液位传感器应用电路设计.doc

1、东北石油大学课 程 设 计课 程 传感器课程设计 题 目 液位传感器应用电路设计 院 系 电气信息工程学院 专业班级 测控 学生姓名 学生学号 指导教师 2014年7 月 15日任务书课程 传感器课程设计题目 液位传感器应用电路设计专业 测控11-1 姓名 学号 主要内容：本文主要是针对封闭式液体的液位的测量，在考虑各种液位测量方式后，决定要超声波作为主要手段，采用脉冲回波测量法。综合运用传感器的基本原理绘出装配草图，选择合适的传感器，设计控制电路。绘出硬件电路图 ，对参数进行计算，确认元器件的工作电流、电压、频率和功耗等参数能满足电路指标的要求，完成对液位的测量。基本要求：1掌握相关传感器原

2、理及应用；2设计液位测量电路；3完成对液位的测量。主要参考资料：1黄贤武，郑筱霞.传感器原理与应用M.成都：电子科技大学出版社,2004.2杨洋.电子制作电子电路设计与制作M.北京：科学出版社,2005.8.3刘国钧，陈绍业，王凤翥.图书馆目录M.北京：高等教育出版社,1957.8.4施文康，余晓芬.检测技术M.北京：机械工业出版社,2010.完成期限 2014.7.112014.7.15 指导教师 专业负责人 2014年 7 月 10 日传感器课程设计摘 要超声波液位测量是一种非接触式的测量方式,它是利用超声波在同种介质中传播速度相对恒定以及碰到障碍物能反射的原理研制而成的，与其它方法相比(

3、如电磁的或光学的方法),它不受光线、被测对象颜色的影响，对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。因此，研究超声波在高精度测距系统中的应用具有重要的现实意义。本设计列举了光纤测液位，差压法测液位和超声波测液位，通过方案的比较，决定采用超声波测液位法。分析设计出超声波测液位的电路图，在发射装置中，超声波发射单元包括振荡电路和驱动电路，振荡电路是由2块555集成电路组成，IC1（555）组成超声波脉冲信号发生器。超声波接受单元包括：模拟放大、滤波电路、电平转换电路。最后通过实物的调试，参数计算，功能符合设计要求，能达到预期的目的。关键词：液位测量；仪表；非接触

4、；超声波目 录 一 、设计要求11、 超声波传感器的功能与用途12、课题研究的背景及意义13、国内外发展的现状1 二、设计方案及其特点21、方案一22、方案二33、方案三3三、传感器工作原理4四、超声波测液位电路图5五、单元电路设计、参数计算和器件选择61、单元电路设计62、参数计算83、器件选择84、系统需要的元器件清单9六、总结9参考文献10传感器课程设计液位传感器应用电路设计一 、设计要求1、超声波传感器的功能与用途本设计中采用反射式的方式，超声波传感器发射超声波，遇到液面后超声波被反射回来，超声波接收探头接收超声波。其间通过单片机的控制，I/O口输出控制信号从振荡器输入到驱动电路驱动超

5、声波发射电路，超声波发生电路产生40KHz的调制脉冲，经换能器转换为超声波信号向前方空间发射。经过液面反射后超声波接收探头将接收到的超声波送到单片机进行处理。通过盲区的消除以及环境温度的采样，提高了测距的精确度。利用超声波传输中距离与时间的关系，采用单片机进行控制及数据处理，设计出了能精确测量两点间距离的超声波液位检测系统。利用所设计出的超声波液位检测系统，对液面进行了测试，采集当时的环境温度获得精确的速度，计算出液面距离。此系统具有易控制、工作可靠、测量精度高的优点，可实时检测液位。2、 课题研究的背景及意义目前，液位测量技术已经广泛的运用在工业部门和日常检测部门中。例如：液位测量技术在石油

