原油罐液位實時檢測系統(tǒng)的設(shè)計

1、密 級學 號02031086畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）院（系、部）： 信息工程學院姓 名： 徐燕華年 級： 2002級專 業(yè)： 電氣工程及其自動化指導教師： 王 偉教師職稱： 講 師2006 年 6 月 23 日·北京聲 明本人鄭重聲明：所呈交的學位論文（畢業(yè)設(shè)計說明書），是本人在導師指導下，獨立進行研究（設(shè)計）工作的總結(jié)。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本學位論文的研究成果不包含任何他人享有著作權(quán)的內(nèi)容。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻的其他個人和集體，均已在文中以明確方式標明。簽 名：徐燕華 日 期：北京石油化工學院學位論文電子版授權(quán)使用協(xié)議論文 基于光纖的液位檢測及其顯示電

2、路設(shè)計 系本人在北京石油化工學院學習期間創(chuàng)作完成的作品，并已通過論文答辯。本人系作品的唯一作者，即著作權(quán)人?，F(xiàn)本人同意將本作品收錄于“北京石油化工學院學位論文全文數(shù)據(jù)庫”。本人承諾：已提交的學位論文電子版與印刷版論文的內(nèi)容一致，如因不同而引起學術(shù)聲譽上的損失由本人自負。本人完全同意本作品在校園網(wǎng)上提供論文目錄檢索、文摘瀏覽以及全文部分瀏覽服務(wù)。公開級學位論文全文電子版允許讀者在校園網(wǎng)上瀏覽并下載全文。注：本協(xié)議書對于“非公開學位論文”在保密期限過后同樣適用。院系名稱： 信息工程學院 作者簽名： 徐燕華 學 號： 02031086 2006 年 6 月 23 日基于光纖的液位檢測及其顯示電路設(shè)計

3、摘 要精確地實現(xiàn)對易燃易爆液體液位的測量,是現(xiàn)代測量科學的重要課題。 本文設(shè)計一種利用單片機與光纖傳感器組成的液位測量系統(tǒng)。文中完成對光纖液位檢測系統(tǒng)的檢測原理、數(shù)據(jù)采集及信號處理、液位顯示等內(nèi)容的理論分析和相關(guān)的軟硬件設(shè)計。光纖液位計采用先進的光纖傳感技術(shù)和傳統(tǒng)的力平衡原理相結(jié)合，實現(xiàn)對原油罐液位實時檢測，被測液位信號通過磁力耦合系統(tǒng)和光學編碼器產(chǎn)生光脈沖信號，經(jīng)光纜傳輸?shù)焦怆娹D(zhuǎn)換器，變成電信號進行處理。特別是光信號轉(zhuǎn)換成電信號，對脈沖信號的判向和脈沖個數(shù)的如何計數(shù)作了詳細地分析。該系統(tǒng)實現(xiàn)了現(xiàn)場全光無電在線檢測,具有很好的穩(wěn)定性和抗干擾能力。系統(tǒng)做到了無電檢測和傳輸,系統(tǒng)安全、防爆。關(guān)鍵詞

4、： 液位檢測， 光纖傳感器， 光碼盤， 單片機I基于光纖的液位檢測及其顯示電路設(shè)計AbstractMeasurement to the liquid level of the inflammable and explode liquid, is an important subject of modern measuring science.The theoretic analysis and software and hardware design of the measure principle, data acquisition and signal processing and liq

5、uid display of the optical fibre liquid level measuring system is completed in this article. Sensing technologies of advanced optical fiber and principle of traditional power balance are adopted in the optical fiber liquid-level Meter. The liquid-level of oil can be measure real-time by this meter.T

6、he measured signal are changed to light pulses by magnetic force couple system and optics coder, and transmitted by light cable. Then the light signal is tuned into electrical signal by the light-electricity device. Especially the light signal is tuned into electrical signal , pulse signal is judged

7、 the direction by tne electric circurt and counted by the measure electric circuit are maked to explain in the article.The on-line detection with light and without electric power in the measuring field has been completed in the system. The excellent stability and anti-jamming capability may be provi

8、ded by it. Liquid-level signals is measured and transmitted as the mode of no- electricity in the system. The system is safety and flameproof.Key words：liquid level measurement，the optical fibre spreads a feeling machine，the light code dish，single chip microcomputer.II基于光纖的液位檢測及其顯示電路設(shè)計目 錄第一章 緒論.11.1

9、光纖液位測量技術(shù)概況.21.2 國內(nèi)外液位傳感器的現(xiàn)狀.31.3傳感技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用.51.4研究的基本方向和本論文的任務(wù).6第二章 總體方案的設(shè)計.72.1系統(tǒng)原理的分析.72.2器件的選擇.82.3光電轉(zhuǎn)換器及信號的處理.13第三章 檢測電路設(shè)計.153.1光電轉(zhuǎn)換及放大電路.153.2整形及方向判別電路.16第四章 信號處理系統(tǒng)的設(shè)計.204.1脈沖的計數(shù).204.2液位顯示部分.224.3轉(zhuǎn)換程序.25第五章 總 結(jié).285.1結(jié)論.285.2對該系統(tǒng)研究的展望.28 參考文獻.29 致謝.30 附錄.31III基于光纖的液位檢測及其顯示電路設(shè)計第一章 緒 論光纖是二十世紀人類的一項重

