基于充放电原理的电容式液位传感器测量电路的设计

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ATmega8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.导言河流、水库或容器的液位可以通过测量浸在液体内两电极间的电容而进行监控。

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。

目录一、项目叙述 (1)二、电容式液位传感器的结构与测量原理 (1)2.1电容式液位传感器的结构 (1)2.2电容式液位传感器的工作原理 (2)三、测量电路设计 (3)3.1测量电路 (3)3.2整流电路 (6)3.3放大电路 (7)四、误差分析 (8)4.1机械结构参数的影响 (8)4.2测量电路的影响 (8)五、结论 (8)六、明细表 (9)d AC ε=基于电容压力传感器的液位测量系统设计一、项目叙述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。

二、电容式液位传感器的结构与测量原理2.1电容式液位传感器的结构电容式传感器是把被测的非电量转换为自身电容量变化的一种传感器。

这些被测量是用于改变组成电容器的可变参数而实现其转换的。

电容式传感器的基本工作原理可以用最普通的平行极板电容器来说明。

两块相互平行的金属极板，当不考虑其边缘效应（两个极板边缘处的电力线分布不均匀引起电容量的变化）时，其电容量为：（1）公式中 ε—— 电容极板间介质的介电常数；A ——两平行板所覆盖的面积；d ——两平行板之间的距离。

因此只要改变其中的一个参数，就会引起电容量的变化，根据这一电容结构关系可构成变极距电容传感器，变面积型电容传感器和变介质型传感器、用于测量液位的电容式传感器。

是利用容器中的物料为恒定的介电常数时，极间电容正比于液位的原理而构成的，并应用电子学方法测量电容值，从而探测液面位置信息。

特点是液位测量只与电容结构有关，与物料的密度无关 根据这一特点，可采用圆筒形结构构成变面积型的液位传感器，这种传感器结构的探头是由这两个电极极板构成，通过气、液或料相介质的高度不同引起极间电容改变来探测物面位置的。

其结构十分简单轻巧，便于安装、维护与使用。

电容式液位传感器的电极结构如图1所示。

图1适用于导电容器中的绝缘液体的液位测量，且容器为立式圆筒形，容器壁为一极，沿轴线插入裸金属棒作为另一极电极，其间构成的电容 C X 与液位成比例，也可悬挂带重锤的软导线作⎪⎭⎫ ⎝⎛H =d D Cln 2122πε()⎪⎭⎫ ⎝⎛-=d D H H C ln 21011πε()101120ln 2H C d D C K +=H -⎪⎭⎫ ⎝⎛+εεπ()()[]1120112101ln 2ln 2ln 2H -+H ⎪⎭⎫⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛H -H εεεππεπεd D d D H d D 21C C C X +=为电极。

电容式液位传感器的设计李一峰;吴振陆;樊海红【摘要】设计了一种基于单片机的电容式液位传感器，主要由单片机系统、555定时器、液晶显示屏组成。

单片机作为主要控制的部分，控制系统所有的部分，接收555定时器方波信号并读取出其频率，将频率转换成液位高度，显示到LCD1602液晶显示屏幕上，软件计算液位高度，减小了电容与频率转换的线性误差，最终实现算法的设计。

%Capacitance type liquid level sensor based on single chipwas designed. The system consists of single-chip microcomputer system, 555 timer, LCD screen. Single chip microcomputer, as the main control part, control all part of the system, receive a 555 timer square wave signal and read out the frequencywhich is transformedinto the height of liquid level and is displayed on the LCD1602 liquid crystal screen.The liquid level height is calculated by software, by reducing the linearity error of capacitance and frequency conversion,and finally the algorithm is designed.【期刊名称】《广东海洋大学学报》【年(卷),期】2015(000)001【总页数】5页(P90-94)【关键词】电容式液位传感器;555定时器;多谐振荡电路;频率转换【作者】李一峰;吴振陆;樊海红【作者单位】广东海洋大学信息学院，广东湛江524088;广东海洋大学信息学院，广东湛江 524088;广东海洋大学信息学院，广东湛江 524088【正文语种】中文【中图分类】TP212在石油化工、水利水电、农田灌溉、环境监测以及食品加工等众多行业，液位是一个重要的技术参数。

