电容式液位传感器设计说明
电容式液位传感器及测量原理
d A C ε=电容式液位传感器及测量原理1引言 (1)2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 (3)3电容式液位传感器的特点 (6)1引言电容式传感器利用了非电量的变化转化为电容量的变化来实现对物理量的测量。
电容式传感器广泛用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，并正逐步扩大到压力、差压、液面（料位）、成分含量等方面的测量。
电容式传感器具有以下几个特点：1）机构简单，体积小，分辨力高；2）可实非接触式测量；3）动态效应好。
电容式传感器的固有频率很高，因此动态效应时间短，且其介质耗损小，可使用较高的工作频率，可用于测量高速变化的参数；4）温度稳定性好。
它本身发热量极小；5）能在高温、辐射和强振动等恶劣条件下工作6）电容量小，功率小，输出阻抗高，因此，负载能力差，易受外界抗干扰产生不稳定现象。
2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 ——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。
电容式导电液体液位传感器
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：学生学号：指导教师：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：**** 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 (17)第四章影响液位测量的主要因素 (19)结论和心得体会 (19)致 (20)参考文献 (21)附录：课程设计任务书 (22)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。
智能型电容式液位计说明书新
一：概述KUYB-320系列智能电容式液位计，采用新一代微电脑处理技术，将传感器信号转化为数字信号，通过MCU进行温度，线性补偿和系列功能设置，无论从精度、功能、可靠性以及使用的方便性，具有普通电容式液位计无法比拟的性能和优越性，随着电子技术的发展和现场工控的实际需求，取代传统电容式液位计，已是大势所趋，势在必行，也是新一代微电子技术推动工控科技发展的必然结果。
1)实用性强，操作方便：采用按键零点设置和量程设置，操作极其简单而且准确。
传统模拟电路在设置零点和量程时，相互牵连或影响，反复设定若干次才能校准，而智能型数字化电路，零点和量程位置互不影响，一次锁定。
2)兼容模拟电路：智能型电路可以将零点和量程位置定量迁移，兼容模拟电路的微调，由于内部已将零点和量程电容值量化处理，既可以查看，又可以迁移和修改，使得仪表内部工作状态进一步透明化。
3)通用性强：智能型电路板自动分析传感器的量程范围，并且转换到最佳分辨率，无需用户调整任何硬件即可和任何厂家传感器通用。
4)具有故障自检和显示功能，大大降低用户操作门槛；用户设置错误，传感器漏电或短路，超量程等故障时，液晶屏自动显示故障代码，方便用户分析故障，无需太多专业知识，进一步增强了系统的可操作性。
5)自动调整远传和显示阻尼时间；模拟电路不易实现较长的阻尼和采样时间，使得在生产过程中，气量稍大或液位晃动，就会导致监控仪表显示的不稳定性，造成监控人员视觉上的疲惫，智能型液位计采用数字软件滤波技术，智能分析液位变化，当液位小幅度晃动时，阻尼时间自动转为10秒,显示出10秒内的平均效应，当液位大幅度升降，超过预定变化率时，阻尼时间自动转为毫秒级，既能快速跟踪瞬态变化，又能显示液位的平均效应，显示稳定而准确。
6)抗干扰能力强，可靠性高：元器件采用新型大规模集成芯片，结构简单而紧凑，硬件多级滤波，抗干扰能力强，不受外界电磁信号或辐射的干扰。
定性。
7)一键还原设置错误或失败时，一键恢复出厂设置。
液位传感器工作原理
液位传感器工作原理液位传感器是一种用于测量液体或者固体物质的高度或者深度的装置。
它们广泛应用于工业、农业、环境监测等领域。
液位传感器的工作原理主要包括浮子式、电容式、压力式和超声波式等多种类型。
1. 浮子式液位传感器：浮子式液位传感器是最常见的液位传感器类型之一。
它由浮子、测量杆和传感器组成。
浮子通过液体的浮力作用上升或者下降，测量杆随之挪移。
传感器通过检测测量杆的位置来确定液位的高度。
这种传感器适合于大多数液体，但不适合于粘稠液体或者易结垢的液体。
2. 电容式液位传感器：电容式液位传感器利用液体与电容器之间的电容变化来测量液位。
传感器由两个电极组成，一个电极位于液体上方，另一个电极位于液体下方。
当液位上升时，电容值增加，当液位下降时，电容值减小。
