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　　　　现代计量测试 1998年第2期 高精度动态液位检测系统 雷道振　张迎新　潘文裕 ( 国防科工委指挥技术学院计算机应用研究所, 北京　101407) 摘要: 介绍一种利用8031单片机、红外光电检测器、步进电机和传动机构组成的对100毫升普通玻璃量筒中的液体 体积进行高精度非接触液位测量的动态液位检测系统。 关键词: 8031单片机　步进电机　红外检测　液位测量 　　一、引言 目前, 对某固定容器内液体体积的一般测量方法是先对该容器内液面位置进行测量, 然后再根 据此数据按一定公式换算成相应体积。 液位测量方法按探测器与液体接触与否分为两大类, 一是接触式测量, 二是非接触式测量。当 需要通过测量液位变化确定体积的变化时, 一般采用非接触式测量方法。但由于大多数非接触式液 位传感器测试范围较大, 绝对分辨率均大于05毫升, 因而在体积变化范围为0～ 100毫升, 液位相应 变化范围为0～ 200毫米时, 要达到05% 以上的测试精度, 普通的传感器就难以满足要求。为此, 我 们采用8031工控机、步进电机、红外光电检测器相结合的方法, 研制成功一种测量普通100毫升玻璃 量筒中液体体积实时变化的高精度动态液位检测系统, 其精度已达到02% , 分辨率为01毫升。 　　二、系统组成及工作原理 该系统硬件主要包括8031单片机、步进电机、驱动电路及红外光电检测器等, 工作原理框图见 图1。 图1　液位检测系统原理框图 各部分功能简述如下: 18031单片机 这是核心控制部件, 它的主要作用是接收液面信号、发送控制信号、进行数据处理, 同时产生控 制步进电机的节拍脉冲。 29 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 2 电机驱动电路 将8031单片机产生的节拍脉冲进行功率放大后, 传送到步进电机的相应绕组上, 按不同顺序驱 动电机正转或反转。 3 步进电机 液面跟踪的执行部件之一, 它与传动机构相配合可使红外检测器始终对准液面。 4 传动机构 该机构主要为一精密螺杆及支撑装置, 通过螺杆与电机轴的直接紧密耦合, 把电机的转动转换 成垂直升降, 从而消除了齿轮耦合传动所产生的间隙误差。该机构的加工精度直接影响测量精度。 在本系统中, 电机每走一步, 垂直距离变化约003毫米, 相应地液体体积变化约002毫升。 5 红外光电检测器 这是检测液面的关键部件之一。根据系统要求, 该部件要能分辨出02毫米左右的液面变化, 为 此, 我们采用了一种槽形结构的对射式红外光电对管, 发射与接收管安装在量筒的两侧, 其光束与 液面严格平行。 本系统的基本工作原理是, 通过液位跟踪器上的红外对管检测量筒中液面的变化情况。当液面 恰好与红外光束处于同一平面时, 光线被遮断, 红外接收管输出一高电平信号; 而其余情况下红外 接收管输出一低电平信号。此信号被送到8031单片机的 14 口, 8031经判断处理后再通过驱动电 P 路发出控制信号, 送到电机, 从而使电机转动, 带动液位跟踪器跟随液面变化。 8031单片机的主要作用是检测红外信号, 发出系列脉冲并实现方向控制。每当步进电机输入线 上得到一个脉冲, 它便沿着控制信号所确定的方向前进一步。只要负载是在此步进电机的允许范围 之内, 那么每个脉冲都将使电机转动一个固定的步距角度。根据步距角的大小和实际走的步数以及 初始位置, 便可换算出电机所带动的跟踪器的最终位置, 亦即液体的实际体积值。 　　三、测试方法 为提高测量准确度, 对液体初始位置的准确测量是非常重要的。普通的玻璃量筒由于制造工艺 等原因, 一般底面均不平整, 且各量筒的一致性不好, 加上反光等因素使初始位置不易确定。为解决 这个问题, 可以采用一种特制的精密量筒, 它的底面用金属材