完成时间： 2007.6.18检测技术课程设计报告储油罐液位、温度实时检测设计小组名单:任光辉 张晨睿 王资凯徐梦然 韩冬芳 朱晨姓名班级学号具体负责的工作任光辉F04035025040309537原理设计和小组工作安排张晨睿F04035025030309677资料搜集整理与报告撰写王资凯F04035025040309756报告撰写与整体方案修改徐梦然F04035025040309548图表制作和方案讨论韩冬芳F04035015040309094PPT制作与报告撰写朱晨F04035015040309066传感器原理分析1.系统总体说明 11.1 课题任务规定的设计要求 11.2 设计方法比较 11.3 设计特色 12.总体解决方案概述 23. 所用传感器简介[4] [5] 33.1 光纤传感器 33.2 超声波传感器 43.3 半导体热敏电阻 54. 系统描述 64.1 温度传感器 PPM 电路[1] [6] 64.2 超声波测距[2][3] 74.3 传感器 PPM 电路[8] 94.4 复合及脉冲光发射电路 104.5 脉冲甄别电路[8] 104.6 单片机数据处理[7][8] 115. 光推动系统的功率与信号通道设计[9][10] 135.1 光推动系统简介 135.2 光推动通道 136. 附录 146.1 存在的问题 146.2 解决的办法 147. 致谢 158. 参考资料 161. 系统总体说明1.1 课题任务规定的设计要求 我国石油资源丰富,采油炼油企业众多,储油罐是储存油品的重要设备,储油罐液位的精确计量对 生产厂库存管理及经济运行影响很大。
但国内许多反应罐、大型储油罐的液位计量仍采用人工检尺 和分析化验的方法,其他参数的测定也没有实行实时动态测量,这样易引发安全事故,无法为生产操作 和管理决策提供准确的依据采用计算机自动监测技术 ,实时监测储油罐液位、温度等参数 ,可以方 便了解生产状况 ,及时监视、控制容器液位及温度等 ,保障安全平稳生产试设计储油罐（圆柱体 型）液位、温度的实时监测系统1.2 设计方法比较液位测量方法温度测量方法直接测量法间接测量法接触测量非接触测量目测式液位测量法接触测量非接触测量膨胀式温度计辐射式温度计电容式超声波式电阻式亮度温度计电阻式红外式热电耦式比色温度计静压式激光式压力式光导纤维温度计电感式光电式热感式微波式表 1 现有方法总结1.3 设计特色 采用光纤传输，实现测量无电回路，避免电信号引起的危险，动态效应好，可以远端控制，实 现数字脉冲的传输，避免干扰2. 总体解决方案概述本次设计，我们采用光纤传输光推动油罐多参数侧量，系统的总体方案如图 2.1 所示它由三 部分组成:(1)测量现场的超声波液位传感器及其控制电路以及脉冲位置调制(PPM)电路，三只半导体 热敏电阻以及脉冲位置调制(PPM)电路，多个不同宽度窄脉冲信号复用电路，PPM信号发射电路和 光电转换供电电路。
2)二次仪表的脉宽鉴别、信号解调、信号处理以及LD光源驱动电路3)探头 与二次仪表之间功率和信号双向光纤传输通道部分图 2.1 系统的总体方案图 2.2 系统中传感器安装位置3. 所用传感器简介[4] [5]3.1 光纤传感器 在光通信研究中发现，光纤受外界环境因素的影响，如压力、温度、电场、磁场等环境条件变 化时，将引起光纤传输的光波量，如光强、相位、频率、偏振态等改变如果能测量出光波变化的 信息，就可以知道导致这些光波量变化的压力、温度、电场、磁场等物理量的大小，于是就出现了 光纤传感器技术时至今日，光纤传感器己成为现代传感器技术发展方向之一，各国在光纤传感理 论和应用上进行了大量的研究工作尤其是近几年，它的发展异常迅速，呈现出巨大的开发潜力， 受到一些工业先进国家研究单位的高度重视光纤传感器的信号载体是在光纤中传输的光，而光纤本身是一种介质材料，这就赋予了光纤传 感器具有一些常规传感器无可比拟的优点，如灵敏度高、响应速度快、动态范围大、防电磁干扰、 超高压绝缘、无源性、防燃防爆、适用于远距离遥测、多路系统无地回路“串音”千扰、体积小、 机械强度大、可灵活柔性挠曲、材料资源丰富、成本低等。
