一种非接触式液位开关设计及其应用

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1、一种非接触式液位开关设计及其应用TheDesignandApplicationofaContactlessLiquidSwitch(广东工业大学)林小平陶福兆唐露新丁磊Lin,XiaopingTao,fuzhaoTang,luxinDing,lei摘要：本文介绍了一种非接触液位开关的设计与应用，详细说明了根据电容式传感器理论及高频信号理论设计的非接触液位开关的电路组成及设计细节，主要突出了非接触液位开关的廉价、可靠及易用性，并给出了非接触液位开关的实际应用案例及效果。关键词：非接触液位开关；电容式传感器；高频信号中图文分类号：TP368.1文献标识码：B

2、Abstract：Thisarticlemainlyintroducedthedesignandapplicationofacontactlessliquidswitch,Itdescribedthecomponentanddesigndetailofthecontactlessliquidswitchcircuit,whichisbasedtheprincipleofcapacitytheoryandhighfrequencytheory,anditemphasizedthecheapness,credibilityandsimplenessofthe

3、contactlessliquidswitch.Theapplicationcaseandresultsofthecontactlessliquidswitchweregivenfinally.Keywords:Contactlessliquidswitch;CapacitySensor;HighFrequencySignal1.引言传感器技术正从分立的、“笨重”的、昂贵且没有灵活性的仪器演变为智能化的、可自动校准的硅基单元。同时硅敏感器件以及分立的仪器所选用的测量方法也从原来的多种变换原理，如磁、光和压电等，向电容式原理演变。目前飞速发展的无线传感器网

4、络亦是在基于[1]传统传感器技术的基础上，融入无线传输及网络技术的产物。电容式传感器可用于多种不同的应用场合。简单的电容式传感器用于有或无的检测，这方面的实例是监测容器中的液位，而复杂的电容式传感器可以实现很高的模拟信号精度和线性度，而与数字电路结合的多电极系统也具有很高的数字信号精度。近年来电容式传感器广泛应用于测量、开关、通信、接近觉传感器等方面。笔者设计的非接触式液位开关就是基于电容式传感器的一种设计应用。[1]2.非接触液位开关设计所谓的“非接触”是指液位开关无需与液体直接接触，而是安装在储存液体的容器外壁上，这要求储存液体的容器是绝缘材料，若储

5、存液体的容器是导电的，应该采用接触式的测量方法。图1非接触液位开关的组成框图林小平：工程师基金项目：广东省自然科学基金资助项目（编号：05001838）如图1所示，非接触液位开关的组成包括接地金属电极、高频振荡电路、波形整形及高频整流电路和电源电路。2.1接地金属电极接地金属电极的作用是与待测液体形成接近电容，按照电容理论，金属电极与空气之间形成的电容大概几个皮法（本设计中因为液位开关与储存液体的容器外壁紧贴，所以该电容可以忽略），而与液体之间形成的电容会根据液位与电极的相互位置有关，从几个皮法到几十皮法不等。因为本设计主要用于“有”或“无”的检测，所以

6、无需准确测量电容值。通过调节与接地金属电极相连的可变电阻可以适应不同的容器外壁厚度。2.2高频振荡电路如图2所示，利用施密特触发器U1B形成振荡电路，通过调节R2和C1的参数，可以获得不同频率的锯齿波，再通过U1C获得规整的矩形波信号。图2高频振荡电路图2.3波形整形及高频整流电路电路如图3所示，利用施密特触发器U1A、肖特基二极管等组成，该电路是非接触液位开关设计的关键部分。如果被测液位没有达到设定位置，即没有与接地电极形成电容，那么由高频振荡电路产生的高频信号会通过U1A及D2，通过整流电路的作用而将D2的输出置为高电平，液位开关的输出为低电平，表示

7、液位未到设定位置。D2选用肖特基二极管的原因是利用了肖特基二极管的高速开关特性（ns级）。如果被测液位达到设定位置，即与接地电极形成电容，那么由高频振荡电路产生的高频信号会通过该电容，即电容的“高通特性”，从而将D2的输出置为低电平，液位开关的输出为高电平，表示液位到达设定位置，同时可将发光二极管点亮。图3波形整形及高频整流电路电路图上述电路中的施密特触发器采用74HC14，它是六集成施密特触发器芯片，充分满足设计的需求。2.4电源电路本设计提供了5－30VDC的电源电路，如图4所示，通过LM2931芯片及外围组容器件实现，以应对不同应用的需求。典型应用

8、中的供电电压为5VDC。图4电源电路图[2][3][4][5][6][7][8]