传感器通过测量电容值的变化来确定液位的高度。
这种传感器适合于各种液体，但对液体的介电常数要求较高。
3. 压力式液位传感器：压力式液位传感器通过测量液体的压力来确定液位的高度。
传感器由压力传感器和液体测量管组成。
液体测量管的一端与液体相连，另一端与压力传感器相连。
液体的压力随着液位的上升而增加，压力传感器通过测量压力的变化来确定液位的高度。
这种传感器适合于各种液体，但对液体的密度和温度要求较高。
4. 超声波式液位传感器：超声波式液位传感器利用超声波的传播速度来测量液位的高度。
传感器由超声波发射器和接收器组成。
发射器发射超声波信号，当信号遇到液体时，一部份被反射回来，接收器接收到反射的超声波信号。
传感器通过测量超声波信号的往返时间来确定液位的高度。
这种传感器适合于各种液体，但对液体的密度和温度要求较高。
总结：液位传感器是一种用于测量液体或者固体物质的高度或者深度的装置。
根据不同的工作原理，液位传感器可以分为浮子式、电容式、压力式和超声波式等多种类型。
每种类型的传感器都有其适合的液体范围和工作环境。
选择适合的液位传感器可以确保准确测量液位，并满足特定应用的需求。
电容传感器(传感器原理与应用)
第三章 电容式传感器电容测量技术近几年来有了很大进展，它不但广泛用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，而且，还逐步扩大应用于压力、差压、液面、料面、成分含量等方面的测量。
由于电容式传感器具有一系列突出的优点：如结构简单，体积小，分辨率高，可非接触测量等。
这些优点，随着电子技术的迅速发展，特别是集成电路的出现，将得到进一步的体现。
而它存在的分布电容、非线性等缺点又将不断地得到克服，因此电容式传感器在非电测量和自动检测中得到了广泛的应用。
第一节 电容式传感器的工作原理和结构 一、基本工作原理电容式传感器是一种具有可变参数的电容器。
多数场合下，电容是由两个金属平行板组成并且以空气为介质，如图3—1所示。
由两个平行板组成的电容器的电容量为dAC ε=（3—1）式中ε——电容极板介质的介电常数。
A ——两平行板所覆盖面积； d ——两平行板之间的距离； C ——电容量当被测参数使得式(3—1)中的d 、A 和r ε发生变化时，电容量C 也随之变化。
如果保持其中两个参数不变而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化。
因此。
电容量变化的大小与被测参数的大小成比例。
在实际使用中，电容式传感器常以改变平行板间距d 来进行测量，因为这样获得的测量灵敏度高于改变其他参数的电容传感器的灵敏度。
改变平行板间距d 的传感器可以测量微米数量级的位移，而改变面积A 的传感器只适用于测量厘米数量级的位移。
二、变极距型电容式传感器由式(3—1)可知，电容量c 与极板距离d 不是线性关系,而是如图3—2所示的双曲线关系。
若电容器极板距离由初始值do 缩小d ∆，极板距离分别为do 和do-d ∆，其电容量分别为C0和C1，即0d AC ε=(3—2)⎪⎪⎭⎫⎝⎛∆-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆-=∆-=2020********d d d d d A d d d Add AC εεε(3—3)当Ad 《Ju 时，1…菩*1，则式(3—3)可以简化为 一W一一这时c1与AJ 近似呈线性关系，所以改变极板距离的电容式传感器注注是设计成Ad 在极小的范围内变化。
传感器原理及应用第三版第3章
电桥初始平衡条件为： 则输出:
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•与书中公式差一符号，对 交流电无影响。
•下一页
•返 回
当Z1有一变化时，电桥失去平衡，其输出为Usc ；将平衡条件代入得下式：
令：
为传感器阻抗相对变化值
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•下一页
•返 回
3-3 电容式传感器的误差分析
第一节所讨论的传感器原理均是在理想条件下进行，没有考虑 如温度，电场边缘效应，寄生与分布电容等因素的影响，实际上它 们对精度影响很大，严重时使传感器无法工作，因此在设计时应予 考虑。
一、温度对结构尺寸的影响：
由于组成传感器各材料的温度膨胀系数不同，当环境温度变化 时，传感器各结构尺寸发生变化从而引起电容变化。
• 如果
或而
时，则
，即输出与输入同相
位 ，没有滞后；
• 如果
，
时， ，这时电桥为谐振电桥，但桥臂
元件必须是纯电感和纯电容组成。实际上不可能。
• 由图3-9b可知：对于不同的 值， 角随 变化。当 时
；
时， 趋于最大值 ，并且
。只有 时，
