金屬膜片背景下光纖液位傳感器電路設計分析

摘要：金屬膜片背景下的光纖液位傳感器通過測定液體靜壓力與液體高度的關系來確定液位，經過對信號電路進行優化設計，最終獲得了線性度好、分辨率高以及適應性廣以及檢測精度較高的光纖液位傳感器。文章從光纖液位傳感器的工作原理入手，重點的論述了光纖液位傳感器電路的設計。

關鍵詞：金屬膜片 光纖液位傳感器 電路設計

隨著使用要求的提升，傳統的液位傳感器已經不能充分的滿足現實的需求。尤其是在特殊場合，例如在易燃易爆場所不能存在電荷以及其它環境受限的條件。經過不斷地發展，傳統的液位傳感器得到了長足的發展，當下新發展起來的光纖液位傳感器較之傳統的液位傳感器具有可靠性高、反應快、能耗小以及抗干擾能力強的優勢，在軍事以及民用市場存在著較大的應用前景。

1、光纖液位傳感器的工作原理

光纖液位傳感器基于液體高度以及靜壓力之間的關系，通過金屬膜片將靜壓力轉換為光強的變化來達到液位測量目的。這里金屬膜片主要作為一種換能器件，從而實現了將液位變化直接的轉換為反射光強度，從而實現了通過監測光強變化來對液位進行監測的目的。同時金屬膜片在這里還發揮著隔離不同介質的作用，并且以其優良的線性度以及高重復性，成為了很好的壓力與位移變化的轉換器件。光纖液位傳感器的研發實現了通過液位變化來調制光強的輸出，表現出穩定性高、結構簡單以及經濟實用的特點。

光纖液位傳感器的構成較為簡單，主要分為光源、傳感頭、信號處理以及接口顯示等部分。進入光纖的光要首先經過耦合處理，然后經過光纖傳輸照射到金屬膜片中心點，金屬膜片在液位變化時會導致照射到膜片上的反射光的改變，一部反射光被接收光纖束接收，最后經過探測器將反射的光信號轉換為電壓或者電流輸出。其中金屬膜片會在液位高度變化時發生反射光變化，致使輸出光強改變，這一變化經過電路處理后表現為電壓或者電流變化，最后由A/D轉換為數字信號，借助于單片機的數據采集以及處理從而直接顯示液位高度。

2、傳感器電路設計

2.1前置放大電路

在實際測量中由光電探測器輸出的信號很弱，為此需要經過放大處理，但是這樣就可能導致電流或者電壓的失調，甚至引發自激干擾以及零點漂移。為此為了確保有用信號不被淹沒或者干擾，不僅需要借助于高靈敏度的探測器，同時也需要對使用到的前置放大器進行優選。這里我們使用美國Analog Digital 公司的OP27以及AD620兩種產品。其中OP27具有高精度、噪聲低的運放，可以實現輸出的微弱信號轉換為低噪聲的電壓信號的目的；AD620作為一種精密儀表放大器，具有較高的共模抑制比、較低的溫漂系數以及噪聲系統，同時具有簡單的電路設計，僅需要一個外接電阻就可以精確地實現放大倍數確定，從而實現將OP27的輸出信號放大到設定強度，并且這個過程中的電壓漂移很小。

2.2A/D轉換電路

A/D轉換電路作為數據采集電路設計以及選擇中的核心部件，也是前向通道中模擬系統以及數字系統連接所不可或缺的部分，為此科學、準確的選擇A/D轉換器具有至關重要的意義。實際中對于液位測量的一般要求是測定0mm—1200mm范圍以及相關誤差為±3mm，為此對轉換速度以及系統分辨率提出了一定要求。實際測試表明，當前置放大器的輸出電壓信號大約變化20mv時，一般的8位或者是10位的A/D轉換器不能滿足精度要求，也就是不能分辨這一微弱的變化。為此這里要采用Analog Digital 公司生產的單片高速12位逐次比較型A/D轉換器AD574。這種型號的轉換器具有功耗低、外接元器件少以及精度高的特點，同時具備自動極性轉換以及自動校零的功能，只需要在外部外接少量的電阻、電容器件就可以構成一個完整的A/D轉換器。這一型號的A/D轉換器的轉換時間為25μs，同時數字位數可以在12或者8位之間轉換。當設置為12位時，轉換器的數字輸出會分兩次被單片機讀取并轉換。此外，AD574還具有單極性以及雙極性兩種輸出方式，從而可以實現直接的與微機接口。AD574的內部配置有很強的接口控制電路，分為5根控制線來分別實現定時、尋址、啟動、讀出功能。

3.單片機處理與顯示

由于在信號檢測系統的實際應用中會出現信號較弱以及電路輸出信號非線性增強的情況，從而極大地影響了系統測量的精度以及動態范圍。為此這里在電路設計中使用單片機對輸出的信號數據進行線性補償。STC89C52作為光纖液位傳感器的數據采集中的核心部件，不僅具有功耗低、穩定性好的特性，同時價格適中并且易于外圍電路的擴展使用。這種單片機具有8k的Flash程序以及512字節的數據存儲器，可以很好地與MCS—51指令系統以及8052產品引腳兼容，同時兼備在線下載功能。

前段模擬信號被A/D轉換器轉換為數字信號后，AD574A的28腳STS會轉變為高電平信號，從而通知單片機轉換結束并開始數據讀取。當單片機采集到STS端的高電平信號時就會進入中斷服務程序，將轉換的結果與數據表格中的數據進行比對后，如果轉換數據處于轉換表格中，開始調用數據處理程序以及顯示程序。

光纖液位傳感器作為傳統液位傳感器的替代品，在實際的應用中表現出了良好的穩定性、便捷性以及抗干擾能力，不失為一種適用于惡劣測量環境的理想測試手段。此外這一測量技術還可以和計算機通信功能整合實現功能拓展以及網絡管理。

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