电容式导电液体液位传感器
电容式液位传感器及测量原理
d A C ε=电容式液位传感器及测量原理1引言 (1)2电容式液位传感器的结构与测量原理 (1)2.1电容式液位传感器的结构 (1)2.2电容式液位传感器的工作原理 (3)3电容式液位传感器的特点 (6)1引言电容式传感器利用了非电量的变化转化为电容量的变化来实现对物理量的测量。
电容式传感器广泛用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，并正逐步扩大到压力、差压、液面（料位）、成分含量等方面的测量。
电容式传感器具有以下几个特点：1）机构简单，体积小，分辨力高；2）可实非接触式测量；3）动态效应好。
电容式传感器的固有频率很高，因此动态效应时间短，且其介质耗损小，可使用较高的工作频率，可用于测量高速变化的参数；4）温度稳定性好。
它本身发热量极小；5）能在高温、辐射和强振动等恶劣条件下工作6）电容量小，功率小，输出阻抗高，因此，负载能力差，易受外界抗干扰产生不稳定现象。
2电容式液位传感器的结构与测量原理2.1电容式液位传感器的结构电容式传感器是把被测的非电量转换为自身电容量变化的一种传感器。
这些被测量是用于改变组成电容器的可变参数而实现其转换的。
电容式传感器的基本工作原理可以用最普通的平行极板电容器来说明。
两块相互平行的金属极板，当不考虑其边缘效应（两个极板边缘处的电力线分布不均匀引起电容量的变化）时，其电容量为：（1）公式中 ——电容极板间介质的介电常数；A ——两平行板所覆盖的面积；d ——两平行板之间的距离。
因此只要改变其中的一个参数，就会引起电容量的变化，根据这一电容结构关系可构成变极距电容传感器，变面积型电容传感器和变介质型传感器、用于测量液位的电容式传感器。
是利用容器中的物料为恒定的介电常数时，极间电容正比于液位的原理而构成的，并应用电子学方法测量电容值，从而探测液面位置信息。
特点是液位测量只与电容结构有关，与物料的密度无关根据这一特点，可采用圆筒形结构构成变面积型的液位传感器，这种传感器结构的探头是由这两个电极极板构成，通过气、液或料相介质的高度不同引起极间电容改变来探测物面位置的。
电容式导电液体液位传感器
传感器课程设计说明书电容式导电液体液位传感器Capacitive conductive liquid level sensor学院名称：机械工程学院专业班级：学生：学生学号：指导教师：指导教师职称：教授2012年 1 月电容式导电液体液位传感器专业班级：**** 学生：**** 指导老师：**** 职称：****摘要在工业自动化生产过程中，为了实现安全快速有效优质的生产，经常需要对液位进行测量，继而进行自动调节、智能控制使生产结果更趋完善。
通常进行液位测量的方法有二十多种，分为直接法和间接法。
直接液位测量法是以直观的方法检测液位的变化情况，如玻璃管或玻璃板法。
然而随着工业自动化规模的不断扩大，因其方法原始、就地指示、精度低等逐渐被间接测量方法取代。
目前国外工业生产中普遍采用间接的液位测量方法，如浮子式、液压式、电容法、超声波法、磁致伸缩式、光纤等。
其中电容式液位测量价格低廉、结构简单，是间接测量方法中最常用的方法之一。
本设计采用一种简单方便的电容式液位测量方法，电容式传感器是将被测非电量的变化转化为电容变化量的一种传感器,它具有结构简单、分辨力高、可实现非接触测量，并能在高温、辐射和强烈震动等恶劣条件下工作等优点，是很有发展前途的一种传感器。
本电容式液位测量设计方式是用等径的长直圆筒容器，液位的高低正比于导电液体与测杆中导电金属铜之间电容的大小，通过测量电路的转换，就可以很方便地测量出液面的位置。
此课程设计的目的是为了熟练掌握电容传感器的基本知识和各种测量电路的原理运用；基本掌握测量液位方法的基本思路和方法；能够利用所学的基本知识和技能，解决简单的传感器测量问题；培养综合利用传感器进行测量设计的能力。
关键词：液位测量电容式传感器测量电路电容传感器测量目录第一章绪论 (3)1.1引言 (3)1.2电容式液位测量技术的发展 (3)1.2.1 电容式液位测量现状 (3)1.2.2 电容式液位测量存在的问题 (4)1.2.3 电容式液位传感器的发展趋势 (4)第二章实验原理 (5)2.1电容传感器 (5)2.2电容传感器实物图 (6)2.3电路结构 (8)2.4实验所需部件 (8)2.4.1 差动放大器 (8)2.4.1.1 高精度运算放大器的构成 (8)2.4.1.2 OP07CP (9)2.4.2 低通滤波器 (11)2.4.2.1 低通滤波器的构成 (11)2.4.2.2 HA17741 1A1 (11)2.4.3 电容变换器 (12)2.4.3.1 电容变换器的构成 (12)2.4.3.2 CA3140E (14)第三章实验结果及数据处理 (16)3.1初次实验 (16)3.2二次实验 (17)第四章影响液位测量的主要因素 (19)结论和心得体会 (19)致 (20)参考文献 (21)附录：课程设计任务书 (22)第一章绪论1.1 引言在各种化工、食品、石油仓储等工业生产过程中经常要对存储在储仓罐和其它容器中的生产原料及产品液体或固体的体积或高度进行测量和控制，以确保生产的正常进行。
液位传感器的种类
液位传感器的种类一、液位传感器概述液位传感器是一种用于测量液体或液态物质深度的传感器。
它广泛应用于工业生产、环境保护、医疗卫生等领域，对于监控液体的存储、流动和消耗等方面具有重要作用。