由光纤、光源和光探测器组成的典型光纤传感器如图3.1.1测得信息测得信息测得信息被测对象光敏元件光导纤维（a）功能型 （b）传导型图 3.1.1 光纤传感器结构简介光纤波导原理：光纤由折射率n1 （光密介质）较大的纤芯，和折射率n2 （光疏介质）较小的包层构成当光线以较小的入射角0 1由光密介质1射向光疏介质2 （nl>n2）时，根据Snell定律有：图 3.1.2 光纤基本结构nlsin01 二 n2sin02当0 2 =90°时，01 = 0，此时有：cn2sin0 = ， 0称为临界角c n1 c由图可见，当01 >0时，光纤再介质内产生连续向前的全反射c同理，由图和Snell定律可导出光线由折射率为n0的外界介质(空气n0=1)射入纤芯时实现 全反射的临界角为：1 I sin 0 = n 2 一 n 2 = NA0 n 1 20NA定义为“数值孔径”一般： NA = 0.2~0.4 对应张角 11.5°~23.6°3.2 超声波传感器总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式 产生超声波电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋 笛等。
它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同目前较为常 用的是压电式超声波发生器压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的超声波有两个压电晶片和一个 共振板当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共 振，并带动共振板振动，便产生超声波反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波 时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了超声波测距原理是超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声 波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时超声 波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t,就可以计算出发射点距障碍物的距离 (s),即：s=340t/2每个传感器的中心频率都存在一定的误差，在40KHz左右波动，而且超声波传感器发射波束时 存在很大的发散角，从而导致方向性较差，而且随着传播距离的增加，在不同的发射角上信号衰减 的程度也有变化在空气中的发散角及耗散性如图3.2.1 [SHIRLEY P A. An introduction to ultrasonic sensing[J].END,1989（11）]。
5JP:---.•一巨10 60 90 120 150 ISO、160 90 120 150 角度T )图 3.2.1 超声波在空气中的发散角及耗散性3.3 半导体热敏电阻 信号通道探头中的温度敏感元件采用半导体热敏电阻选用半导体热敏电阻做一次测温元件的 主要原因，一是半导体热敏电阻阻值大，在实现电阻到脉宽的转换时，可减少 RC 转换电路的动态 功耗;二是具有 T-PWM 变换的高灵敏度，响应速度快（时间常数小）和小体积等优点但半导体热敏 电阻存在特性参数分散性大，互换性差，电阻—一温度 为非线性关系等缺点近年来由于材料及工 艺的不断改进，其温度敏感特性得到改善，在温度测量与控制中得到广泛应用系统中采用高精度（误差＜0. 05 0C）的热敏电阻，其阻值与温度的关系为R 二 ReB（代）T0RR式中：t —被测温度为T时的电阻值，0 —参考温度为T0时的电阻值，B—热敏电阻的 材料系数系数 B 除与材料有关之外，还与材料所处温度有关材料确定之后，近似为一常数合理选 择 B 值对温度值的灵敏度、测量范围、线性处理精度有直接影响， B 值在近似常规条件下，热敏电 阻一温度为指数函数关系4. 系统描述4.1温度传感器PPM电路[1] [6]温度传感器的测量电路如图4.1.1所示。
由移位寄存器CC4015和或非门CD4002构成的分时电 路控制开关CD4066，分别把三只半导体热敏电阻和一只参考电阻接入振荡器CD4047，使各电阻值 转换为多谐振荡器的脉宽信号t1 ~ t4，脉宽与电阻的关系为V (V — V )t 二一RC In - —TR——DD TR x (V + V )(2V — V )DD TR DD TRVV式中 x = 1、2、3、4，C=0.1uF当 tr =0.5 dd 时，t 二 2.2 RCxx此脉宽信号通过上升沿触发单稳态触发器，用4uS脉冲位置信号来表征，如图4.1.2所示图4.1.1温度传感器PPM电路图 4.1.2 电路时序4.2 超声波测距[2][3]超声波发射单元包括振荡电路和驱动电路.振荡电路是由反相器CD4069组成的非对称式多谐振 荡器，它产生40 kHz的方波脉冲电路如图4.2.1所示.电路中第二级反相器输出的电压由Rf (3K电阻 和滑动变阻器)的调节，可以改变输入到第一级反相器输入端的相位.