傳感器課程設(shè)計(jì)--基于電容壓力傳感器的液位測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　傳感器及檢測(cè)技術(shù)</b></p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)</b></p><p>　　學(xué)生姓名 </p><p>　　學(xué)　　號(hào) </p><p><b>　　目錄</b></p><p&g

2、t;<b>　　一、項(xiàng)目敘述2</b></p><p>　　二、電容式液位傳感器的結(jié)構(gòu)與測(cè)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(cè)量電路設(shè)計(jì)4</p><p><b>　　3

3、.1測(cè)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(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響9</p>&

4、lt;p>　　4.2測(cè)量電路的影響9</p><p><b>　　五、結(jié)論9</b></p><p><b>　　六、明細(xì)表10</b></p><p>　　基于電容壓力傳感器的液位測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　一、項(xiàng)目敘述</b></p>

5、<p>　　在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，為了實(shí)現(xiàn)安全快速有效優(yōu)質(zhì)的生產(chǎn)，經(jīng)常需要對(duì)液位進(jìn)行精確測(cè)量，繼而進(jìn)行自動(dòng)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(cè)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(cè)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(cè)量是用于改變組

6、成電容器的可變參數(shù)而實(shí)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(lái)說(shuō)明。兩塊相互平行的金屬極板，當(dāng)不考慮其邊緣效應(yīng)（兩個(gè)極板邊緣處的電力線分布不均勻引起電容量的變化）時(shí)，其電容量為：</p><p><b>　?。?）</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(gè)參數(shù)，就會(huì)引起電容量的變化，根據(jù)這一電容結(jié)構(gòu)關(guān)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(cè)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(shí)，極間電容正比于液位的原理而構(gòu)成的，并應(yīng)用電子學(xué)方法測(cè)量電容值，從而探測(cè)液面位置信息。特點(diǎn)是液位測(cè)量只

8、與電容結(jié)構(gòu)有關(guān)，與物料的密度無(wú)關(guān) 根據(jù)這一特點(diǎn)，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(gè)電極極板構(gòu)成，通過(guò)氣、液或料相介質(zhì)的高度不同引起極間電容改變來(lái)探測(cè)物面位置的。其結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單輕巧，便于安裝、維護(hù)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(dǎo)電容器中的絕緣液體的液位測(cè)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(dǎo)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(dǎo)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(cè)液體液位的變化而變化，從而引起電容量變化的關(guān)系進(jìn)行液位測(cè)量，屬于面積變化型電容傳感器。</p><

10、p>　　以圖1為例 設(shè)導(dǎo)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(zhǎng)為H0，浸沒在液體中的長(zhǎng)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(xué)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(yīng)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(cè)電容；</p><p

12、>　　為初始電容，液體為零時(shí)測(cè)出的電容，這個(gè)電容可以在初始標(biāo)定時(shí)消除；</p><p>　　表示被測(cè)液位的高度;</p><p>　　表示傳感器的靈敏度；</p><p><b>　　三、測(cè)量電路設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　3.1測(cè)量電路</b></p><

13、;p>　　本設(shè)計(jì)采用二極管T形網(wǎng)絡(luò)（雙T電橋）如下圖所示。</p><p>　　輸入、輸出信號(hào)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(duì)稱方波；C1和C2為差動(dòng)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(fù)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(dāng)電源為正半周時(shí)，二極管D1導(dǎo)通而D2截止，其等效電路如圖（b)所示。此時(shí)電容C1很快充電至E，電源e經(jīng)R1以電流I1向負(fù)載RL供電；與此同時(shí)，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(dāng)電源e為負(fù)半周時(shí)，二極管D2導(dǎo)通而D1

15、截止，其等效電路如圖（c)所示。此時(shí)電容C1很快充電至E，電源e經(jīng)R1以電流I1向負(fù)載RL供電；與此同時(shí)，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(fù)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(shí)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(shí)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(dāng)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(xiàng)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(cè)量時(shí)的電容變化量。</p>

18、<p>　　二極管T形網(wǎng)絡(luò)電路特點(diǎn)：</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(guān)；</p><p><b>　?。?）輸出電壓高；</b></p><p>　　（4）輸出阻抗與C1 、C2無(wú)關(guān)，與R1 ，R2同數(shù)量

19、級(jí)，可用mA或?A表直接測(cè)量；</p><p>　?。?）RL影響電容放電速度，宜小些，RL＝1k時(shí)，上升時(shí)間20s，可測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào) 。</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(hào)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(cè)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(cè)量，所以要通過(guò)放大電路進(jìn)行放大，如圖4-3所示，采用最基本的比例運(yùn)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(gè)反相器，把第一個(gè)運(yùn)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(jī)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(huì)引起內(nèi)外圓筒直徑的變化，從而引起電容量的變化，導(dǎo)致測(cè)量誤差，所以，選用制作電容的材料的線膨脹系數(shù)應(yīng)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(huì)更小。在高精度要求的場(chǎng)合下，還可以通過(guò)測(cè)量溫度，進(jìn)行溫度修正，以達(dá)到更高的測(cè)量精度。</p><p>

23、;　　為了減小加工和裝配對(duì)電容量與液位關(guān)系的影響，應(yīng)盡量提高加工精度，保證二圓筒的直徑精度，特別是裝配時(shí)要保證二筒軸線的平行度。</p><p>　　4.2測(cè)量電路的影響</p><p>　　由于測(cè)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(cè)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(shí)，還應(yīng)采取驅(qū)動(dòng)屏蔽技術(shù)，使電纜的影響降到最小。</p>&l