，如量程、精度、分辨率、可靠性和智能化等方面。
1.2.2 电容式液位测量存在的问题
电容式液位测量具有结构简单、动态响应好、灵敏度高、分辨力强、无可动部件、不易损坏、使用寿命长、需要作用能量低、并能在恶劣环境工作等优点。相对其他方法液位而言，综合指标最好，但它也存在一些不足，从而影响了它的适用围和测量精度。
电容式液位测量的主要缺点是：
①电容式传感器本身结构特性决定输出阻抗高、负载能力差
电容式传感器的电容量一般很小，仅几十至几百皮法，使得电容式传感器的输出阻抗高，负载能力差，从而易受外界干扰，产生不稳定现象，为此，需采取有效的技术措施，如适当激励频率，采取屏蔽接地措施，尽量缩短传感器的引线来提高抗干扰能力。
②电容式液位测量的信号处理较困难
因电容式传感器的电容量很小，而传感器的引线电缆电容、测量电路的杂散电容以及传感器极板与周围导体构成的电容等使寄生电容较大，给实现精确的电容信号转换带来困难，为此，从硬件及软件两部分着手，如德国AMG公司开发的模数一体化集成电路CAV424电容电压转换器，单片机进行开发的智能传感器对数据处理运算。
1.2.3 电容式液位传感器的发展趋势
随着社会经济的发展，人们越来越重视能源的消耗，提出可持续发展、节约型社会的建设。液位测量技术广泛应用于工业、食品等行业，实时检测液位（如油位的检测）的变化情况，对确保工业生产的正常进行和防止事故的发生有着重要的作用。
液位作为物位检测的四大参量之一，其余三个分别为压力、温度、流量等三热工参量的检测，这些参量的检测始终倍受人们的关注，因为不仅这些参量本身重要，同时也因为它们是许多测量的基础。而液位参量作为四大参量之一，其研究开发工作可分为两个大方向来开
展。
液位传感器的横向发展主要表现为四个方面，即：①非接触测量；②液位测量系统的智能化；③小型化集成化；④数字化。
液位传感器的纵向发展主要表现为四个方面，即：①科学技术的全面发展；
②科学技术的交叉发展；③边沿科学技术；④高精度方向发展。
第二章实验原理
2.1 电容传感器
电容式液位计可以连续测量水池、水塔、水井和江河湖海的水位以及导电液体（比如酒、醋、酱油等）的液位，如图1-1所示。当液位计放入液体中时，导线芯以绝缘层为介质与周围的液体形成柱形电容器。
图1
由图1可以知道，柱形电容器的电容为
C X=
式中，ε为导线芯绝缘层的介电常数；Hx为待测水位高度；d1为导线芯的直径；d2为绝缘层的外径；电容式液位计配以适当的测量电路，便可以得到与被测液位成比例的电信号输出。当液位改变时，外电极间的覆盖面积随之变化，因而引起电容值的变化。
可见，电容量与液体高度Hx成线性关系。
2.2电容传感器实物图
传感器和电路实物图：
传感器实物图：
2.3 电路结构
电路结构图如下：
图2
由图2所示，可知电路是由电容传感器、电容变换器、差动放大器、低通滤波器构成。
2.4 实验所需部件
2.4.1 差动放大器
2.4.1.1 高精度运算放大器的构成
高精度运算放大器几乎都是作为直流放大器使用，所以认为其频率特性并不重要。高精度运算放大器满足以下三个条件：
1.输入失调电压小；
2.输入偏置电流小；
3.开环增益高；
差动放大器的电路图如图3所示：
图3
差动放大器实现的功能是将信号放大。其需要的主要芯片是1AC156M OP07CP。
2.4.1.2 OP07CP
OP07的功能介绍：Op07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25μV），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。OP07的开环增益比通用型运算放大器112dB（typ）高，但GB积与转换速率却比通用型小，全功率（full power）响应频率并不高。
其特点是：超低偏移：150μV最大；低输入偏置电流： 1.8nA ；低失调电压漂移：0.5μV/℃；超稳定时间：2μV/month最大；高电源电压围：±3V至±22V
OP07的外型图片如图4所示：
图4 其管脚图及部结构如图5、图6所示。
图5
图6
图6是1AC156M 0P07CP部结构图；
OP07CP运算放大器的电气特性
型名输入失调电压
Type（max）
偏移电压
/(Uv/oC)
Type （max）
输入偏置电流
/nA
Type（max）
转换速率
/(V/us)
ryp
开环增益/d
B
typ
图4为1AC156M OP07CP的管
脚图；其中各管脚的连接为：
1 VOS
2 -IN
3 +IN
4 V-
5 NC
6 OUT
7 V+ 8 VCS
OP07CP 60(150) 0.7（2.5） 2.0（12） 0.6 112
2.4.2 低通滤波器
顾名思义，所谓滤波器就是能够过滤波动信号的器具，在电子线路中，滤波器的作用是从具有各种不同频率成分的信号中，取出具有特定频率成分的信号。滤波器一词的英文是“filter ”。
理想低通滤波器器能够让零频（即直流）到截止频率fc 之间的所有信号毫无损失的通过，而高于截止频率fc 的所有信号毫无遗留的丧失殆尽，低通滤波器简称LPF 。在本实验装置中，为了过滤掉高次波的影响，采用低通滤波器进行滤波。
2.4.2.1 低通滤波器的构成
图7
2.4.2.2 HA17741 1A1
由图7可知，应用到的运算放大器是HA17741 1A1。HA17741运算放大器实际上就是uA741，国产型号是F007，相近的简化就是LM324。
图8
如图8示，即为HA17741管脚图； 它的主要指标为：输入失调电压10mV ，开环输入电阻1M
位增益带宽1Mhz，输出开环阻抗60欧，输出电压转换速度0.5V/us。
图9
如图9示，是HA17741部电路图；
2.4.3 电容变换器
2.4.
3.1 电容变换器的构成
电容变换器的电路结构如图10所示
图10
电容变换器的两输入端一个接待测电容Cx,另外一端接定长电容C,定长电容为可调容抗的电容。其目的是提高电容传感器的灵敏度，但同时降低了电容传感器的线性度。
电容变换器工作的原理是：将传感器所测得电容量变化转化为输出直流的变化。
其中DM74LS20N的作用是产生方波，其输出波形用示波器观察时，其图形为：
其中CA3140E的作用是把DM74LS20N产生方波的方波作为输入，然后转化为正弦波，其输出波形用示波器观察时，其图形为：
2.4.