液位传感器具有多种类型，各有其独特的原理和应用范围。
二、液位传感器的种类与工作原理1.电容式液位传感器电容式液位传感器是利用电容器原理工作的。
在传感器内部，有一个电极和导电的液体介质。
当液位发生变化时，液体的介电常数会发生变化，从而影响电容器中的电容值。
通过测量电容值的变化，可以计算出液体的深度。
这种传感器具有响应速度快、精度高、稳定性好等优点，但容易受到温度、压力等因素的影响。
电容式液位传感器的具体工作原理如下：在传感器内部，有一个电极和导电的液体介质。
当液位发生变化时，液体的介电常数会发生变化，从而影响电容器中的电容值。
通过测量电容值的变化，可以计算出液体的深度。
2.超声波液位传感器超声波液位传感器是利用超声波的反射原理来测量液位。
在传感器内部，有一个超声波发生器和接收器。
当超声波发生器发出超声波时，它会在液体表面产生反射，然后被接收器接收。
通过测量超声波在空气中传播的时间，可以计算出液体的深度。
这种传感器具有非接触、测量精度高、适用范围广等优点，但受环境噪声和气体影响较大。
超声波液位传感器的具体工作原理如下：在传感器内部，有一个超声波发生器和接收器。
当超声波发生器发出超声波时，它会在液体表面产生反射，然后被接收器接收。
通过测量超声波在空气中传播的时间，可以计算出液体的深度。
3.光学式液位传感器光学式液位传感器是利用光的折射、反射、干涉等原理来测量液位的。
常见的光学式液位传感器有光纤液位传感器和激光液位传感器。
当光线通过液体时，会发生折射和反射现象，通过测量光线的折射和反射情况，可以推算出液体的深度。
这种传感器具有非接触、测量精度高、耐腐蚀等优点，但容易受到液体颜色、透明度等因素的影响。
光学式液位传感器的具体工作原理如下：在传感器内部，有一个光源和一个光接收器。
电容式传感器应用实例演示
电容式传感器应用实例演示电容式传感器是一种广泛应用于工业领域的传感器之一，它通过测量电容的变化来检测环境中的物理量。
其原理是利用了介质的电容与其周围环境的关系，当介质的性质或位置发生改变时，电容值也会发生相应的变化。
以下是几个电容式传感器应用实例的演示：1.液位检测：在液体储罐中安装电容式液位传感器，通过测量液位与罐壁之间的电容变化来确定液位的高低。
当液位上升时，液体与罐壁之间的介电常数增加，导致电容值增加；反之，当液位下降时，电容值减小。
这种液位检测方法广泛应用于石油、化工等行业。
2.触摸传感：将电容式传感器应用于触摸屏上，能够实现触摸位置的精确检测。
触摸屏上覆盖了一层由导电材料制成的感应层，当手指接触屏幕时，手指周围的电场会影响感应层上的电容。
通过测量这个电容的变化，可以确定手指触摸的位置，并将其转化为相应的控制信号。
3.地热能利用：利用地下的地热能作为供暖或供冷的能源已经成为一种环保的方式。
电容式传感器可以用于监测地下能源的温度变化，通过测量地下水或土壤的电容来确定温度变化的幅度和趋势。
这种监测方式有助于科学合理地利用地下的地热能，提高能源利用效率。
4.空气质量检测：通过检测空气中各种气体的电容变化，可以判断空气质量的优劣。
电容式传感器能够感知空气中的气体浓度变化，从而实时监测空气中的有害气体浓度。
将这些传感器应用于空气净化器或环境监测设备上，可以实时监测和改善室内空气质量。
5.智能农业：电容式传感器可以应用于农业领域，实现土壤湿度的准确测量。
根据土壤的含水量不同，土壤的电容也不同，通过测量土壤与传感器之间的电容变化，可以判断土壤的湿度状况。
利用这些数据，可以实现精准的灌溉控制，提高农作物的产量和质量。
总结：电容式传感器广泛应用于液位检测、触摸传感、地热能利用、空气质量检测和农业等领域。
通过测量电容的变化，可以实现对环境中各种物理量的检测和监测。
随着科技的不断进步，电容式传感器在各个领域的应用也将不断扩大和深入。
电容液位计的原理
电容液位计的原理一、电容式物位计液位计的工作原理电容式物位计由电容式物位传感器和检测电容的线路组成。
其基本工作原理是电容式物位传感器把物位转换为电容量的变化，然后再用测量电容量的方法求知物位数值。
电容式物位传感器是根据圆筒电容器原理进行工作的。
其结构如同2个长度为L 、半径分别为R和r的圆筒型金属导体，中间隔以绝缘物质，当中间所充介质是介电常数为ε1的气体时，两圆筒的电容量为：如果被测介质为导电性液体时，电极要用绝缘物（如聚乙烯）覆盖作为中间介质，而液体和外圆筒一起作为外电极。
假设中间介质的介电常数为ε3，电极被浸没长度为l，则此时电容器所具有的电容量为：其中：R 和r 分别为绝缘覆盖层外半径和内电极外半径。
由于ε 3 为常数，所以C 与l 成正比。
如果电极的一部分被介电常数为ε2的液体（非导电性的）浸没时，则必须会有电容量的增量△C 产生（因ε2>ε1），此时两极间的电容量C=C1+△C。
假如电极被浸没长度为l，则电容增量为：当ε2、ε1、R、r不变时，电容量增量△C与电极浸没的长度l 成正比，因此测出电容增量数值便可知道液位高度。
二、电容式物位计液位计在应用中应注意的几个问题1、选型由于被测介质的不同，电容式物位传感器有不同的型式。
（1）测量非导电液体的电容物位传感器，当用于较稀的非导电液体（如轻油等）时，可采用一金属电极，外部同轴套上一金属管，相互绝缘固定，以被测介质为中间绝缘物质构成同轴套筒形电容器。
（2）测量导电液体的电容物位传感器，容器（规则）和液体作为电容器的一个电极，插入的金属电极作为另一电极，绝缘套管作为中间介质，三者组成圆筒形电容器。
