传感器在太阳能热水器水位报警器中的应用本科毕业论文.docx
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传感器在太阳能热水器水位报警器中的应用本科毕业论文
传感器在太阳能热水器水位报警器中的应用
系别：
电气电子工程系
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日期：
2012年4月25日
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孙超指导教师签名：
日期：
2012年4月25日日期：
年月日
摘要
近年来，随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，人们对生活热水器的需求日益增加，太阳能热水器便是太阳能成果应用中的产业。
它为百姓生活提供环保，安全节能，卫生的热水。
太阳能热水器就是吸收太阳辐射的热能，加热冷水供给人们的生活使用，然而太阳能热水器一般都设在室外房屋的高处，热水器的水位在使用过程中不易观测，使用水位报警器后，则可实现水箱中缺水或者加水过多时自动发出声光报警。
太阳能热水器水位报警器是利用导电式水位传感器实现自动检测和自动控制这一功能的。
关键词：
太阳能热水器；水位报警器；传感器。
目录
第一章传感器概述
（1）
第一节传感器技术
（1）
第二节传感器的定义及作用
（1）
第三节传感器的特性
（2）
第四节传感器的分类（4）
第二章液位传感器的概述（5）
第一节液位传感器（5）
第二节导电式液位传感器的基本工作原理（5）
第三章太阳能热水器水位报警器（8）
第一节工作电源指示（8）
第二节基本工作原理（8）
全文总结（11）
参考文献（12）
致谢（13）
第一章传感器概述
第一节传感器技术
世界是由物质组成的，各种事物都是物质的不同形态。
表征物质特性或运动形式的参数很多，根据物质的电特性，可分为电量和非电量。
电量一般是指物理学中的电学量，例如电压，电流，电阻及电感等；非电量则指除电量以外的一些参数，例如压力，尺寸，位移量，重量，力，速度，温度等等。
人类为了认识物质及事物的本质，需要对物质特性进行测量，其中大多数是对非电量的测量。
非电量的测量是不能直接使用一般的电工仪表和电子仪器测量，因为一般的电工仪表和电子仪器只能测量电量，要求输入的信号为电信号。
非电量需要转换成与非电量有一定关系的电量，再进行测量。
实现这种转换技术的器件被称为传感器。
采用传感器技术的非电量测量方法，就是目前应用最广泛的测量技术。
当今信息时代，随着电子计算机技术的飞速发展和微处理器的广泛应用，自动检测，自动控制技术显露出非凡的能力，而大多数设备只能处理电信号，也就需要把被测，被控非电量的信息通过传感器转换成电信号。
所以，有人把计算机比喻成一个人的大脑，传感器则是人的五官。
可见，传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节。
第二节传感器的定义及作用
传感器的定义：
能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。
而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。
为适应这种情况，就需要传感器。
因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。
新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。
在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。
在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。
因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。
在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。
现代科学技术的发展，进入了许多新领域：
例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到瞬间反应。
此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁砀等等。
显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。
许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。
一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。
传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。
可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。
由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。
世界各国都十分重视这一领域的发展。
相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。
第三节传感器的特性
传感器的静态特性
传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。
因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。
表征传感器静态特性的主要参数有：
线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。
传感器的动态特性
所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。
在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。
这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。
最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。
传感器的线性度
通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。
在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度（非线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标。
拟合直线的选取有多种方法。
如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线；或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。
传感器的稳定性
传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。
影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。
因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。
在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。
传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。
