一种应用于液位检测谐振液位传感器的研究与设计

钱松

（扬州工业职业技术学院，江苏 扬州　225127）

一种应用于液位检测谐振液位传感器的研究与设计

钱松

（扬州工业职业技术学院，江苏 扬州225127）

分析了谐振液位测量的工作原理及技术优势，通过机电机构优化以及传感器线性度的改进，有效地解决了传统液位测量精度低、不能实现无级测量等方面的问题；通过专业测试装置，对液位及输出频率进行测试统计，结果表明二者之间相关系数为0.985，达到了谐振液位测试系统的需求，具有重要的应用推广价值。

谐振式；液位传感器；液位检测；相关性研究

0引　言

在工农业生产过程中，大型喷雾机等工作机械的液位检测对工作过程中有效控制及药液的合理配置具有重要意义，例如在药液即将耗近的情况下，控制系统及时发出指令，防止抽水泵空转，可以有效提高设备的使用寿命。目前对液位的检测有差压法、超声波、接触电极法等多种方案，但是普遍存在着测量精度较低、测量设备价格较高的缺点。基于谐振液位传感器装置可以为喷雾等工作领域提供准确、可靠、价格低廉的液位测量方案。谐振式液位传感器已在洗衣机等家电中获得了部分应用，液位的高低可以通过输出频率表征，因此可以实现在全量程范围内无级高精度测量。在工农业等液位检测应用中，根据作业机械液位装置的使用特点，对液位传感器进行检测电路设计及结构优化，实现了对液位的高精度检测。

1　谐振式液位传感器的工作原理

1.1谐振式液位传感器的结构

液位传感器通过导管将液箱中的液体液位转换为在气室中的不同气压，在密闭的情况下，气体压力与液位H成正比关系，当液位上升时，气压升高，导板在导向轴以及支撑限位点的作用下平行上移。同时，固定在导板上的磁性元件发生平行上移，使得磁性元件与线圈之间的相对位置发生了变化，最终引起了线圈电感值的变化，线圈与电容构成三点式振荡电路，因此当液位发生变化时，振荡电路的输出频率发生相应的改变。谐振液位传感测量装置结构如图1所示。

1.2液位与频率关系的建立

当液位发生变化时，定义ρ为液体的密度，H为液位高度，则液箱底部压强P为：

气压在导板地面的薄膜上产生压力为F1，并驱动磁性元件在线圈中产生Δlc的相对位移，同时磁性元件收到连接弹簧的反作用力为F2。设S为薄膜有效接触面积，K为弹簧弹性系数，则F1，F2的计算公式为：

式中：K，ρ，S都为常数，F1=F2，则得出液位与磁性之间的线性关系为：

图1　谐振液位传感测量装置结构图

根据线圈电感参数计算公式，可以得出当磁体元件位移为Δlc时，线圈的电感变化值ΔL为：

从式（5）可以得出，Δlc与ΔL之间存在线性关系，同时也与液位高度H之间存在线性关系。

最终可以得出在三点式振荡电路的输出频率与液位之间存在惟一的反向关系。

2　液位与频率之间关系的测试与优化

2.1测试方案的制定与数据记录

式（5）表明液位变化量H与电感量变化值ΔL之间存在良好的线性关系，电容三点式振荡电路的输出频率如式（6）所示，其中CΣ为振荡回路中的总电容。

在谐振回路电容不变的前提下，电感量与输出频率之间呈现一定的反向关系，但是为非线性关系，因此在测试中采用了多点测试的方案，并在较小的变化范围进行了 f与液位H之间的线性回归分析，建立了两者之间的一次线性回归模型。

在保证气室的密闭性，光滑无杂质后测试了不同尺寸传感器在不同水位下的输出频率，测试结果见表1。

表1　液位传感器频率与液位测试数据表

2.2液位与频率数学模型的构建

根据以上测试数据，对液位以及频率进行变量相关性分析，为数学模型的建立奠定基础，设输出频率为因变量x，液位为自变量y，二者之间的相关性通过式（7）计算其相关系数：

代入表1中的测试数据，计算得相关系数为0.985，结果表明传感器的输出频率与液位之间的高度相关，存在确定的反向关系，根据设计的需要，采用简单的一元线性回归分析得出二者之间的关系方程为：

3　传感器结构改进、频率测量的软硬件设计

3.1传感器结构的改进

传感器结构中膜的有效接触面积等对于传感器的频率输出都具有较大影响，如果液位传感器应用于移动工作设备中，可能导致测量产生较大的误差。因此在结构设计方面，根据实际情况采用不同弹性系数的弹簧进行测试。同时在导管处安装薄膜型减压阀或者波纹管，采用波纹管一般要求采用介质流通性能较好的先导式，以保证测量的准确性。实际应用中一般都采用金属储气罐以增加密闭气室空气的体积，可以在液位快速变化时起到缓冲的作用以保护传感器及相应电路。经过实际应用检测，改进后的传感器结构能够保证气室无液体渗入，在复杂的应用环境下测量精确度较高。

3.2传感器液位频率输出电路

液位传感器频率输出电路主要是将振荡电路的输出信号进行调理，设计中传感器的内部线圈为580匝，电感量在3.30～5.40 mH之间连续变化，输出电路中设计电容三点式振荡电路的电容C1=C2=0.022 μF，电阻R1= 1 kΩ，R2=4.7kΩ，采用CD4069UB数字反向器作为信号输出耦合电路，当被测液位发生变化时，输出端输出频率呈近似线性关系的方波信号。输出电路如图2所示。

图2　传感器输出电路

3.3频率测试软件设计

对于频率的测试，主要功能是要能够完成输出频率的实时检测，同时要能够完成液位的换算与显示。运算中涉及到浮点数的计算较多，因此采用了AVR系列的微控制器进行编程，编程过程中采用了内部的定时器T0进行液位传感器的输出脉冲检测，设TCNT0 为T0的当前计数值，液位高度由数码管或者LCD进行扫描显示。在程序设计中传感器输出频率的计算如下：

4结　论

本文采用高精度的谐振式液位传感器替代了传统的液位测量，液位测量的有效范围由原来的600 mm增加到1 200 mm以上，经过结构以及电路优化过的传感器测量液位时，液位与输出频率之间的相关系数达到了0.985，呈现出良好的线性度。采用弹簧以及机电机构进行优化，可以实现对液位的高精度测量，同时无级的测量方案在液位测量系统工作时，有效提升了用水效率以及水泵等部件的使用寿命，高精度的谐振式液位传感器在工农业等方面具有重要的应用推广价值。

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Research and design of a resonant mode liquid level sensor used for liquid level detection

QIAN Song
（Yangzhou Polytechnic Institute，Yangzhou 225127，China）

The working principle and technological advantage of the resonant mode liquid level measurement is analyzed. The electromechanical mechanism was optimized，and the sensor linearity was improved，which can effectively solve the problems of low accuracy and electrodeless measurement existing in the traditional liquid level measurement.The professional testing device is used for testing statistics of the liquid level and output frequency.The results show that if the correlation coefficient between liquid level and output frequency is 0.985，the sensor can meet the requirement of resonant mode liquid level testing system，and has important application and promotion value.

resonant mode；liquid level sensor；liquid level detection；correlation research

TN02-34

A

1004-373X（2016）17-0164-03

10.16652/j.issn.1004-373x.2016.17.041

2015-11-24

江苏省“十二五”高等学校重点专业建设项目（苏教高［2012］23号）；江苏省高等职业院校高级访问学者计划资助项目（2013FG033）

钱松（1982—），男，江苏姜堰人，硕士，讲师，中级工程师。研究方向为电路设计、信号处理等。