3.2 CA3140E
[1]、图10可知，电容变换器运用到的运算放大器是CA3140E，CA3140高输入阻抗运算放大器,是美国无线电公司研制开发的一种BiMOS高电压的运算放大器在一片集成芯片上，该CA3140A和CA3140 BiMOS运算放大器功能保护MOSFET的栅极（PMOS上）中的晶体管输入电路提供非常高的输入阻抗，极低输入电流和高速性能。操作电源电压从4V至36V （无论单或双电源),它结合了压电PMOS晶体管工艺和高电压双授晶体管的优点.(互补对称金属氧化物半导体)卓越性能的运放
元件的功能是为了保护MOSFET栅极中的晶体管输入电路提供非常高的输入阻抗，极低的输入电流和高速性能，操作电源电压在4V至36V。
[2]、CA3140E元件的引脚如图11所示
图11
[3]、引脚功能表如图12所示：
引脚号功能引脚号功能
1 偏置调零端 5 偏置调零端
2 反向输入端 6 输出
3 同向输入端7 电源+
4 电源- 8 选通端
图12
[4]、CA3140部方框图如图13所示：
图13 [5]、CA3140部电路图如图14所示：
图14 [6]、
直流电源电压（V+和V -端子）36V 最大存储温度围-65℃ ~ 150℃
第三章实验结果及数据处理3.1 初次实验
初次进行试验时测量得到的结果如表1所示：
平均值/cm
-6.26 -7.21
8
-8.09
4
-9.15
6
-9.74
6
-10.4
3
-10.9
7
-11.5
7
-12.08
2
表1
对于初始高度设定时，充分考虑到了定值电容对测量结果的影响，通过调节初始时定值电容的大小，对进入液面以后的电压值进行测量，得到的以上五组试验数据。
通过MATLAB，对数据进行处理，得到如图15所示的图像：
图15
由所测量得到的数据显示，在6-13cm进行测量在线性围；在其他区间所得的数据成曲线形势。
3.2 二次实验
根据表1所得结论，对6-13cm围的数据进行测量，所得数据如表2所示：
高度/cm 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5
电压/V 第一次-1.88 -2.43 -3 -3.59 -4.13 -4.58 -5.03 -5.6 第二次-1.94 -2.57 -2.98 -3.3 -4.1 -4.59 -5.06 -5.48
平均值/cm -1.91 -2.5 -2.99 -3.445 -4.115 -4.585 -5.045 -5.54
误差（平均值与拟合直线值之差）-0.070
9 0.0104
-0.008
3
-0.062
1 0.099
2 0.0605 0.0117 -0.002
高度/cm 10 10.5 11 11.5 12 12.5 13
电压/V 第一次-6.09 -6.66 -7.02 -7.65 -8.12 -8.62 -9.16 第二次-6 -6.53 -7.05 -7.53 -8.08 -8.46 -9.03
平均值/cm -6.045 -6.595 -7.035 -7.59 -8.1 -8.54 -9.095
误差（平均值与拟合直线值之差）-0.005
7 0.0355
-0.033
2 0.0131 0.0143
-0.054
4
-0.008
1
表2
对表2所得数据，进行处理得到数据如图16所示，再进行一阶曲线拟合得到图16中的直线所示。直线显示：在6-13cm之间为线性围。
图16
线性度e L=±×100%=1.3807%
第四章影响液位测量的主要因素
液体本身的物理参数会对液位测量有影响，包括液体的电导率、介电常数和腐蚀情况等，对测量液位的敏感元件的材料选用起决定性作用。通过实验验证，以下因素在液位测量中起关键性作用：
①电容极板结构对测量的影响
敏感元件电容极板直接感受被测量，电容的准确性对测量至关重要。电容极板本身结构，比如尺寸、长度等直接决定着液位测量的精度。增加初始值，可以使寄生电容和相对电容传感器的电容量较小。电容极板板间距离大，寄生电容就大、精度就低；板间距离小，寄生电容就小、精度就高。所以应根据实际情况，选择合适的电容极板尺寸。另外电容传感器的材料和电信号引线的选用，也会对液位测量的精度产生影响。
②设定值（或称为阀值）对测量精度的影响
阀值是判断是否进行下次采样，从而进行微分运算，是计算液面位置的重要依据，所以对测量精度的影响很大。阈值设置小了，容易将非计算液位判断为计算液位面；置大了又对微分运算产生影响。所以应根据实际情况，选择合适的阈值。
结论和心得体会
测试设计这在一前我都以为是要遥不可及，但现在通过这次传感器的课程设计我明白了，并不是如此，只要团队合作也可以搞定，我多学了许多的以前课上没有的知识，比如怎么自己利用简单的原材料设计出有用的传感器，怎么利用电容传感器测量液位等。通过课程设计，我们对《传感器》这门课程有了更深一步的了解。它是测量技术里的重要理论技术基础，在我们测控专业的学习中占据着十分重要的地位。同时也使我们知道，要学好这门课程，仅学习书本上的知识是不够的，还要有较强的实践能力。因为我们学习知识就是为了实践。而只有多实践，多设计，才能更好的理解与掌握书本上的东西。另外，电容式液位测量技术涉及多个领域，由于时间及知识储备有限，本设计还有很多需要改进的地方，大致有如下几方面：
①电容极板的可靠性及实际测量装配有待进一步研究。
②如将系统做成样机或成品，还需要进一步研究系统的可靠性和影响精度的各因数的相
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目录 1 生物传感器 (1) 1.1生物传感器简介 (1) 2 生物传感器的介绍 (2) 2.1组成结构及工作原理 (2) 2.2技术特点 (2) 2.3国内外应用发展情况及应用案例 (3) 2.3.1国内应用发展 (3) 2.3.2国外应用发展 (3) 2.3.3应用案例 (4) 参考文献 (6)