在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。
传感器的线性范围
传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。
以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。
传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。
传感器的精度
精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。
传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。
第四节传感器的分类
根据某种原理设计的传感器可以同时测量多种非电物理量，而有时一种非电物理量又可以用几种不同传感器测量。
因此传感器有许多分类方法，但常用的分类方法有两种，一种是按被测输入量来分；另一种是按传感器的工作原理来分。
按被测物理量分类
这一种方法是根据被测量的性质进行分类，如温度传感器，湿度传感器，压力传感器，位移传感器，流量传感器，力敏传感器，加速度传感器及转矩传感器等。
这种分类方法把种类繁多的被测量分为基本被测量和派生被测量两类。
例如力可视为基本被测量，从力可以派生出压力，重量，应力和力矩等派生被测量。
当需要测量这些被测量时，只要采用力传感器就可以了。
这种分类方法的优点是比较明确的表达了传感器的用途，便于使用者根据其用途选用。
其缺点是没有区分每种传感器在转换机理上有何共性和差异，不便于使用者掌握基本原理及分析方法。
按传感器工作原理分类
这种分类方法是以工作原理划分，将物理，化学，生物学等学科原理，规律和效应作为分类的依据。
这种分类方法的优点是对传感器的工作原理表达比较清楚，而且类别少，有利于传感器专业工作者对传感器进行深入研究。
缺点是不便于使用者根据用途选用。
第二章液位传感器的概述
第一节液位传感器
液位传感器是位移传感器的一种，测量液位的目的一种是为了液体储藏量的管理，一种是为了液位的安全或自动化控制，有时需要精确的液位数据，有时只需要液位升降的信息。
液位传感器按测量原理可分为浮子式液位传感器，平衡浮筒式液位传感液位传感器，压差式液位传感器，电容式液位传感器，导电式液位传感器及超声波式液位传感器和放射式液位传感器等。
本设计是利用导电式液位传感器来实现水位报警的功能的。
第二节导电式液位传感器的基本工作原理
如下图所示：
电极可根据检测水位的要求进行升降调节，它实际上是一个导电性的检测电路，当水位低于检知电极时，两电极间呈绝缘状态，检测电路没有电流流过，传感器输出电压为零。
假如水位上升到与检知电极端都接触时，由于水有一定的导电性，因此测量电路中有电流流过，指示电路中显示仪表就会发生偏转，同时在限流电阻两端有电压输出。
人们通过仪表或电路输出电压便得知水位已达到预定的程度了，如果把输出电压和控制电路连接起来，便可对供水系统进行自动控制。
图2是导电式水位检测器的电路原理图。
电路主要由两个运算放大器组成，
运算放大器及外围元件组成方波发生器，通过电容器
与检知电极相接。
运算放大器与外围元件组成比较器，以识别仪表水位的电信号状态。
采用发光二极管作为水位的指示。
由于水有一定的等效电路
，当水位上升到和检知电极接触时，方波发生器产生的矩形波信号被旁路。
相当于加在比较器反相输入端的信号为直流低电平，比较器输出端输出高电平，发光二极管处于熄灭状态。
当水位低于检知电极时，电极与水呈绝缘状态，方波发生器产生正常的矩形波信号，此时比较器输出为低电平，发光二极管闪烁发光，告知水箱缺水。
如要对水位进行控制，可以设置多个电极，以电极不同的高度来控制水位的高低。
图1）导电式水位检测器的电路原理图
图2）等效电路及输出波形
第三章太阳能热水器水位报警器
第一节工作电源指示
电路在工作时通入220V交流电，经过变压器变压后成为12V交流电，再经过整流电路整流后输出12V的直流电，电路通入12V直流电后发光二极管VD5点亮，指示电源工作正常。
第二节基本工作原理
导电式水位传感器在日常工作和生活中应用很广泛，它在抽水及储水设备、工业水箱、汽车水箱等方面均被采用。
太阳能热水器一般都设在室外房屋的高处，热水器水位在使用时不易观测。
使用水位报警器后，则中实现水箱中缺水或加水过多时自动发出声光报警声。
此次水位报警器是利用导电式传感器的三个电极设计的，通过传感器将水位变化转化为电信号送到测控电路中，通过对信号的处理对外在条件进行操作，可大体用图表表示为：
水位报警器的电路，如图所示导电式水位传感器的三个探知电极分别和VT1、VT3的基极及地端相连。
电路的电源由市电经变压器降压、整流器整流提供，发光二极管VD为电源指示灯。
报警声由音乐集成电路9300产生，R8及VD10产生的3.6V直流电压供9300使用，VT4、VT5组成音频功放级，将IC输出的信号放大后，推动扬声器发出报警声。
当水位在电极1、2之间正常情况下，电极1悬空，VT1截止，高水位指示灯VD8位熄灭状态。
由于电极2、3处在水中，由于水电阻的原因，使VT3导通，VT2截止，低水位指示灯VD9也处于熄灭状态。
整个报警系统处于非报警状态。
当热水器水箱中的水位下降低于电极2时，VT3截止，VT2导通，低水位指示灯VD9点亮。
由C3和R4组成的微分电路在VT2由截止到导通的跳变过程中产生的正向脉冲，将触发音乐集成电路IC工作，随之扬声器发出30s的报警声。
告知主人水箱将要缺水了。
同理，当水箱中的水超出电极1时，VT1导通，高水位指示灯VD8点亮，同时C2和R4微分电路产生的正向脉冲触发音乐集成电路IC工作，使扬声器发出报警声，告知主人水箱中的水快溢出来了。
导电式水位传感器工作原理图：
根据以上的工作原理的介绍，可用一个控制流程图来概括：
全文总结
太阳能热水器的水位报警器是目前现实生活中较为实用的生活环保用品，已得到广泛关注。
在提高生活质量和环保事业中充分发挥了它的作用。
太阳能热水器水位传感器在此次电路中是非常关键的部分，但我们也不得不考虑它所存在的一些问题。
因为在电路中它必须一直在水中放着，不得不考虑长期工作在水中会有水垢等物质生成，水垢是影响传感器使用寿命的主要原因,因为水垢是导电性极差的物质，会造成传感器的灵敏度的下降。
同时，长期浸泡在水中的塑料导管和电线也会对水产生污染。
还有一个重要的因素也要考虑，通常情况下，热水器水箱中的温度会很高，就得要求传感器必须耐高温，不受温度的影响。
所以,怎样解决这些问题也是太阳能热水器发展的方向。
随着科技的发展，传感器的发展越来越智能化，绿色环保节能化，集成化，同样还要使用经济，这样才能更有效的解决现在太阳能热水器水位报警器的一些缺陷，才能更好的让百姓放心的使用。
致谢
本课题在选题及研究过程中得到老师的悉心指导。
老师多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。
老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，虽历时三载，却终生受益。
对老师的感激之情是无法用言语表达的。
感谢老师等对我的教育培养。
他们细心指导我的学习与研究，在此，我要向诸位老师深深地鞠上一躬。
感谢我的同学三年来对我学习、生活的关心和帮助。
参考文献
[1]柳桂国.《检测技术及应用》电子工业出版社2002年
[2]黄坚.《自动控制原理及其应用》高等教育出版社2005年第2版
[3]黄继昌.传感器工作原理及应用实例.人民邮电出版社1998
[4]周乐挺.传感器与检测技术.高等教育出版社，2004
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