电容式液位传感器检测电路的设计摘要设计一种能快速测量水波浪的水位传感器。

通过对不同半径电极下传感器输出电容与对应液位的实验数据分析，发现传感器灵敏度随电极半径的增加而近似成线性提高，同时，发现传感器灵敏度与液位下降速度相关。

关键词:电容式传感器；电极；液位；液位传感器目录第1章绪论1.1 传感器概述1.1.1 传感器的定义 (1)1.1.1 传感器的分类 (1)1.1.3 传感器的基本特性 (2)1.1.4 传感器的发展方向 (2)1.2 国内外液位传感器的发展现状 (2)1.3 设计要求1.3.1 设计任务 (4)1.3.2 设计要求 (4)第2章传感器设计结构2.1 电容传感器测量原理简介及水位传感器结构的确定2.1.1 平行板电容传感器 (6)2.1.2 圆筒型电容传感器 (7)2.1.3 电极型电容传感器 (8)2.1.4 电容式传感器形式的确定 (8)2.2 结构参数设计2.2.1 电容值的估算 (9)2.2.2 电极挂水对测量精度的影响 (11)2.2.3 传感器形式的最终确定 (12)第三章检测电路的设计3.1 电容测量电路的设计3.1.1 检测电路 (13)3.1.2 电容充电规律 (15)3.2 由单片机采样转换电路的设计3.2.1 单片机电路 (16)3.2.2 复位电路 (18)3.2.3 A/D转换电路 (19)3.3 放大电路的设计3.3.1 放大电路的设计 (19)3.4 程序设计 (21)第4章实验数据的分析4．1稳定性实验及分析4．1．1稳定性实验测试方法 (22)4．1．2实验数据分析 (22)4．2 线性实验及分析 (23)4．2．1线性实验测试方法 (23)4．2．2实验数据分析 (24)4．3温度对介电常数（水）影响的实验及分析4．3．1水位传感器温度特性实验测试方法 (27)4．3．2实验数据分析 (27)第5章温度补偿和非线性补偿的原理和方法5．1温度补偿的原理 (32)5．2非线性补偿的方法 (33)结论 (35)谢辞 (36)参考文献 (37)参考资料：/bydesign/articles/moban/lw_detail.asp?lwid=6762&leibie=2/prodetail-2370264.html/view/4d3213c34028915f804dc20f.html。

电容式液位传感器设计
1.选择合适的电极材料：电极是电容式液位传感器的核心部件，其材
料的选择与电容值的变化密切相关。

一般情况下，电极材料应具有良好的
耐腐蚀性能，并且能够与被测液体产生较大的电容值变化。

常用的电极材
料包括不锈钢、铜、铝等。

2.设计合理的电容结构：电容结构的设计对电容式液位传感器的灵敏
度和线性度有着重要的影响。

一般情况下，可以采用平行板电容结构，即
在容器内侧壁上固定一个金属电极，并将另一个金属电极悬挂于容器内的
液面上方。

当液位变化时，悬挂电极与液面之间的距离发生变化，从而改
变了电容值。

3.选择合适的信号处理电路：电容式液位传感器输出的是电容值的变化，需要通过信号处理电路将其转换为可用的电压或电流信号。

常用的信
号处理电路包括阻抗变换电路、相关计算电路等。

信号处理电路的设计应
充分考虑灵敏度、线性度和稳定性等因素。

4.考虑环境因素：电容式液位传感器在使用过程中会受到温度、压力、湿度等环境因素的影响。

设计时需要考虑传感器的工作温度范围、防护等级、防爆性能等，以保证传感器在恶劣环境下的稳定性和可靠性。

5.校准和调试：电容式液位传感器在安装和使用前需要进行校准和调试，以确保测量的准确性和可靠性。

校准时可以使用标准液位和测定值进
行比较，根据比较结果进行调整。

总之，电容式液位传感器的设计需要综合考虑材料选择、电容结构设计、信号处理电路设计、环境因素等多个方面的因素。

通过合理设计和严
格调试，可以实现对液位的准确测量。

矩量法matlab 程序设计实例：Hallen 方程求对称振子天线一、条件和计算目标 已知：对称振子天线长为L ，半径为a ，且天线长度与波长的关系为λ5.0=L ,λ<<<<a L a ,,设1=λ，半径a=0.0000001,因此波数为πλπ2/2==k 。

