非接触式液位传感器的设计（自动化）

                             任国晶，王惠玲，李宝生

               （中国电子科技集团公司第四十九研究所，黑龙江哈尔滨150001）

 摘要：通过对电容式液位传感器的分析与研究，设计了一种新的大量程非接触电容式液位传感器，介绍了该传感器的工作原理及详细设计方案。传感器采用电容阵列式的探头密封结构、基于频域测量法的检测电路和以单片机为核心的控制电路。实测结果表明：传感器精度在1.5%F．S范围内，输出稳定，漂移小，受温度影响小。该传感器既适合大量程的液位测量，又能通过灵活增减敏感元件个数，满足不同测量范围的需要。

关键词：传感器；电容阵列；频域测量；液位

中图分类号：TP212  文章编号：1006 - 2394( 2016) 06 - 0041  - 04

0  引言

    随着现代化控制和自动化技术的发展，液位传感器广泛应用于航空航天、舰船、水利、石油、化工、冶金等各个领域的自动检测和控制系统中，而且发挥着越来越显著的作用。电容式传感器以其结构简单、灵敏度高、动态响应好、抗过载能力强、能在高温、辐射、强烈振动等恶劣条件下工作等优点得到了广泛的应用。小到纳米数量级的测量，大到数米的测量范围；既可以进行静态测量，也可以进行动态测量。本文设计了一种大量程、非接触式电容式液位传感器，负责系统的汲水、投水以及药剂预混的控制及动作执行。传感器用于实时采集水箱中的水量，并向控制盒上传水量数据。

1  传感器的工作原理

    传感器由敏感元件与检测电路组成。敏感元件采用电容阵列式结构，由多对电极组成，所有电极是平行排列的金属棒或圆形金属环，每对电极组成一个电容，其介质为被测液体（主要成分为海水）或空气。敏感元件外侧装有外壳，将敏感元件部分与被测介质隔离，避免敏感元件被腐蚀，通过电磁场的边缘分布效应进行感应。敏感元件部分示意图如图1所示，其中各小电容的高度、间距及两极板的距离可根据不同的精度要求进行设计。

    检测电路采用频域测量法进行检测，电容与振荡器组成一个调谐电路，振荡器工作频率随被测电容的增加而降低，由于被测液体（主要成分为海水）的介电常数大约是空气介电常数的80倍，因此，检测到的电容C _n与C_n+1的值会相差很大，根据检测每对电容的值，就可以找到发生电容突变的电容的位置，这就很容易判断液位的位置。

2传感器的设计方案

    传感器由硬件设计和软件设计两部分组成。硬件设计包括电容式传感器、检测电路、控制电路、V/I转换电路；软件设计是单片机编程，进行频率信号的采集和计算，并判读液位输出。

    电容传感器将LC振荡器的振荡频率信号变换后输出至检测器，检测器负责对被检测电容转换的频率信号进行实时采集，并对数据进行存储和比较，最后由V/I转换电路产生4～20 m A的输出。

2.1敏感元件设计

    传感器设计成一种圆环电容式结构，其传感原理借助于两个带状电极间电磁场的边缘分布效应(fringeeffect)，如图2所示。

    传感器套管纵向放在被测介质中。套管由ABS材料制成，外壁上镶嵌有多对金属环状电极，形成圆环电容式结构，如图3所示。

    电极间的电场耦合强度与电极周围材料的介电特性密切相关。只要两电极间的电场能量足以穿透套管，电极间电场耦合强度则与套管外的被测介质有关。在电场作用下，两个电极构成一个电抗元件，其电特性既可能呈容性，也可能呈感性。如果电抗元件的数值能够随着套管外被测介质的改变而变化，它就满足了作为敏感元件的基本条件。传感器的阻抗在1~ 280MHz范围内呈现容抗特性，其后随着测量频率的升高转化为感抗传感器，本传感器的振荡频率在280 MHz范围内，因此呈现较好的容抗特性。

2.2硬件电路设计

2.2.1数据采集模块

    电容传感器与压控振荡器组成的调谐电路的输出频率很高，由于传输和记录高频信号的需要，在单片机对输入信号进行处理之前需要对调谐电路的输出频率进行分频，以取得在单片机处理范围之内的所需频率。采取预分频器件和纹波计数器对调谐电路的输出频率进行二次分频，使单片机输入端的频率信号满足要求。

