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：
学生姓名：
学生学号：
指导教师姓名：
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：**** 学生姓名：**** 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。目前国内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 (18)
第四章影响液位测量的主要因素 (19)
结论和心得体会 (20)
致谢 (21)
参考文献 (22)
附录：课程设计任务书 (23)
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内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内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。当然随着国内的自主研发，电容式液位测量有所成就，典型的是上海自动化仪表五厂、上海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范围和测量精度。
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，内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；高电源电压范围：±3V至±22V
OP07的外型图片如图4所示：
图4 其管脚图及内部结构如图5、图6所示。
5
图Array
图6
图6是1AC156M 0P07CP 内部结构图； OP07CP 运算放大器的电气特性
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
单位增益带宽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内部电路图；
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：
图12 [4]、CA3140内部方框图如图13所示：
图13 [5]、CA3140内部电路图如图14所示：
图14
[6]、
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：
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进行测量在线性范围内；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范围的数据进行测量，所得数据如表2所示：
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 之间为线性范围。
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：
阅读报告 生物传感器 教学单位：机电工程学院 专业名称：机械设计制造及其自动化 学号： 学生姓名： 指导教师： 指导单位：机电工程学院 完成时间： 电子科技大学中山学院教务处制发
生物传感器 摘要 传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。 传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。通常根据其基本感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。 生物传感器(biosensor)，是一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。是由固定化的生物敏感材料作识别元件（包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质）、适当的理化换能器（如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等）及信号放大装置构成的分析工具或系统。生物传感器具有接受器与转换器的功能。 关键词:传感器生物传感器
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)
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
《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：
传感器原理及工程应用（论文） 基于电容式 脉冲测水位传感器 学生姓名： 学生学号： 指导教师：任爽 所在学院：信息技术学院 专业：电气工程及其自动化 中国·大庆 2011 年12 月