目标:用Hallen 方程算出半波振子、全波振子以及不同λ/L 值的对应参数值。

求：（1）电流分布（2）E 面方向图 （二维），H 面方向图（二维），半波振子空间方向性图（三维）二、对称振子放置图图1 半波振子的电流分布半波振子天线平行于z 轴放置，在x 轴和y 轴上的分量都为零，坐标选取方式有两种形式，一般选取图1的空间放置方式。

图1给出了天线的电流分布情况，由图可知，当天线很细时，电流分布近似正弦分布。

三、Hallen 方程的解题思路()()()()21''''12,cos sin sin 'z zi z z z z i z kz G z z dz c kz c kz E k z z dz j ωμ'++=-⎰⎰对于中心馈电的偶极子，Hallen 方程为()22'1222('),'cos sin sin ,2LL iL L V i z G z z dz c kz c kz k z z j η+--++=<<+⎰脉冲函数展开和点选配，得到()1121,''cos sin sin ,1,2,,2nnNz in m m m m z n V I G z z dz c kz c kz k z m N j η+''=++==⋅⋅⋅∑⎰上式可以写成 1122,1,2,,N nmn m m m n Ip c q c s t m N -=++==⋅⋅⋅∑矩阵形式为⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡-----N N N N N N N N N N N t t t t c c I I I s q p p p s q p p p s q p p p 121211321,322,21,223221,11,11312,,,,,,,,,,,,, 四、结果与分析（1）电流分布图2 不同λ/L 电流分布图分析：由图2可知半波振子天线λ/L =0.5的电流分布最大，馈点电流最大，时辐射电阻近似等于输入电阻，因为半波振子的输入电流正好是波腹电流。

电容式传感器电路设计及非接触测量技术优化随着科技的不断发展，电感式传感器已经成为现代工业和生活中广泛使用的测量技术。

电容式传感器是其中一种常见的测量技术，它利用电容的变化来实现对物理量的测量。

本文将详细介绍电容式传感器电路的设计原理及非接触测量技术的优化。

电容式传感器电路的设计原理电容式传感器基于电容量的测量原理。

电容是一种储存电荷的元件，它由两个带电板之间的电介质隔开。

当电介质发生变化时，电容的值就会发生变化。

因此，通过测量电容的变化，我们可以间接地测量电容器所测量的物理量。

在电容式传感器电路的设计中，有两种常见的方案。

一种是采用可变电容器，在测量物理量时调整电容的值。

另一种是采用固定电容器，通过改变电介质的特性来改变电容的值。

对于第一种方案，电容式传感器电路会将可变电容器的电容值转换为与被测量物理量相关的电信号。

这个电信号可以是电压、电流或频率的改变。

其中，最常见的是采用电压变换的方式。

通过电压传感器来测量电容的变化可以更加稳定和精确。

对于第二种方案，电容式传感器电路通过改变电介质的特性来改变电容的值。

例如，采用柱状固定电容器，通过改变柱状电介质的长度或直径来改变电容的值。

这种方案在一些特殊应用中具有优势，例如在液位测量中可以采用液位高度来改变电容的值。

非接触测量技术的优化非接触测量技术在电容式传感器中起着重要的作用。

它通过无需物理接触的方式来测量被测量物理量，提高了使用安全性和可靠性。

下面将介绍一些优化非接触测量技术的方法。

首先，可以采用无线传输的方式来实现非接触测量。

例如，可以使用无线传感器网络（WSN）来进行数据传输。

这样可以避免传统有线连接带来的布线麻烦，提高了测量的灵活性和便利性。

其次，可以采用无源传感器的方式来实现非接触测量。

无源传感器不需要外部电源供电，而是通过采集环境中的能量来驱动传感器。

这样可以减少电池更换和维护的成本，提高了系统的可靠性和寿命。

另外，可以采用通信协议的优化来提高非接触测量技术的性能。

电容式液位计 课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解电容式液位计的工作原理与构造，掌握其测量液位的物理基础。

