基于差动电容传感器和89C51单片机的电子水平仪

　　1 引 言

　　水平仪作为一种通用工具,已成为土木建筑、桥梁建设、铁路铺设、航空航海、工业自动化等领域不可缺少的工具之一[1],传统的水平仪是利用弧形的玻璃管内液体上方的小气泡是否居于正中位置来判断是否水平[2].这种水平仪结构简单,但仅凭人眼直接观察,误差大,测量精度低,无法直接测量倾斜角度,且测量结果不能直接输入计算机.国外许多国家很早就开始了电子水平仪的研制,许多国家已经制成成品.但随着科学技术的发展,研制分辨率更高的电子水平仪具有重要的意义.

　　2 差分电容传感器的结构和原理

　　圆柱型变介质差动电容传感器如图1所示,其截面如图2所示,它是1只长为20mm、直径为8mm的玻璃管,管中装有水,水中有1个圆柱型空气泡,玻璃管的两侧分别镀金属电极,电极1和2,1和3分别构成差分电容C1x和C2x.当玻璃圆柱体处于水平状态时,空气泡位于玻璃管的中部,由于玻璃管的左右电极几何结构对称,故C1x=C2x,当玻璃管向某一端倾斜时,玻璃管中的空气泡则向相反的方向移动.由于水的相对电容率Er水=80,而空气的相对电容率Er空=1,远远小于水的电容率,所以当空气泡向哪一端移动时,其相对应的电容器的电容量将发生变化,通过检测电容器电容的变化,就可以检测水平仪的倾斜角度.

　　3 电容传感器的信号调理电路

　　电容传感器的信号调理电路通常有交流不平衡电桥[3]、二极管环形检波电路[4]、差动脉冲宽度等方法,但这些调理电路所得到的电压值需经A/D转换后才能输入计算机,其测量精度与A/D转换芯片的位数有关.为了降低成本,提高测量精度,本文采用调频法,调频电路如图3所示.由CMOS IC芯片74HC00的3个与非门U2A,U2B,U2C和电阻R2及R3,电容C3构成了带有RC电路的环型振荡器,其振荡周期[5]T=2.2R3C3,振荡频率f0=1/T, C3=100 pF, R3=270 k8,则f0=16.8 kHz. C1x和C2x为差动电容器的电容,U1B,U1C和U1D为IC 4066中的3个模拟开关.当控制端CON为高电平时,开关导通,当控制端CON为低电平时,开关断开.从图3中可以看出,当控制端CON为高电平时,U1D导通,C2x和振荡电容C3并联,而U1C导通,其4脚为低电平,此脚与U1B的控制端12脚相连接,使U2B断开,这时RC环形振荡器的振荡周期为T=2.2R3(C3+C2x);当控制端CON为低电平时,U1D断开,与此同时,由于U1C断开,其4脚通过电阻R1与VCC连接为高电平,此高电平作为U1B的CON端电平使U1B导通,C1x和振荡电容C3并联,这时RC环形振荡器的振荡周期为T=2.2R3(C3+C1x).通过单片机的I/O口控制双向模拟开关,使差分电容C1x和C2x分别接入RC环形振荡器.将环形振荡器输出方波信号输入单片机.由单片机分别测出C1x和C2x分别接入电路时的振荡频率,并计算出它们间的差频Δf=f01-f02.在一定范围内$f与气泡的位置有着确定的单值函数关系,由此就可以测出水平度.