傳感器課程設計--基于電容壓力傳感器的液位測量系統(tǒng)設計

1、<p><b>　　傳感器及檢測技術</b></p><p><b>　　課程設計</b></p><p>　　學生姓名 </p><p>　　學　　號 </p><p><b>　　目錄</b></p><p&g

2、t;<b>　　一、項目敘述2</b></p><p>　　二、電容式液位傳感器的結(jié)構(gòu)與測量原理2</p><p>　　2.1電容式液位傳感器的結(jié)構(gòu)2</p><p>　　2.2電容式液位傳感器的工作原理3</p><p>　　三、測量電路設計4</p><p><b>　　3

3、.1測量電路4</b></p><p><b>　　3.2整流電路7</b></p><p><b>　　3.3放大電路8</b></p><p><b>　　四、誤差分析9</b></p><p>　　4.1機械結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響9</p>&

4、lt;p>　　4.2測量電路的影響9</p><p><b>　　五、結(jié)論9</b></p><p><b>　　六、明細表10</b></p><p>　　基于電容壓力傳感器的液位測量系統(tǒng)設計</p><p><b>　　一、項目敘述</b></p>

5、<p>　　在工業(yè)自動化生產(chǎn)過程中，為了實現(xiàn)安全快速有效優(yōu)質(zhì)的生產(chǎn)，經(jīng)常需要對液位進行精確測量，繼而進行自動調(diào)節(jié)、智能控制使生產(chǎn)結(jié)果更趨完善。</p><p>　　二、電容式液位傳感器的結(jié)構(gòu)與測量原理</p><p>　　2.1電容式液位傳感器的結(jié)構(gòu)</p><p>　　電容式傳感器是把被測的非電量轉(zhuǎn)換為自身電容量變化的一種傳感器。這些被測量是用于改變組

6、成電容器的可變參數(shù)而實現(xiàn)其轉(zhuǎn)換的。電容式傳感器的基本工作原理可以用最普通的平行極板電容器來說明。兩塊相互平行的金屬極板，當不考慮其邊緣效應（兩個極板邊緣處的電力線分布不均勻引起電容量的變化）時，其電容量為：</p><p><b>　　（1）</b></p><p>　　公式中 —— 電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)； </p><p>　　A —

7、—兩平行板所覆蓋的面積；</p><p>　　d ——兩平行板之間的距離。</p><p>　　因此只要改變其中的一個參數(shù)，就會引起電容量的變化，根據(jù)這一電容結(jié)構(gòu)關系可構(gòu)成變極距電容傳感器，變面積型電容傳感器和變介質(zhì)型傳感器、用于測量液位的電容式傳感器。是利用容器中的物料為恒定的介電常數(shù)時，極間電容正比于液位的原理而構(gòu)成的，并應用電子學方法測量電容值，從而探測液面位置信息。特點是液位測量只

8、與電容結(jié)構(gòu)有關，與物料的密度無關 根據(jù)這一特點，可采用圓筒形結(jié)構(gòu)構(gòu)成變面積型的液位傳感器，這種傳感器結(jié)構(gòu)的探頭是由這兩個電極極板構(gòu)成，通過氣、液或料相介質(zhì)的高度不同引起極間電容改變來探測物面位置的。其結(jié)構(gòu)十分簡單輕巧，便于安裝、維護與使用。</p><p>　　電容式液位傳感器的電極結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1適用于導電容器中的絕緣液體的液位測量，且容器為立式圓筒形，容器壁為一極，沿軸線插入裸金屬棒作為另一極電極，其間構(gòu)

9、成的電容 CX 與液位成比例，也可懸掛帶重錘的軟導線作為電極。</p><p>　　圖1 電容式液位傳感器的電極結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.2電容式液位傳感器的工作原理</p><p>　　導電液體電容式傳感器主要利用傳感器兩電極的覆蓋面積隨被測液體液位的變化而變化，從而引起電容量變化的關系進行液位測量，屬于面積變化型電容傳感器。</p><

10、p>　　以圖1為例 設導電容器直徑為D，中央電極直徑為d，上部空氣的介電常數(shù)為ε1，下部液體的介電常數(shù)為ε2,電極總長為H0，浸沒在液體中的長度為H1，則根據(jù)同心圓筒狀電容的公式可寫出空氣部分的電容數(shù)學模型為：</p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　　液體部分的電容為：</b></p><

11、p><b>　?。?）</b></p><p>　　如果忽略雜散電容及端部的邊界效應后，則兩電極間的總電容為：</p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　(4)</b></p><p>　　其中：表示被測電容；</p><p

12、>　　為初始電容，液體為零時測出的電容，這個電容可以在初始標定時消除；</p><p>　　表示被測液位的高度;</p><p>　　表示傳感器的靈敏度；</p><p><b>　　三、測量電路設計</b></p><p><b>　　3.1測量電路</b></p><