第1章传感器基础理论思考题与习题答案 1.1什么是传感器？（传感器定义） 解：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件、转换元件和调节转换电路组成。 1.2传感器特性在检测系统中起到什么作用？ 解：传感器的特性是指传感器的输入量和输出量之间的对应关系，所以它在检测系统中的作用非常重要。通常把传感器的特性分为两种：静态特性和动态特性。静态特性是指输入不随时间而变化的特性，它表示传感器在被测量各个值处于稳定状态下输入输出的关系。动态特性是指输入随时间而变化的特性，它表示传感器对随时间变化的输入量的响应特性。 1.3传感器由哪几部分组成？说明各部分的作用。 解：传感器通常由敏感元件、转换元件和调节转换电路三部分组成。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分，转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成电信号的部分，调节转换电路是指将非适合电量进一步转换成适合电量的部分，如书中图1.1所示。 1.4传感器的性能参数反映了传感器的什么关系？静态参数有哪些？各种参数代表什么意 义？动态参数有那些？应如何选择？ 解：在生产过程和科学实验中，要对各种各样的参数进行检测和控制，就要求传感器能感受被测非电量的变化并将其不失真地变换成相应的电量，这取决于传感器的基本特性，即输出—输入特性。衡量静态特性的重要指标是线性度、灵敏度，迟滞和重复性等。意义略（见书中）。动态参数有最大超调量、延迟时间、上升时间、响应时间等，应根据被测非电量的测量要求进行选择。 1.5某位移传感器，在输入量变化5mm时，输出电压变化为300mV，求其灵敏度。 解：其灵敏度 3 3 30010 60 510 U k X - - ?? === ?? 1.6某测量系统由传感器、放大器和记录仪组成，各环节的灵敏度为：S1=0.2mV/℃、
光电式液位传感器的优点、缺点 光电式液位感器的主要功能是侦测液位，可以实现缺水保护、无水报警、防水过多溢出等功能，广泛应用于各个行业。那么光电式液位传感器存在什么缺点什么优点呢？ 光电式液位传感器的优点： 1.响应时间短 光本身为高速，并且传感器的电路都由电子零件构成，所以不包含机械性工作时间，响应时间非常短。可快速、精准的检测液位，实现电器缺水保护、防水满溢出功能 2.液位检测精度高 污垢、液体中的杂物、沉淀物等都不会影响光电式液位传感器的检测精度，不同于浮球式液位传感器的液位控制精度在±3mm，而如能点的光电式液位传感器可以达到±0.5mm的精确度。 可检测多类型的液体 由于光电式液位传感器以光学反射未检测原理，所以并不像浮球式液位传感器那样受液体杂物、粘稠性限制，它可对净水、具有杂质的污水、具有腐蚀性的清洗液、黏稠的柴油机油等各类液体进行检测。 可实现非接触式的检测 使用分离式光电液位传感器，液体容器与机器是可分离的，可以不接触液体也能检测液位。水箱可移动，可更加方便清洗、且更卫生。
可多方位安装 在光电式液位传感器的采集方法中，安装是不会影响它的正常工作的。因此光电式液位传感器可以朝上、朝下安装；侧面安装、斜向安装等，因此水箱或其他容器的不规则形状并不会限制它的使用。 光电式液位传感器的缺点： 1. 不可在阳光直射下使用 可以采用更改安装的方式避免，或者是采用遮光罩等方式避免。 2.水汽、水蒸气等导致的探头上有水珠会影响传感器检测
在经过程序调整后，在程序中把这一因素计算在内可以解决此问题。 3.液面波动导致液位传感器误判。 可以采用在程序中加入防抖逻辑的方式，解决液面波动这一因素的影响。
题目传感器电容式湿度传感器的应用 姓名 学号 系（院）_电子电气工程学院_ 班级 目录 前言 (3) 1. 绪论 (1) 1.1电容式传感器的工作原理 (1)
1.2电容式传感器的特点 . (4) 2. 系统设计 (6) 2.1硬件电路设计 (6) 2.2 湿敏电容器的特性 (8) 2.3 电容式传感器数据处理 (8) 2.4测试结果 (8) 结论 (10) 参考文献 (11) 淄博职业学院 前言 人类的生存和社会活动与湿度密切相关，随着现代化的实现，很难找出一个与湿度无关的领域来。在电子科学技术日益发达的今天, 人类对自身的生活环境及工作环境要求越来越高。湿度的监测与控制在国民经济各个部门，如国防、科研、煤炭开采和井下监测以及人生活等诸多领域有着非常广泛的应用。众所周知, 湿度的测量较复杂，而对湿度进行控制更不易。人们熟知的毛发湿度计、干湿球湿度计等已不能满足现代工作条件和环境的要求。为此，人们研制了各种湿度传感器，其中电阻和电容型湿度传感器以其测量范围宽, 响应速度快, 测量精度高, 稳定性好, 体积小, 重量轻，制造工艺简单等显示出极大的优越性, 在实际中得到了广泛应用。由于应用领域不同，对湿度传感器的技术要求也不同。从制造角度看，同是湿度传感器，材料、结构不同，工艺不同。其性能和技术指标有很大差异，因而价格也相差甚远。湿度是一个重要的物理量，航天航空，计量等许多环境中需要在高温下进行湿度的测量，很多行业中，如发电、纺织食品、医药、仓储、农业等，对温度、湿度参量的要求都非常严格，目前，在低温条件下，（通常是指100℃以下），湿度
测量已经相对成熟，有商品化产品，并广泛应用于各种行业，另外有许多以行业需要在高温环境下测量湿度，如航天航空、机车舰船、发电变电、冶金矿山、计量科研、电厂、陶瓷、工业管道、发酵环境实验箱、高炉等场合，这时，湿度测量结果往往不如低温环境下的测量结果理想，另外，在恶劣的环境下工作，例如气流速度、温度、湿度变化非常剧烈或测量污染严重的工业化气体时，将使精度大大下降。然而，随着科技的进步，人们对湿度的测量设备进行了越来越深层的研究，本文就以电容型湿度传感器进行阐述。 1. 绪论 1.1电容式传感器的工作原理 电容式传感器是将被测量的变化转换为电容量变化的一种装置，它本身就是一种可变电容器。由于这种传感器具有结构简单，体积小，动态响应好，灵敏度高，分辨率高，能实现非接触测量等特点，因而被广泛应用于位移、加速度、振动、压力、压差、液位、等分含量等检测领域。 这里主要介绍电容式传感器的原理、结构类型、测量电路及其工程应用。当被测量的变化使S 、d 或ε任意一个参数发生变化时，电容量也随之而变，从而完成了由被测量到电容量的转换。当式中的三个参数中两个固定，一个可变，使得电容式传感器有三种基本类型：变极距型电容传感器、变面积型电容传感器和变介电常数型电容传感器。电容式传感器的测量电路就是将电容式传感器看成一个电容并转换成电压或其他电量的电路。因此，常用的测量电路主要有桥式电路、调频电路、脉冲宽度制电路、运算放大器电路、二极管双T 形交流电桥和环行二极管充放电法等。调频电路实际是把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分, 当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化。虽然可将频率作为测量系统的输出量，用以判断被测非电量的大小，但此时系统是非线性的，不易校正，因此必须加入鉴频器，将频率的变化转换为电压振幅的变化，经过放大就可以用仪器指示或记录仪记录下来。