2. 学会分析电容式液位计的电路图，并能解释各部分的功能和相互关系。

3. 掌握影响电容式液位计测量精度的因素，能够列举并解释至少三种主要影响因素。

技能目标：1. 能够运用所学的知识，正确操作电容式液位计进行液位的测量。

2. 通过实践，学会对电容式液位计进行简单的故障诊断和校准。

3. 能够设计简单的液位控制电路，并运用电容式液位计作为传感部件。

情感态度价值观目标：1. 培养学生对物理传感器在工业控制中应用的兴趣，激发学生探索工程技术的热情。

2. 增强学生的团队合作意识，通过小组合作完成实验和项目设计。

3. 培养学生严谨的科学态度，认识到精确测量在工业生产中的重要性。

分析：本课程针对高中年级学生，他们已具备基础的物理知识和一定的电路原理理解能力。

课程性质为实践性与理论性相结合，要求学生在理解电容式液位计理论知识的基础上，通过实践活动加深理解，并将知识应用于解决实际问题。

课程目标旨在通过理论与实践的结合，提升学生的知识应用能力和实践操作技能，同时培养对物理学科的兴趣和正面价值观。

通过具体的学习成果分解，教师可依据目标进行教学设计和评估学生的学习效果。

二、教学内容1. 理论知识：- 电容式液位计的工作原理与物理基础。

- 电容式液位计的电路分析与各部分功能。

- 影响测量精度的因素，包括介质特性、传感器间距、温度等。

- 传感器在工业控制中的应用案例分析。

2. 实践操作：- 电容式液位计的组装与操作流程。

- 液位测量实验，包括不同介质下的测量对比。

- 简单故障的诊断与校准方法。

- 设计并实现一个简单的液位控制电路。

3. 教学大纲安排：- 章节一：电容式液位计的基础知识（1课时）- 章节二：电容式液位计的电路分析与功能（1课时）- 章节三：影响测量精度的因素及解决方案（1课时）- 章节四：实践操作与实验（2课时）- 章节五：液位控制电路设计与实现（2课时）4. 教材关联：- 教科书第三章：传感器及其应用。