当容器为非导电体时，需另加一个接地极，其下端浸至被测容器底部，上端与安装法兰有可靠的导电连接，以使二电极中有一个与大地及仪表地线相连，保证仪表正常测量。
（3）当测量粉状非导电固体料位和粘滞性非导电液体液位时，可采用金属电极直接插入圆筒型容器的中央，将仪表地线与容器相连，以容器作为外电极，料或液体作为绝缘介质构成圆筒型电容器。
介电常数型电容式传感器测量液位的结构原理和 测量方法。
介电常数型电容式传感器测量液位的结构原理和测量方法。
介电常数型电容式液位传感器是一种常用于测量液体液位的传感器。
它利用液体与传感器之间的电容变化来实现液位的测量。
本文将介绍介电常数型电容式液位传感器的结构原理和测量方法。
一、结构原理介电常数型电容式液位传感器一般由两个电极构成，一个是内部电极，置于容器内部，接触液体；另一个是外部电极，安装在容器的外壁上。
当传感器周围空间内有不同介电常数的物质时，两个电极之间就会形成一个电容。
传感器内部的电极通常是一个金属管，它充当着液位传感器的一个极板，又作为液体容器的内衬。
金属管的内侧与液体接触，外侧与容器的壁隔离。
液位上升时，液体中介电常数相对空气较大，电容值相应增大；液位下降时，液体中介电常数相对空气较小，电容值相应减小。
传感器的外部电极通常是一个与液位变化没有直接关联的导电材料，如金属片或金属环。
外部电极与传感器内部电极之间的电容取决于液体在两个电极之间的介电常数差异。
二、测量方法介电常数型电容式液位传感器常用的测量方法主要有两种：差分模式和绝对模式。
1.差分模式差分模式是通过测量两个电容的差值来实现液位的测量。
传感器的内外两个电容分别为C1和C2，液位下降时C1减小，C2增大；液位上升时C1增大，C2减小。
通过测量C1和C2的差值，可以得到液位的变化。
差分模式测量的优点是可以减少温度等环境因素对测量结果的影响，并且具有较高的测量精度。
然而，差分模式需要测量两个电容值，因此需要更复杂的电路设计和信号处理。
2.绝对模式绝对模式是通过单独测量一个电容的值来实现液位的测量。
一般选择外部电容C2进行测量。
当液位上升时，C2减小；液位下降时，C2增大。
通过测量C2的值，可以得到液位的变化。
绝对模式测量的优点是电路设计简单，信号处理也相对简单。
但是，绝对模式对温度等环境因素的影响较大，需要进行温度补偿以提高测量精度。
三、总结与应用介电常数型电容式液位传感器是一种基于电容测量原理的传感器，通过测量液体与传感器之间的电容变化来实现液位的测量。
电容式液位传感器设计
一设计原理本设计采用筒式电容传感器采集液位的高度。
主要利用其两电极的覆盖面积随被测液体液位的变化而变化，从而引起对应电容量变化的关系进行液位测量。
由于从传感器得出的电压一般在0~30mv之间，太小不易测量，所以要通过放大电路进行放大。
从放大电路出来的是模拟量，因此送入ADC0809转换成数字量，ADC0809连接于单片机，把信号送入单片机。
通过单片机控制水泵的运转。
显示电路连接于单片机用于显示水位的高度。
该显示接口用一片MC14499和单片机连接以驱动数码管。
二传感器设计.(1)传感器原理电容式液位传感器系统; 它利用被测体的导电率, 通过传感器测量电路将液位高度变化转换成相应的电压脉冲宽度变化, 再由单片机进行测量并转换成相应的液位高度进行显示,该系统对液位深度具有测量、显示与设定功能, 并具有结构简单、成本低廉、性能稳定等优点。
(2)传感器的组成图3-1-2 为传感器部分的结构原理图。
它主要是由细长的不锈钢管(半径为R1 ) 、同轴绝缘导线(半径为R0 ) 以及其被测液体共同构成的金属圆柱形电容器构成。
该传感器主要利用其两电极的覆盖面积随被测液体液位的变化而变化, 从而引起对应电容量变化的关系进行液位测量。
图3-1-2传感器原理图(3) 测量原理由图1 可知, 当可测量液位H = 0 时, 不锈钢管与同轴绝缘导线构成的金属圆柱形电容器之间存在电容C0 , 根据文献得到电容量为:（1）式中, C0 为电容量, 单位为F ; ε0 为容器内气体的等效介电常数,单位为F/ m; L 为液位最大高度; R1 为不锈钢管半径;R0 为绝缘导线半径, 单位为m。
当可测量液位）为H 时, 不锈钢管与同轴绝缘电线之间存在电容CH :（2）式中, ε为容器内气体的等效介电常数, 单位为F/ m。
因此, 当传感器内液位由零增加到H 时, 其电容的变化量ΔC 可由式(1) 和式(2) 得（3）由式可知, 参数ε0 , ε, R1 , R0 都是定值。
电容式液位传感器 传感器常见问题解决方法
电容式液位传感器传感器常见问题解决方法电容式液位传感器（变送器）在船舶上一般被用于锅炉水位探测、油水分别器器油位探测以及货舱进水报警探测、主机高压油管漏油检测报警。
具有灵敏度高、环境适应性强以及寿命长、需要维护的内容简单等特点！容式液位计是接受测量电容的变化来测量液面的高处与低处的。
它是一根金属棒插入盛液容器内，金属棒作为电容的一个极，容器壁作为电容的另一极。
两电极间的介质即为液体及其上面的气体。
由于液体的介电常数1和液面上的介电常数2不同，比如：12，则当液位上升时，电容式液位计两电极间总的介电常数值随之加大因而电容量增大。
反之当液位下降，值减小，电容量也减小。
电极一般都有绝缘层包裹，船用接受的是特氟龙材料。