13、;p>　　本設計采用二極管T形網(wǎng)絡（雙T電橋）如下圖所示。</p><p>　　輸入、輸出信號如下圖</p><p><b>　?。╝）</b></p><p>　　它是利用電容器充放電原理組成的電路。其中e(函數(shù)發(fā)生器XFG1)是高頻電源，提供幅值電壓為E的對稱方波；C1和C2為差動電容傳感器；D1和D2為兩只理想二極管；R1和R2為固

14、定電阻，且R1=R2；RL 為負載電阻（或后接儀器儀表的出入電阻）。</p><p>　　該電路的工作原理如下：當電源為正半周時，二極管D1導通而D2截止，其等效電路如圖（b)所示。此時電容C1很快充電至E，電源e經(jīng)R1以電流I1向負載RL供電；與此同時，電容C2經(jīng)R2和RL放電，放電電流I2(t)。流經(jīng)RL的電流IL(t)是I1和I2(t)之和，他們的極性如圖（b）所示。當電源e為負半周時，二極管D2導通而D1

15、截止，其等效電路如圖（c)所示。此時電容C1很快充電至E，電源e經(jīng)R1以電流I1向負載RL供電；與此同時，電容C2經(jīng)R2和RL放電，放電電流I2(t)。流經(jīng)RL的電流IL(t)是I1和I2(t)之和，他們的極性如圖（c）所示。</p><p>　　利用電路分析可以求得電源e的負半周內(nèi)電路的輸出為：</p><p><b>　　式中，</b></p>&l

16、t;p>　　為電容C1的放電時間常數(shù)。</p><p>　　同理，在電源e的正半周期內(nèi)電路的輸出為</p><p><b>　　式中，</b></p><p>　　為電容C2的放電時間常數(shù)。</p><p>　　由此可得輸出電流的平均值為</p><p>　　式中，f為電源e的頻率；k1、k

17、2為系數(shù)，</p><p><b>　　輸出電壓的平均值為</b></p><p>　　適當選擇電路中元件的參數(shù)以及電源頻率f，則上式中指數(shù)項所引起的誤差可以小于1%。</p><p><b>　　式中，k為常數(shù)，</b></p><p>　　為電容傳感器測量時的電容變化量。</p>

18、<p>　　二極管T形網(wǎng)絡電路特點：</p><p>　　（1）e，C1 ，C2接地 ；</p><p>　?。?）工作電平高，D1 ，D2工作在線性區(qū)靈敏度與電源幅值和頻率有關；</p><p><b>　?。?）輸出電壓高；</b></p><p>　?。?）輸出阻抗與C1 、C2無關，與R1 ，R2同數(shù)量

19、級，可用mA或?A表直接測量；</p><p>　?。?）RL影響電容放電速度，宜小些，RL＝1k時，上升時間20s，可測量動態(tài)信號 。</p><p><b>　　3.2整流電路</b></p><p>　　將模擬電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號所用的轉(zhuǎn)換芯片為ADC0809，它僅能將單極性電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，所以我們將測量電路轉(zhuǎn)換后的電壓先經(jīng)整流電路、濾波

20、器和穩(wěn)壓電路將輸入電壓變?yōu)閱螛O性電壓供給放大電路。</p><p><b>　　3.3放大電路</b></p><p>　　由于從傳感器得出的電壓一般在0~30mv之間，太小不易測量，所以要通過放大電路進行放大，如圖4-3所示，采用最基本的比例運算反放大電路.</p><p><b>　　圖4-3放大電路</b></

21、p><p>　　要將30mV電壓放大成10V，根據(jù)公式U=-（R1/R2）Uo,所以選擇R1=1000K,R2=6K，R4=R1//R2后邊的是一個反相器，把第一個運放得到的電壓反相成正的，其中R3=R5=2K,R6=R3//R5。</p><p><b>　　四、誤差分析</b></p><p>　　4.1機械結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響</p>

22、<p>　　從公式與分析方法中可以看出：傳感器的電容量是結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù)，溫度的變化會引起內(nèi)外圓筒直徑的變化，從而引起電容量的變化，導致測量誤差，所以，選用制作電容的材料的線膨脹系數(shù)應足夠小，如，選用鋁合金材料，線膨脹系數(shù)為23．0 xl0 ／℃ ，可以滿足使用要求；如果采用合適的非金屬材料，其變形系數(shù)會更小。在高精度要求的場合下，還可以通過測量溫度，進行溫度修正，以達到更高的測量精度。</p><p>

23、;　　為了減小加工和裝配對電容量與液位關系的影響，應盡量提高加工精度，保證二圓筒的直徑精度，特別是裝配時要保證二筒軸線的平行度。</p><p>　　4.2測量電路的影響</p><p>　　由于測量電路電纜存在分布電容，這種即使每米幾pF的影響要獲得高的測量精度也是不能接受的。因此，在使用屏蔽電纜防止引入干擾的同時，還應采取驅(qū)動屏蔽技術，使電纜的影響降到最小。</p>&l