1、已知一等强度梁测力系统， R x 为电阻应变片，应变片灵敏系数 K=2，未 受应变时，R ＜ = 100 ?。当试件受力 F 时，应变片承受平均应变 ￡ = 1000卩m/m , 求： (1) 应变片电阻变化量 ？ R ＜和电阻相对变化量？ R x /R x 。 (2) 将电阻应变片 R ＜置于单臂测量电桥，电桥电源电压为直流 3V, 求电桥输出电压及电桥非线性误差。 (3) 若要使电桥电压灵敏度分别为单臂工作时的两倍和四倍，应采取 解: (1) RX K R X R X K R X 2 1000 100 0.2() 化时，电桥输出电压为 U O (3)要使电桥电压灵敏度为单臂工作时的 2倍，则应该在等强度梁的正反面对应贴上两 个相同的应变片，一个受拉应变，一个受压应变，接入电桥相邻桥臂，形成半桥差动电桥, 且取其他桥臂电阻也为 Rx 。 1 R X 此时，U o — E - 0.003(V)，r L 0 2 R X 要使电桥电压灵敏度为单臂工作时的 4倍，则应该在等强度梁的正反面对应贴上四个相 同的应变片，2个受拉应变，2个受压应变，形成全桥差动电桥。 2、有一个以空气为介质的变面积型平板电容传感器(见下图) 。其中 a=16mm,b=24mm,两极板间距为4mm 。一块极板分别沿长度和宽度方向在原始位置 上平移了 5mm ，求： R X R X 0.2 100 0.2% (2)将电阻应变片 Rx 置于单臂测量电桥，取其他桥臂电阻也为 Rx 。当Rx 有？ Rx 的变 R X R X U O (云r i )E 3 (100 0.2 丄) 200 0.2 2 0.0015(V) 非线性误差: r L R X /2R X 1 R X /2R X 100% 0.1% 此时，U o R X R X 0.006(V)，r L 0
电容式智能液位仪
目录 目录 摘要 (2) 1.导言 (3) 2.传感器 (4) 2.1理想的电容式传感器 (4) 2.2电路模型 (5) 2.3传感器特性 (6) 2.4传感器结构 (7) 3.硬件电路设计 (11) 3.1硬件电路划分 (11) 3.2单片机的选用 (11) 3.3直流充放电式电容测量电路设计 (13) 3.4信号调理电路设计 (14) 3.5单片机电路及模数转化电路设计 (15) 3.6通信电路设计 (16) 4.系统软件设计 (18) 4.1编程环境与编程语言 (18) 4.2软件总体设计 (18) 5.电容测量电路的实验结果和分析 (19) 5.1实验过程及结果 (19) 5.2实验分析 (21) 参考文献 (22) 摘要
设计一种多功能智能化液位检测装置，采用A Tmega8作为硬件电路核心，以圆柱形电容探头为液位检测传感器，利用电容频率转换原理将电容变化为频率变化，利用单片机检测频率，软件计算液位高度。本装置具有机械去液面波动，用软件进行温度修正、线性校正、用户自校正，通信和多液体选择等功能。 本文主要创新之处是提出一种适合于波动液面液位检测的智能液位仪，具有温度补偿、用户自校正和通信等功能。本文设计了高度为100cm的柱形电容液位检测传感器，电容器具有结构简单，电路实现容易，利用555振荡电路实现了电容到频率的转换，利用程序实现频率到高度转换，理论正确可靠，推算过程合理，利用软件分段修正减小了线性误差。在电容的两端装有液位缓冲器，采用机械的方式减小液面波动。由实验测试可知，本液位检测装置性能稳定，检测可靠，测量精度达到1cm, 分辨率可0.1cm，达到车载式喷雾机液位检测的要求。利用此方案可根据需要设计各种量程的液位检测装置，适用性较广。 ·2· 1.导言
1-7 已知某温度计测量范围0～200℃，检测测试其最大误差 4max =?Y ℃，求其满度相对误差，并根据精度等级标准判断精度等级。 解：Y FS =200-0=200 由A=ΔA/Y FS ＊100％有 A ＝4/200＊100％＝2％。 精度特级为2.5级。 1-11:解：（1）切线法： 1 2 1 1 ,02 1 2/1)0()1(21 21 +===+===+?=-x y y x b x y x dx dy x dx dy 则当设 线性度： %1.10%10025 .0,02525.0,5.00 21 )1(21)0() 12 1 (1.max .max 21=??= =-=?=<-+=?>+-+=?-S F L S F Y y Y y x x dx y d x x x y δ则时， 端基法：
1 )26(2 62 3,5.0+-=-===x y k y x 则则 线性度： % 526.2,1067596.50, 2373.022474.05.0)26(]1)26[(13max .=?=?=?==?-=+--+=?-L S F y dx y d x Y x x y δ求导得：同理： 最小二乘法：设y=kx+b 61237 .047328.034205.021909.010488.0025.016.009.004.001.002247 .11832.11401.10954.10488.115.04.03.02.01.002xy x y x 9945 .04835.0:9945.0) (64835 .0) (6625 .2)(55.0,75167.16922.6,5.12 2 2 2 2 2 2 +==-?-?= =--?======∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑x y x x xy x y x a x x y x xy k x x xy y x 求得则 线性度：% 50.210063.60694.0) 9945.04835.0(13 =?=?=+-+=?-L y x x x y δ时，同理求得： 1-12:解：
光电开关/传感器工作原理、接线图、概要、特长 发布者：david 发布时间：2011-5-13 17:47:53 阅读：2133次 光电传感器概要 「光电传感器」是利用光的各种性质，检测物体的有无和表面状态的变化等的传感器。光电传感器主要由发光的投光部和接受光线的受光部构成。如果投射的光线因检测物体不同而被遮掩或反射，到达受光部的量将会发生变化。受光部将检测出这种变化，并转换为 电气信号，进行输出。大多使用可视光（主要为红色，也用绿色、蓝色来判断颜色）和红
外光。光电传感器如下图所示主要分为3类。（详细内容请参见「分类」） 对射型 回归反射型 扩散反射型 光电传感器特长 ①检测距离长 如果在对射型中保留10m以上的检测距离等，便能实现其他检测手段（磁性、超声波等）无法离检测。达到的长距 ②对检测物体的限制少 由于以检测物体引起的遮光和反射为检测原理，所以不象接近传感器等将检测物体限定在金属，它可对玻璃.塑料.木材.液体等几乎所有物体进行检测。 ③响应时间短 光本身为高速，并且传感器的电路都由电子零件构成，所以不包含机械性工作时间，响应时间非常短。