值均为零。因此在一般情况下电桥输出电压 与电源 之间总有
相位差，即 ，只有当桥臂阻抗模相等
变大）。
根据上面讨论，所以在实际应用中多采用差动结构，如下图，
当动片上移 ，则
，
同时C2减小 ，两者初值为C0
则有：
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•返 回
差动输出电容为：
同样当
时，忽略高次项得：
其非线性误差 为：
•考虑问题： • C1、C2如何连接才能满足 该式，即形成差动输出。
lk1023液位传感器说明书
lk1023液位传感器说明书摘要：1.引言2.液位传感器的基本原理3.lk1023液位传感器的特点4.安装与使用方法5.注意事项6.故障处理与维护7.结论正文：【引言】在现代化的工业生产中，液位传感器已经成为了一种必不可少的设备。
其中，lk1023液位传感器以其出色的性能和稳定的工作特性，赢得了广大用户的青睐。
本文将详细介绍lk1023液位传感器的原理、特点、安装使用方法以及维护等方面的内容，以帮助大家更好地了解和运用这款产品。
【液位传感器的基本原理】液位传感器是一种通过检测液体表面高度变化，将物理量转换为电信号的装置。
其基本原理主要是利用电容、超声波、浮子等敏感元件，结合相应的信号处理电路，实现对液位的实时监测。
【lk1023液位传感器的特点】1.高灵敏度：lk1023液位传感器具有较高的灵敏度，能够准确地检测到液位的变化。
2.抗干扰能力强：该产品采用先进的信号处理技术，有效降低了电磁干扰、温度变化等对测量结果的影响。
3.稳定性好：lk1023液位传感器采用了精密的结构设计，确保了其在长期使用过程中的稳定性。
4.安装简便：产品采用一体化设计，安装方便，无需额外配置其他辅助设备。
5.适应性强：适用于各种液体介质，如水、油、酸碱溶液等。
【安装与使用方法】1.安装：在安装lk1023液位传感器时，应确保其与被测液体的接触良好，避免气泡影响测量结果。
2.接线：将传感器的输出信号接入相应的控制系统，根据实际需要选择合适的信号处理方式。
3.校准：在使用前，应对液位传感器进行校准，以确保测量结果的准确性。
【注意事项】1.传感器在安装过程中，切勿用力过猛，以免损坏敏感元件。
2.接线时，请确保电源电压稳定，避免电压波动对设备造成损害。
3.定期检查传感器的运行状态，如发现异常，请立即停机检查。
【故障处理与维护】1.如遇故障，首先检查电源线、信号线是否正常，排除线路故障。
2.若仍无法正常工作，检查传感器本身是否有损坏，如有需要，请联系厂家更换。
电容式液位计工作原理
电容式液位计工作原理
电容式液位计是一种测量液体高度的仪器。
它利用液体带有电容的特性来测量液体的高度。
工作原理是将一个电容传感器安装在容器内部，液体充满容器时，液体和传感器之间形成一个电容。
液位的高度与电容值成正比。
当电容式液位计工作时，会通过电路发送电容识别信号到容器中的传感器。
传感器与液体接触时，会形成一个电容，电容值与液体的高度成正比。
随着液位的变化，电容值也会随之变化。
通过测量电容值的变化，可以确定液体的高度。
这些电容传感器一般由金属电极组成，安装在容器的壁上，并与液体接触。
测量电路会对传感器输出的电容变化进行处理，并将结果转化为液位高度值，供用户参考和显示。
电容式液位计的优点是精度高、稳定性好，适用于各种液体的测量。
然而，由于传感器需要安装在容器内部，因此在一些特殊情况下可能会受到限制，如高温液体或易腐蚀液体的测量。
总的来说，电容式液位计通过测量液体与传感器之间的电容值变化来确定液体的高度，是一种常见且可靠的液位测量方法。
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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。
（2）
式中,ε为容器气体的等效介电常数,单位为F/ m。因此,当传感器液位由零增加到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。所以电容的变化量ΔC与液位变化量H呈近似线性关系。因为参数ε0,ε, R1, R0, L都是定值,由式(2)变形可得:CH= a0+ b0H ( a0和b0为常数) (4)。可见,传感器的电容量值CH的大小与电容器浸入液体的深度H成线性关系。由此,只要测出电容值便能计算出水位。
2.2将电容转化成电信号部分
采用运算法测量电路来转化。该电路由传感器Ｃｘ和固定的标准电容Ｃｏ以及运算放大器A组成，如图2-2所示。
图2-2运算放大器测量电路原理图
2.3电信号放大电路设计
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，如图2-3所示，采用最基本的比例运算反放大电路.