摘要 电容式脉冲测水位传感器利用开关电容传感器将水位参量直接转换成具有与其相应宽度的脉冲，并通过调零网络后输入到74LS393所组成的串码/并码变换电路后转换为12位并码输入到89S52单片机中，通过单片机的数据采集、数字滤波数和据处理后在LED数码管显示出来．系统中还设有两个扩展输出接口，一个是4—20mA标准模拟远传信号，另一个为485通讯接口。此外，系统可在量程内连续设定高低水位超限的界定值，并有相应的报警输出。本设计采用开关电容传感器。它具有结构合理、响应快、稳定可靠、使用范围广泛等突出特点，可进行各种导电介质液位的在线实时监测。 关键词：水位监控开关电容式传感器单片机测量电路
目录 摘要 ..................................................................................................... I 前言 ................................................................................................... I II 1.国内外研究现状及发展趋势....................................................... - 1 - 1.2发展趋势 (2) 2.电容式传感器.............................................................................. - 3 - 2.1电容式传感器工作原理 (3) 2.2电容传感器结构设计 (4) 2.3电容传感器特点 (5) 3. 电容式脉冲测水位传感器设计与实现 ..................................... - 7 - 3.1系统结构设计 (7) 3.2测控电路实施方案 (8) 3.2.1系统硬件及工作原理....................................................... - 9 - 3.2.2系统软件及工作原理..................................................... - 11 - 4. 电容式脉冲测水位传感器技术指标与特点............................ - 12 - 结论 .............................................................................................. - 14 - 参考文献 ...................................................................................... - 15 -
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：
水位传感器种类、工作原理介绍 水位传感器是一种可以检测水位的传感器，主要应用于医疗、食品、化工行业中，进行水位控制、水位的检测。先介绍水位传感器的分类。 水位传感器的种类： 水位传感器种类很多，包括单法兰静压/双法兰差压水位传感器，浮球式水位传感器，磁性水位传感器，投入式水位传感器，电动内浮球水位传感器，电动浮筒水位传感器，电容式水位传感器，磁致伸缩水位传感器，伺服水位传感器等，超声波水位传感器，雷达水位传感器等。 （图片源自网络）
（图片来源于网络）
上图是一个水位传感器种类的大概情况，由此图我们可以看出水位传感器种类较多，主要可以分为接触式和非接触式两种。 浮筒式水位传感器：浮筒式水位变送器是将磁性浮球改为浮筒，水位传感器是根据阿基米德浮力原理设计的。浮筒式水位变送器是利用微小的金属膜应变传感技术来测量液体的水位、界位或密度的，它在工作时可以通过现场按键来进行常规的设定操作。 浮球式水位传感器：浮球式水位变送器由磁性浮球、测量导管、信号单元、电子单元、接线盒及安装件组成，一般磁性浮球的比重小于0.5，可漂于液面之上并沿测量导管上下移动，导管内装有测量元件，它可以在外磁作用下将被测水位信号转换成正比于水位变化的电阻信号，并将电子单元转换成信号输出。浮球开关因为是最简单、最古老的检测方式，有着检测水位不精确的缺点，浮子易卡死。 （图片源自网络）