10、要發(fā)明，它的出現(xiàn)對人類進入信息時代具有不可估量的作用。光纖的發(fā)明及發(fā)展與人們對通信系統(tǒng)不斷提高信息傳輸容量的要求有密切的關(guān)系。1966年，任職于英國國際電話電報公司的華裔科學家高餛博士，發(fā)表了一篇名為光頻率的介質(zhì)纖維表面波導的論文，開創(chuàng)性地指出，可以用玻璃做光學纖維傳送訊號，從此開始了光纖通信的革命。人們對光通信的需求極大地促進了光纖的研究和生產(chǎn)，光纖的應(yīng)用也已不再局限于通信領(lǐng)域，光纖技術(shù)正滲透到許多領(lǐng)域中，如科學研究、工業(yè)控制、交通、能源、建筑以及軍事等等，其發(fā)展方興未艾，前景廣闊。1本章簡要介紹光纖傳感、光纖光柵及其傳感技術(shù)的發(fā)展概況和應(yīng)用，液位測量技術(shù)的發(fā)展，最后簡要介紹本文的主要工作。

11、1.1液位測量技術(shù)概況液位傳感器是指檢測液體高度信息的儀器，液位測量技術(shù)在工程領(lǐng)域有著極為廣泛的應(yīng)用。在一般的生產(chǎn)工藝加工過程中，通常只需要對物料的表面位置進行記錄和儲存，以作為確保生產(chǎn)工藝、安全等方面的需要。隨著生產(chǎn)自動化程度的不斷提高，必須首先對液位測量數(shù)據(jù)進行控制與調(diào)節(jié)，以保證自動化生產(chǎn)能夠自動控制在最佳狀態(tài)。在現(xiàn)代化的企業(yè)生產(chǎn)過程中，采用計算機控制系統(tǒng)對生產(chǎn)進行各種綜合控制與管理的普及，控制系統(tǒng)的智能化、統(tǒng)一化，要求測量的對象要廣、測量的精度要高、可靠性要好、實用性要強、且適用于特殊測量環(huán)境等，這些對液位測量技術(shù)也提出了更高的要求。尤其是當液面具有波動和存在氣泡，或液面高度隨時間改變的

12、動態(tài)測量，或被測介質(zhì)具有粘滯性、導電性，或需要考慮容器的密封性以及介質(zhì)是否含有腐蝕物、毒性和易爆性等情況下，選擇合適的液位測量技術(shù)就顯得尤為重要。2目前國內(nèi)外工業(yè)生產(chǎn)中普遍采用的液位測量方法有19種以上，主要有以下幾大類:1）機械浮子類液位計測量原理是利用傳動裝置把與液位同高度的浮子高度信息轉(zhuǎn)換成脈沖信號或連續(xù)信號，轉(zhuǎn)換器是一些機械舌簧、磁鐵、電子或光電設(shè)備。此類液位計可以進行連續(xù)測量，其問題是積聚在傳動機械臂上的污物(如水垢沉積)會限制浮子運動，從而產(chǎn)生故障。1基于光纖的液位檢測及其顯示電路設(shè)計2）電子類液位傳感器測量原理是把液位的變化轉(zhuǎn)化為電氣參數(shù)的變化，利用一定的測量電路將電參數(shù)檢測出來

13、，從而達到測量液位的目的。其中最常用且最成熟的是電容式液位傳感器。電容式液位計它是利用空氣和液體作電容器兩極極板間的電介質(zhì)，將液位變化轉(zhuǎn)換成靜電電容變化，用電子學方法測量電容值，從而探測液體高度信息。它結(jié)構(gòu)簡單，精度較高，而且量程廣，適合于測量各種介質(zhì)(導電介質(zhì)、非導電介質(zhì))的液位，但是要求液體具有相同、穩(wěn)定的介電常數(shù)，需要有溫度的補償。尤其用長電纜連接時，對電纜中的干擾和寄生電容很敏感，精度較差，且對導電介質(zhì)或粘性介質(zhì)，誤差較大、易受干擾，嚴重影響測量結(jié)果。電阻式液位計探測器在空氣中的阻值要比它浸在液體中的阻值大得多，通過電子學方法測量液體容器底部與頂部之間的電阻，從中可探知液位信息。其測量

14、精度受液體污染情況的影響較大，探針的污染和沉積物，會導致錯誤的輸出，在直流工作時會產(chǎn)生電解，響應(yīng)速度慢。3）熱學式液位計由熱敏電阻發(fā)出的信號可用來指示這類元件是否浸在液體中。它結(jié)構(gòu)小，適用于圓筒容器、玻璃柱、管道等，但這種方法僅能進行點測量，而不能用于液位的連續(xù)測量。4）雷達液位傳感器雷達傳感器就是利用發(fā)射一反射一接收的原理來測量距離的，因此可用于有毒、有害的惡劣環(huán)境下。雷達液位傳感器的傳輸信號是一種特殊形式.的電磁波，其物理特性與可見光相似。雷達信號是否可以被反射取決于被測介質(zhì)的導電性和被測介質(zhì)的介電常數(shù)兩個因素。所有導電介質(zhì)都能很好地反射雷達信號，導電性不太好的介質(zhì)也能被很準確地測量。雷達

15、波不易受干擾，巨能穿透塑料容器或玻璃容器進行測量，無需在容器上開孔，能實現(xiàn)非接觸測量，即使在飛灰、粉塵強烈并有很強旋渦的環(huán)境下也能進行準確測量。然而雷達傳感器的測量信號運行時間極短，這給信號分析處理提出了極高的要求，造成它的價格昂貴、技術(shù)實施困難。5）超聲波液位傳感器超聲波液位傳感器發(fā)展很快、應(yīng)用也很廣泛，常用于測量明渠液位及開口容器內(nèi)液位。由超聲換能器發(fā)射的超聲脈沖經(jīng)空氣在被測介質(zhì)上反射，再返回接收換能器，測量該超聲脈沖往返時間，就能得到超聲換能器輻射面到被測液面的距離。根據(jù)換能器安裝高度，就能得出液位高度。但聲波傳播速度多受環(huán)境因素影 2基于光纖的液位檢測及其顯示電路設(shè)計響，其測量信號的可