电容式液位传感器及测量原理简介电容式液位传感器是一种常用的液位测量设备，可用于测量液体的高度和容积。

本文将介绍电容式液位传感器的工作原理、结构和应用领域。

工作原理电容式液位传感器通过测量液体与电极之间的电容变化来确定液位高度。

当电极部分或全部浸入液体中时，液体与电极之间形成一个电容器。

电容器的电容量取决于电极的尺寸、形状和电介质（液体）的介电常数。

当液位变化时，液体与电极之间的距离改变，导致电容器的电容量发生变化。

通过测量电容的变化，可以确定液体的高度。

结构和组成电容式液位传感器通常由以下几个主要部分组成：1. 电极：用于与液体接触，并形成电容器。

2. 外壳：保护电极和其他内部组件，确保传感器的可靠性和耐用性。

3. 信号处理电路：将电容变化转换为可测量的电信号。

4. 连接器：用于将传感器连接到测量设备或控制系统。

应用领域电容式液位传感器广泛应用于以下领域：1. 工业过程控制：用于监测储罐、槽或管道中液位的变化，以确保生产过程的安全性和稳定性。

2. 液体储存和运输：用于油罐、水池、化学品储罐等场所，监测液位并控制补给或排放。

3. 食品和饮料行业：用于测量和控制液体的容量，如饮料机和咖啡机。

4.环境监测：用于监测河流、湖泊和水井中的水位，以及污水处理厂和水处理设施中的液位。

优点和局限性电容式液位传感器具有以下优点： - 高精度：能够提供精确的液位测量结果。

- 可靠性：结构简单，易于安装和维护。

- 兼容性：适用于不同类型的液体，如水、油和化学品。

然而，电容式液位传感器也存在一些局限性：- 影响因素：液体的介电常数、温度和压力等因素会对测量结果产生影响。

- 依赖性：测量精度受到电极与液体之间的距离、表面污染和腐蚀的影响。

结论电容式液位传感器通过测量液体与电极之间的电容变化，可以精确地测量液位高度和容积。

它在工业、环境监测和食品饮料行业等领域发挥着重要的作用。

然而，使用时需要注意液体的特性以及电极与液体之间的接触问题，以确保测量的准确性和可靠性。

水位传感器电路设计及液位检测算法水位传感器是一种常用于测量水位的设备，广泛应用于各种工业和家用场景中。

本文将介绍水位传感器电路设计的基本原理和液位检测算法。

一、水位传感器电路设计原理水位传感器电路的设计目的是通过测量电阻或电容的变化来判断水位的高低。

常用的水位传感器电路设计原理有电阻式和电容式两种。

1. 电阻式水位传感器电路设计电阻式水位传感器是通过测量水位上浮或下降时导电液体与传感器金属接触长度的变化来实现的。

传感器金属材料通常为不锈钢或铜。

当水位上升时，液体与金属接触长度增加，导致电阻下降。

反之，当水位下降时，电阻上升。

电阻式水位传感器电路的设计关键是如何测量电阻的变化。

一种简单的方法是使用电压比较器，将传感器接在电阻分压电路中，通过比较输出电压以判断水位的高低。

另一种方法是使用数字电位器和微控制器，通过测量电位器的数值变化来判断水位的变化。

2. 电容式水位传感器电路设计电容式水位传感器是利用电容的变化来检测液位变化的。

当水位上升时，液体与传感器之间的介电常数变化，导致电容增加。

反之，当水位下降时，电容减小。

电容式水位传感器电路的设计关键是如何测量电容的变化。

一种常用的方法是使用充放电测量电路。

通过将传感器与一个已知电容相连接，在一个固定的时间内充电或者放电，通过测量电路中的电压或电流来判断电容的变化，进而判断液位的变化。

另一种方法是使用频率测量电路，通过测量充电或放电的周期来判断电容的变化。

二、液位检测算法液位检测算法的目的是通过传感器测量的电阻或电容值来判断水位的高低。

常用的液位检测算法有阈值比较法、差值比较法和滤波算法。

1. 阈值比较法阈值比较法是一种简单直接的液位检测算法。

该算法通过设置高阈值和低阈值，将测量得到的电阻或电容值与阈值进行比较，以判断水位的高低。

当测量值超过高阈值时，认为水位高；当测量值低于低阈值时，认为水位低；当测量值在高阈值和低阈值之间时，认为水位适中。

2. 差值比较法差值比较法是一种相对较精确的液位检测算法。

设计报告电容式液位测量系统的设计摘要：电容式液位测量系统是基于改变介电常数时，电容器的电容量变化的原理来测量液位的。

利用电容式传感器，ADC0809，AT89S52单片机,2764,8155和数码管等组成测量系统，对煤油的液位进行测量。

它具有设定液位、显示液位和声光报警的功能。

实验表明：该系统能对导电液体的液位测量，并具有结构简单、成本低、性能稳定等优点。

关键词：液位测量；电容式传感器；单片机一、液位测量方法简介液位检测在现代工业生产过程中具有重要地位。

目前常用的液位检测技术有静压式物位计、浮力式物位计、电器式物位计、声学式物位计、射线式物位计。

二、液位测量系统设计2.1液位测量原理导电液体电容式传感器主要利用传感器两电极的覆盖面积随被测液体液位的变化而变化，从而引起电容量变化的关系进行液位测量。

图1 中的不锈钢棒、聚四氟乙烯套管以及容器内的被测导电液体共同构成圆柱形电容器。

当可测量液位H = 0，传感器与容器之间存在分布电容，得到电容量为（1）式中C0为电容量，ε’为聚四氟乙烯和容器内气体的等效介电常数，L 为液位最大高度；D0为容器内径，d 为不锈棒直径。

