基于Pcap01的电容式液位传感器系统设计

基于 的电容式液位传感器系统设计P cap 01 夏 吉，杨业汕，陈 兴(合肥工业大学 电子科学与应用物理学院，安徽 合肥 230009)摘 要 为精确测量汽车油箱油量，利用电容量随极板间介质变化的原理，设计了基于电容转数字芯片 P ca p01 的电容式液位传感器测量系统。

采用柱形电容传感器等措施，减小了寄生和杂散电容，并通过 Pcap01 内部寄存器的 设置，实现了数据校准。

该系统在自行设计的实验平台上进行了多次实验，结果表明，系统具有良好的精度和线性度，并最终提出了电容式液位测量方案。

关键词 P ca p01; 电容传感器; 液位测量中图分类号 文献标识码 文章编号1007 － 7820(2014)10 － 055 － 04 TP274. 5AD es i gn of a Capacitance Method Liquid Level Sensor S ys t e m Based on Pcap01XIA J i ，YA NG Yashan ，CHEN X i ng(Schoo l of Electronic Sc i ence and A ppl i ed Phy s i cs ，H efe i Univ e r s i ty of T echno l og y ，H efe i 230009，Chi na ) Ab s t r ac t In order to measure pe t r o l in the fue l t a nk ，ut ili z i ng the pr i nc i pl e of capac i t ance which changes wit h the change of the t r ansm i ss i o n medium between plates ，a capac i t i v e liquid l e v e l s enso r system has been des i gned based on Pcap01 chip which transfers capac i t ance to the di g i t a l mode by co nt a i ni ng a m i c r oco nt r o ll e r ( MCU )． F o r the purpose of data ca li br a t i o n ，t he c y li nd r i ca l capac i t i v e s enso r has been a ppl i ed to reduce pa r as i t i c capac i t ance as we ll as the se tt i ng of the i nt e r na l r eg i s t e r of Pcap01 c hi p ． This system has been tested repeatedly in an e x pe r i me nt a l pl a t fo r m ． Ex pe r i me nt s show that this system has good accuracy li nea r i ty ． T hus ，thi s capac i t i v e liquid l e v e l s ens o r system has been pr ese nt ed ．K e yword s Pcap01; capac i t i v e sensor ; liquid l e v e l meas ur eme nt随着汽车工业正向着节能、高速、经济的方向发 展，使得现代汽车均采用数字化系统设计。

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。

电容式水位传感器工作原理嗨，朋友！今天咱们来唠唠电容式水位传感器这个超有趣的小玩意儿的工作原理。

你看啊，电容式水位传感器呢，就像是一个超级敏锐的小侦探，专门用来侦查水位的高低。

那它是怎么做到的呢？这得从电容的基本原理说起啦。

电容呢，简单来说就像是两个小伙伴在玩一种特殊的“电荷游戏”。

它有两个极板，这两个极板就像两个小房子，电荷可以住在里面。

当这两个极板之间有了某种物质的时候，这个电容的特性就会发生变化。

这就好比两个小房子中间的空地被填满了一部分东西，那住在里面的电荷的活动空间就改变了。

对于电容式水位传感器，它的这两个极板的位置可是很有讲究的。

一般情况下，一个极板在容器的内壁，另一个极板可能就在水面附近或者是通过某种巧妙的设计与水产生关联。

当容器里没有水的时候，这两个极板之间是空气或者是其他固定的介质。

这个时候，电容就有一个初始的数值。

可是，一旦水开始进入容器，情况就变得超级有趣了。

水可是一种电介质哦，它比空气更容易让电场通过。

就好像是一群热情的小助手，一下子涌进了两个极板之间的空间。

水的进入改变了极板之间的电介质环境。

原本平静的“电荷小世界”就被打乱啦。

随着水位的上升，水这个电介质在极板之间占据的空间越来越大。

这就使得电容的值不断地发生变化。

你可以想象成，水在一点点地“挤走”原本的空间，然后把自己的“电介质魔法”不断地施加在电容上。

而且这个变化可不是毫无规律的哦。

水位越高，水占据的空间越大，电容的变化就越明显。

就像是一个信号不断地在增强，这个增强的信号就可以被传感器检测到啦。

传感器检测到电容的变化之后呢，它就会把这个变化转化成我们能够理解的信号，比如说电信号。

这个电信号就像是一个小信使，它会跑去告诉那些需要知道水位信息的设备，像水位控制器之类的。

“水位变啦，现在是这么高啦！”然后那些设备就可以根据这个信息来做出相应的动作。

比如说在一个水箱里，如果水位太低了，根据电容式水位传感器传来的信号，可能就会启动水泵开始往水箱里加水；如果水位太高了呢，就会停止加水，防止水溢出来。

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。

基于电容压力传感器的液位测量系统设计姓名:张宜静班级：电气自动化二摘要：电容式压力传感器是以各种类型的电容器作为敏感元件，将被测压力的变化转换为电容量变化的一种传感器，具有结构简单、高分辨率、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈震动等恶劣条件下工作的独特优点。

随着集成电路技术和计算机技术的发展，促使它扬长避短，成为一种很有发展前途的传感器。

一种测量水位用的电容式传感装置。

电容式传感体将电信号输入线性电容检测电路，促使其方波发生电路与单稳态电路输出脉冲送入与门电路进行复合，从而使与门输出的脉宽变化线性地反映传感体浸入水中后增加的所测量可变电容的变化。

而线性修正电路则弥补检测电路输出所造成的非线性误差。

本实用新型线性好，性能指标优良，线路简便。

关键词：传感器、压力、电容、测量引言：传感器的研究始于二十世纪三十年代，它是研究非电量信息与电量间转换的一门跨学科边缘技术科学。

早期传感器是模拟式传感器，现在常称为传统传感器。

随着高性能计算机测控系统的发展，当系统对传感器提出数字化、智能化要求后，传统传感器不再与系统向适应。

控制系统要求传感器输出数字信号，并具备较强的信息处理和自我管理能力，以实现信息的采集与信息的预处理，减轻控制计算机的数据处理负担和提高整个测控系统的可靠性。

电容传感器的基本理想公式为：改变A 、d 、ε 三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电容量C 改变，固定三个参量中的两个，可以做成三种类型的电容传感器。

1 液位电容式传感器测量原理：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为传感器部分结构原理图：2 液位测量系统设计：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0 r A A C d dεεε==图1当液体处在圆柱形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。

一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。

二传感器设计.(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。

(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) 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。

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, ε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ΔC 可由式(1) 和式(2) 得（3）由式可知, 参数ε0 , ε, R1 , R0 都是定值。

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。