6、、化工、气象等部门的应用。在测量条件和环境来说，有的测量系统被运用在十分复杂的条件与环境中。例如:有的是高温高压，有的是低温或真空，有的需要防腐蚀、防辐射，有的从安装上提出苛刻的限制，有的从维护上提出严格的要求等。这些都大大的提高了对测量技术的要求。所以能实现测量的无接触与智能化是液位测量计现在的主要发展方向。近年来，随着工业的发展，计算机、微电子、传感器等高新技术的应用和研究，液位仪表的研制得到了长足的发展，以适应越来越高的应用要求。3、国内外发展的现状 随着电子技术的发展出现了微波雷达测距、激光测距及超声波测距。前2种方法由于技术难度大成本高一般仅用于军事工业而超声波测距则由于其技术难度相

7、对较低且成本低廉适于民用推广。这项技术也可用于工业测量领域。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波常常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。随着自动测量和微机技术的发展，超声波测距的理论已经成熟，超声波测距的应用也非常广泛。超声测距是一种非接触式的检测方式。与其它方法相比，如电磁的或光学的方法，它不受光芒、被测对象颜色等影响。对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适

8、应能力。因此在液位测量、机单片机毕业论文械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用。特殊是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很轻易检测出来，具有很高的分辨力，因而其正确度也较其它方法为高；而且超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。因此本设计也是利用超声波来测量距离1。二、设计方案及其特点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。1、 方案一在光纤测液位中发现，光纤受外界环境因素的影响，如压力、温度、电场、磁场等环境条件变化时，将引起光纤传输的光波量，如光强、相位、频率、

9、偏振态等改变。如果能测量出光波变化的信息，就可以知道导致这些光波量变化的压力、温度、电场、磁场等物理量的大小，于是就能测出液位。光纤传感器的信号载体是在光纤中传输的光，而光纤本身是一种介质材料，这就赋予了光纤传感器具有一些常规传感器无可比拟的优点，如灵敏度高、响应速度快、动态范围大、防电磁干扰、超高压绝缘、无源性、防燃防爆、适用于远距离遥测、多路系统无地回路“串音”千扰、体积小、机械强度大、可灵活柔性挠曲、材料资源丰富、成本低等。图1 方案一原理框图2、方案二差压法测液位广泛地应用于生产过程，但在当被测液的密度随环境变化而变化的情况下，差压法测液位的误差很大，针对上述问题有人提出采用温度补偿法

10、，但由于石油原油的组成成分复杂，各炼油厂提供的石油组分差异很大，甚至同厂不同批次的石油物性参数也不一致，因此采用温度补偿法有一定的难度2。差压传感器2液位H定液位H0差压传感器1UX2AD637P/V转换P/V转换AD637除法器液位显示图2 方案二原理框图3、方案三 总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。声学式物位检测方法就是利用超声波的性质，通过测量声

11、波从发射至接收到被测物位界面所反射的回波的时间间隔来确定物位的高低超声波发射器被置于容器底部，当它向液面发射短促的脉冲时，在液面处产生反射，回波被超声接收器接收。若超声发射器和接收器到液面的距离为H，声波在液体中的传播速度为v，则有如下简单关系： (1) 超声波接收放大整形、滤波门控电路单片机40KHZ震荡频率超声波发射图3 方案三原理框图通过方案比较，由于方案三的抗干扰能力较强，不与介质接触无可动部件，工作十分可靠，故障率低，适应范围广。尤其适告高粘度、高腐蚀性介质的液位测量；压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频

12、率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了3。三、传感器工作原理 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著发射形成反射回波，碰到活动物体能产生多普勒效

13、应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。 超声波传感器的主要性能指标包括：（1） 工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度最高。（2） 工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别是诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不会失效。（3） 灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。 超声波测距原理是超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。

14、超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2。超声波的接收和发射是基于压电效应和逆压电效应。具有压电效应的压电晶体在受到声波声压的作用时，晶体两端将会产生与声压变化同步的电荷，从而把声波（机械能）转换成电能；反之，如果将交变电压加在晶体两个端面的极上，沿着晶体厚度方向将产生与所加交变电压同频率的机械振动，向外发射声波，实现了电能与机械能的转换。因此，用作超声发射和接收的压电晶体也称换能器。（a）液介式，探头固定安装在液体中最低液位之下。（b）气介式，探头安装在最高液位之上的空气或其它气体中。（c）固介式，把一根传声