16、靠性較差，誤差較大，校正補償復雜。6）同位素/放射性液位傳感器它是利用放射性同位素射線(如a射線、p射線、Y射線)的穿透和反射能力，當a射線、p射線、Y射線到達被測液體時，通過檢測其透射或反射射線信號的強度來達到測量液位的目的。射線的強度會隨液位的高度變化而變化，在放射線輻射源與檢測器之間有吸收物質(zhì)時，檢測器的輸出與液位的高度有關(guān)，通過對被測物質(zhì)吸收能量大小的檢測，再經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換，即可得出被測液位的高度。由于放射性射線本身的特點所決定，它可以用于腐蝕性、有毒性、大粘性和易燃易爆的場合。而且介質(zhì)對丫射線的吸收只與介質(zhì)密度有關(guān)，因此它可以測量不同密度的液體分界面、氣體與固體或液體與固體的分界面。但

17、射線易受到衰減，檢測信息的能量易于損失，測量精確度不理想，有輻射作用，對人體有害等。7）液壓類液位計此類液位計可以進行連續(xù)測量。氣泡式液位計將被測液位值轉(zhuǎn)換為空氣壓力值，測定該壓力值后，利用該被測壓力與液位高度成正比的原理測量液位。壓力式傳感器它是利用液面高度變化時容器底部或側(cè)面某點上的壓力也隨之而變化的原理來設(shè)計的。在測量開放的容器時，大多采用直接測量底部某點壓力來測量。這類液位傳感器的精度主要受到壓力表精度的限制，同時還要求被測液體的密度是已知的，而且要求液體的密度要恒定不變。8）光學液位計光學液位計主要是光纖液位傳感器，它結(jié)合了光纖作為敏感器件的優(yōu)點，尤其是在復雜的應(yīng)用場合，測量現(xiàn)場全光

18、無電，安全性能好，同時調(diào)制方法多種多樣，是一種新型的液位傳感器。3光學液位計，它利用浮子的磁耦合原理來設(shè)計，經(jīng)光碼盤對光纖的檢測，再經(jīng)由放大整形電路，以及光電轉(zhuǎn)換來形成規(guī)則的脈沖信號，最后由單片機來實現(xiàn)液位顯示。本文主要采用這個方案來設(shè)計。此方案設(shè)計比較簡單，測量精度比較高，也非常適合目前我國的生產(chǎn)力狀況。1.2國內(nèi)外液位傳感器的現(xiàn)狀對于液位測量傳感器的研究，國外的液位測量技術(shù)起步較早且投入資金雄厚，發(fā)展非常迅速。到目前為止國外許多公司都研制出很多功能齊全、自動化智能程度高、精度高的測量體系與產(chǎn)品系列。如美國DREXELBROOK公司研制的 3基于光纖的液位檢測及其顯示電路設(shè)計Universa

19、ll II TM連續(xù)液位變送器(其精度可達0.1，量程最大15米，4-20mA電流輸出，上下限位報警，疊加智能通訊協(xié)議HART, Honeywell等)。美國 Milltronics公司研制的多量程超聲波液位監(jiān)測系統(tǒng)具有測量液位、液位差的能力，其采用的非接觸式超聲波傳感器，可監(jiān)視30cm到14m范圍的液位變化。典型的產(chǎn)品還有美國Foxboro公司、Texas儀器公司、Varec公司、Rosemount公司以及Moore公司生產(chǎn)的HTG靜壓式計量系統(tǒng)，所用傳感單元是高精度的壓力變送器，將其放在油罐的底部，通過檢測液體的壓力獲得其它參數(shù)的信息。還有其它國家和公司研制的液位傳感器等產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于工

20、業(yè)、食品等行業(yè)，并大量地進入我國液位測量領(lǐng)域4。在我國，液位傳感器的研制開發(fā)技術(shù)比較落后，在液位測量技術(shù)、測量方法上均遠遠落后于其它發(fā)達國家。對于新型的光纖液位傳感器，1990年國內(nèi)公開了一項傳感器專利，是一種浮子式光電型編碼帶液位計，它利用與浮子同步運動的一條絕對式光電型編碼帶和透射式光纖信號檢測頭作為檢測液位高度的傳感器。1991年南京航空學院研制的一種光纖液位傳感器，是利用光纖構(gòu)成的一種小型化開關(guān)式傳感器。2004年清華大學光纖傳感中心與總后合作研制開發(fā)的光纖油罐液位與溫度測量系統(tǒng)，己經(jīng)安裝運行。從總體來看，國內(nèi)研制的測量系統(tǒng)的自動化程度不高，精度、可靠性、功能等多方面都不如國外同類產(chǎn)品

21、，這都不能滿足現(xiàn)代生產(chǎn)的需要。1.3光纖傳感技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用光纖作為傳感材料的應(yīng)用是傳感材料的重大突破，隨著光纖在通訊技術(shù)中的不斷應(yīng)用，人們發(fā)現(xiàn)光纖不僅可以作為光波的傳輸媒質(zhì)，而且當光波在光纖中傳播時，表征光波特征的參量，如相位、振幅、偏振態(tài)、波長等會因外界因素如溫度、壓力、電場、磁場、位移等的作用，直接或間接的發(fā)生改變，因此可以將光纖用作傳感元件來探測各種待測量(物理量、化學量和生物量等)，這就是光纖傳感器的基本原理。光纖傳感技術(shù)一問世就受到極大重視，在眾多領(lǐng)域得到研究與應(yīng)用，成為傳感技術(shù)的先導，推動著傳感技術(shù)蓬勃發(fā)展。光纖傳感器最早出現(xiàn)于1977年美國海軍研究所(NRL)執(zhí)行的光纖傳感器系

