水位传感器自动测试系统的设计.doc

水位传感器自动测试系统的设计 1 水位传感器的工作原理： 水位传感器原理图如图1所示，主要利用电容传感器原理，其电容极板间的距离变化引起电容值的变化而达到水位测试的目的。极板下边所连空心小球所受浮力的大小与极板的所受重力应满足应满足的条件如公式①，极板间的距离x代表着水位的高低，x与电容值应满足的公式如式②。 图1测试简易图 mg≤ρgv ① C=ε A/x ② 2测试方案： 测试方案流程图如图3所示： 由此流程图可以知道是利用电容传感器变化的电容值和高频震荡器电容并联，改变了频率，再由鉴频把它转化成电压信号，在进行放大输出，输出后的电压波形图如图3： 图 ⑴，调频震荡： 调频调制原理设载波y（t）=Acos（ω0t），这里角频率ω0为常量。如果振幅A为常数。让载波瞬时角频率ω（t）随调制信号x（t）做线性变化，则有： ω（t）=ω0+kx（t）=dθ（t）/dt 式中的k为比例因子。 于是调频信号的总相角可以表示为： Θ（t）=∫ω（t）dt=ω0t+k∫x（t）dt+θ0 频率调制一般用振荡电路来实现，如图4所示LC振荡电路，变容二极管调制器（电容传感器），组成的电路。LC振荡电路该电路常用于电容，涡流，电感等传感器作测量电路。 将电容或电感作为调谐参数，则电路的震荡频率为： f0=1/2π√LC0 ③ 若电容C0的变化量为▲C，则上式变为： f=1/2π√LC0(1+▲C/C0)=f0/√1+▲C/C0 ④ 将上式按泰勒级数展开并忽略高阶项，得 f≈f0(1-▲C/2C0)=f0-▲f ⑤ 式中：▲f=f0▲C/2C0 ⑥ 将式①代入式 ⑥可以得到： ▲f= f0εxA/2 C0 ⑦ 有以上分析可以知道LC振荡电路的振荡频率f与调谐参数呈线性变化关系，亦即振荡频率受控于被测物理量（这里指C0）。这种被测物理量转化为振荡频率的过程称为直接调频测量。 图4 ⑵鉴频电路： 对调频波的解调也称为鉴频，鉴频的原理是将调频信号频率的变化相应的复原为原来电压幅值的变化。鉴频有多种方案可以使用，一般采用鉴频器和锁相环解调器。前者结构简单，在测试技术中经常使用；后者解调性能优良，但结构复杂，一般用于要求较高的场合。现在我们用的是振幅鉴频电路原理图如图5所示： 图6 图5为鉴频器示意图，该电路实际上是一个高通滤波器及一个包含络检波器构成。图6为滤波器的幅频特性H（f），从H（f）过度可以看到，随输入信号频率的不同，输出信号的幅值值便不同。通常在幅频特性的过渡带上选择一段接近直线的工作范围来实现频率与电压的转化，并将调频信号的载波频率f0设置在这段线性区的中点附近。由于调频信号的瞬时频率正比于调制信号x（t）等幅的u（f）经过高通滤波器后变换为u（a）。而u（a）则成为随调制信号x（t）的“调幅”信号，其包络形状正比于调制信号x（t），但频率仍与调频信号u（f）保持一致。该信号经二极管整流检波器检出包络信号。即可恢复出反映被测量变化的调制信号x（t）。 以上是调频解调的两个步奏，调频的最大优点在于他抗干扰能力强。这是应为调幅波容易受噪声干扰的影响，而调频是利用频率变化的原理，对噪声的幅度影响不太敏感，因而调频电路的信噪比比较高。 根据以上原理，可知调频后的电路为： 正玄电路公式为：?1=1/jωC+jωL 1 输入函数为： ?2=1/jωC 2 将1和2相乘得：?3=1+ω2LC 3 1和3相乘： ?x=1/jωC+jω3L2C 4 通过高通滤波器后，为1/jωC则?x=-jx/ωεA 5 图5 ⑶放大电路： 由于鉴频完了的信号比较微弱所以为了更清晰的显示我们采用了放大电路如图8所示： 其放大倍数为如下公式： U（y）=-u0C1/C2 ⑧ 图8 3，控制方案； 将鉴频后的电压信号通过放大电路，再经A/D转换器将模拟量转换为数字量，再将数字量送到主机当中