用电容液位计测量物位的一个基本要求是：被测介质的相对介电常数（被测介质与空气的介电常数之比）在测量过程中不应变化。
与液位计搭配的变送器把电容变化的信号经过各种补偿、计算后转换成相对于液位量程的4—20毫安电流信号的输出，用于远程仪表的输入或者掌控设备的信号采集。
原理图和机构图如下：用过原理图和机构图可以看出，电容式液位传感器一般是利用电极与金属容器外壳之间形成的电容变化，变送后输出4—20毫安或者其他符合要求的电信号形式通过变送器把电容变化的信号转换成继电器触点形式的信号输出。
船舶抵港前检查的紧要内容之一、通过多条船舶的调查，在实际检查中，操作人员往往接受在接线没有拆除的情况下，旋转下传感器，向桶内注油的实际测试方式，这样会造成频繁拆卸，传感器接线松脱、扭曲变形，水密性能失效，简单损坏内部电极！推举一种有效的测试方法如下：在通电情况下，无论漏油容器内是否有油，把传感器变送模块上的开关MAX—MIN 拨动到MIN位置，稍等片刻，模块会给出报警信号啦日常管理要点：对于电容式液位传感器，日常保养所需内容不多，电机员只需注意以下几点：1、保证传感器的水密和防止磕碰电极绝缘层。
2、日常要保证电极的清洁，依据原理测量精度和测量空间内的物质介质常数有关，保持恒定是的。
电容式液位传感器
• 插入式安装：将电极插入液体中
• 安装绝缘介质
• 非插入式安装：将电极安装在容器壁外
• 连接引出线和测量电路
• 潜水式安装：将传感器安装在潜水设备上
• 安装壳体和保护装置
电容式液位传感器的调试方法与技巧
调试方法
• 检查电极和绝缘介质是否完好
• 调整检测电路参数，提高测量精度
• 进行液位标定，确定液位与电容值的关系
• 检查引出线和测量电路，保证电路畅通
• 定期进行性能检查，保证使用寿命
06
电容式液位传感器的发展趋势与市场前景
电容式液位传感器的技术发展趋势
提高测量精度和稳定性
• 采用先进的检测方法和电路设计
• 提高电极和绝缘介质的性能
扩展应用领域
• 开发适用于不同液体和环境的传感器
• 集成化和智能化发展，提高系统集成度
• 系统集成和自动化设备控制
03
电容式液位传感器的优点与缺点
电容式液位传感器的优点分析
安装维护简便
• 安装方式灵活，易于维护
• 成本低，使用寿命长
高精度
• 可以实现高精度液位检测和控制
• 适用于各种液体的液位测量
抗干扰能力强
• 对环境干扰和液体杂质不敏感
• 适应各种复杂环境
电容式液位传感器的缺点分析
02
绝缘介质设计
• 选择合适的绝缘材料
• 考虑绝缘介质的耐压性能
03
检测电路设计
• 选择合适的检测方法
• 考虑电路的抗干扰能力
电容式液位传感器的选型原则
根据液位测量精度要求选择
• 高精度测量场合选择频率调制法或桥式电路法
• 低精度测量场合选择恒定电流法
电容式传感器在液位测量中应用论文
电容式传感器在液位测量中的应用【摘要】本文主要介绍了电容式传感器在液体测量中的一项应用——电容式液位计。
电容式液位计是企业自动化的重要检测工具.本文介绍的电容式传感器做成水位测量计报警系统，结构简单，具有极高的抗干扰性和可靠性，解决了温度、湿度、压力及物质的导电性等因素对测量过程的影响。
【关键词】电容式液位计;测量原理;连接电路洪水灾害是我国发生频率高、危害范围广、对国民经济影响最为严重的自然灾害。
洪灾会造成江、河、湖、库水位猛涨，堤坝漫溢或溃决。
所以一个安全，可靠，及时的水位测量系统显得尤为重要，目前我国较多使用的是浮子式水位测量计，虽然结构简单，但是干扰性较差，抗腐蚀能力也较低。
本文根据检测与转化技术中的电容式传感器做成水位测量计报警系统，结构简单，具有极高的抗干扰性和可靠性，解决了温度、湿度、压力及物质的导电性等因素对测量过程的影响。
能够测量强腐蚀性的液体，如酸、碱、盐、污水等。
1.解决方案由于较多的降雨，水库的水位会增加，所以可以利用电容式传感器做成水位测量计。
1.1检测原理电容式液位计是根据电容的变化来实现液位高度测量的液位仪表，电容式液位计的主要构件包括容式物位传感器和检测电容的线路。
电容式液位计在测量时是将一根金属棒探入被测量容器的溶液中，将金属棒作为电容的一极，将容器壁作为电容的另一极。
电容式液位计在工作时，两个电极之间分别处于两种介质之中，而这两种介质的介电常数肯定是不同的，液体的介电常数ε1和气体的介电常数ε2之间存在一个差，这样同一段距离中ε1与ε2的比例不同，加和的结果也不同。
电容式液位计测量时，加设ε1>ε2，那么当液位升高时，ε1占据的比例增大而ε2占据的比例减小，两个电极之间的总的介电常数值也就会随之增大，而电容量也就会相应增加，通过对电容量增加值的测算就可以得到液位高度值。
在液位的连续测量中，多用同心圆柱式电容器，同心圆柱式电容器的电容量:c=■式中：d、d——外电极内径和内电极外径(m)；ε——极板间介质介电常数(f/m)；l——极板相互重叠的长度(m)。
电容式液位计原理
(二)非导体液体电容传感器
非导电液体，不要求电极表面绝缘，可以用裸电
极作内电极，外套以开有液体流通孔的金属外电极，通 过绝缘环装配成电容传感器。
C0
2π 0 L
ln(D0 / d )
CH
2π0 p H
ln(D / d )
2π0 (L H )
ln(D0 / d )
CX CH C0
2π0 ( p 1) H
由图可知当液位由零变化到H时，电容传感器的 电容变化量CX为
CX
CH
C0Biblioteka 2π H ln(D / d )
2π0 (L H ) 2π0L
