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 OP07CPOP07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±22VOP07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72.4.2.2 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 。