当液位高度为H，传感器电容量（2）式中ε为聚氟乙烯介电常数；D 为聚四氟乙烯管外径。

因此，当容器内液位由零增加到H 时，传感器电容变化量（3）由于因此，上式第二项可忽略，（4）可见，当电极确定后，参数ε，D 和d 都是定值，传感器的电容量与液位的变化量呈近似线性关系。

2.2测量系统结构该系统是由数据测量电路和单片机检测监控系统两个部分组成。

首先，被测电路由电容式传感器与二极管环形桥路组成，如图2所示。

当液体处在圆柱型电极与圆柱形容器之间，由于液面高度不同，引起介电常数变化，导致电容量的变化。

电路由脉冲发生器产生信号提供激励电压，设低电平为E1，高电平为E2，脉冲方波频率为f；电桥一端接标准电容器Cc，另一端接电容式传感器CX，A 为电流/ 电压放大器（设放大系数为A），U０为输出电压。

基于充放电原理的电容式液位传感器测量电路的设计作者：程卫丹巴鹏任希文欧周华来源：《数字技术与应用》2010年第10期摘要：基于充放电原理，对现有的电容式传感器电路结构进行分析，设计了一种低成本，高灵敏度，高集成度的传感器测量电路。

用该电路所制成的传感器的绝对误差最大不超过5mm，在0.5%测量精度内，分辨率可达到0.1mm。

关键词：电容传感器；液位；充放电原理；测量电路；电压/电流转换器中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2010）10-0122-010 引言电容式传感器器以其结构简单，灵敏度高，动态响应好，抗过载能力强，能在高温，辐射和强烈振动等恶劣条件下工作等优点已被广泛地应用于测量位置、压力、厚度、湿度、容量及液位等诸多方面，电容式液位传感器以其独特的优势成为液位测量的主要仪器[1]。

本文针对电容式液位传感器的测量电路进行分析研究，设计出成本较低，不受寄生电容影响，灵敏度较高的测量电路。

1 电容式液位传感器的结构及原理电容式液位传感器是利用传感器两电极的覆盖面积随被测液体液位的变化时，两个电极间的介电常数变化从而引起电容量变化的关系进行液位测量的[2]。

电容式传感器的取样部件是分别涂上绝缘漆的两金属同心圆柱，它们作为电容的内、外两电极。

如图1所示，其中D，d 分别为外电极内径和内电极外径；ε1，ε0分别为空气和被测液体的介电常数；H为两极板相互重叠部分的长度，h为液位高度。

如图1由此可知对某一个介电常数固定的液体,传感器的电容变化量与液位高度H成正比，通过对电容的变化量测量即可得到液体液位的变化量。

2 基于充放电原理的电容测量电路设计电容式液位传感器电容式液位传感器的本体电容约为100pF左右，满液位时，总电容量约为300pF左右，为了达到一定的精度需要测量电容的变化量在0.5pF以下，根据这些特点，和对电容式液位传感器的测量电路进行分析研究，最终选择了基于充放电原理的电容测量电路[4]。

基于电容器原理的液位测量系统作者：秦慧娴袁明昱来源：《报刊荟萃（下）》2018年第05期摘要：液位测量系统广泛的应用于生产生活中，常用的测量方法也有很多，如浮球液位计、雷达液位计等。

有些测量方法测量精度较高，耐腐蚀性强，但价格昂贵，受容器几何结构和材料特性影响较大，并且容易受电磁波干扰。

除此以外，在工业领域，也有气泡法测量液位。

将电容器原理和多谐振荡电路相结合而成的基于电容器原理的液位测量方法可准确有效地进行液位测量，具有应用广泛等优点。

关键词：电容器原理；液位测量；多谐振荡电路一、测量原理及方法该装置主要分为电容式传感器、多谐振荡电路两个部分[1]。

其中电容式传感器将液位高度转换为电容的测量，多谐振荡电路又将电容转化为频率的测量，进而可以间接测量出被测液体的高度。

二、液位测量系统设计电容式液位传感器用两个半径不同的圆筒形极板构成，由同高度的不锈钢管与不锈钢管芯各1根，555定时器，示波器1台，电阻若干，二极管，电压源，刻度尺，导线若干组成。