ln(D0 / d ) ln(D0 / d )
2π( 0 ) H
ln(D / d )
2π H SH
ln(D / d )
式中ε为绝缘套管或陶瓷涂层的介电 系数； ε0’为绝缘套管和空气共同组 成电容的等效介电系数；S为传感器 灵敏度系数。
ln(D / d )
SH
1-内电极；2-外电极； 3-绝缘环
(三)粉粒状物料电容传感器
在测量粉粒状非 导电介质如矿石、合金、 石灰、干燥水泥、粮食 等的料位，是长期困扰 的难题，至今还没有一 个准确可靠的测量方法。
电容式料位计原理 (a)金属料仓； (b)水泥料仓 1-内电极;2-金属容器壁电极; 3-钢丝绳内电极;4-钢筋;5-绝缘体
电容物位传感器
(一)导电液体电容传感器 水、酸、碱、盐及各种水溶液
等导电液体电容液位传感器一般用直 径为d的不锈钢或紫铜棒做电极，外 套聚四氟乙烯塑料绝缘管或涂以搪瓷 绝缘，如图。电容传感器插在直径为 D0容器内的液体中， 通过检测传感器 电容变化量即可知液位的高低。
电容式液位传感器原理
电容式液位传感器原理电容式液位传感器是一种常用的液位检测装置，它利用电容原理来实现对液位的测量。
在液位传感器中，电容式液位传感器因其简单、精度高、不易受外界干扰等优点而得到广泛应用。
下面我们来详细了解一下电容式液位传感器的原理。
首先，我们需要了解什么是电容。
电容是指导体之间存储电荷的能力，通常用C来表示，单位是法拉（F）。
在电容式液位传感器中，液位高度的变化会引起电容的变化，从而实现对液位的测量。
电容式液位传感器由两个电极组成，它们可以是金属棒、金属板或者金属膜等。
当液位上升时，液体会填充电容器的空间，从而增加电容的值；反之，当液位下降时，液体会减少电容器的空间，导致电容的值减小。
因此，通过测量电容的变化，可以准确地得知液位的高度。
在电容式液位传感器中，通常会采用一些辅助电路来实现对电容的测量。
例如，可以通过将电容与一个固定的电阻串联，然后输入一个固定频率的交流电压，利用电容与电阻串联后的等效电路特性来测量电容的值。
通过这种方式，可以实现对电容的准确测量，从而得到液位的高度信息。
此外，电容式液位传感器还可以通过改变电容器的结构来实现不同的测量要求。
例如，可以采用导电涂层的金属棒作为电极，当液位上升时，液体会覆盖导电涂层，从而改变电容的值；当液位下降时，液体会暴露出导电涂层，电容的值也随之改变。
这种结构的电容式液位传感器可以实现对不同液体的测量，并且对液体的粘稠度、温度等影响较小。
总的来说，电容式液位传感器利用电容原理来实现对液位的测量，通过测量电容的变化来得知液位的高度。
它具有精度高、不易受外界干扰等优点，因此在工业控制、化工、环保等领域得到广泛应用。
希望通过本文的介绍，读者能对电容式液位传感器的原理有所了解，并能在实际应用中加以运用。
电容式传感器的应用举例.
电容式传感器的应用举例
电容传感器可用来测量直线位移、角位移，振动振 幅(可测至0.05μm的微小振幅)，尤其适合测量高频振动 振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量，还可用来 测量压力、差压力、液位、料面、粮食中的水分含量、 非金属材料的涂层、油膜厚度、测量电介质的湿度、密 度、厚度等等。在自动检测和控制系统中也常常用来作 为位置信号发生器。
0
当测量导电固体的料位时，采用
P93图4—22（b）方案。
4、电容式位移传感器
1. 平面测端（电极） 2. 绝缘衬塞 3. 弹簧 7. 螺母
振动位移测量
电容式振动位移传感器应用示意图
贝尔实验室
指纹传感芯片：电容感应原理
Veridicom的指纹传感芯片表面由300×300个电容传感 器组成。 当个人把他的手指放在传感器上时，手指充当电容器 的另外一极。由于手指上指纹纹路及深浅的存在，导致硅 表面电容阵列的各个电容电压的不同，通过测量并记录各 点的电压值就可以获得具有灰度级的指纹图象。
r1
前述公式：
2x C ln D / d
h
对照着应用：
0
hx
20 h hx 2hx C ln r2 / r1 ln r2 / r1
r2
内外极板间要加绝缘层！
注意：不做特殊处理的情况下，仅可用于检测非导电液体介质。
20 h hx 2hx C ln r2 / r1 ln r2 / r1 C 2 0 S hx ln r2 / r1 h
七种常用液位传感器的应用及原理
七种常⽤液位传感器的应⽤及原理液位传感器已经存在了⼏⼗年，在⾷品和饮料，⼯业，医疗和家⽤，印刷，农业，汽车和⽩⾊家电等市场中进⾏泄漏检测或液位测量。
我们经常想知道为什么客户选择⼀种技术⽽不是另⼀种技术。
这是我们被问到的⼀个常见问题。
⼀些设备制造商也可能对市场上可⽤的液位传感替代品的种类和智能感到惊讶。
过去，那些昂贵的，涉及到设备的检测过程的技术，现在可以使⽤先进，创新和智能⽅法来实现，这些技术具有成本低，效益⾼，可靠，坚固，⾼度准确且易于安装的特点。
历史上已知的，具有极难挑战性的流体，例如含有⽓泡/泡沫的肥皂，⽜奶和粘性物质（如胶⽔和墨⽔），现在被证明是可能的并且很容易被各种液位传感技术检测的物质。
但是，客户否需要这样的传感器或由传感器开发的设备是很多⼈关⼼的问题。
⽽且，随着⾏业的竞争性和⼀贯想要提⾼质量，降低成本，提⾼效率、减少浪费资源的⽬的，没有⼀家公司愿意冒险尝试那种不尽⼈意的解决⽅案的。
因此熟悉不同液位传感器的⼯作原理及优缺点，有助于帮助我们选择更合适的液位传感器，下⾯⼯采⽹⼩编整理了⽬前常见的液位传感器的检测原理。
