專利名稱：高精度諧振式水位傳感器性能檢測儀及測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種檢測儀表，特別涉及一種高精度諧振式水位傳感器性能檢測儀及測試方法。
背景技術(shù)：
諧振式水位傳感器已在工業(yè)過程控制、汽車、環(huán)境與安全監(jiān)測以及軍事等領(lǐng)域起著重大作用。在實(shí)際應(yīng)用中，水位傳感器是數(shù)據(jù)采集的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣將直接決定采集的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和精確度。目前市場上存在著各種類型的水位傳感器性能的自動(dòng)測試系統(tǒng)，主要以PC或單片機(jī)為控制器為主。但傳統(tǒng)系統(tǒng)中大多數(shù)都有一個(gè)共同缺點(diǎn)就是穩(wěn)定性和測量精度較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對(duì)現(xiàn)在水位傳感器性能的自動(dòng)測試系統(tǒng)穩(wěn)定性和測量精度較低的問題，提出了一種高精度諧振式水位傳感器性能檢測儀及測試方法，使用了高集成度的微控制器作為系統(tǒng)控制核心，系統(tǒng)可靠性也得到較大提升。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種高精度諧振式水位傳感器性能檢測儀，諧振式水位傳感器置于帶有進(jìn)氣電磁閥的密閉氣室內(nèi)，諧振式水位傳感器輸出測量的頻率經(jīng)過放大電路到單片機(jī)控制器，單片機(jī)控制器輸出控制信號(hào)經(jīng)過光耦隔離，再經(jīng)過功率放大電路放大后輸出到電磁閥對(duì)氣室進(jìn)氣口開閉進(jìn)行控制，上位機(jī)采用MATLAB工具實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)單片機(jī)控制器的通信、數(shù)據(jù)處理和顯示測量結(jié)果。所述單片機(jī)控制器采用美國ADI公司的數(shù)據(jù)采集芯片ADy C812作為控制器?！N高精度諧振式水位傳感器性能檢測儀的測試方法，包括高精度諧振式水位傳感器性能檢測儀，具體包括如下步驟
1)測試開始，單片機(jī)控制器輸出信號(hào)經(jīng)過光耦隔離，再經(jīng)過功率放大電路放大后輸出到電磁閥，打開氣室并開始進(jìn)氣，系統(tǒng)同時(shí)開始?xì)馐覊毫y量，直到測得壓力值與單片機(jī)控制器中設(shè)定的第1個(gè)壓力值相等，單片機(jī)控制器輸出控制信號(hào)到電磁閥，關(guān)閉氣室停止進(jìn)氣；
2)單片機(jī)控制器接收諧振式水位傳感器，開始頻率測量，初始化各定時(shí)器并開外部中斷0，當(dāng)被測信號(hào)的下降沿到來時(shí)，產(chǎn)生中斷，軟件開啟閘門，同步打開計(jì)數(shù)器1和計(jì)數(shù)器2 開始計(jì)數(shù)，同時(shí)關(guān)外部中斷0，當(dāng)定時(shí)器0定時(shí)到時(shí)(即預(yù)置閘門時(shí)間T到)，開外部中斷0， 且此時(shí)外部中斷計(jì)數(shù)器1和計(jì)數(shù)器2均不停止計(jì)數(shù)，直到被測信號(hào)的下降沿到來時(shí)，當(dāng)被測信號(hào)下降沿到來時(shí)，外部中斷0產(chǎn)生中斷，同步關(guān)閉計(jì)數(shù)器1和計(jì)數(shù)器2，被測信號(hào)的頻率可
表示為-.f, = ^Zo 力被測信號(hào)頻率，M為計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)值，N為計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)值，，為
標(biāo)準(zhǔn)晶振信號(hào)頻率；
3)將測得頻率值保存到單片機(jī)控制器的內(nèi)存單元，第1點(diǎn)測量完畢，重復(fù)步驟1)和2)進(jìn)行2到10點(diǎn)的測量；
4)10點(diǎn)測試完畢，單片機(jī)控制器將所得10點(diǎn)頻率值通過串口依次送入上位機(jī)中；
