e动电容传感器与89C51单片机的电子水平仪.pdf

第29卷第12期 物 理实 验 V01．29No．12 2009年12月 PHYSICSEXPERIMENTATIoNDec．，2009 实 基于差动电容传感器和89C51 验 单片机的电子水平仪 技 术 与 封维忠，杨 丽，吕开亮，陈 维 (南京林业大学信息科学技术学院，江苏南京210037) 摘要：针对原有的气泡式水平仪功能存在的不足进行了改进，改进后的仪器采用了变介质差动电容传感器，设计 了电容传感器变换电路，将传感器电容的变化转换为信号频率的变化，用89C51单片机对信号进行处理和显示．实验结 果表明，该方法制作的电子水平仪系统性能稳定，测量精度可达到0．01mm／m． 关键词：水平仪；差动电容传感器；89C51单片机 中图分类号：TH761．91文献标识码：A 文章编号：1005-4642(2009)12—0017—03 l 引 言 l， 水平仪作为一种通用工具，已成为土木建筑、 桥梁建设、铁路铺设、航空航海、工业自动化等领 r 力一 域不可缺少的工具之一[1]，传统的水平仪是利用 弧形的玻璃管内液体上方的小气泡是否居于正中 L)|| 位置来判断是否水平心]．这种水平仪结构简单， 但仅凭人眼直接观察，误差大，测量精度低，无法 图2差动电容的侧面示意图 直接测量倾斜角度，且测量结果不能直接输入计 算机．国外许多国家很早就开始了电子水平仪的 空气泡，玻璃管的两侧分别镀金属电极，电极1和 研制，许多国家已经制成成品．但随着科学技术 2，1和3分别构成差分电容C，j和C。。． 的发展，研制分辨率更高的电子水平仪具有重要 当玻璃圆柱体处于水平状态时，空气泡位于 的意义． 玻璃管的中部，由于玻璃管的左右电极几何结构 对称，故C，，一C2，，当玻璃管向某一端倾斜时，玻 2差分电容传感器的结构和原理 璃管中的空气泡则向相反的方向移动．由于水的 圆柱型变介质差动电容传感器如图1所示， 相对电容率er水一80，而空气的相对电容率￡r空= 其截面如图2所示，它是1只长为20mm、直径为 1，远远小于水的电容率，所以当空气泡向哪一端 8mm的玻璃管，管中装有水，水中有1个圆柱型 移动时，其相对应的电容器的电容量将发生变化， 通过检测电容器电容的变化，就可以检测水平仪 金 管 的倾斜角度． 3 电容传感器的信号调理电路 泡 电容传感器的信号调理电路通常有交流不平 衡电桥㈣、二极管环形检波电路Ⅲ、差动脉冲宽度 等方法，但这些调理电路所得到的电压值需经A／ 图1差动电容传感器 D转换后才能输入计算机，其测量精度与