⼀、光电液位开关优点 - 紧凑，⽆活动部件，耐⾼压和抗⾼温能⼒，同时可检测极少量液体。
缺点 - 由于传感器需要接触液体，需要电源，某些粘稠物质会残留棱镜上导致误报（如黄油）。
应⽤ – 容器、油罐液位测量和泄漏检测应⽤有⼀系列的技术术语⽤于描述这种类型的液位传感技术。
光学棱镜，电光学，单点光学，光学⽔平开关等等，以下⼯采⽹⼩编以光电液位开关这个术语为⼤家做简单的介绍：光电液位开关内包含⼀个发光LED和⼀个光电晶体管。
当传感器尖端处于空⽓中时，传感器尖端内的红外光会反射回晶体管探测器。
当处于液体状态时，红外液体会从传感器尖端折射出来，从⽽减少到达这个探测器的能量。
作为固态器件，这些紧凑型开关⾮常适⽤于各种点级传感应⽤，尤其是在可靠性⾄关重要的情况下。
光学液位开关适⽤于⼏乎任何⼤型或⼩型罐中的⾼，低或中等⽔平检测。
电容式传感器在液位测量中的应用研究_朱高中
（ 7）
由于电容值转换为电压值是一个极小的值 ， 太小 ， 情况下不易测量 所以要对转换的电压信号进行放大 放大滤波电路如图 5 所示， 采用最基本的比例运 滤波， 根据公式 算放大电路． 要将极小值的电压放大成 5 V， U = （ R1 / R2） U0 ， R2 = 3 K， R4 = 所以选择 R1 = 500 K， R1 / / R2， 后边的是一个反相器， 把第一个运放得到的 R6 = R3 / / R5 。 电压反相成正的， 其中 R3 = R5 = 1 K， 图中的低通滤波器有电阻和电容组成的 RC 低通滤 波器。
根据所求高度可知， 液位高度的变化与液体的介 质没有任何关系， 只与两极板上的电容的变化量有关 ， 然而由于电容的变化量都是微小的变化 ， 所以对该测 量比较适用于动态的测量， 被测液位的高度是经电容 的变化而得到的， 通过电容的变化转化为电压或者电 把电压或者电流信号的变化量求出来 ， 就可以 流信号， 知道电容的变化量， 从而也求液位的变化， 根据电压和 ， 它们之 液位的关系 把液位的测量转化为电压的变化 ， 间的关系如图 2 所示。将被测液位的电容信号通过电 容电压转换电路， 处理为电压信号， 通过数据采集卡采 集后送入单片机， 最终实现算法的设计。
C2 ， d0 假设两个三角形极板的电容值分别为 C1 、 H 和 M 分别表示三角形的高 为两平行板之间的距离， 度和底边的宽度， ε0 表示真空中介质常数， ε1 表示为 液体介电常数， 待测液体的高度设为 h x ，由此可推出 平行板之间的电容值为 （ H － hx ） 1 1 C1 = · ε MH － 2 d0 1 2 d0 H
参考文献： ［ 1］ 吴智． 物位测量综述［ J］ ． 仪器仪表标准化与测量， 2003 ， （ 2 ） ： 37 － 40． ［ 2］ 任开春， ． 工业仪 涂亚庆． 20 余种液位测量方法分析［J］ 2003 ， （ 5 ） ： 12 － 16． 表与自动化装置， ［ 3］ 王辉， ． 传感器技 顾利忠． 电导式液位变送器的设计［J］ 2004 ， 23 （ 6 ） ： 38 － 40． 术， ［ 4］ 何奇， ． 计量 唐得刚． 浅析油罐液位检测的几种方法［J］ 2005 ， 32 （ 2 ） ： 8 － 9． 与测试技术， ［ 5］ 郁有文． 传感器原理及工程应用［ M］ ． 西安： 西安电子科 2009． 技大学出版社，
电容式液位计原理
电容式液位计原理电容式液位计是一种常用的液位测量仪器，它基于电容原理来实现液位的准确测量。
本文将介绍电容式液位计的工作原理、组成结构以及应用领域。
一、工作原理电容式液位计利用液体与电极之间的电容变化来测量液位。
在液位计中，通常有两个电极，一个作为传感电极，另一个作为参考电极。
当液体接触到传感电极时，液体和电极之间形成一个电容。
随着液位的变化，电容值也会发生相应的变化。
通过测量电容值的变化，可以准确地确定液位的高低。
二、组成结构1. 传感电极：传感电极是电容式液位计中最重要的组成部分。
它通常是由金属或导电材料制成，具有良好的导电性能。
传感电极的长度可以根据实际需求进行调整，以适应不同液位的测量。
2. 参考电极：参考电极与传感电极相对而设，用于提供一个固定的电容参考值。
通常情况下，参考电极与传感电极之间没有物质存在，以保持一个恒定的电容值。
3. 电容测量电路：电容测量电路是电容式液位计的核心部分。
它通过测量电容值的变化来获取液位的信息。
电容测量电路通常由电容传感器、放大器、滤波器和模数转换器等组成。
4. 显示和控制部分：电容式液位计还需要一个显示和控制部分，用于将测量到的液位信息转化为可视化的结果，并进行相应的控制操作。
显示和控制部分通常由数字显示器、控制器和输出接口组成。
三、应用领域电容式液位计具有精度高、稳定性好、适应性强等优点，因此在工业生产和实验室中得到广泛应用。
1. 石油化工行业：电容式液位计可用于石油储罐、化工反应釜、分离器等设备中的液位测量，确保生产过程的安全运行。
2. 食品和饮料行业：电容式液位计可用于食品和饮料生产中的液体储存和输送系统中，确保生产过程的卫生和可靠性。
3. 污水处理行业：电容式液位计可用于污水处理设备中的液位监测，及时掌握污水处理的情况，避免环境污染。
4. 医疗行业：电容式液位计可用于医疗设备中的液体输送和储存系统中，确保药液的准确输送和控制。