22、統(tǒng) (FOSS)計劃。此后，光纖傳感器和光纖傳感技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到迅猛發(fā)展1980年，美國開始研制現(xiàn)代數(shù)字光纖控制系統(tǒng)，此計劃是采用光纖譯碼的光纖傳感器系統(tǒng)替代直升機駕駛員的控制。另外，其對光纖陀螺儀的研制也取得巨大的成果。美國也是最早將光纖傳感器用于民用領(lǐng)域的國家，如應(yīng)用光纖傳感器監(jiān)測電力系統(tǒng)的電流、電壓、溫度等重要參數(shù)，監(jiān)測橋梁和重要建筑物的應(yīng)力變化，檢測肉 4基于光纖的液位檢測及其顯示電路設(shè)計類和食品的細菌和病毒等。日本和西歐各國也高度重視并投入大量經(jīng)費開展光纖傳感器的研究與開發(fā)。日本在八十年代便制定了“光控系統(tǒng)應(yīng)用計劃”，90年代，由東芝、日本電氣等15家公司和研究機構(gòu)，研究開發(fā)出1

23、2種具有一流水平的民用光纖傳感器，其產(chǎn)品在國際市場上具有廣闊發(fā)展前景。西歐各國的大型企業(yè)和公司也積極參與了光纖傳感器的研究、開發(fā)和市場競爭，其中包括英國的標準電訊公司、法國的湯姆遜公司和德國的西門子公司等。5我國光纖傳感器的研究工作開展得較晚。從1983年國家科技新技術(shù)局在杭州召開的第一次光纖傳感器全國性會議的二十余年間，我國己經(jīng)有上百家單位在光纖傳感器這一領(lǐng)域開展工作。從“七五”規(guī)劃中，國家電子部提出并成功開展的12項光纖傳感器項目，到國家科委在“八五”攻關(guān)項目中開展的光纖傳感器項目，再到國防科工委“十五”國防預研的光纖傳感器項目等，這些項目的成功完成使中國的光纖傳感器研究水平達到一個新的高

24、度。目前，我國的光纖傳感器研究大多數(shù)集中于大專院校和科研單位，仍然未完成由實驗室向產(chǎn)品化的過渡。光纖陀螺、光纖水聽器和分布式光纖溫度傳感器是光纖傳感研發(fā)水平的代表產(chǎn)品，這幾種光纖傳感器我國要落后10年。3作為被測量信號載體的光波和作為光波傳播媒質(zhì)的光纖，具有一系列獨特的性質(zhì)。與傳統(tǒng)的機械、電子傳感器相比較，光纖傳感器具有下列優(yōu)點: (1)靈敏度高。(2)抗電磁干擾，電絕緣性好。(3)工作頻帶寬，動態(tài)范圍大。(4)耐腐蝕，化學性能穩(wěn)定。(5)安全性能好。(6)傳輸損耗小，可實現(xiàn)遠距離測量和控制。(7)測量范圍廣，可測量溫度、壓強、應(yīng)力、應(yīng)變、電壓、電流、液位等物理量。(8)適合于易燃、易爆、空間

25、受嚴格限制及強電磁干擾等惡劣環(huán)境下使用。 目前，從文獻資料中可以看到光纖傳感器的研究有如下的發(fā)展趨勢 (1)繼續(xù)深入研究傳感器的理論和技術(shù)，解決實用化問題，探索新原理、新技術(shù)的光纖傳感器。隨著光纖傳感器基本原理的研究日益深入，強度、相位調(diào)制的傳感器更趨完善，而對波長調(diào)制傳感器如光纖光柵傳感器的研究則更加深入。傳感器用于實際測量的主要問題是長時間漂移效應(yīng)，人們對此進行了深入研究，提出了許多解決辦法。漂移效應(yīng)來自光纖傳輸線路的衰減、禍合器等無源器 5基于光纖的液位檢測及其顯示電路設(shè)計件特性不完善、光源輸出不穩(wěn)定及探測器的響應(yīng)等。為了從技術(shù)上解決漂移問題，國外對光纖傳感頭的固有調(diào)制形式進行了研究。例

26、如，采用參考光路引入?yún)⒖夹盘柨山鉀Q由于光學結(jié)構(gòu)的漂移特性對測量的影響，對于不同調(diào)制方法的傳感器有著不同的參考光路。多樣化的補償技術(shù)，使光纖傳感器能夠獲得長時間的穩(wěn)定性，這樣，就可以使光纖傳感器實用化。(2)對波分復用、時分多路復用光纖傳感器陣列的研究，實現(xiàn)多參數(shù)、多變量同時測量的智能化遙測，是發(fā)展的重點。單一光纖傳感器的研究已進入到實用化階段，但它無法適用于多參數(shù)、多變量的測量。近年來，光纖智能結(jié)構(gòu)、光纖埋覆技術(shù)、波長編碼信息解調(diào)以及單一光纖的陣列多功能檢測是傳感系統(tǒng)的研究熱點。(3)深入研究檢測系統(tǒng)。檢測系統(tǒng)的目的是把光纖傳感器的輸出光信號轉(zhuǎn)換為正比信號場變化的一個電信號，一般來說，強度調(diào)制

27、型傳感器的檢測系統(tǒng)最為簡單。相位、偏振和波長調(diào)制型的傳感器的監(jiān)測系統(tǒng)常將工作參量轉(zhuǎn)換光強度再進行檢測。新型的光纖光柵傳感器，由于其工作參量的變化更加微小，帶來了更高復雜度的檢測系統(tǒng)。1.4研究的基本方向和本論文的任務(wù)綜上所述，為了更好的滿足石化行業(yè)生產(chǎn)和管理的需要，促進油庫管理中的生產(chǎn)和安全問題，本文提出利用浮子的光纖液位傳感本質(zhì)防爆等的一系列優(yōu)點，設(shè)計和研究基于光線傳感技術(shù)的油庫區(qū)液位檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能自動監(jiān)測油面的液位高度，而且具有適時性、可靠性、安全性、準確性、易于維護等優(yōu)點.因此,采用光纖傳感器作為本系統(tǒng)的測量子系統(tǒng)具有無可比擬的優(yōu)越性。研制和開發(fā)基于光纖傳感技術(shù)的儲油液位檢測功能的油