④分辨率高 能通过高级设计技术使投光光束集中在小光点，或通过构成特殊的受光光学系统，来实现高分辨率。也可进行微小物体的检测和高精度的位置检测。 ⑤可实现非接触的检测 可以无须机械性地接触检测物体实现检测，因此不会对检测物体和传感器造成损伤。因此，传感器能长期使用。 ⑥可实现颜色判别 通过检测物体形成的光的反射率和吸收率根据被投光的光线波长和检测物体的颜色组合而有所差异。利用这种性质，可对检测物体的颜色进行检测。 ⑦便于调整 在投射可视光的类型中，投光光束是眼睛可见的，便于对检测物体的位置进行调整。 光电传感器原理 ①光的性质 直射 光在空气中和水中时，总是直线传播。 使用对射型传感器外置的开叉来检测微小物体的示例便是运用了这种原理。 曲折 是指光射入到曲折率不同的界面上时，通过该界面后，改变行进方向的现象。 反射（正反射、回归反射、扩散反射）
《传感器与传感器技术》计算题 解题指导（供参考） 第1章 传感器的一般特性 1-5 某传感器给定精度为2%F·S，满度值为50mV ，零位值为10mV ，求可能出现的最大误差(以mV 计)。当传感器使用在满量程的1/2和1/8时，计算可能产生的测量百分误差。由你的计算结果能得出什么结论? 解：满量程（F ?S ）为50~10=40(mV) 可能出现的最大误差为： m ＝40 2%=0.8(mV) 当使用在1/2和1/8满量程时，其测量相对误差分别为： %4%10021408.01=??=γ %16%10081 408 .02=??=γ 1-6 有两个传感器测量系统，其动态特性可以分别用下面两个微分方程描述，试求这两个系统的时间常数和静态灵敏度K 。 （1） T y dt dy 5105.1330 -?=+ 式中，y 为输出电压，V ；T 为输入温度，℃。 （2） x y dt dy 6.92.44 .1=+ 式中，y ——输出电压，V ；x ——输入压力，Pa 。 解：根据题给传感器微分方程，得 (1) τ=30/3=10(s)， K =1.5105/3=0.5105 (V/℃)； (2) τ=1.4/4.2=1/3(s)， K =9.6/4.2=2.29(V/Pa)。 1-7 设用一个时间常数=0.1s 的一阶传感器检测系统测量输入为x (t )=sin4t +0.2sin40t 的信号，试求其输出y (t )的表达式。设静态灵敏度K =1。 解 根据叠加性，输出y (t )为x 1(t )=sin4t 和x 2(t )= 0.2sin40t 单独作用时响应y 1(t )和y 2(t )的叠加，即y (t )= y 1(t )+ y 2(t )。 由频率响应特性：
一、填空题(20分) 1.传感器由（敏感元件，转换元件，基本转换电路）三部分组成。 2.在选购线性仪表时，必须考虑应尽量使选购的仪表量程为欲测量的（1.5 ） 倍左右为宜。 3.灵敏度的物理意义是（达到稳定工作状态时输出变化量与引起此变化的输入变化量之比。） 4. 精确度是指（测量结果中各种误差的综合，表示测量结果与被测量的真值之间的一致程度。） 5．为了测得比栅距W更小的位移量，光栅传感器要采用（细分）技术。 6.热电阻主要是利用电阻随温度升高而（增大）这一特性来测量温度的。 7.传感器静态特性主要有（线性度，迟滞，重复性，灵敏度）性能指标来描述。 8.电容传感器有三种基本类型，即(变极距型电容传感器、变面积型电容传感器, 变介电常数型电容传感器) 型。 9.压电材料在使用中一般是两片以上在,以电荷作为输出的地方一般是把压电元件（并联）起来，而当以电压作为输出的时候则一般是把压电元件（串联)起来 10.压电式传感器的工作原理是：某些物质在外界机械力作用下，其内部产生机械压力，从而引起极化现象，这种现象称为（顺压电效应）。相反，某些物质在外界磁场的作用下会产生机械变形，这种现象称为（逆压电效应）。 11. 压力传感器有三种基本类型，即（电容式，电感式，霍尔式）型. 12.抑制干扰的基本原则有（消除干扰源，远离干扰源，防止干扰窜入）. 二、选择题（30分,每题3分）1、下列( )不能用做加速度检测传感器。D.热电偶 2、将超声波（机械振动波）转换成电信号是利用压电材料的( ).C．压电效应 3、下列被测物理量适合于使用红外传感器进行测量的是（）. C．温度 4、属于传感器动态特性指标的是（）.D．固有频率 5、对压电式加速度传感器，希望其固有频率( ).C.尽量高些 6、信号传输过程中，产生干扰的原因是( )C.干扰的耦合通道 7、在以下几种传感器当中( )属于自发电型传感器.C、热电偶 8、莫尔条纹光栅传感器的输出是( ).A.数字脉冲式 9、半导体应变片具有( )等优点.A.灵敏度高 10、将电阻应变片贴在( )上，就可以分别做成测力、位移、加速度等参数的传感器. C.弹性元件 11、半导体热敏电阻率随着温度上升，电阻率( ).B.迅速下降 12、在热电偶测温回路中经常使用补偿导线的最主要的目的是( ). C、将热电偶冷端延长到远离高温区的地方 13、在以下几种传感器当中( ABD 随便选一个)不属于自发电型传感器. A、电容式 B、电阻式 C、热电偶 D、电感式 14、( )的数值越大,热电偶的输出热电势就越大.D、热端和冷端的温差 15、热电阻测量转换电路采用三线制是为了( B、减小引线电阻的影响). 16、下列( )不能用做加速度检测传感器.B.压电式 三、简答题（30分） 1.传感器的定义和组成框图？画出自动控制系统原理框图并指明传感器在系统中的位置和
电容式传感器在液位测量中的应用 【摘要】本文主要介绍了电容式传感器在液体测量中的一项应用——电容式液位计。电容式液位计是企业自动化的重要检测工具.本文介绍的电容式传感器做成水位测量计报警系统，结构简单，具有极高的抗干扰性和可靠性，解决了温度、湿度、压力及物质的导电性等因素对测量过程的影响。 【关键词】电容式液位计;测量原理;连接电路 洪水灾害是我国发生频率高、危害范围广、对国民经济影响最为严重的自然灾害。洪灾会造成江、河、湖、库水位猛涨，堤坝漫溢或溃决。所以一个安全，可靠，及时的水位测量系统显得尤为重要，目前我国较多使用的是浮子式水位测量计，虽然结构简单，但是干扰性较差，抗腐蚀能力也较低。本文根据检测与转化技术中的电容式传感器做成水位测量计报警系统，结构简单，具有极高的抗干扰性和可靠性，解决了温度、湿度、压力及物质的导电性等因素对测量过程的影响。能够测量强腐蚀性的液体，如酸、碱、盐、污水等。 1.解决方案 由于较多的降雨，水库的水位会增加，所以可以利用电容式传感器做成水位测量计。 1.1检测原理 电容式液位计是根据电容的变化来实现液位高度测量的液位仪表，电容式液位计的主要构件包括容式物位传感器和检测电容的线路。电容式液位计在测量时是将一根金属棒探入被测量容器的溶液中，将金属棒作为电容的一极，将容器壁作为电容的另一极。 电容式液位计在工作时，两个电极之间分别处于两种介质之中，而这两种介质的介电常数肯定是不同的，液体的介电常数ε1和气体的介电常数ε2之间存在一个差，这样同一段距离中ε1与ε2的比例不同，加和的结果也不同。 电容式液位计测量时，加设ε1>ε2，那么当液位升高时，ε1占据的比例增大而ε2占据的比例减小，两个电极之间的总的介电常数值也就会随之增大，而电容量也就会相应增加，通过对电容量增加值的测算就可以得到液位高度值。 在液位的连续测量中，多用同心圆柱式电容器，同心圆柱式电容器的电容量: C=■ 式中：