电容式液位计是一种可靠、精确的液位测量仪器，广泛应用于各个行业的液位监测和控制中。
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传感器课程设计说明书电容式导电液体液位传感器Capacitive conductive liquid level sensor学院名称：机械工程学院专业班级：学生姓名：学生学号：指导教师姓名：指导教师职称：教授2012年1 月电容式导电液体液位传感器专业班级：**** 学生姓名：**** 指导老师：**** 职称：****摘要在工业自动化生产过程中，为了实现安全快速有效优质的生产，经常需要对液位进行测量，继而进行自动调节、智能控制使生产结果更趋完善。
通常进行液位测量的方法有二十多种，分为直接法和间接法。
直接液位测量法是以直观的方法检测液位的变化情况，如玻璃管或玻璃板法。
然而随着工业自动化规模的不断扩大，因其方法原始、就地指示、精度低等逐渐被间接测量方法取代。
目前国内外工业生产中普遍采用间接的液位测量方法，如浮子式、液压式、电容法、超声波法、磁致伸缩式、光纤等。
其中电容式液位测量价格低廉、结构简单，是间接测量方法中最常用的方法之一。
本设计采用一种简单方便的电容式液位测量方法，电容式传感器是将被测非电量的变化转化为电容变化量的一种传感器,它具有结构简单、分辨力高、可实现非接触测量，并能在高温、辐射和强烈震动等恶劣条件下工作等优点，是很有发展前途的一种传感器。
本电容式液位测量设计方式是用等径的长直圆筒容器，液位的高低正比于导电液体与测杆中导电金属铜之间电容的大小，通过测量电路的转换，就可以很方便地测量出液面的位置。
此课程设计的目的是为了熟练掌握电容传感器的基本知识和各种测量电路的原理运用；基本掌握测量液位方法的基本思路和方法；能够利用所学的基本知识和技能，解决简单的传感器测量问题；培养综合利用传感器进行测量设计的能力。
关键词：液位测量电容式传感器测量电路电容传感器测量目录第一章绪论 (3)1.1引言 (3)1.2电容式液位测量技术的发展 (3)1.2.1 电容式液位测量现状 (3)1.2.2 电容式液位测量存在的问题 (4)1.2.3 电容式液位传感器的发展趋势 (4)第二章实验原理 (5)2.1电容传感器 (5)2.2电容传感器实物图 (6)2.3电路结构 (8)2.4实验所需部件 (8)2.4.1 差动放大器 (8)2.4.1.1 高精度运算放大器的构成 (8)2.4.1.2 OP07CP (9)2.4.2 低通滤波器 (11)2.4.2.1 低通滤波器的构成 (11)2.4.2.2 HA17741 1A1 (11)2.4.3 电容变换器 (12)2.4.3.1 电容变换器的构成 (12)2.4.3.2 CA3140E (14)第三章实验结果及数据处理 (16)3.1初次实验 (16)3.2二次实验 (18)第四章影响液位测量的主要因素 (19)结论和心得体会 (20)致谢 (21)参考文献 (22)附录：课程设计任务书 (23)第一章绪论1.1 引言在各种化工、食品、石油仓储等工业生产过程中经常要对存储在储仓罐和其它容器中的生产原料及产品液体或固体的体积或高度进行测量和控制，以确保生产的正常进行。
通常方法是对物位进行测量，而物位又可以分为液位、料位、界面三种，其中液位又显得尤为重要，液位是指积存于各种容器内的液体表面高度及所在的位置称为液位，如油罐水库水塔等容器内所储的液体表面的位置或高度。
用于测量这些参数的传感器称液位传感器液位检测在许多控制领域已较为普遍，各种类型的液位检测传感器较多，按原理分有浮子式、压力式、超声波式、吹气式等。
各种方式都根据其需要设计完成，其结构、量程和精度适用于各自不同的场合，大多结构较为复杂，制造成本偏高；市面上也有现成的液位计，有投入式、浮球式、弹簧式等，多数成品价格惊人。
以上液位计多数输出为模拟量电流或电压，有些为机械指针读数，不能用于远程监视；普遍适用于静止液面，在波动液面易引起读数的波动；也有用电容法测液位的系统，此法是一种简单易行的方案。
本文利用圆柱形电容器原理，通过测量导电液体与测杆中导电金属铜之间电容的大小而进行监控，设计出一种液位检测装置。
使用电容式传感器进行液位测量，具有以下优点：低成本（即对于传感器有比较成熟的技术）、低功耗、高线性度、对应用场合的几何形状有较高的适应性。
1.2 电容式液位测量技术的发展1.2.1 电容式液位测量现状在电容式液位测量这一领域的研究及应用，以美国的DREXELBROOK公司、Honeywell 公司为代表的外国公司已经取得了令人瞩目的成就。
尤其是DREXELBROOK公司依据其提出的射频导纳原理，推出了射频导纳电容式液位计，它可以克服由于挂料影响产生的测量误差，从而在电容式液位测量这一领域取得了巨大的成功。
基于均匀传输线理论的射频导纳电容式液位计有较高的测量精度，可以应用在高温、高压、腐蚀性液位测量场合，有着许多其他类型液位测量仪表无法比拟的优点。
当前国外的电容式液位测量仪表的普遍特点是测量精度高、自动化程度高，具有4～20mA电流输出，采用HART协议、Honeywell协议等智能通讯协议，实现了从主控室到现场仪表的组态和维护。
目前，已广泛应用于石油化工业、食品、医疗卫生等领域，一些产品也成功打入我国市场，在我国的液位测量领域占据主导地位。
当然随着国内的自主研发，电容式液位测量有所成就，典型的是上海自动化仪表五厂、上海集成仪器仪表研究所等部门开发了开关和连续式电容液位计等，但产品性能指标、功能与国外同类产品仍有差距，如量程、精度、分辨率、可靠性和智能化等方面。