28、罐庫區(qū)自動付油管理系統(tǒng)也顯得非常必要。其測量原理是:被測液位變化帶動光碼盤的轉(zhuǎn)動,對兩路光纖探頭分別發(fā)出的兩束紅外光進行調(diào)制。調(diào)制后的兩組光脈沖信號沿光纜傳輸給二次儀表。通過測量脈沖數(shù)即可測出液位高度,而檢測兩路脈沖的相位即可判斷液位是增加還是減少6 。其測量精度達到±2mm 。本文主要完成以幾點工作：1）檢測電路硬件的設(shè)計：完成檢測所需光電信號轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計及探測機理的分析；2）顯示電路硬件的設(shè)計：完成以單片機等為核心的信號處理及顯示硬件電路的設(shè)計；3）系統(tǒng)軟件設(shè)計采用C語言完成相關(guān)信號處理運算等軟件的設(shè)計。6基于光纖的液位檢測及其顯示電路設(shè)計第二章 總體方案的設(shè)計2.1系統(tǒng)原理的

29、分析本設(shè)計包括磁浮子液位跟蹤與力平衡等傳感器機械系統(tǒng)、光電信號處理及顯示電路，微機接口電路等。7其中浮子液位計是利用磁耦合原理，通過浮子里的磁鐵和由不銹鋼做成的管子里的磁鐵相互作用，由油面液位的升降帶動浮子的升降，進而帶動光碼盤的轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生一個光脈沖信號。光電轉(zhuǎn)換電路則是將光碼盤產(chǎn)生的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，以便能成為單片機能夠識別的信號。主要用光電轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器來完成。在得到電信號后，由于各種原因，如信號比較微弱，或者很不規(guī)則，致使單片機無法讀數(shù)。所以這里采用防放大整形電路。使信號成為規(guī)則的矩形波，脈沖強度也能在單片機中讀出來。由于液位有上升，有下降，因此得到的電信號也應(yīng)該有正反向。這里采用了光電編

30、碼其作為判向電路。這是本文設(shè)計中的一個重點之一。具體設(shè)計思路和原理將在下面會闡述。有了正反脈沖信號作基礎(chǔ)，最后的任務(wù)就是通過數(shù)碼管把液位的高度顯示出來。這是最后也是最關(guān)鍵的一步。在第四章中會具體講述。本設(shè)計系統(tǒng)原理框圖如下2-1所示該系統(tǒng)的測量原理是利用力平衡原理和先進的光傳感技術(shù)實現(xiàn)對液位檢測。油罐液位上、下變化時，跟蹤液位變化的浮球帶動與重錘和繩索連接的精確計量變徑輪旋轉(zhuǎn)。通過磁力耦合帶動光學編碼盤旋轉(zhuǎn)，光學編碼盤旋轉(zhuǎn)的角度和方向 7基于光纖的液位檢測及其顯示電路設(shè)計表示出液位變化的高度和變化方向（升或降）。其原理圖如下2-2所示1測量浮球 2測量鋼絲繩 3重錘 4重錘鋼絲繩5光纖傳感器

31、6光纖 7光電變送器 8二次儀表9電源圖2-2 光線液位檢測原理圖22器件的選擇2.2.1浮子的選擇浮子式液位計的理論基礎(chǔ)是阿基米德定理，即浸于液體中的物體所受的液體浮力等于該物體所排出的同體積液體的重量。磁耦合浮子的結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。8基于光纖的液位檢測及其顯示電路設(shè)計圖2-3 浮子結(jié)構(gòu)圖圖中1為起密封作用的非導磁的隔離鋼管，并作為不銹鋼浮子上下運動的滑道，2為管內(nèi)的圓柱形磁鐵，與纏繞在傳感卷筒上的鋼索相連，3為不銹鋼浮子，4為浮子內(nèi)的圓環(huán)形耦合磁鐵。在磁力作用下，磁鐵2與磁鐵4始終保持一定的相對位置，浮子隨著液位變化而上下滑動，浮子上的磁鐵吸引著管內(nèi)的磁鐵，使管內(nèi)的磁鐵也上下移動，這樣，

32、就將浮子隨液位變化而產(chǎn)生的位移傳遞出去，通過繞在卷筒上的鋼索及平衡錘的作用，帶動卷筒隨液位的升降而正反轉(zhuǎn)動。如果在平衡錘上制作刻線，便可在為其導向的鋼管窗口的標尺上直接讀出液位的高低，此時，垂直標尺的液位刻度正好與液位的實際高低相反，即刻線指到下部時，正好液位是在高處；傳感卷筒轉(zhuǎn)動時帶動同軸的光碼盤旋轉(zhuǎn)，使得分別正對光碼盤兩圈孔的兩組光纖產(chǎn)生光脈沖信號輸出，從而使液位與光脈沖建立起一一對應(yīng)的關(guān)系。耐腐蝕的不銹鋼浮子和隔離管子結(jié)合可以應(yīng)用于很多的檢測場合，尤其應(yīng)用于密閉容器，具有很強的優(yōu)勢，即密閉方式簡單和密閉效果可靠，而且檢修傳感器時，只要浮子和管子不壞，傳感器的其它所有部件都可方便地從管頂卸