15、固体棒插入液体中，上端要高出最高液位之上，探头安装在传声固体棒的上端4。图4 超声波测距原理图四、超声波测液位的电路图图5超声波测液位电路图 双定时器IC1555组成单稳态触发器。低电平变成正负尖顶脉冲，经过3AOUT得到负尖顶脉冲，触发单稳态触发器翻转。单稳态翻转输出的高电平持续约1ms，即tw11R5C51 ms。IC2555组成多谐振荡器，接地电阻振荡频率f140 kHz。该振荡器振荡受单稳态触发器输出电平控制。当单稳态触发器输出高电平时，多谐振荡器产生振荡，IC2555的引脚3输出约40个频率为40 kHz、占空比约50%的矩形脉冲5。五、 单元电路设计、参数计算和器件选择1、单元电路

16、设计（1）发射装置超声波发射单元包括振荡电路和驱动电路振荡电路是由2块555集成电路组成，IC1（555）组成超声波脉冲信号发生器它产生40 kHz的方波脉冲电路如图6（a）所示电路图7中第二级反相器输出的电压由RA（3K电阻和滑动变阻器）的调节，可以改变输入到第一级反相器输入端的相位当相位达到同相时，实现正反馈，就成了稳定的振荡器振荡周期公式为T=2.2RAC当RB足够大时，第一级反相器的输入电流可忽略不计由于超声波换能器中心频率都有偏差，所以RB采用电位计6，可以调节到最佳谐振点，这也是不用单片机产生方波的原因电路中IC1和IC2同时得到相位相反的2路控制脉冲，提供给驱动电路驱动控制采用了

17、L293型直流电机PWM调速芯片，它内部的H桥电路可以产生相位相反的两路脉冲驱动电路的直流电源电压可以改变，以适应不同传感器对电压的要求振荡电路中产生方波的两端，分别接到驱动电路3OUTA、3OUTBB端控制输出电路中输出使能端，由单片机产生控制信号对其控制5。图6超声波测液位发射装置电路图图7 超声波测液位发射装置电路图（2）、接收装置超声波接收单元中包括：模拟放大、滤波电路、电平转换电路，如图8所示模拟放大器选用高精度仪用放大器LM318作为信号放大与滤波之用，它的单位增益带宽为15 MHz，超出音频范围能够满足40 kHz的要求。在放大电路的负反馈回路中接入电容C1构成低通滤波器电容的选

18、择可由公式。求出f为采用的超声波频率因为多谐振荡器中有高频分量噪声，所以通过低通滤波器将高频噪声滤掉经过2极放大后，通过电容耦合，信号与参考电压比较产生高低电平，经过控制部分由单片产生7-8个周期的高电平，经过放大器驱动后，经GaAs发光二极管(LED)把信号发射出去，在信号控制端I/V转换后，控制L293来产生40KHz的超声波7。图8 超声波测液位接收装置电路图2、参数计算发射装置由两块555集成电路组成。IC1（555）组成超声波脉冲信号发生器，工作周期计算公式如下，实际电路中由于元器件等误差，会有一些差别。条件: RA =9.1M、 RB=150K、 C=0.01FTL = = 1 m

19、sec （2） TH = = 64 msec （3）IC2组成超声波载波信号发生器。由IC1输出的脉冲信号控制，输出1ms频率40kHz，占空比50的脉冲，停止64ms。计算公式如下：条件: RA =1.5K、 RB=15KTL = = 10sec （4） TH = 11sec （5）3、器件选择R1,R3,R4选用普通电阻，起限流的作用。R2选用1000K滑动变阻器，调节接收端信号。C1和C2选用100PF电解电容，作为晶振起电路电容。ICl和IC2均选用NE555型时基集成电路。TCT40-10T和TCT40-10R分别为发送和接收装置头。超声波接收头和IC4组成超声波信号的检测和放大。反