静压式水位传感器： 该变送器利用液体静压力的测量原理工作，它一般选用硅压力测压传感器将测量到的压力转换成电信号，再经放大电路放大和补偿电路补偿，最后以4～20mA或0～10mA电流方式输出。 超声波式水位传感器： 这是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的超声波，超声波在碰到液体会产生显著反射形成反射成回波。因此以超声波作为检测手段，产生超声波和接收超声波。这就是超声波式的水位传感器工作原理。超声波式水位传感器特点：频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播。 光电式水位传感器： 光电液位传感器是利用光在两种不同介质界面发生反射折射原理而 开发的新型接触式点液位测控装置。光电水位传感器具有结构简单、定位精度高，没有机械部件，不需调试，灵敏度高及耐腐蚀、耗电少、体积小等诸多优点，还具有耐高温、耐高压、耐强腐蚀，化学性质稳定，对被测介质影响小等特征。
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
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
浮球式与电容式液位开关区别？ 随着时代经济、技术的发展，传感器成为了设备中代替人工重要零件。而液位开关也随之发展起来，其中浮球式和电容式两种液位开关也现在常用的传感器之一。液位开关的主要功能都是检测液位、控制液位，区别在于其他的工作原理、技术参数等，那么这两种液位开关有什么区别呢？ 区别一：外观 虽然液位开关至属于电子元器件类产品，但是外观也是和我们的使用息息相关，比如和安装有关等。浮球式液位开关的结构通常都是一个密封的管子上有一个浮球，浮球可上下移动。而电容式通常都是扁平式的结构，这样的结构更便于安装。 区别二：工作原理 浮球式液位开关的外观结构与其工作原理息息相关，浮球式液位开关密封的管内含有一个干簧管，而浮球内部是一个环形磁铁，还有固定环，浮球与磁簧开关在相关位置上。 当浮球随着液体的上下降而浮动时，浮球内的磁铁去吸引磁簧开关的接点，产生开与关的动作，随后给出信号。
电容液位开关通过测探介质的导电率或绝缘率决定是否有液体的存在，简单可以理解为根据电容值的大小来判断液体是否达到了固定水位。电容在液位开关及其所处的介质之间形成。当检测到有液体时，电容值变化极大。 区别三：清洁、卫生程度 浮球式液位开关是需要直接接触液体才能检测液位的变化，而浮球内部又具有一个带有磁性的磁体，易吸附水中的杂质产生水垢。在清洗方面也不方便，比如浮球式与管内中间的部分等。且浮球式液位开关不符合食品卫生认证标准。 电容式液位开关结构简单，且只要将电容式液位开关贴紧容器壁即可检测。因为其是在容器壁外检测，并不直接接触液体，所以清洗更加简单，卫生也有所保证。
区别四：安装方式 浮球式液位安装需要开孔，而电容式液位开关只需贴紧容器外壁即可。 区别五：精测精度 电容式液位开关精测精度为在±3mm以内，而浮球式液位开关通常在±3mm又可能会更高。 区别六：应用环境 浮球式液位开关因为其结构设计原因，浮球极易出现卡死的现象，所以不能用于检测黏稠的液体，以及含有杂质的液体也容易会导致浮球卡死。电容式液位开关因为可以隔着介质检测液体，所以无论容器内的液体是具有杂质，还是黏稠性高，具有腐蚀性等都不会影响。 区别七：价格 浮球式液位开关对比其他的液位开关，价格都相对比较便宜，而电容式液位开关价格对比光电式、超声波式的价格会比较便宜，但是价格相对浮球来说浮球式的液位开关一般会更便宜。但是综合稳定性和和其他方便等因素来说电容式的比较稳定。
传感器技术
模块一传感器(Sensor) 知识要求: 1、传感器组成及工作原理; 2、分类、输出特性、和负载的连接。 技能要求: 1、掌握光电、电感、电容和磁场式传感器的正确使用; 2、掌握传感器的串联、并联回路控制负载。 1．1 传感器基本知识 1．1．1 定义 传感器是自动检测装置中直接感受被测量, 并将它转换成可用信号输出的器件。 ①自动检测在自动化装置构成的系统中是必不可少的。 ②直接感受被测量, 表明传感器和被测量之间没有其它感受器件。 ③实际的被测量中多数是非电量, 当然也可能是电量。 ④输出的可用信号, 是与被测量有确定对应关系的电量, 一般为电压、电流。1．1．2 组成 辅助电源 图1．1传感器组成 ①敏感元件是传感器中直接感受被测量并输出与被测量成确定关系的其它量的元件。其作用是检测感应被测物体信息。 ②转换元件是只感受由敏感元件输出的与被测量成确定关系的其它量并将其转换成电量输出的元件。其作用是把被测物体信息转换为可用输出信号( 电量) 。 ③辅助元件: 辅助电源, 固定、支撑件等。
1．1．3 应用 代替人的五种感觉( 视、 听、 嗅、 味、 触) 器官。 1．1．4 分类 按输出信号的性质分: 数字量传感器、 模拟量传感器。 1．1．5 数字量传感器输出特性 ( 1) NPN 型: 传感器的转换元件的输出管为NPN 型。 ①传感器的负载( 灯) 接在传感器电源正极( +DC24V) 和传感器输出信号端之间; ②未感应时传感器输出管截止, 输出端输出逻辑电平”1”( +DC24V) , 负载不工作; ③有感应时传感器输出管导通, 输出端输出逻辑电平”0”( 0V) , 负载得电工作。 ( 2) PNP 型: 传感器的转换元件的输出管为PNP 型。 ①传感器的负载( 灯) 接在传感器输出信号端和传感器电源负极( 0V) 之间; ②未感应时传感器输出管截止, 输出端输出逻辑电平”0”( 0V) , 负载不工作; ③有感应时传感器输出管导通, 输出端输出逻辑电平”1”( +DC24V) , 负载 得电工作。 蓝 黑红 蓝黑红负载 接近开关电路接 近 开 关 电 路负载（）输出特性为型（）输出特性为型 图1．2 以电感式接近开关为例的传感器输出特性 1．2 光电式传感器
