水位测量装置

1 前言

目前，在用于井下监控系统的检测中，矿井水仓水位是井下重要的安全参数之一。煤矿开采过程中涌出的地下水经井下各巷道集中至水仓，水仓水位实时地反映了矿井的水文情况，水仓水位在短时间内上升异常就预示着水灾事故发生的可能性在增大，因此，对水仓水位实时监测。。。。故系统的工作相当稳定和可靠。后面章节就从硬件和软件两个方面对该传感器作一介绍。（全是套话感觉没什么用）

2 项目背景介绍

地域水位是一种最基本的环境参数，它与人民的生活息息相关，在工业生产过程中需要实时测量水位，在农业生产中也离不开水位的测量，因此研究水位的测量方法和装置具有重要的现实意义。

测量水位的关键是水位传感器，.....

本论文将介绍智能集成液位传感器的结构特征及工作原理，并对由此传感器和AT89S52单片机为控制器构成的水位测量装置的工作原理及程序设计作了详细的介绍......本设计中采用CYX-32系列压力敏感头感测量外界环境水位，然后........实现了方便，安全操作的目的。(又是些废话，全是论文格式所逼) 核心部分：

3 硬件系统介绍

3．1 总体设计图

矿用水位传感器总体设计方框图如图3-1所示，主控制器采用AT89S52单片机,复位电路采用上电复位和单片机内部看门狗实现自动复位，水位敏感头采用天水华天公司生产的CYX-32系列压力敏感头测液位信息，红外控制模块采用HS0038接收器接收红外线数据，显示模块采用共阴四位LED数码管显示，报警模块采用蜂鸣器进行报警提示，频率输出模块把水位数据转化成对应频率的脉冲进行输出。

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图3-1 总体设计框图

3．2 液位敏感头（CYX-32）介绍

CYX-32系列压力敏感头采用含有不锈钢隔离膜片的进口高准确度、高稳定性力敏芯片，经严格精密的温度补偿而制成。可广泛用于腐蚀性或非腐蚀性气体、液体的表压、负压、绝压测量。

3．2．1 性能特点

性能特点：

●准确度高：优于0.1％

●稳定性好：≤0.2％FS/年，≤0.01％FS/℃

●温度范围宽：-20℃～+80℃

●功耗低

●体积小，安装方便

●本安防爆

3．2．2 内部结构及外形

CYX-32系列压力敏感头借助压力传感器来实现水位的测量，采用ASDX系列传感器，它属于压阻式传感器，如图3-2其内部包含的感应元件由4个压电电阻组成，它们埋藏在一个化学蚀刻而成的薄硅隔膜表面下。压力的变化使得隔膜发生形变，产生一个拉扯或扭曲力，这样电阻值就随之发生改变，通过电路产生一个输出电信号。当水位变化时，封闭气体受到的压力也随之变化，从而将液体的水位转化为气体压力传感器所受到的气体压力，通过测量气体压力就可知道水位高低。

图3-2 CYX-32系列压力敏感头内部结构

传感头外形如图3-3：

图3-3 CYX-32系列压力敏感头外形

3．2．3 CYX-32系列压力敏感头工作原理

投入式压力敏感头利用水的压力与水的深度成正比来测量水位，水压力即差压。投入式压力敏感头水位取样的基本原理是基于单晶硅材料的压阻效应。半导体单晶硅在受到水的压力后，其电阻会发生改变，且改变量与水的压力成正比。为了实现单晶硅的压阻效应，在应用中一般是在圆形硅膜片上扩散出四个P型电阻，构成惠斯登电桥的四个臂。

图3-4 投入式压力敏感头采集水位信号原理图惠斯登电桥原理如图3-4所示，电阻R1 -△R和三个电阻R2 +△R、R3 +△R、R4-△R构成电桥的四个臂。当在A、C端（电源对角线）加上直流电源时，B、D即称为“桥”，桥上串联个检流计可以用来检测其间有无电流流过，以比较“桥”两端的电位大小。

图中是由于压阻效应产生的电阻的变化量。在水的压力作用下，电桥的输出＝I △R，可见电桥的输出与电阻的变化量成正比，也就是与水的压力或深度U

BD

成正比，从而将水位物理量变成对应的近似成线性比例的电信号。

投入式压力敏感头选用进口不锈钢隔离膜片作敏感元件,将芯片装入一不锈钢壳体内。采用特制的防水通气电缆将信号引出。传感头投入被测液体内, 电缆接入仪表盒。由于采用特制的防水通气电缆,使感压膜片的背压腔与大气良好相通,测量液位不受外界大气压的影响,测量准确, 长期稳定性好, 并具有优良的密封和防腐性能, 可直接投入水中长期使用。

当把传感器探头投入到水中某一位置时，测点的水压力为：P=H*γ

其中：P－测点的水压力，g/cm2；H－测点水深，即测点至水面距离，cm；γ－水的比重。

可推算得测点水深：H＝P/γ；

矿用投入式压力敏感头把感受到的水压信号转换成电压信号，该信号为模拟量信号，必须将其放大后转换成数字量才能被单片机采集、分析、计算。计算处理后送三位LED数字显示电路，并输出200－1000Hz信号，1-5mA电流，供矿井监测系统的信号采集器—工作站使用。

3．2．4 CYX-32系列压力敏感头的使用方法

传感器的IN(+)、IN(-)分别接VCC和GND，OUT(+)、OUT(-)接运算放大器的输入端。本系统所用到的运算放大器（AD623）是在传统的三运放结构基础上改进的一种新型仪表放大器。AD623仪表放大器是美国模拟器件公司(Analog Devi ces Inc.,简称ADI)最近推出的一种低价格、单电源、输出摆幅能达到电源电压(通常称之为电源限输出，即rail to rail output)的最新仪表放大器。

其主要特点是：

(1)AD623使用一只外接电阻设置增益(G)，高达1000，从而给用户带来极大方便。

(2)AD623具有优良的直流特性：增益精度0.1%(G=1)，增益漂移25ppm(G=1),输入失调电压最大100μV(AD623B)，输入失调电压漂移1μV/°C(AD623B)，输入偏置电流最大25nA。

(3)AD623具有优良的CMRR(它随增益增加而增加)，使误差最小。电源线噪声及其谐波都受到抑制，因为CMRR抑制频率高达200Hz。

(4)AD623带宽800kHz(G=1),达0.01%建立时间20μs(G=10)。

(5)AD623的输入共模范围很宽，可以放大比地电位低150mV的共模电压。虽然AD623单电源供电能达到最佳性能，但双电源供电(±2.5-±6.0V)也能提供优良的性能。

(6)AD623低功耗(电源电流最大575μA)、宽电源范围和电源限输出特性非常适合电池供电应用场合。电源限输出特性使低电源供电条件下，电源限输出级使其动态范围达到最大。