第1章概述 1.什么是传感器 传感器定义为能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。 传感器的共性是什么 传感器的共性就是利用物理规律或物质的物理、化学、生物特性，将非电量（如位移、速度、加速度、力等）输入转换成电量（电压、电流、电容、电阻等）输出。 传感器由哪几部分组成的 由敏感元件和转换元件组成基本组成部分，另外还有信号调理电路和辅助电源电路。 传感器如何进行分类 （1）按传感器的输入量分类，分为位移传感器、速度传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器等。（2）按传感器的输出量进行分类，分为模拟式和数字式传感器两类。（3）按传感器工作原理分类，可以分为电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、磁敏式传感器、热电式传感器、光电式传感器等。（4）按传感器的基本效应分类，可分为物理传感器、化学传感器、生物传感器。（5）按传感器的能量关系进行分类，分为能量变换型和能量控制型传感器。（6）按传感器所蕴含的技术特征进行分类，可分为普通型和新型传感器。 传感器技术的发展趋势有哪些 （1）开展基础理论研究（2）传感器的集成化（3）传感器的智能化（4）传感器的网络化（5）传感器的微型化 改善传感器性能的技术途径有哪些 （1）差动技术（2）平均技术（3）补偿与修正技术(4)屏蔽、隔离与干扰抑制(5)稳定性处理 第2章传感器的基本特性 什么是传感器的静态特性描述传感器静态特性的主要指标有哪些 答：传感器的静态特性是指在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和输入量之间的关系。主要的性能指标主要有线性度、灵敏度、迟滞、重复性、精度、分辨率、零点漂移、温度漂移。 传感器输入-输出特性的线性化有什么意义如何实现其线性化 答：传感器的线性化有助于简化传感器的理论分析、数据处理、制作标定和测试。常用的线性化方法是：切线或割线拟合，过零旋转拟合，端点平移来近似，多数情况下用最小二乘法来求出拟合直线。 利用压力传感器所得测试数据如下表所示，计算其非线性误差、迟滞和重复性误差。设压力为0MPa 时输出为0mV,压力为时输出最大且为. 非线性误差略 正反行程最大偏差Hmax=，所以γH=±%=±%=±% 重复性最大偏差为Rmax=，所以γR=±=±%=±% 什么是传感器的动态特性如何分析传感器的动态特性 传感器的动态特性是指传感器对动态激励（输入）的响应（输出）特性，即输出对随时间变化的输入量的响应特性。
为了选择最佳的液位传感器，我们不但需要了解被测液体的属性和状态，同时，也要知道不同的检测方式的优点与局限性，从而才能选出最合适的传感器。以下为目前市场上最常见的检测技术。 激光测量：激光类传感器基于光学检测原理，通过物体表面反射光线至接收器进行检测，其光斑较小且集中，易于安装、校准，灵活性好，可应用于散料或液位的连续或者限位报警等;但其不适合应用于透明液体（透明液体容易折射光线，导致光线无法反射至接收器），含泡沫或者蒸汽环境（无法穿透泡沫或者容易受到蒸汽干扰），波动性液体（容易造成误动作），振动环境等。 tdr（时域反射）/ 导波雷达/微波原理测量：其名称在行业内有多种不同的叫法，其具备了激光测量的好处，如：易于安装、校准，灵活性好等，另外其更优于激光检测，如无需重复校准和多功能输出等，其适用于各种含泡沫的液位检测，不受液体颜色影响，甚至可应用于高粘性液体，受外部环境干扰相对小，但其测量高度一般小于6米。 超声波测量：由于其原理为通过检测超声波发送与反射的时间差来计算液位高度，故容易受到超声波传播的能量损耗影响。其亦具备安装容易、灵活性高等特点，通常可安装于高处进行非接触式测量。但当使用于含蒸汽、粉层等环境时，检测距离将会明显缩短，不建议使用在吸波环境，如泡沫等。 音叉振动测量：音叉式测量仅为开关量输出，不能用于连续性监控液体高度。其原理为：当液体或者散料填充两个振动叉时，共振频率改变时，依靠检测频率改变而发出开关信号。其可用于高粘度液体或者固体散料的高度监控，主要为防溢报警、低液位报警等，不提供模拟量输出，另外，多数情况下需要开孔安装于容器侧面。 光电折射式测量：该检测方式通过传感器内部发出光源，光源通过透明树脂全反射至传感器接受器，但遇到液面时，部分光线将折射至液体，从而传感器检测全反射回来光量值的减少来监控液面。该检测方式便宜，安装、调试简单，但仅能应用于透明液体，同时只输出开关量信号。 艾驰商城是国内最专业的MRO工业品网购平台，正品现货、优势价格、迅捷配送，是一站式采购的工业品商城！具有10年工业用品电子商务领域研究，以强大的信息通道建设的优势，以及依托线下贸易交易市场在工业用品行业上游供应链的整合能力，为广大的用户提供了传感器、图尔克传感器、变频器、断路器、继电器、PLC、工控机、仪器仪表、气缸、五金工具、伺服电机、劳保用品等一系列自动化的工控产品。 如需进一步了解图尔克、奥托尼克斯、科瑞、山武、倍加福、邦纳、亚德客、施克等各类传感器的选型，报价，采购，参数，图片，批发信息，请关注艾驰商城https://www.doczj.com/doc/203412582.html,/
第1章概述 1.什么是传感器？ 传感器定义为能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。 1.2传感器的共性是什么？ 传感器的共性就是利用物理规律或物质的物理、化学、生物特性，将非电量（如位移、速度、加速度、力等）输入转换成电量（电压、电流、电容、电阻等）输出。 1.3传感器由哪几部分组成的？ 由敏感元件和转换元件组成基本组成部分，另外还有信号调理电路和辅助电源电路。 1.4传感器如何进行分类？ （1）按传感器的输入量分类，分为位移传感器、速度传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器等。（2）按传感器的输出量进行分类，分为模拟式和数字式传感器两类。（3）按传感器工作原理分类，可以分为电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、磁敏式传感器、热电式传感器、光电式传感器等。（4）按传感器的基本效应分类，可分为物理传感器、化学传感器、生物传感器。（5）按传感器的能量关系进行分类，分为能量变换型和能量控制型传感器。