5)上位機(jī)采用MATLAB工具對(duì)頻率數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣頻率值的優(yōu)化處理，得出最終諧振式水位傳感器特性曲線，并與標(biāo)準(zhǔn)特性曲線點(diǎn)比較，判斷該傳感器性能是否達(dá)標(biāo)，并輸出特征曲線。所述步驟4)上位機(jī)串口與單片機(jī)控制器ADy C812通過MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片相連，系統(tǒng)工作時(shí)，matlab通過調(diào)用serial類及相關(guān)函數(shù)來創(chuàng)建串口設(shè)備對(duì)象，并通過中斷的方式的實(shí)時(shí)接收下位機(jī)發(fā)送的10個(gè)數(shù)據(jù)。所述步驟5)上位機(jī)將接收到的10個(gè)數(shù)據(jù)用最小二乘法對(duì)采樣點(diǎn)進(jìn)行多次多項(xiàng)式擬合后，形成被測傳感器的特性曲線。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明高精度諧振式水位傳感器性能檢測儀及測試方法，使用了高集成度的微控制器作為系統(tǒng)控制核心，具有性價(jià)比較高、穩(wěn)定性強(qiáng)、精準(zhǔn)度高的特點(diǎn)，實(shí)際運(yùn)行可靠，有著很好的市場應(yīng)用前景。


圖1為本發(fā)明高精度諧振式水位傳感器性能檢測儀硬件原理框圖； 圖2為本發(fā)明高精度諧振式水位傳感器性能檢測儀中水位傳感器結(jié)構(gòu)圖3為本發(fā)明高精度諧振式水位傳感器性能檢測儀中水位傳感器等效電路圖； 圖4為本發(fā)明高精度諧振式水位傳感器性能檢測儀中同精度測頻法原理圖； 圖5為本發(fā)明高精度諧振式水位傳感器性能檢測儀中頻率測量軟件流程圖； 圖6為本發(fā)明高精度諧振式水位傳感器性能檢測儀中傳感器1特性測試曲線圖； 圖7為本發(fā)明高精度諧振式水位傳感器性能檢測儀中傳感器2特性測試曲線圖。
具體實(shí)施例方式高精度諧振式水位傳感器性能檢測儀采用了一種新型的頻率測量方法一同精度測量法，這使得測得的傳感器輸出頻率誤差極低；另一方面又對(duì)采樣的頻率利用最小二乘法進(jìn)行優(yōu)化處理，使得到的傳感器特性曲線更加接近于真實(shí)曲線。另外，本測試儀使用了高集成度的微控制器作為系統(tǒng)控制核心，系統(tǒng)可靠性也得到較大提升。該系統(tǒng)具有性價(jià)比較高、穩(wěn)定性強(qiáng)、精準(zhǔn)度高的特點(diǎn)，實(shí)際運(yùn)行可靠，有著很好的市場應(yīng)用前景。本系統(tǒng)采用美國ADI公司一款十分優(yōu)秀的數(shù)據(jù)采集芯片ADy C812作為系統(tǒng)微控制器。ADy C812提供一套完整的系統(tǒng)外圍設(shè)備，不僅省去了為系統(tǒng)配置額外器件的開銷，更重要的是這大大提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。為了使得測試過程方便和高效，本系統(tǒng)采用氣室壓力變化來模擬實(shí)際水位變化， 即對(duì)密閉氣室充氣產(chǎn)生的氣室壓力來模擬實(shí)際中向箱體注水對(duì)箱底產(chǎn)生的壓力，氣室中氣量的改變等同于水箱中水位的變化。系統(tǒng)硬件原理框圖如圖1所示，系統(tǒng)硬件電路以單片機(jī)4AD μ C812作為主控制器，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)氣室壓力的測量、諧振式水位傳感器2、6輸出頻率的測量分別經(jīng)過放大電路3、放大整形電路7到單片機(jī)控制器4，單片機(jī)控制器4輸出控制信號(hào)經(jīng)過光耦10隔離，再經(jīng)過功率放大電路9放大后輸出到電磁閥8對(duì)氣室進(jìn)氣口開閉進(jìn)行控制，上位機(jī)PC5采用功能強(qiáng)大的MATLAB工具來實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)單片機(jī)控制器4的通信、對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及對(duì)測量曲線的顯示。諧振式水位傳感器的工作原理是外部水位高度的變化通過空氣壓力轉(zhuǎn)換成傳感器內(nèi)部膜片上壓力的變化，從而導(dǎo)致傳感器輸出電感L的變化。水位傳感器結(jié)構(gòu)圖如下圖2 所示，包括線圈11、鐵芯12、空氣導(dǎo)管13、氣腔14、薄膜15、彈簧16。諧振式水位傳感器等效電路圖3所示，電感L與電容C1、C2組成諧振電路，并與數(shù)字反向器TC4069UB連接，輸出標(biāo)準(zhǔn)方波，隨著水位的變化，諧振頻率作相應(yīng)的改變。