当相位达到同相时，实现正 反馈，就成了稳定的振荡器.振荡周期公式为T=2. 2XRfXC.因为CD4069为CMOS结构，所以逻辑门 前的电阻Rp (100M)为第一级反相器的保护电阻.当Rp足够大时，第一级反相器的输入电流可忽略 不计.由于超声波换能器中心频率都有偏差，所以Rp采用电位计，可以调节到最佳谐振点，这也是 不用单片机产生方波的原因.电路中IN1和IN2同时得到相位相反的2路控制脉冲，提供给驱动电路 驱动控制采用了 L293型直流电机PWM调速芯片，它内部的H桥电路可以产生相位相反的两路脉冲.驱 动电路的直流电源电压可以改变，以适应不同传感器对电压的要求.振荡电路中产生方波的两端， 分别接到驱动电路1A、4A端•控制输出电路中EN端为输出使能端，它由CON1端口控制，由单片机产 生控制信号，通过光纤传输完成对其控制。
图 4.2.1 超声波发射单元1U 16]2巧］314]413]512]611 ]710 ]89]NEPACKAGE (TOP VIEW}HEAT SINK ANDGROUND3A3,4EN[2Y [2A [ VCC2 [1,2EN [1A [ 11Y [HEAT SINK ANDGROUNDlogic symbolt27[>V IEN3IEN6:图t>V IEN11.2.2 L293?结构11,2EN3A3,4!EN4A1¥2¥3Y4Y超声波接收单元中包括：模拟放大、滤波电路、电平转换电路，如图4.2.2所示．模拟放大器选 用高精度仪用放大器LM318作为信号放大与滤波之用，它的单位增益带宽为15 MHz，超出音频范围 能够满足40 kHz的要求在放大电路的负反馈回路中接入电容C1构成低通滤波器.电容的选择可由 公式.f=1/(2piR1*C)求出，式中.f为采用的超声波频率，R1为第一级的反馈电阻.因为多谐 振荡器中有高频分量噪声，所以通过低通滤波器将高频噪声滤掉.经过2极放大后，通过电容耦 合，信号与参考电压比较产生高低电平，经过图 4.2.2 超声波接收单元控制部分由单片产生7-8个周期的高电平，经过放大器驱动后，经GaAs发光二极管(LED)把信 号发射出去，在信号控制端I/V转换后，控制L293来产生40KHz的超声波。
1M光纤Pl.X89C51图 4.2.3 单片机控制电路超声波的发生电路4.3传感器PPM电路[8]图 4.3.1 传感器 PPM 电路CX2 RESET(2) -TR(2) Q2VD]D:⑵+TIU2)Q216 15 14 13 12 11 10 9CD40981 2 3 4 5 6 7 SC111EESIiT(l)-TIU1)Q1冏匚图4.3.2 ^D4098管脚分布图其中周期T= RC,调节1、2和14、15脚上的电阻和电容使得产生4us和2us的脉冲4.4 复合及脉冲光发射电路 为了实现单光纤传输所有脉冲位置信号，用或门把表征超声波 2uS 脉位信号和表征温度传感器的4uS脉位信号进行电复合，经GaAs发光二极管(LED)把信号发射出去，图4.4.1示出了电复合及 脉冲光发射电路4.5 脉冲甄别电路[8]图 4.5.1 出 2uS 脉宽的 PPM-PWM 信号解调电路，其它几路结构与其相同，只是设定的参数不 同表示超声波与温度信号的2uS, 4uS光脉冲位置信号，通过硅光电二极管((PD)转换为电脉冲信 号脉宽甄别器只通过2uS脉宽的信号，再由D触发器恢复表征电容C1和C2的脉宽信号。
图4.5.1 PPM-PWM信号解调电路脉冲甄别电路由单稳电路CD4047和与非门CD4093构成脉冲宽度的甄别上限T =TA + TB, u A B 甄别下限 Ti=TATA为单稳态多谐振荡器(OSB)工作于上升沿触发方式的定时周期，TB为单稳态多谐振荡器(OSB) AB下降沿触发方式的定时周期，它们分别由时间常数ra, ca，和rb、CB确定输入脉冲宽度tM低于 Ta时，与非门G3的两个输入不可能同时为高电平，故D3输出一直处于高电平，此时电路无脉冲输 出如果输入脉冲宽度tM是在上、下甄别阈内，则/Qa回到高态瞬间，G3输出为低电平，并触发单 稳态多谐振荡器(OSB)，于是/Qa输出为高电平，与非门G4输出一个负脉冲，这说明输入脉冲宽度 落在电路的甄别阈之内当输入脉冲宽度tM大于Tu时，由于TB结束之后G1,的输出仍为低态，故G2无负脉冲输 MB出输入和G1之间的两个与非门(G3, G4)用来对输入脉冲延时，以防输入脉冲在单稳态多谐振荡 器OSA触发以前去触发单稳态多谐振荡器OSBAB脉冲甄别器各点的波形如图4.5.2所示图 4.5.2 脉冲甄别器各点波形从选通的PPM信号到PWM变换为解调过程，各选通的窄脉冲位置信号通过CD4013触发器即 变成脉宽调制信号。