33、下，而不致影響工藝設(shè)備的密封，也不影響生產(chǎn)的進行。2.2.2光纖傳感器光纖傳感器構(gòu)成儀器的核心部分。它主要由磁輪、光學編碼盤和光纖探頭組成。光學編碼盤是一個沿圓周編有信息碼的薄盤。材質(zhì)為1Cr18Ni9Ti，8它與磁輪同軸，密封在光盤室中，完全與外界隔離。光纖探頭示意圖如圖。9基于光纖的液位檢測及其顯示電路設(shè)計1 入射光 2.回射光 3.光碼盤圖2-4 光線傳感器結(jié)構(gòu)圖由入射光經(jīng)透鏡聚焦后變?yōu)槠叫泄猓缓笤俳?jīng)光學編碼盤另側(cè)一個透鏡聚焦耦合進入回光光纖內(nèi)。當光學編碼盤在二透鏡中間旋轉(zhuǎn)時，即可調(diào)制回光信號。當被測液面變化時，光學編碼盤隨之轉(zhuǎn)動，兩光纖探頭分別發(fā)出的兩束紅外光被調(diào)制，調(diào)制后的兩組光信

34、號通過光纜傳輸?shù)焦怆娹D(zhuǎn)換器和二次儀表。之所以采用兩路光纖探頭，是因為不僅要記錄被測液位變化的大小，而且要判斷液位變化的方向。下圖給出了光纖探頭與光學編碼盤相互位置示意圖。9圖2-5 光線探頭位置示意圖10基于光纖的液位檢測及其顯示電路設(shè)計當光學編碼盤如圖順時針轉(zhuǎn)動時A、B 光纖探頭的信號變化遵循“A 探頭先有光，B 探頭后有光；A、B探頭同時有光；A 探頭先無光，B 探頭后無光；A、B 探頭同時無光”的規(guī)律進行。當光學編碼盤逆時針旋轉(zhuǎn)時，則A、B 探頭的信號變化則遵循“B 探頭先無光，A 探頭后無光；B、A 探頭同時無光；B探頭先有光，A 探頭后有光；B、A 探頭同時有光”的規(guī)律進行。這樣將被

35、測液位的變化轉(zhuǎn)變成光脈沖信號。經(jīng)光纖傳感器產(chǎn)生的調(diào)制回光脈沖見圖。圖中Ip表示光脈沖強度。圖2-6 A,B脈沖示意圖2.2.3 光碼盤數(shù)值設(shè)計在盤上等角距開有兩圈小孔，內(nèi)外相鄰兩孔的孔距錯開半個孔寬，這樣設(shè)計的目的是使兩個輸出信號的相位差90o。使用兩個輸出信號是為了判斷光碼盤的轉(zhuǎn)角大小與轉(zhuǎn)動方向，亦即液位的升降變化。設(shè)計中適當?shù)卦龃蠊獯a盤的直徑、增加光碼盤的小孔數(shù)可以相應(yīng)地提高測量精度，因為當傳感卷筒的直徑一定時，光碼盤旋轉(zhuǎn)一周時，對應(yīng)的液位升降保持不變，而對應(yīng)的光脈沖數(shù)增加了，相應(yīng)地測量精度也就提高了。11基于光纖的液位檢測及其顯示電路設(shè)計圖2-7 光碼盤2.2.4 傳感卷筒的設(shè)計傳感卷筒

36、的設(shè)計也是從測量的精度和靈敏度方面考慮的。從公式 k=2r/n。中可以看出，縮小傳感卷筒的半徑可以相應(yīng)地提高靈敏度，但是，如果傳感卷筒的半徑設(shè)計得太小，將會帶來別的問題，因為其半徑比較小時，依力矩平衡原理，不易于帶動光碼盤隨液位的升降而旋轉(zhuǎn)，而且會出現(xiàn)鋼索疊繞的問題。本設(shè)計取k=2，則液位變化2mm產(chǎn)生一個光脈沖，即液位檢測信號的分辨率為2mm。圖2-8 傳感卷筒12基于光纖的液位檢測及其顯示電路設(shè)計2.2.5 平衡卷筒的設(shè)計平衡卷筒的設(shè)計主要從機械方面進行考慮，使它能平衡光碼盤和傳感卷筒跟蹤液位進行測量。為此把它設(shè)計成與傳感卷筒相仿，其設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2-9所示：圖2-9 平衡卷筒2.3光電轉(zhuǎn)換

37、器及信號的處理2.3.1光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)及信號的處理光電轉(zhuǎn)換器與現(xiàn)場的光纖液位計的光纖傳感器通過四芯鎧裝光纜相連。其中兩芯用來傳送紅外發(fā)光二極管LED發(fā)出的連續(xù)穩(wěn)定的光分別給A、B探頭。另外兩芯用來傳送光纖傳感器輸出的光脈沖回到光電轉(zhuǎn)換器。光電轉(zhuǎn)換器將光纖傳來的光脈沖信號進行光電轉(zhuǎn)換變成標準的CMOS. 電壓信號再給二次儀表。送入二次儀表的液位信號經(jīng)過整形和放大處理后，送入單片微型計算機。在單片機內(nèi)通過可逆判向、計數(shù)等處理，由LED顯示液位值。二次儀表還可設(shè)有極限聲光報警、液位鎖定功能等，同時，還可通過RS-232C接口與上位機通信,實現(xiàn)罐區(qū)管理與監(jiān)控。信號處理的功能框圖如圖2-10所示。11 1

38、213基于光纖的液位檢測及其顯示電路設(shè)計圖2-10 信號處理功能圖14基于光纖的液位檢測及其顯示電路設(shè)計第三章 檢測電路設(shè)計3.1光電轉(zhuǎn)換及放大電路3.1.1光電轉(zhuǎn)換電路光電轉(zhuǎn)換電路主要是將光信號轉(zhuǎn)變成電信號，由光電管來實現(xiàn)，由此可以在單片機中加以識別及顯示。其原理總框圖如下圖3-1所示圖3-1 光電轉(zhuǎn)換遠離框圖3.1.2放大電路由于經(jīng)光電管輸出采集到的信號可能比較小，因此在輸出信號后面加一個放大電路，由此可把信號經(jīng)放大再輸入到單片機，保證單片機能識別，可避免由于沒法識別而造成的誤差。由于采集到的信號是幅值約為2V的方波電壓,單片機無法對脈沖高電平進行記數(shù),為此這里采用一個T型放大電路,主要為