（6）按传感器所蕴含的技术特征进行分类，可分为普通型和新型传感器。 1.5传感器技术的发展趋势有哪些？ （1）开展基础理论研究（2）传感器的集成化（3）传感器的智能化（4）传感器的网络化（5）传感器的微型化 1.6改善传感器性能的技术途径有哪些？ （1）差动技术（2）平均技术（3）补偿与修正技术(4)屏蔽、隔离与干扰抑制 (5)稳定性处理 第2章传感器的基本特性 2.1什么是传感器的静态特性？描述传感器静态特性的主要指标有哪些？ 答：传感器的静态特性是指在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和输入量之间的关系。主要的性能指标主要有线性度、灵敏度、迟滞、重复性、精度、分辨率、零点漂移、温度漂移。 2.2传感器输入-输出特性的线性化有什么意义？如何实现其线性化？ 答：传感器的线性化有助于简化传感器的理论分析、数据处理、制作标定和测试。常用的线性化方法是：切线或割线拟合，过零旋转拟合，端点平移来近似，多数情况下用最小二乘法来求出拟合直线。 2.3利用压力传感器所得测试数据如下表所示，计算其非线性误差、迟滞和重复性误差。设压力为0MPa 时输出为0mV,压力为0.12MPa时输出最大且为16.50mV. 非线性误差略 正反行程最大偏差?Hmax=0.1mV，所以γH=±?Hmax0.1100%=±%=±0.6%YFS16.50 重复性最大偏差为?Rmax=0.08，所以γR=±?Rmax0.08=±%=±0.48%YFS16.5 2.4什么是传感器的动态特性？如何分析传感器的动态特性？ 传感器的动态特性是指传感器对动态激励（输入）的响应（输出）特性，即输出对随时间变化的输入量的响应特性。 传感器的动态特性可以从时域和频域两个方面分别采用瞬态响应法和频率响应法来分析。瞬态响应常采用阶跃信号作为输入，频率响应常采用正弦函数作为输入。
传感器课程设计说明书 电容式导电液体液位传感器Capacitive conductive liquid level sensor 学院名称：机械工程学院 专业班级： 学生： 学生学号： 指导教师： 指导教师职称：教授 2012年 1 月
电容式导电液体液位传感器 专业班级：**** 学生：**** 指导老师：**** 职称：**** 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。直接液位测量法是以直观的方法检测液位的变化情况，如玻璃管或玻璃板法。然而随着工业自动化规模的不断扩大，因其方法原始、就地指示、精度低等逐渐被间接测量方法取代。目前国外工业生产中普遍采用间接的液位测量方法，如浮子式、液压式、电容法、超声波法、磁致伸缩式、光纤等。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。 本设计采用一种简单方便的电容式液位测量方法，电容式传感器是将被测非电量的变化转化为电容变化量的一种传感器,它具有结构简单、分辨力高、可实现非接触测量，并能在高温、辐射和强烈震动等恶劣条件下工作等优点，是很有发展前途的一种传感器。 本电容式液位测量设计方式是用等径的长直圆筒容器，液位的高低正比于导电液体与测杆中导电金属铜之间电容的大小，通过测量电路的转换，就可以很方便地测量出液面的位置。 此课程设计的目的是为了熟练掌握电容传感器的基本知识和各种测量电路的原理运用；基本掌握测量液位方法的基本思路和方法；能够利用所学的基本知识和技能，解决简单的传感器测量问题；培养综合利用传感器进行测量设计的能力。 关键词：液位测量电容式传感器测量电路电容传感器测量
第一章 1、何为传感器及传感技术？ 人们通常将能把被测物理量或化学量转换为与之有对应关系的电量输出的装置称为传感器，这种技术被称 为传感技术。 2、传感器通常由哪几部分组成？通常传感器可以分为哪几类？若按转换原理分类，可以分成几类？ 传感器通常由敏感元件、传感元件和其他辅助元件组成，有时也把信号调节和转换电路、辅助电源作为传 感器的组成部分。 传感器一般按测定量和转换原理两种方法进行分类。 按转换原理分类可以分为能量转换型传感器和能量控制型传感器。 3、传感器的特性参数主要有哪些？选用传感器应注意什么问题？ 传感器的特性参数：1 静态参数：精密度，表示测量结果中随机误差大小的程度。 正确度,表示测量结果中系统误差大小程度。 准确度，表示测量结果与被测量的真值之间的一致程度。 稳定度、鉴别度、分辨力、死区、回程误差、线性误差、零位误差等。 动态参数：时间常数t:在恒定激励理 第二章 1、光电效应有哪几种？与之对应的光电器件和有哪些？ 光电传感器的工作原理基于光电效应。 光电效应总共有三类：外光电效应（光电原件有：光电管、光电倍增管等、内光电效应（光敏电阻）、光生 伏特效应（光电池、光敏二极管和光敏三极管） 2、什么是光生伏特效应？ 光生伏特效应：在光线的作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。 3、试比较光敏电阻、光电池、光敏二极管和光敏三极管的性能差异，并简述在不同的场和下应选用哪种器 件最为合适。 光敏二极管：非线性器件，具有单向导电性。（PN 结装在管壳的顶部，可以直接爱到光的照射）通常处于 反向偏置状态，当没有交照射时，其反向电阻很大反向，反向电流很小，这种电流称为暗电流。当有光照 射时，PN 结及附近产生电子-空穴对，它们的反向电压作用下参与导电，形成比无光照时大得多的反向电 流，该反向电流称为光电流。 不管硅管还是锗管，当入射光波长增加时，相对灵敏度都下降。，因为光子能量太小不足以激发电子-空穴 对，而不能达到PN 结，因此灵敏度下降。 探测可见光和赤热物时，硅管。对红外光进行探测用锗管。光敏三极管：有两个PN 结，比光敏二极管拥有更高的灵敏度。 光敏电阻：主要生产的光敏电阻为硫化镉。 7、简述光纤的结构和传光原理。光纤传感器有哪些类型？他们之间有什么区别？
