原油罐液位实时检测系统的设计文档格式.docx

1、 信息工程学院 徐燕华 2002 级 电气工程及其自动化 王 指导教师： 教师职称： 伟 师 讲 2006 年 6 月 23 日北京 声 明 本人郑重声明：所呈交的学位论文（毕业设计说明书） ，是本人在导师指导 下，独立进行研究（设计）工作的总结。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及 的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 签 名：徐燕华 日 期：2006 年 6 月 23 日 北京石油化工学院 学位论文电子版授权使用协议 论文 基于光纤的液位检测及其显示电路设计 系本人在北京石油化 工学院学习期间创

2、作完成的作品，并已通过论文答辩。 本人系作品的唯一作者，即著作权人。现本人同意将本作品收录于“北京石 油化工学院学位论文全文数据库”。本人承诺：已提交的学位论文电子版与印刷 版论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负。 本人完全同意本作品在校园网上提供论文目录检索、 文摘浏览以及全文部分 浏览服务。公开级学位论文全文电子版允许读者在校园网上浏览并下载全文。 注：本协议书对于“非公开学位论文”在保密期限过后同样适用。 院系名称： 信息工程学院 作者签名： 徐燕华 学 号： 2006 年 6 月 23 日 基于光纤的液位检测及其显示电路设计 摘 要 精确地实现对易燃易爆液体液位的测

3、量,是现代测量科学的重要课题。 本文设计一种利用单片机与光纤传感器组成的液位测量系统。 文中完成对光 纤液位检测系统的检测原理、数据采集及信号处理、液位显示等内容的理论分析 和相关的软硬件设计。 光纤液位计采用先进的光纤传感技术和传统的力平衡原理 相结合，实现对原油罐液位实时检测，被测液位信号通过磁力耦合系统和光学编 码器产生光脉冲信号，经光缆传输到光电转换器，变成电信号进行处理。特别是 光信号转换成电信号，对脉冲信号的判向和脉冲个数的如何计数作了详细地分 析。 该系统实现了现场全光无电在线检测,具有很好的稳定性和抗干扰能力。系 统做到了无电检测和传输,系统安全、防爆。 关键词： 液位检测，

4、光纤传感器， 光码盘， 单片机 I Abstract Measurement 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 liquid display of the op

5、tical 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.The measured signal ar

6、e 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 the direction by tne

7、 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 provided by it. Liquid-le

8、vel 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 目 录 第一章 绪论1 1.1 光纤液位测量技术概况2 1.2 国内外液位传感器的现状3 1.

9、3 传感技术的发展及应用.5 1.4 研究的基本方向和本论文的任务6 第二章 总体方案的设计.7 2.1 系统原理的分析7 2.2 器件的选择8 2.3 光电转换器及信号的处理13 第三章 检测电路设计15 3.1光电转换及放大电路15 3.2 整形及方向判别电路16 第四章 信号处理系统的设计20 4.1 脉冲的计数20 4.2液位显示部分22 4.3 转换程序25 第五章 总 结28 5.1 结论28 5.2 对该系统研究的展望28 参考文献29 致谢30 附录31 III 第一章 绪 论 光纤是二十世纪人类的一项重要发明， 它的出现对人类进入信息时代具有不 可估量的作用。 光纤的发明及发

10、展与人们对通信系统不断提高信息传输容量的要 求有密切的关系。1966 年，任职于英国国际电话电报公司的华裔科学家高馄博 士，发表了一篇名为光频率的介质纤维表面波导的论文，开创性地指出，可 以用玻璃做光学纤维传送讯号，从此开始了光纤通信的革命。人们对光通信的需 求极大地促进了光纤的研究和生产，光纤的应用也已不再局限于通信领域，光纤 技术正渗透到许多领域中，如科学研究、工业控制、交通、能源、建筑以及军事 等等，其发展方兴未艾，前景广阔。1 本章简要介绍光纤传感、光纤光栅及其传感技术的发展概况和应用，液位测 量技术的发展，最后简要介绍本文的主要工作。 1.1 液位测量技术概况 液位传感器是指检测液体