39、了用低值電阻來實現(xiàn)電壓增益。13放大電路可采用如圖3-2所示。取R1=R2=R3=5k,R4=12.5k。則得到的增益為(公式31):VoR2+R3+R2R3R45k+5k+5k×5k.5k=2.4 (3-1) ViR15k由此得到的輸出信號大約在0-4.8V跳變，能夠為單片機計數(shù)器進行計數(shù)。 15基于光纖的液位檢測及其顯示電路設(shè)計圖3-2 放大電路3.2整形及方向判別電路3.2.1整形電路由放大器出來的脈沖信號可能不是規(guī)則的矩形波，所以可以在放大電路和后面講到的方向判別電路之間加上一個整形電路。該整形電路可以用施密特觸發(fā)器來實現(xiàn)得到規(guī)則的矩形波。由此可以方便單片機中對脈沖的計數(shù).其

40、電路圖如下圖3-3.圖3-3 整形電路16基于光纖的液位檢測及其顯示電路設(shè)計3.2.2光電編碼器及判向電路在位置控制系統(tǒng)中,為了提高控制精度,準確測量控制對象的位置是十分重要的。目前,檢測位置的方法有兩種。一種方法是使用位置傳感器,測量到的位移量由變送器經(jīng)A/ D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,送至系統(tǒng)進行進一步處理。此方法雖然檢測精度高,但在多路、長距離位置監(jiān)控系統(tǒng)中,由于其成本昂貴、安裝困難,因此并不適用。另一種方法是使用光電編碼器。光電編碼器是高精度控制系統(tǒng)常用的位移檢測傳感器。當控制對象發(fā)生位置變化時,光電編碼器便會發(fā)出A、B 兩路相位差90°的數(shù)字脈沖信號。正轉(zhuǎn)時A 超前B 為90

41、6;,反轉(zhuǎn)時B 超前A 為90°。脈沖的個數(shù)與位移量成比例關(guān)系,因此,通過對脈沖計數(shù)就能計算出相應(yīng)的位移。該方法不僅使用方便、測量準確,而且成本較低,測量位移時經(jīng)常采用這種位置測量方法。使用光電編碼器測量位移,準確無誤的計數(shù)起著決定性作用。由于在位置控制系統(tǒng)中,光碼盤既可以正轉(zhuǎn),又可以反轉(zhuǎn),所以要求計數(shù)器既能實現(xiàn)加計數(shù),又能實現(xiàn)減計數(shù)。相應(yīng)的計數(shù)方法可以用軟件實現(xiàn),也可以用硬件實現(xiàn)。使用軟件方式對光電編碼器的脈沖進行方向判別和計數(shù)降低了系統(tǒng)控制的實時性,尤其當使用光電編碼器的數(shù)量較多時,且其可靠性也不及硬件電路。但其外圍電路比較簡單,所以在計數(shù)頻率不高的情況下,使用軟件計數(shù)仍有一定的

42、優(yōu)勢。對編碼器中輸出的兩路脈沖進行計數(shù)主要分兩個步驟:首先要對編碼器輸出的兩路脈沖進行鑒相,即判別光碼盤是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn);其次是進行加減計數(shù),正轉(zhuǎn)時加計數(shù),反轉(zhuǎn)時減計數(shù)。光電編碼器分為絕對式和增量式，通常使用的是增量型，它的使用原理是：它有相差90的A相和B相二個輸出信號。從二個輸出信號的相位關(guān)系（超前或滯后）可判別移動或轉(zhuǎn)動的方向，圖3-4是方向判別的基本電路給出了光電編碼器實際使用的鑒相電路，該電路用1 個D 觸發(fā)器和2 個與非門組成,當光電編碼器順時針旋轉(zhuǎn)時, A 相超前B 相90°,D 觸發(fā)器輸出Q(W1) 為高電平,Q(W2) 為低電平,與非門N1 打開, 計數(shù)脈沖通過(W3

43、) 輸出。此時,與非門N2 關(guān)閉,其輸出為高電平(W4) 。當光電編碼器逆時針旋轉(zhuǎn)時, A 相比B 相延遲90°,D 觸發(fā)器出Q(W1) 為低電平,Q(W2) 為高電平,與非門N1 關(guān)閉,其輸出為高電平(W3) ;此時,與非門N2 打開,計數(shù)脈沖通過(W4)輸出。14圖3-4作為實際使用的電路，該電路的缺點是有時會誤記脈沖造成誤差。例如 ，在A、B通道的一方處于“H”或“L”狀態(tài)（即處于照光或遮光狀態(tài)），而另一通道信號在“H”和“L”電平間往復地變化，此時雖未發(fā)生編碼器（光碼盤）o 17基于光纖的液位檢測及其顯示電路設(shè)計沿某一方真正意義的角位移，但會產(chǎn)生移動檢出脈沖。這現(xiàn)象往往出現(xiàn)在