电容式液位变送器原理：是采用侦测液位变化时所引起的微小电容量（通常为pf）差值变化，由专用的ada电容检测芯片进行信号处理，可以输出多种信号通讯协议，如：io，bcd，pwm，uart，iic…，电容式液位检测的最大优势在于可以隔着任何介质检测到容器内的水位或液体的变化，大大扩展了实际应用，同时有效避免了传统液位检测方式的稳定性、可靠性差的弊端，甚至在某些特殊领域不能检测的问题。该专用ada电容检测芯片由于内置mcu双核处理，就可以实现很多特殊控制功能，甚至实现更多的集成化、智能化水位检测功能，诸如太阳能热水器、咖啡壶等应用中掉电后的水位变化也能可靠检测当前水位，电容式液位检测是目前液位变送器中最有优势的检测方法。 有些放大器对前开关来选择扬声器a或b或a和b，液位变送器如果不是，您将需要一个扬声器选择开关。只要开关打开或关闭扬声器良好，选择开关里面有一些多余的部分，以确保放大器是不超载。你可以设计为4或8欧姆开关放大器输出。他们确定了由放大器看到不降到4或8欧姆负载分别。您的开关信息可能会说“与4欧姆负载或以上”的发言者不超过4欧姆。这意味着，只要每一位发言者是采用4或6或8欧姆，你不会有问题。 在你回来放大器，输出评价应该可见。比如，它可以说每声道50瓦rms的4欧姆。对于这种情况下，选择一个4欧姆开关。确保你的开关思想的有效值评级是合适的放大器。保护您的放大器应该有内在的。您的发言者也应该有一个装载或阻抗值对他们说这可能回显示8欧姆，例如。接下来，您需要决定您需要多少产出。你可以得到2，4或8通道单元容易。这就是你的单位线是连接在放大器（左，右）的输出开关的输入。接下来，液位变送器连接您现有的喇叭输出1和输出2，3等为您的新的立体声双扬声器。 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/3f3371097.html,/
传感器技术详细讲解
传感器技术
模块一传感器(Sensor) 知识要求：1、传感器组成及工作原理； 2、分类、输出特性、和负载的连接。 技能要求：1、掌握光电、电感、电容和磁场式传感器的正确使用； 2、掌握传感器的串联、并联回路控制负载。 1．1 传感器基本知识 1．1．1 定义 传感器是自动检测装置中直接感受被测量，并将它转换成可用信号输出的器件。 ①自动检测在自动化装置构成的系统中是必不可少的。 ②直接感受被测量，表明传感器和被测量之间没有其它感受器件。 ③实际的被测量中多数是非电量，当然也可能是电量。 ④输出的可用信号，是与被测量有确定对应关系的电量，通常为电压、电流。 1．1．2 组成 辅助电源 图1．1传感器组成
①敏感元件是传感器中直接感受被测量并输出与被测量成确定关系的其他量的元件。其作用是检测感应被测物体信息。 ②转换元件是只感受由敏感元件输出的与被测量成确定关系的其它量并将其转换成电量输出的元件。其作用是把被测物体信息转换为可用输出信号（电量）。 ③辅助元件：辅助电源，固定、支撑件等。 1．1．3 应用 代替人的五种感觉（视、听、嗅、味、触）器官。 1．1．4 分类 按输出信号的性质分：数字量传感器、模拟量传感器。 1．1．5 数字量传感器输出特性 （1）NPN型：传感器的转换元件的输出管为NPN型。 ①传感器的负载（灯）接在传感器电源正极（+DC24V）和传感器输出信号端之间； ②未感应时传感器输出管截止，输出端输出逻辑电平“1”（+DC24V），负载不工作； ③有感应时传感器输出管导通，输出端输出逻辑电平“0”（0V），负载得电工作。 （2）PNP型：传感器的转换元件的输出管为PNP型。 ①传感器的负载（灯）接在传感器输出信号端和传感器电源负极（0V）之间；
电容式液位传感器
电容式水位显示器的设计与制作 1.实验目的 能在设计与制作实验的过程中，结合所学理论知识，进行电子应用电路的设计、组装与调试，以此来掌握使用电容式传感器，模拟和数字分立元器件设计一个电容式水位显示器的方法和实践技能，为以后从事生产和科研工作打下一定的基础。 2.设计方案 本设计制作实验要求用电容传感器，设计并制作一个电容式水位显示器，对水位可以按高，中，低三档进行检测，并对每种水位，给出对应的LED，进行显示。 通过电容传感器，将水位值的变化转换为电容值的变化，再使用频压转换器，将电容值的变化转换为方波信号频率的变化，利用频压转换器的频率与电压对应关系，将电容值变化与电压值变化联系起来，最后显示。设计流程图如图2.1所示 图2.1 电容式水位显示器组成框图 3.实验原理 3.1脉冲电路 将电容传感器作为振荡电路的电容，通过经典的555定时器多谐振荡，将电容值的变换转换成正弦波频率的变换。。555定时器电路如图3.1所示。
