电容式物位测量系统的设计与实现

摘要

目前市面上能够实时测量物位的传感器种类有很多，电容式物位传感器的优势在于其结构简单安装方便且后期维护成本低、电极材料性能稳定且耐高温低温高压腐蚀、传感器具有高灵敏度以及高精度等优点。因此目前在中小量程物位测量系统中使用广泛。但是传统的电容式传感器存在易受杂散电容以及外界环境的干扰造成电容采集量不准确从而影响整个系统的准确度，且传统的电容式传感器在更换测量介质后一般需要重新进行校准以及标定，在实际使用中存在较多的不便。面对以上情况，亟需设计一种适用于复杂工业环境中的物位测量系统。
　　本文设计的基于电容测量芯片PCap01-AD与STM32L152的电容式物位测量系统，利用电容式传感器的电容值随极板间介质变化而变化的原理，实现了实时测量液位或者料位的高度，同时通过合理的数据处理算法实现了数据的稳定输出。在电容式传感器制作材料选型方面，采用聚四氟乙烯制备而成的圆柱形内电极，使得传感器本身具有耐高温低温耐腐蚀等优点，并且使用同轴屏蔽线等措施减小了外部环境干扰对电容测量的影响，使得电容测量数据更加稳定准确。在电容式传感器结构方面，设计了单段式以及多段式两种传感器结构。在硬件电路方面采用特殊电路设计技巧使系统抗电磁干扰能力大大增加且具有防雷防浪涌防反接等功能。在软件算法方面，首先针对PCap01-AD的特点完成了STM32L152对其初始化及寄存器配置，然后针对不同的使用环境以及电容传感器结构，均设计了与之匹配的独特数据处理算法。该系统在自行搭建的实验平台以及用户工业现场进行了长期测试，结果表明不论其在普通环境还是恶劣环境中，均能够稳定运行且具有良好的精度和线性度。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景与意义

1．2 物位传感器研究现状

1．3 本文研究工作及组织结构

第2章 物位测量系统总体概述

2．1 系统组成

2．2 电容式物位传感器工作原理

2．3 电容式传感器材料选型及结构制作

2．3．1 传感器材料的选型

2．3．2 单段式电容传感器结构

2．3．3 多段式电容传感器结构

2．3．4 电容式传感器电极结构的选择

2．4 电容测量方式选择

2．5 单段式电容传感器工作原理

2．6 多段式电容传感器工作原理

第3章 硬件电路设计

3．1 电容测量电路设计

3．1．1 PCap01-AD简介

3．1．2 电路图设计及PCB

3．2 数据处理电路设计

3．2．1 STM32L系列简介

3．2．2 电路图设计及PCB

3．3 供电及通信电路设计

3．3．1 供电电路设计

3．3．2 4～20mA电流环工作原理及设计

3．3．3 RS232通信电路设计

4．1 测量系统初始化设计

4．1．1 PCap01-AD寄存器参数设置

4．1．2 STM32L初始化主要参数设置

4．1．3 物位测量系统初始化流程

4．2 单段式电容传感器工作流程设计

4．3 多段式电容传感器工作流程设计

4．3．1 普通多段式电容传感器工作流程

4．3．2 改进型电容传感器工作流程

第5章 实验与结果分析

5．1 标准电容箱测试

5．2 单段式电容传感器测试

5．3 多段式电容传感器测试

5．3．1 普通多段式传感器测试

5．3．2 改进型多段式传感器测试

第六章 总结及展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间科研成果