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ图2-6 MC14499设计的LED显示器动态显示接口电路
用MCS - 51系列单片机作为控制核心的水位测量计,其数据输出既可以通过单片机的通用I/O口输出,也可以通过单片机的串口用串行方式输出。这里假设使用的单片机是8051 ,单片机的P1口为数据输出口,显示器采用共阴极8段LED,显示位数为4位,由于一片MC14499可以驱动4个LED显示器,因此该显示接口只需用一片MC14499和单片机连接。图是该动态显示接口的原理图。P1.0用来向MC14499发送数据,P1.1用来向MC14499发送时钟脉冲,P1.2用于控制单片机输出数据向MC14499串行输入(当P1.2 = 0时,允许MC14499输入数据)。反相器74LS06作为显示器的位驱动, 8个47Ω的电阻是LED的限流电阻, 3个5.1kΩ的电阻是上拉电阻,使单片机8031输出电平与MC14499输入电平相兼容。由于MC14499具有输入自动锁存功能,而串行输入一帧数据又需要一定的时间,所以LED显示的数据不会出现闪烁现象。
ADC0809与单片机的接口电路
图2-4ADC0809与单片机的接口电路
2.5控制电路的设计
控制电路在这里起到非常重要的作用，在水位测量中测量到水罐中水位的高度，当水位高于2.5m水位时，电动机停转，水泵停止对水罐供水；当水位低于2.5m水位时，电动机起转，水泵开始对水罐供水。其电路图如图2-5所示。
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。
第二部分：单元电路设计
2.1传感器设计
2.1.1传感器原理
图2-3比例放大电路
要将30mV电压放大成5V，根据公式U=-（R1/R2）Uo,所以选择R1=500K,R2=3K，R4=R1//R2,,后边的是一个反相器，把第一个运放得到的电压反相成正的，其中R3=R5=1K,R6=R3//R5。
2.4A/D转换器设计
本设计采用A/D转换器ADC0809。
ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A／D转换器，由于输出级有8位三态输出锁存器，因而0809的数据输出端可以直接与单片机的数据总线连接。
ADC0809转换是采用逐次比较的方法完成A/D转换的，由单一的+5V供电，片带有锁存功能的8路选一的模拟开关，由A，B，C引脚的编码来确定所选通道。0809完成一次转换需要100us左右，输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接连到MCS-51的数据总线上，通过适当的外接电路，0809可对0-5V的模拟信号进行转换。
ADC0809的工作过程是：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上.
图2-1-2传感器原理图
2.1.3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:
图2-5控制电路电路图
2.6显示电路设计
发现需要4位的LED足可满足本设计的显示精度要求,为了减少所需的I/O数量,降低成本,采用动态显示控制方式。通过对显示接口电路的综合分析,发现测距仪利用串行输入BCD码—十进制译码驱动显示器件MC14499来完成与单片机系统的显示接口较为简单可靠。用MC14499设计的LED显示器动态显示接口电路如图2-6所示。
城建学院
《安全检测与监控》课程设计
班 级0232131
学 号023213128
姓 名保林
专 业安全工程
课程名称安全检测与监控
指导教师祁林 王曦
市政与环境工程学院
2014年12月26日
第一部分：方案论证
1.1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。
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。
2.1.2传感器的组成
图2-1-2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。