44、當移動方向發(fā)生變化和靜止時的振動以及手動對準位置等場合。圖3-7示出基本電路發(fā)生誤計數(shù)時的時間關(guān)系，示出編碼器從逆方向移動停止順方向移動的波形。但在停止位置近旁，B通道為“H”狀態(tài)，A通發(fā)生“H”和“L”轉(zhuǎn)換的振動。這時A通道的H和L是同一點，還是連續(xù)地產(chǎn)生“向下”脈沖，好比是反方向移動狀態(tài)。這個問題可以通過軟件來解決。圖3-4判向電路圖3-5 順時針旋轉(zhuǎn)各管腳波形圖18基于光纖的液位檢測及其顯示電路設(shè)計圖3-6 逆方向旋轉(zhuǎn)個管腳波形圖其A和B通道產(chǎn)生的光脈沖如下圖3-7所示圖3-7脈沖波形示意圖19基于光纖的液位檢測及其顯示電路設(shè)計第四章 信號處理系統(tǒng)的設(shè)計由上一章我們知道，在得到了我們想要

45、的脈沖波形后，接下來要解決的問題就是如何脈沖計數(shù)以及通過單片機顯示油面液位的高度。單片機應(yīng)用系統(tǒng)通常工作于現(xiàn)場環(huán)境，用于各種檢測或控制。在實現(xiàn)測控功能、盡量降低成本之外，還要強調(diào)以下幾項性能要求。1.可靠性高2.適應(yīng)現(xiàn)場環(huán)境3.具有完善的輸入/輸出通道和實時控制能力4.易于操作和維護5.具有一定的可擴展性4.1脈沖的計數(shù)4.1.1 用單片機內(nèi)部計數(shù)器實現(xiàn)可逆計數(shù)計數(shù)方法很多，有純軟件計數(shù)，用外接計數(shù)芯片計數(shù)。也能用單片機內(nèi)部定時器來計數(shù)。但是用純軟件計數(shù)雖然電路簡單,但是計數(shù)速度慢,難以滿足實時性要求,而且容易出錯；用外接加減計數(shù)芯片的方法,雖然速度快,但硬件電路復雜。所以本設(shè)計采用單片機內(nèi)部

46、的計數(shù)器來實現(xiàn)加減計數(shù)。單片機8051 片內(nèi)有2 個16 位定時器(定時器0 和定時器1) ,單片機8052還有一個定時器(定時器2) ,這3 個定時器都可以作為計數(shù)器使用。但單片機8051 內(nèi)部的計數(shù)器是加1 計數(shù)器,所以不能直接應(yīng)用,必須經(jīng)過適當?shù)能浖幊虂韺崿F(xiàn)其“減”計數(shù)功能。15這里把經(jīng)過判向電路之后的脈沖即方向控制脈沖(DIR) W3接到單片機的計數(shù)器T0端,另外一個方向控制脈沖W4接到另一個計數(shù)器T1端 ,相對外部計數(shù)芯片來說,使用這種方法時電路相對要簡單得多。系統(tǒng)工作時,當光碼盤正轉(zhuǎn)，產(chǎn)生正向脈沖W3，把W3輸入計數(shù)器T0，給脈沖計數(shù)；當光碼盤反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生反向脈沖W4，把W4輸入計

47、數(shù)器T1，給脈沖計數(shù)。這里實現(xiàn)減計數(shù)功能主要是通過軟件編程來實現(xiàn)。由于光碼盤只能產(chǎn)生一路脈沖，所以當反向脈沖輸入時，正向脈沖輸入為0，因此只要把正向脈沖減反向脈沖的個數(shù)，就能實現(xiàn)減計數(shù)的功能。16下面是軟件編程思路(在C 語言環(huán)境下實現(xiàn)計數(shù)功能) 。計數(shù)程序流程圖如下：20基于光纖的液位檢測及其顯示電路設(shè)計圖4-1 計數(shù)流程圖主程序流程圖如下：計數(shù)程序如下：void service-int0( )21基于光纖的液位檢測及其顯示電路設(shè)計 TR0 = 0 ;/ / 停止計數(shù)TH0 = 0 ;TL0 = 0 ;/ / 把計數(shù)器0賦初始值,TR0 = 1 ;/ / 開始計數(shù)void service-i

48、nt1( ) TR1 = 0 ;/ / 停止計數(shù)TH1 = 0 ;TL1 = 0 ;/ /把計數(shù)器1賦初始值TR1 = 1 ;/ / 開始計數(shù)void shuju_test() delay(500);DATE1=TH0*256+TL0;DATE2=TH1*256+TL1;yewei=(DATE1-DATE2)*2 ; / /實現(xiàn)減計數(shù)主程序如下：#include<stdio.h>#include<reg51.h>int code zxm=0xc0,0x0f9,0x0a4,0xb0,0x099,0x092, 0x082,0x0f8,0x80,0x90 ;/ /字型碼表格i

49、nt yewei;int DATE1=0;int DATE2=0;int wanwei;int qianwei;int baiwei;int shiwei;int gewei;void shuju_test();void service-int1();void service-int0();void shuju_test();22基于光纖的液位檢測及其顯示電路設(shè)計void BCDzhuanhuan();void display();void delay();void main()TMOD = 0X55 ;/ / T0,T1 為16 位計數(shù)方式service-int0();service-int

50、1();while(1)shuju_test();/ /調(diào)用數(shù)據(jù)計數(shù)BCDzhuanhuan();/ /調(diào)用轉(zhuǎn)換程序display();/ /調(diào)用顯示程序此方法采用中斷的形式進行計數(shù),硬件電路比較簡單,程序也不復雜,執(zhí)行速度較快。4.2液位的顯示在單片機系統(tǒng)設(shè)計中, 常用的顯示器有:發(fā)光二極管顯示器,簡稱LED;液晶顯示器,簡稱LCD;熒光管顯示器.近年來也開始使用簡易的CRT顯示一些漢字及圖形.前三種顯示器都有兩種顯示結(jié)構(gòu):段顯示和點陣顯示.而發(fā)光二極管顯示又分為固定段顯示和可以拼裝的大型字段顯示,此外還有共陽極和陰極之分17。發(fā)光二極管是由半導體發(fā)光材料做成的PN結(jié),只要在發(fā)光二極管兩端通過正向電流5至