4.6 单片机数据处理[7][8]本系统采用单片机对脉宽信号进行测量和处理通过接受到的超声波的信号与发射控制信号的时间差值计算液位，通过测量温度信号( 4us 的 脉冲)脉冲的时间差值，来计算热敏电阻温度传感器测量的温度值由于单片机内部的定时器精度较低，MCS-51系列单片机在选用12MHz晶振时，定时精度仅达 到1uS，不能满足本系统的测量要求为实现脉冲宽度的精确测量，采用了由高速数字电路构成的 定时器和单片机组成脉宽测量系统脉宽测量系统的硬件组成如图4.6.1所示4.6.1 脉宽测量系统的硬件组成为满足测量精度要求，测量电路选用 50MHz 的高速时钟电路作为定时用计数器的时钟基准 高速计数器由两片4位二进制计数器(74F197)组成的8位计数器用两路计数器分别实现对正脉冲 和负脉冲的测量计数器的溢出周期为5.12uS，单片机对其计数，以实现较大范围的测量单片机是对接受到的脉冲之间的时间间隔进行计时，在答辩中老师认为不需要高精度计数器 是有所误解的)5. 光推动系统的功率与信号通道设计[9][10]5.1 光推动系统简介实现温度，液位等参数的高精度检侧，必须解决如下关键技术 :光推动通道完成的高效率光 /电 变换，使之推动探头的电功率有一定裕度 ;RC 转换探头的微功耗 ;被测参数的 R. C-PWM-PPM 变 换，PPM信号的远距离光纤传输;二次仪表端PPM信号的辩识，PPM-PWM恢复，系统性能指标的 调整与改善。
为解决光推动功率不稳定造成的测量误差，除了采用制冷与光反馈技术外， R,C 转换电路设 计成热敏电阻 R 与固定电阻互为参考，两被测差动电容互为参考工作方式，使系统的温漂、时漂大 为减少，抗机械和抗电磁干扰性得到改善，提高了探头及整个系统的测量精度与工作稳定性测量与传输信号采用R, C-PVYM-PPM调制技术且全CMOS电路实现，不仅减少了探头的动 态和静态功耗，而且抑制了信号传输系统中的光纤长度、光源、光探测器和光祸合器等的特性参数 变化对信号检测精度的影响实用化功率与信号双光纤传输油罐多参数检测系统的设计，成功地解决了电传感与光传输的 相容性，扩展了差动电容式敏感元件在强电磁干扰、易燃易爆场合的应用，实现了常规传感器难以 胜任的特殊环境下的油罐多参数测量5.2 光推动通道二次仪表端的 LD 驱动电路调制 LD 使其发光，光能耦合入功率光纤传输到探头端，经硅光电 池再转换成电能用硅光电池获得电压主要有两种方式，一是采用多个硅光电池串联阵列的方式， 这种方式结构简单，但它存在电流不匹配的问题，即串联阵列中，任一硅光电池的转换效率低，在 回路中的总电流就受到了限制本文采用另一种方式，即利用一个硅光电池，将其输出幅值为 0. 7V 脉冲电压，由变压器升压产生转换探头的工作电源，其原理如图 3.2.12 所示。
它包括方波驱动 电路、LD-光纤-----PD耦合传输部分和光至直流电压转换部分此方法提供给测量端工作的电源有 两个优点:(1) 由于使用升压变压器，只需一个光电探测器，结构简单;(2) 通过光电探测器和负载阻抗的匹配，可使光电系统获得最佳转换效率方波发生器LD,.T光纤图 5.2.1 光推动原理6. 附录6.1 存在的问题 由于测量液位时采用了超声波传感器，这部分需要消耗较大的功率在，光推动部分不一定能产 生足够大的功率使得传感器电路正常工作，从而影响测量精度6.2 解决的办法 看到其他小组有采用差压传感器用来测温的，这部分可以用来借鉴，采用差压传感器测温后可以有效的减小电路中功率的消耗或者采用多个光电探测器采用多个硅光电池串联阵列的方式，这 样可以产生较大的功率来推动整个系统7. 致谢这两周来，经过我们小组努力，完成了对本次储油罐液位、温度实时检测方案两周来我们付 出了很多，也得到了很多，获得了很多，这期间也受到了很多的帮助，再次感谢帮助我们的所有的 人感谢施老师、姜老师半年来孜孜不倦的教导，感谢周围同学对我们的鼓励和支持，谢谢那些先 辈们为我们所作的一切一切的文档供我们参考最后，再次对关心、帮助我的老师和同学表示衷心地感谢！8. 参考资料[1]《大型浮顶油罐测温系统的研发》 于达[2] 《基于AT89C51单片机的超声波测距系统设计》戴日章[3] 《基于AT89C2051的超声波测距系统》高川[4] 《传感器技术》修订版 贾伯年 俞朴等 东南大学出版社[5] 《检测技术》第二版 施文康 余晓芬 主编 机械工业出版社[6] 《数字电子技术基础》 阎石 高等教育出版社[7] 《油库油罐自动计量系统》 张海刚[8] 《一种全数字式油罐的计量与监测装置》 王惠庆[9] 《光纤传输光功率推动传感技术及其应用的研究》 王玉田[10] 《光推动混合电流传感器的研究》 播向东。