图3.1 555定时器构成的多谐振荡器 分析：C2为电容传感器的等效电容，通过改变C2的大小可以明显改变示波器中方波的频率。 3.2 频压转换电路 采用KA331经典频压转换电路（电路仿真中LM331与KA331基本相同），实现信号频率值到电压值的变化。频压转换电路如图3.2所示。 图3.2 频压转换电路 频率电压对应关系：i t t S L o f C R R R 09 .2V 4.实验过程记录 4.1实验现象与分析
实物连接图见附录，将电容传感器与对应的普通导线悬于空中，KA331的电压输出为3.6V左右，慢慢浸没入水瓶中，输出电压开始缓慢下降，直至电容传感器触碰水瓶底部，电压下降至2.8V左右，在电压输出后附加电压比较电路，将2.8V至3.6V划分为3个区段，分别驱动不同颜色的LED灯即可。 从3.6V下降至2.8V的下降程度并不显著，调整KA331的输出取样电阻的阻值后，输出电压的变化率有明显变动，可以减小电阻值，使得变化更为显著，方便对不同电压进行进行分辨，驱动不同档位的LED小灯。 4.2调试问题 1）由于电容传感器与普通导线的相对位置不固定，且都有一定程度的弯曲，使得555输出的方波脉冲的频率处于跳变中，没有接固定电容稳定，并联一个固定电容可将频率跳变减弱，使之处于比较稳定的频率值，由于此次实验没有合适的小电容，并联大电容会导致电容传感器浸没入水中后，方波脉冲频率变化不明显，无法满足设计要求； 2）KA331输出的电压值课通过改变输出1号引脚接地电阻和2号引脚的可变电阻进行调整，使得方波的频率与对应的电压输出值满足比较良好的线性关系，但本次实验只要求分辨3种不同水位的高低情况，故调节至有明显电压变化即可，不用调出比较良好的对应关系式，若需要精确输出可以再此进行调节。 5.实验小结 通过本次电子线路设计，使我们复习了已经学习的555构成的多谐振荡电路，并加以动手操作实现，巩固了已有知识，还自行查找KA331的芯片资料，对其中的典型频压转换电路进行分析学习，从中验证了很多学习中的理论知识，在实际实物制作中，更加体现了一些电容、电阻等元件参数的选择与比例分配，并在调试电路中得到老师的指导，学习到一些调试电路的基本技巧，加强了自我的动手能力，在制作实物过程中与同学的探讨，更加深了一些知识的印象和理解，对原有的以及新学习的知识有了更为清晰的理解，积累了一点点经验，为以后从事生产和科研工作打下一定的基础。
本设计所用到的传感器，包括测水位的传感器与测水温的传感器，分别作如下介绍： （1）水位传感器： 它的结构图如下： 说明：结构图中的电阻外表面均不与水直接接触，但分别与a、b、、c、d 良好接触，a、b、c、d用于感知水位。 硬件图中HD74HC04P是一个六反向器，管脚如下图所示： 它在本设计中用于接成环形振荡器。
选择合适电容、电阻值时，环形振荡器就能根据每次传感器的阻值产生相应特定周期的方波。 其中为水位传感器的电阻值 由传感器的结构图可看出： 当水位未达到a时，即h 所以，水位传感器测水位的基本原理如下： （m 为T1的计数值，为T0的定时值）。 （2）水温传感器 本设计可选选用具有负温度系数的热敏电阻来测水温，热敏电阻与普通电阻不同，它具有负的温度特性，当温度升高时，电阻值减小，它的应用是为了感知温度。 现选用MF51型直热式负温度系数热敏电阻，它的技术特性如下： ）） 它能满足本设计的测量灵敏度要求和2%的测量精度要求，性价比较高。 测量原理： 与水位传感器一样，在设定好合适的参数（R1、R2、Rs 、C ）后，对应每个热敏电阻阻值，环形振荡器便能产生一个特定周期的矩形波。 T 可通过单片机的T0外部计数和T1内部定时的方式确定。 故 电容式液位传感器系统 1设计原理 采用筒式电容传感器采集液位的高度。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。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。。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，因此主控部分一般都采用单片机。 3 传感器原理 电容式液位传感器系统; 它利用被测体的导电率, 通过传感器测量电路将液位高度变化转换成相应的电压脉冲宽度变化, 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。 3.1 传感器的组成 图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而变化, 从而引起对应电容量变化的关系进行液位测量。 图3-1-2传感器原理图 3.2 测量原理电容式液位传感器系统
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