2.2.2    CPU处理模块

    单片机是整个控制电路的核心，这里选用Infineon公司的单片机XC886，该单片机是高性能8位微控制器，兼容8051处理器，用于对采集的信号进行分析、处理，输出转换后的数据送给V/I转换电路，并控制V/I转换电路输出相对应的电流值。单片机外接BDM接口，用于程序的烧录与调试。

2.2.3供电模块

    传感器前端检测器与采集器由一个直流电源供电，其中，采集器直接接入直流电源，采集器将输入电压进行DC变换后再为下级检测器供电，以达到通过采集器上的电源模块控制检测器电源开关的目的。同时，为了使电路工作稳定，在采集器的电源输入端接电压调节电路，以稳定检测器中各元件的V _cc供电电压。

2.2.4数据通信模块

    系统采用总线实现各检测器间及检测器与采集器间的数据传输。同时，为了方便对不同检测器进行识别，单独设置一条数据传输线，在程序初始化时，由采集器对串接在一起的各检测器发送顺序编号命令，通过向各传感器顺序写入ID号进行排序，如此，简化了人工进行跳线标识排序的工作，减少了出错的机率。

    传感器的检测电路原理如图4所示，采用单片机和计算机通信技术，传感器将LC振荡器的频率信号输出至检测器，检测器根据频率数值进行比较和计算，由单片机将液位所在的电容位置对应的电流值发送给V/I转换电路，输出4～20 m A信号。

    根据圆环电容传感器测量原理，由于被测介质的变化，引起圆环电容的介质变化，于是电容值就会改变，从而引起LC的振荡频率变化，将所产生的频率信号通过分频器转换成单片机可识别的频率信号后进行数据处理。该传感器电路核心部件选用频率振荡器集成芯片

MC1648D，该芯片工作的上限频率为225 MHz，工作电源为5~7 V。由LC振荡电路产生频率信号通过分频器、检波电路、隔直放大和整流滤波电路后获取最终的频率信号。其振荡频率实为并联LC谐振频率，即：

    由此可见，随着水电介质和空气电介质的变化，式(3)中的C_p会发生较大地变化，因此式(1)中的f就会发生较大地变化，可以间接的测量液位。

2.3软件设计

    软件系统的设计是在Keil C51环境下完成的。Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，它提供了丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。软件流程图如图5所示。

2.4结构设计

传感器的整体结构图如图6所示。

    传感器的外壳2采用ABS材料制成，具有较好的力学性能和较强的耐腐蚀性。通过有效的结构密封及水密电连接器，使探头部分与外界被测介质完全隔离，能在潮湿、雨淋状态下正常工作。探头部分是采用级联方式完成的，可根据不同测量范围的需要，灵活的增减敏感元件的个数，而不需要进行大量的结构改动。

    由于传感器的测量范围较大(0～2 000 mm)，为了提高抗振性能，适应飞机上振动等恶劣环境，敏感元件横向与外壳紧密，纵向两端受压，这种静不定结构有效地减少了振动引起的敏感元件与外壳间的相对位移，减轻了外壳与敏感元件连接处的应力集中。

3试验与分析

    液位传感器的实验室标定是设计传感器过程中非常重要的一个环节。只有通过实验室条件下的标定试验与回归分析，才能定量刻画出传感器振荡频率与被测介质介电常数变化之间的相互关系。现以传感器的有效测量长度2 000 mm为例进行试验，传感器的分辨率为30 mm，通过软件监测，试验结果如表1所示。

    从数据可以看出，在液位满量程范围内，传感器最大绝对误差为16. 25 mm。

    通过选取随机测量点进行测量，传感器最大绝对误差为30 mm。

    传感器进行多个回程试验的试验数据如表2所示。

    用最小二乘法计算出：在满量程范围内，非线性为0.52%，准确度为1.1%。    

此外，传感器还进行了零点漂移的试验，来验证其稳定性。传感器在通电8h之内，零点输出最大误差为5A，通电24 h之内零点输出最大误差为6A。

    通过对多只传感器进性能测试，传感器各项性能指标与上述结果相差不大，一致性好。

4结论

    本文提出了一种新型大量程非接触式电容阵列式液位传感器，采用频域测量法进行液位检测，由单片机通过数字量的判断来实现液位计算，具有精度高、线性好、稳定性好等特点，能够很好地满足工程需要。此外，该传感器不仅能作为精确测量液位的装置，还能有效分辨不同介质液体的分界面，测量其液位。由于该传感器探头结构设计的灵活型，可拓展到其他应用领域，包括船舶、石油化工、锅炉、水处理等军用民用领域。