1.2.2 电容式液位测量存在的问题电容式液位测量具有结构简单、动态响应好、灵敏度高、分辨力强、无可动部件、不易损坏、使用寿命长、需要作用能量低、并能在恶劣环境工作等优点。
相对其他方法液位而言，综合指标最好，但它也存在一些不足，从而影响了它的适用范围和测量精度。
电容式液位测量的主要缺点是：①电容式传感器本身结构特性决定输出阻抗高、负载能力差电容式传感器的电容量一般很小，仅几十至几百皮法，使得电容式传感器的输出阻抗高，负载能力差，从而易受外界干扰，产生不稳定现象，为此，需采取有效的技术措施，如适当激励频率，采取屏蔽接地措施，尽量缩短传感器的引线来提高抗干扰能力。
②电容式液位测量的信号处理较困难因电容式传感器的电容量很小，而传感器的引线电缆电容、测量电路的杂散电容以及传感器极板与周围导体构成的电容等使寄生电容较大，给实现精确的电容信号转换带来困难，为此，从硬件及软件两部分着手，如德国AMG公司开发的模数一体化集成电路CAV424电容电压转换器，单片机进行开发的智能传感器对数据处理运算。
1.2.3 电容式液位传感器的发展趋势随着社会经济的发展，人们越来越重视能源的消耗，提出可持续发展、节约型社会的建设。
液位测量技术广泛应用于工业、食品等行业，实时检测液位（如油位的检测）的变化情况，对确保工业生产的正常进行和防止事故的发生有着重要的作用。
液位作为物位检测的四大参量之一，其余三个分别为压力、温度、流量等三热工参量的检测，这些参量的检测始终倍受人们的关注，因为不仅这些参量本身重要，同时也因为它们是许多测量的基础。
而液位参量作为四大参量之一，其研究开发工作可分为两个大方向来开展。
液位传感器的横向发展主要表现为四个方面，即：①非接触测量；②液位测量系统的智能化；③小型化集成化；④数字化。
液位传感器的纵向发展主要表现为四个方面，即：①科学技术的全面发展；②科学技术的交叉发展；③边沿科学技术；④高精度方向发展。
第二章实验原理2.1 电容传感器电容式液位计可以连续测量水池、水塔、水井和江河湖海的水位以及导电液体（比如酒、醋、酱油等）的液位，如图1-1所示。
当液位计放入液体中时，导线芯以绝缘层为介质与周围的液体形成柱形电容器。
图1由图1可以知道，柱形电容器的电容为C X=式中，ε为导线芯绝缘层的介电常数；Hx为待测水位高度；d1为导线芯的直径；d2为绝缘层的外径；电容式液位计配以适当的测量电路，便可以得到与被测液位成比例的电信号输出。
当液位改变时，内外电极间的覆盖面积随之变化，因而引起电容值的变化。
可见，电容量与液体高度Hx成线性关系。
2.2电容传感器实物图传感器和电路实物图：传感器实物图：2.3 电路结构电路结构图如下：图2由图2所示，可知电路是由电容传感器、电容变换器、差动放大器、低通滤波器构成。
2.4 实验所需部件2.4.1 差动放大器2.4.1.1 高精度运算放大器的构成高精度运算放大器几乎都是作为直流放大器使用，所以认为其频率特性并不重要。
高精度运算放大器满足以下三个条件：1.输入失调电压小；2.输入偏置电流小；3.开环增益高；差动放大器的电路图如图3所示：图3差动放大器实现的功能是将信号放大。
其需要的主要芯片是1AC156M OP07CP。
2.4.1.2 OP07CPOP07的功能介绍：Op07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。
由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25μV），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。
OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。
OP07的开环增益比通用型运算放大器112dB（typ）高，但GB积与转换速率却比通用型小，全功率（full power）响应频率并不高。
其特点是：超低偏移：150μV最大；低输入偏置电流：1.8nA ；低失调电压漂移：0.5μV/℃；超稳定时间：2μV/month最大；高电源电压范围：±3V至±22VOP07的外型图片如图4所示：图4 其管脚图及内部结构如图5、图6所示。
5图Array图6图6是1AC156M 0P07CP 内部结构图； OP07CP 运算放大器的电气特性2.4.2 低通滤波器顾名思义，所谓滤波器就是能够过滤波动信号的器具，在电子线路中，滤波器的作用是从具有各种不同频率成分的信号中，取出具有特定频率成分的信号。
滤波器一词的英文是“filter ”。
理想低通滤波器器能够让零频（即直流）到截止频率fc 之间的所有信号毫无损失的通过，而高于截止频率fc 的所有信号毫无遗留的丧失殆尽，低通滤波器简称LPF 。
在本实验装置中，为了过滤掉高次波的影响，采用低通滤波器进行滤波。
2.4.2.1 低通滤波器的构成图72.4.2.2 HA17741 1A1由图7可知，应用到的运算放大器是HA17741 1A1。
HA17741运算放大器实际上就是uA741，国产型号是F007，相近的简化就是LM324。
图8如图8示，即为HA17741管脚图；它的主要指标为：输入失调电压10mV ，开环输入电阻1M单位增益带宽1Mhz ，输出开环阻抗60欧，输出电压转换速度0.5V/us 。