电容式液位仪的设计.docVIP

电容式液位仪设计 摘要：该液位计利用不同介质具有不同的介电常数的特性，使液面高度变化改变电容大小，建立线性方程，使得能通过检测电容大小检验出液面高度。本液位计一共分六个部分，由RC文氏震荡电路，衰减电路，微分电路，滤波电路，整流电路和单片机检测显示部分组成。其中电容板与运放组成微分电路，电容的大小与电路的输出大小呈线性。单片机通过检测整流后的输出，得出页面高度。此题的重点是设计合理的滤波电路，难点是如何提高精度。 2.方案论证 本设计主要任务是测量平行探针的电容。并探索电容的容量与液体高度的关系。 电容式传感器检测电路主要有交流半桥式检测电路、充放电检测电路、基于V/T变换的电容测量电路交流锁相放大电容测量电路AC电桥电容测量电路如图所示，其原理是将被测电容在一个桥臂，可调的参考阻抗放在相邻的一个桥臂，二桥臂分别接到频率相同/幅值相同的信号源上，调节参考阻抗使桥路平衡，则被测桥臂中的阻抗与参与阻抗共轭相等。 图2 交流半桥式检测电路 这种电路的主要优点是：精度高，适合作精密电容测量，可以做到高信噪比。充/放电电容测量电路基本原理如图所示。由CMOS开关S1，将未知电容Cx充电至Ve，再由第二个CMOS开关S2放电至电荷检测器。在一个信号充/放电周期内从Cx传输到检波器的电荷量Q=Ve·Cx，在时钟脉冲控制下，充/放电过程以频率f=1/T重复进行，因而平均电流Im=Ve·Cx·f，该电流被转换成电压并被平滑，最后给出一个直流输出电压 Vo=Rf·Im=Rf·Ve·Cx·f(Rf为检波器的反馈电阻) 。 图3 充放电检测电路 方案3 基于V/T变换的电容测量电路V/T变换的电容测量电路基本原理如图所示。 图4 电容检测电路 电流源Io为4DH型精密恒流管，它与电容C通过电子开关K串联构成闭合回路，电容C的两端连接到电压比较器P的输入端，测量过程如下：当K1闭合时，基准电压给电容充电至Uc=Us，然后K1断开，K2闭合，电容在电流源的作用下放电，单片机的内部计数器同时开始工作。当电流源对电容放电至Uc=0时，比较器翻转，计数器结束计数，计数值与电容放电时间成正比 方案4：交流锁相放大电容测量电路交流型的C/V转换电路基本原理如图所示。正弦信号Ui(t)对被测电容进行激励，激励电流流经由反馈电阻Rf、反馈电容Cf，和运放组成的检测器D转换成交流电压 Uo(t) 图5 交流锁相放大电容测量电路 若jωRfCf1，则为 上式表明，输出电压值正比于被测电容值。为了能直接反映被测电容的变化量，目前常用的是带负反馈回路的C/V转换电路。这种电路的特点是抗杂散性、分辨率可高达0.4*10-15F。由于采用交流放大器，所以低漂移、高信噪比，但电路较复杂，成本高，频率受限。 图6 电容检测电路 LM342内部共有4个运算放大器，其中A1构成RC桥式振荡电路，产生475Hz的交流信号；A2构成衰减器，将信号按比例缩小至50mV；A3构成电容检测电路，输出的交流电压与液位成线性关系。A4构成475Hz的带通滤波器，最后通过检波二极管将测量电流转换成直流电压，供单片机ADC测量。 震荡电路：本电路采用RC文氏桥式震荡电路 文氏电桥振荡电路又称RC串并联网络正弦波振荡电路，它是一种较好的正弦波产生电路，适用于频率小于1MHz，频率范围宽，波形较好的低频振荡信号。 从结构上看，正弦波振荡器是没有输入信号的，为了产生正弦波，必须在放大电路里加入正反馈，因此放大电路和正反馈风络是振荡电路的最主要部分。但是，这样两部分构成的振荡电路通常是得不到正弦波的，这是由于正反馈时不量是很难控制，帮还需要加入一些其他电路。 下图即为运算器组成的文氏电桥RC正弦波振荡电路。 图中R3、R4构成负反馈支路，R1、R2、C1、C2的吕并联选频网络构成正反馈支路并兼作选频网络，二极管构成稳幅电路。调节电位器Rp可以改变负反馈的深度，以满足振荡的振幅条件和改善波形。二极管D1、D2要求温度稳定性好且特性匹配，这样才能保证输出小型正负半周对称，同时接入R4以消除二极管的非线性影响。 若R1=R2，C1=C2，则振荡频率为，正反馈的电压与输出电压同相位（此为电路振荡的相位平衡条件），且正反馈系数为。为满足电路的起振条件放大器的电压放大倍数3，其中。由此可得出当时，可满足电路的自激振荡的振幅起振条件。在实际应用中应略大于，这样既可以满足起振条件，又不会引起过大而引起波形严重失真 本电路实际选用元件参数为：C1=C2=0.1uf.R1=R2=4.3K.R3=1.2K.R4=3.6K,其中RP为10K可调电阻，经过调试，实际输出为+-3.6V，频率为475Hz，由于本液位计与频率精度关系不大，只要输出波形较好即可，后续通过设计滤波器参数将频率滤除即可 衰减电路：本设计采用反向加法电路 通过调整