11、高度信息的仪器， 液位测量技术在工程领域有着极 为广泛的应用。在一般的生产工艺加工过程中，通常只需要对物料的表面位置进 行记录和储存，以作为确保生产工艺、安全等方面的需要。随着生产自动化程度 的不断提高，必须首先对液位测量数据进行控制与调节，以保证自动化生产能够 自动控制在最佳状态。在现代化的企业生产过程中，采用计算机控制系统对生产 进行各种综合控制与管理的普及，控制系统的智能化、统一化，要求测量的对象 要广、测量的精度要高、可靠性要好、实用性要强、且适用于特殊测量环境等， 这些对液位测量技术也提出了更高的要求。尤其是当液面具有波动和存在气泡， 或液面高度随时间改变的动态测量，或被测介质具有粘

12、滞性、导电性，或需要考 虑容器的密封性以及介质是否含有腐蚀物、毒性和易爆性等情况下，选择合适的 液位测量技术就显得尤为重要。2 目前国内外工业生产中普遍采用的液位测量方法有 19 种以上，主要有以下 几大类: 1）机械浮子类液位计 测量原理是利用传动装置把与液位同高度的浮子高度信息转换成脉冲信号 或连续信号，转换器是一些机械舌簧、磁铁、电子或光电设备。此类液位计可以 进行连续测量， 其问题是积聚在传动机械臂上的污物（如水垢沉积）会限制浮子运 动，从而产生故障。 1 2）电子类液位传感器 测量原理是把液位的变化转化为电气参数的变化， 利用一定的测量电路将电 参数检测出来，从而达到测量液位的目的。

13、其中最常用且最成熟的是电容式液位 传感器。 电容式液位计它是利用空气和液体作电容器两极极板间的电介质， 将液位变 化转换成静电电容变化，用电子学方法测量电容值，从而探测液体高度信息。它 结构简单，精度较高，而且量程广，适合于测量各种介质（导电介质、非导电介 质）的液位，但是要求液体具有相同、稳定的介电常数，需要有温度的补偿。尤 其用长电缆连接时，对电缆中的干扰和寄生电容很敏感，精度较差，且对导电介 质或粘性介质，误差较大、易受干扰，严重影响测量结果。 电阻式液位计探测器在空气中的阻值要比它浸在液体中的阻值大得多， 通过 电子学方法测量液体容器底部与顶部之间的电阻，从中可探知液位信息。其测量 精

14、度受液体污染情况的影响较大，探针的污染和沉积物，会导致错误的输出，在 直流工作时会产生电解，响应速度慢。 3）热学式液位计 由热敏电阻发出的信号可用来指示这类元件是否浸在液体中。它结构小，适 用于圆筒容器、玻璃柱、管道等，但这种方法仅能进行点测量，而不能用于液位 的连续测量。 4）雷达液位传感器 雷达传感器就是利用发射一反射一接收的原理来测量距离的， 因此可用于有 毒、有害的恶劣环境下。雷达液位传感器的传输信号是一种特殊形式.的电磁波， 其物理特性与可见光相似。 雷达信号是否可以被反射取决于被测介质的导电性和 被测介质的介电常数两个因素。所有导电介质都能很好地反射雷达信号，导电性 不太好的介质

15、也能被很准确地测量。雷达波不易受干扰，巨能穿透塑料容器或玻 璃容器进行测量，无需在容器上开孔，能实现非接触测量，即使在飞灰、粉尘强 烈并有很强旋涡的环境下也能进行准确测量。 然而雷达传感器的测量信号运行时 间极短，这给信号分析处理提出了极高的要求，造成它的价格昂贵、技术实施困 难。 5）超声波液位传感器 超声波液位传感器发展很快、应用也很广泛，常用于测量明渠液位及开口容 器内液位。由超声换能器发射的超声脉冲经空气在被测介质上反射，再返回接收 换能器，测量该超声脉冲往返时间，就能得到超声换能器辐射面到被测液面的距 离。根据换能器安装高度，就能得出液位高度。但声波传播速度多受环境因素影 2 响，其测量信号的可靠性较差，误差较大，校正补偿复杂。 6）同位素/放射性液位传感器 它是利用放射性同位素射线（如 a 射线、p 射线、Y 射线）的穿透和反射能力， 当 a 射线、p 射线、Y 射线到达被测液体