具体装置如图一所示。

向极板间倒入一定量的被测溶液，则极板间共有两种介质，分别为空气和被测溶液。

当传感器内充满单一介质时，电容器的电容值为：，其中L为不锈钢管和不锈钢芯的长度（m），ε为极板间介质的介电常数，R1是内圆桶形极板的外半径[2]，R2是外圆桶形极板的外半径。

假设气体的介电常数为ε0，待测液体相对于气体的介电常数为ε1，被测液位高度为H，液体部分电容量为C1，气体部分电容量为C2，则：所以此时的电容：（1）由此公式（1）可看出，在其他参数为定值的情况下，传感器电容的变化只与与液位高度H有关。

多谐振荡电路部分：多谐震荡电路如图二所示，其中Vcc为5V直流电源，Cx为被测电容，即图二所示装置。

接通电源后，Cx被充电，2管脚电压上升，当上升到2/3Vcc时，即输入达到高电频时，触发器被复位，同时555芯片内部放电三极管导通，此时U0为低电平。

之后，Cx通过R2和放电三极管放电，使2管脚电压下降。

第2章方案论证2.1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。

通过单片机控制水泵的运转。

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。

2.2．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。

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。

第三章单元电路设计3.1传感器设计3.1.1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。

3.1.2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3.1.3 测量原理由图1 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）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; R1 为不锈钢管半径;R0 为绝缘导线半径, 单位为m。

电容式液位仪设计摘要：该液位计利用不同介质具有不同的介电常数的特性，使液面高度变化改变电容大小，建立线性方程，使得能通过检测电容大小检验出液面高度。

本液位计一共分六个局部，由RC文氏震荡电路，衰减电路，微分电路，滤波电路，整流电路和单片机检测显示局部组成。

其中电容板与运放组成微分电路，电容的大小与电路的输出大小呈线性。

单片机通过检测整流后的输出，得出页面高度。

此题的重点是设计合理的滤波电路，难点是如何提高精度。

2.方案论证本设计主要任务是测量平行探针的电容。

并探索电容的容量与液体高度的关系。

电容式传感器检测电路主要有交流半桥式检测电路、充放电检测电路、基于V/T变换的电容测量电路，交流锁相放大电容测量电路，分别论证如下。

方案1：交流半桥式检测电路AC电桥电容测量电路如图2所示，其原理是将被测电容在一个桥臂，可调的参考阻抗放在相邻的一个桥臂，二桥臂分别接到频率一样/幅值一样的信号源上，调节参考阻抗使桥路平衡，则被测桥臂中的阻抗与参与阻抗共轭相等。

图2 交流半桥式检测电路这种电路的主要优点是：精度高，适合作精细电容测量，可以做到高信噪比。

方案2：充放电检测电路充/放电电容测量电路根本原理如图3所示。

由CMOS开关S1，将未知电容C*充电至Ve，再由第二个CMOS开关S2放电至电荷检测器。

在一个信号充/放电周期从C*传输到检波器的电荷量Q=Ve·C*，在时钟脉冲控制下，充/放电过程以频率f=1/T重复进展，因而平均电流Im=Ve·C*·f，该电流被转换成电压并被平滑，最后给出一个直流输出电压Vo=Rf·Im=Rf·Ve·C*·f(Rf为检波器的反应电阻) 。

图3 充放电检测电路方案3 基于V/T变换的电容测量电路V/T变换的电容测量电路根本原理如下列图所示。

图4 电容检测电路电流源Io为4DH型精细恒流管，它与电容C通过电子开关K串联构成闭合回路，电容C的两端连接到电压比拟器P的输入端，测量过程如下：当K1闭合时，基准电压给电容充电至Uc=Us，然后K1断开，K2闭合，电容在电流源的作用下放电，单片机的部计数器同时开场工作。