1、水位传感器组成及工作原理 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正，转化成标准电信号（一般为4～20mA／１～５ＶＤＣ）。分为两类：一类为接触式，包括单法兰静压/双法兰差压液位变送器，浮球式液位变送器，磁性液位变送器，投入式液位变送器，电动内浮球液位变送器，电动浮筒液位变送器，电容式液位变送器，磁致伸缩液位变送器，侍服液位变送器等。第二类为非接触式，分为超声波液位变送器，雷达液位变送器等。 静压投入式液位变送器（液位计）适用于石油化工、冶金、电力、制药、供排水、环保等系统和行业的各种介质的液位测量。精巧的结构，简单的调校和灵活的安装方式为用户轻松地使用提供了方便。4～20mA、 0～5v、 0～10mA等标准信号输出方式由用户根据需要任选。 利用流体静力学原理测量液位，是压力传感器的一项重要应用。采用特种的中间带有通气导管的电缆及专门的密封技术，既保证了传感器的水密性，又使得参考压力腔与环境压力相通，从而保证了测量的高精度和高稳定性。 是针对化工工业中强腐蚀性的酸性液体而特制，壳体采用聚四氟乙烯材料制成，采用特种氟胶电缆及专门的密封技术进行电气连接，既保证了传感器的水密性、耐腐蚀性，又使得参考压力腔与环境压力相通，从而保证了测量的高精度和高稳定性。 工作原理： 用静压测量原理：当液位变送器投入到被测液体中某一深度时，传感器迎液面受到的压力公式为：Ρ = ρ . + Po式中： P ：变送器迎液面所受压力 ρ：被测液体密度 g ：当地重力加速度 Po ：液面上大气压 H ：变送器投入液体的深度 同时，通过导气不锈钢将液体的压力引入到传感器的正压腔，再将液面上的大气压 Po 与传感器的负压腔相连，以抵消传感器背面的 Po ， 使传感器测得压力为：ρ . ，显然 , 通过测取压力 P ，可以得到液位深度。 功能特点：
嘉兴学院毕业设计（论文）外文翻译 原文题目： Capacitive Liquid Level Sensor 译文题目：电容式液位传感器 学院名称：机电工程学院专业班级：电气081班学生姓名：毛勇 电容式液位传感器 这篇申请包含了1990年1月18日提交的辑07/466，936号描述的电容式液位传 感器和1990年1月18日提交的辑07/466，938号描述的容性液界面传感器共同 专利申请材料。 1.本发明的背景 本发明涉及到的是电容式液位传感器。这种液位传感器发现被许多的仪器使 用，其中一个用于从要分析的样品或试剂的容器里的液体中退出的机器人探测 器，就用到了该传感器。 在这样的机器人系统，它有容器内液位水平的知识，这样用于退出液体的探 测器能够被控制，以尽量减少与容器的内容接触。这种方式可以减少样品和试剂 之间的交叉污染，使清洗探头这样的尖端工作变得更为简单。在这种机器人系统 的探测器引入液体容器，最好保持低于液体的表面。 为了实现这一目标，各种液位传感器已被开发。这些就是所谓的电容式液 位传感器。这些都是基于任何导体都有有限电容的事实。当探测器真的接触液体， 液体的高介电常数和更大的表面面积会增加探测器的电容。这些电容的变化可以 相当小，因此敏感的检测设备是必需的。 现有技术已知的设备，适用于检测像桥梁，RC或LC振荡器和频率计计数 器（包括外差），锁相环，过零间对米，一个RC或LC滤波器的幅度变化，通过 一个RC或LC电路的相移的变化这样微小变化的电容。 其中现有的液位传感器是美国金士顿公司第3391547专利，使液罐的电容液 位探测器公诸于世。他采用了电容式探测器，置于液体中，作为电桥电路的一条
1．简述电容式传感器的基本原理． 由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为 d A C ε= (4-1) 当被测参数变化使得式（4-1）中的S 、d 或ε发生变化时，电容量C 也随之变化。如果保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数，并且使该参数与被测量之间存在某种一一对应的函数关系，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电压、电流、频率等电信号输出，这就是电容式传感器的基本原理。 2．电容式传感器可分为那些类型？ 变极距型 —— 改变d 变面积型 —— 改变S 变介电常数型 —— 改变ε 3. 为什么说变间隙型电容传感器特性是非线性的?采取什么措施可改善其非线性特征? 4. 什么是边缘效应？边缘效应产生的后果？减小边缘效应的方法？
5. 电感式传感器的种类。简述自感式电感传感器的工作原理。 自感、互感、电涡流 自感式传感器是利用位移的变化使线圈的自感量发生变化的一种机电转换装置。利用位移变化而造成自感量变化的方法取决于自感传感器的结构，具体地说就是取决于其磁路结构。 6．什么是电涡流效应？利用电涡流式传感器测量物体位移。试问：如果被测物体是塑料材料制成，此时位移测量是否可行？为什么？ 金属导体置于变化的磁场中，或者让金属导体在磁场中运动，即作切割磁力线运动时，金属块内将产生感应电流，这种电流在金属块内自成闭合回路，很像水的旋涡，因此，称这种现象为电涡流效应。 不行。因为电涡流只能在铁磁性材料上产生。 7. 试说明相敏检波电路的工作原理。 书66页 8.减小零点残余电动势的方法？ 书67页 9.如图所示为一差动整流电路，试分析电路的工作原理。
浮球式与光电式液位传感器各自有什么缺点？如何解决？ 浮球式与光电式液位传感器的主要功能都是用来检测液位，浮球式液位传感器起源早，价格便宜，应用广，光电式液位传感器精测精度高，性能稳定，应用环境广。那么这两者之前区别是什么？各自都存在有什么缺点？如何解决这些缺点问题呢？ 浮球式具体有哪些缺点？ 浮球易卡死不动作。浮球浮子式液位开关是靠液体的浮力推动带磁铁的浮子上下运动，从而使内部的干簧管开与关的，所以浮子有一定的吃水位，从而最低液位会有很大的限制。 （干簧管工作原理） 浮球液位传感器使用环境有所限制，比如检测的液体为粘稠性高的液体；带有杂质的液体；剧透腐蚀性的液体等。黏稠的液体以及杂质都会导致浮球卡死无法动
作，而带有腐蚀性的液体，某些浮球式液位传感器是无法使用的，比如塑料材质的浮球式液位传感器。浮球式液位传感器只能上置、下置安装，固定的安装方式限制了产品。很多的电器、设备的水箱，或者装液体的容器都是不规则形状的。 不规则水箱 浮球式液位传感器是靠浮子根据液位的变化产生的上下而检测液位的，运作简单，所以检测精度低，液位控制精度只能控制在±3mm，甚至更高。 浮球式液位传感器结构松散，不便于清洗。磁体会吸附水中的杂质，易造成水垢。光电式液位传感器有什么缺点呢？ 光电式液位传感器功能展示
光电式液位传感器不能使用在阳光直射下，光电式液位传感器是根据红外线光的反射原理来进行检测液位的。而阳光中包含有红外线，会干扰光电式液位传感器的检测。 光电式液位传感器如果在遇到水珠挂在探头上没有掉下去（比如水蒸气等），或者是液面经常波动的情况下会导致传感器误判。比如像容器是移动的，那么容器中的液面就会随着机器、设备的移动而产生波动。 如何解决浮球式水位传感器以上的缺点？ 浮球式液位传感器很多的缺点都是因为设计结构、工作原理的问题，比如最低液位有限制、清洗不易、易产生水垢等问题。这些是无法避免的，可以能做到的是可以根据浮球式的缺点排除一些不适合使用的环境，能避免一些情况的产生。在合适的环境下使用就不会出现浮球易卡死的现象 如何解决光电式液位传感器以上的缺点？ 1.阳光直射下使用光电式液位传感器 可以采用经探头朝下安装的方式避免，或者是采用遮光罩避免。（以下罩子仅供了解形状）