20、射回来的超声波信号经IC4的2级放大1000倍（60dB），第1级放大100倍（40dB），第2级放大10倍（20dB）。由于一般的运算放大器需要正、负对称电源，而该装置电源用的是单电源（9V）供电，为保证其可靠工作，这里用R1和R2进行分压，这时在IC4的同相端有4.5V的中点电压，这样可以保证放大的交流信号的质量，不至于产生信号失真。倍压检波电路取出反射回来的检测脉冲信号送至单片机进行处理。信号比较、测量、计数和显示电路，即比较和测量从发出的检测脉冲和该脉冲被反射回来的时间差8。4、系统需要的元器件清单序号元器件类型元器件规格数量备注1C1, C2100pF2晶振电容2Q1, Q29012

21、4PNP3UN1TCT40-10T1发送头4UN2TCT40-10R1接收头5R1,R3,R41M3电阻6LR74LS045非门7B11.5V3电源8R21000K1滑动变阻表1 元器件清单六、 总结目前，超声波液位计|物位仪的工业用途迅速扩大。这个一度成本高昂却不甚可靠的技术现在变得简单易用，价格低廉。超声波物位仪现已常规用于液位测量、流程监控以提高产品质量、检测缺陷、确定有无以及其它方面。这些传感器还能减少由损坏部件产生的废品，以及由此引起的停工时间，从而提高生产率。该项技术还沿着这个方向继续研发新产品。物位检测的精度主要取决于超声脉冲的传播时间和超声波在介质中的传播速度。前者可用适当的电

22、路进行精确测量，后者易受介质温度、成分等变化的影响，因此，需要采取有效的补偿措施9。 通过本次传感器课程设计对之前学过的各种传感器原理与应用有了进一步深刻的认识，了解到了传感器在人们日常生活中的作用，而且还对超声波测液位测量电路进行的深入的学习与研究。提高了搜集资料，动手动能力以及主动独立的学习能力。由于测量液位时采用了超声波传感器，这部分需要消耗较大的功率在，光推动部分不一定能产生足够大的功率使得传感器电路正常工作，从而影响测量精度。采用差压传感器用来测温的，这部分可以用来借鉴，采用差压传感器测温后可以有效的减小电路中功率的消耗。或者采用多个光电探测器采用多个硅光电池串联阵列的方式，这样可以

23、产生较大的功率来推动整个系统。参考文献1 刘国钧，陈绍业，王凤翥.图书馆目录M.北京：高等教育出版社，1999.15-18.2 刘润华,刘立山.模拟电子技术J.自动化仪表.2005(6):21-23.3 施文康，余晓芬.检测技术M.3版.北京：机械工业出版社，2010.4 李新光.过程检测技术M.北京：机械工业出版社，2004.5 张广军.光电测试技术M.北京：电子工业出版社，2003.6 王君，凌振宝.传感器原理及检测技术M.长春：吉林大学出版社，2003.7 林德杰.电气测试技术M.北京：机械工业出版社，2005.8 蔡萍，赵辉.现代检测技术与系统M.北京：高等教育出版社，2002.9 黄

24、贤武，郑筱霞.传感器原理与应用M.电子科技大学出版社,2004.9东北石油大学课程设计成绩评价表课程名称传感器课程设计题目名称液位传感器应用电路设计学生姓名学号指导教师姓名职称序号评价项目指 标满分评分1工作量、工作态度和出勤率按期圆满的完成了规定的任务，难易程度和工作量符合教学要求，工作努力，遵守纪律，出勤率高，工作作风严谨，善于与他人合作。202课程设计质量课程设计选题合理，计算过程简练准确，分析问题思路清晰，结构严谨，文理通顺，撰写规范，图表完备正确。453创新工作中有创新意识，对前人工作有一些改进或有一定应用价值。54答辩能正确回答指导教师所提出的问题。30总分评语：指导教师： 年 月 日