本測試系統(tǒng)共設(shè)定10個(gè)測量點(diǎn)，事先在單片機(jī)中存入10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)壓力值(與實(shí)際中的水位高度一一對(duì)應(yīng))，單片機(jī)會(huì)在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)壓力值點(diǎn)對(duì)傳感器的輸出頻率進(jìn)行測量并記錄結(jié)果。本系統(tǒng)工作流程測試開始，控制器4輸出信號(hào)打開氣室開關(guān)并開始進(jìn)氣，系統(tǒng)同時(shí)開始?xì)馐覊毫y量，直到測得壓力值與事先設(shè)定的第1個(gè)壓力值相等，則停止進(jìn)氣；系統(tǒng)開始頻率測量，并將測得頻率值保存到內(nèi)存單元，第1點(diǎn)測量完畢；重新打開進(jìn)氣開關(guān)，按類似方法開始第2點(diǎn)測量，直到設(shè)定10點(diǎn)全部測量完畢；10點(diǎn)測試完畢，將所得10點(diǎn)頻率值通過串口依次送入上位機(jī)5中，上位機(jī)5利用MATLAB工具對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終的得出傳感器特性曲線，并與標(biāo)準(zhǔn)特性曲線點(diǎn)比較，判斷該傳感器性能是否達(dá)標(biāo)。對(duì)水位傳感器頻率測量及誤差分析 (1)同精度測量法的原理
頻率測量是整個(gè)系統(tǒng)的核心工作，頻率的測量精度的高低將直接關(guān)系到最終特性曲線測量的準(zhǔn)確度。頻率測量通常的方法主要有低頻測周高頻測頻法、相檢測頻法。低頻測周高頻測頻法存在中界頻率測量誤差很大的問題，從理論上講頻率的測量準(zhǔn)確度很難提高到某個(gè)數(shù)量級(jí)。相檢測頻的思想就是通過捕捉被測信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)之間的相位重合點(diǎn)來檢測它們之間的同步時(shí)刻，并用相位重合點(diǎn)來控制計(jì)數(shù)器的開閉。此方法能徹底消除傳統(tǒng)測頻方法中士 1的計(jì)數(shù)誤差，但其缺點(diǎn)是相位重合點(diǎn)很不易捕捉，這可能導(dǎo)致測量耗時(shí)較長。本系統(tǒng)采用同精度測頻法。同精度測頻法的思想是實(shí)際閘門時(shí)間不是固定的值， 而是被測信號(hào)周期的整數(shù)倍，這使得閘門信號(hào)與被測信號(hào)同步，即只有當(dāng)檢測到被測信號(hào)下降沿到來時(shí)，閘門信號(hào)才開啟。因此這種方法消除了對(duì)被測信號(hào)計(jì)數(shù)所產(chǎn)生士 1個(gè)數(shù)字誤差，并且達(dá)到了在整個(gè)測量頻段的“同精度”測量，測量精度大大提高。如圖4為同精度測量法原理圖。此方法用軟件實(shí)現(xiàn)信號(hào)同步，需要用到1個(gè)定時(shí)器及2個(gè)計(jì)數(shù)器。測量前將被測信號(hào)一分為二，一個(gè)引到外部中斷0的輸入口，另一個(gè)引到計(jì)數(shù)器1的輸入口。定時(shí)器0預(yù)先設(shè)置一個(gè)閘門時(shí)間T，計(jì)數(shù)器1用于對(duì)被測信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器2用于對(duì)基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。測量開始后，初始化各定時(shí)器并開外部中斷0。當(dāng)被測信號(hào)的下降沿到來時(shí)，產(chǎn)生中斷，軟件開啟閘門，同步打開計(jì)數(shù)器1和計(jì)數(shù)器2開始計(jì)數(shù)，同時(shí)關(guān)外部中斷0。當(dāng)定時(shí)器0定時(shí)到時(shí)(即預(yù)置閘門時(shí)間T到)，開外部中斷0，且此時(shí)外部中斷計(jì)數(shù)器1和計(jì)數(shù)器2 均不停止計(jì)數(shù)，直到被測信號(hào)的下降沿到來時(shí)(在此也可看出實(shí)際閘門時(shí)間T ‘應(yīng)略大于預(yù)設(shè)閘門T)。當(dāng)被測信號(hào)下降沿到來時(shí)，外部中斷0產(chǎn)生中斷，同步關(guān)閉計(jì)數(shù)器1和計(jì)數(shù)器2。綜上所述，被測信號(hào)的頻率可表示為 丄=—/ο , f為被測信號(hào)頻率，M為計(jì)數(shù)器1計(jì)
N Jt
數(shù)值，N為計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)值為標(biāo)準(zhǔn)晶振信號(hào)頻率(晶振頻率為11. 0592MHZ)。圖5為頻
率測量軟件流程圖。(2)誤差分析
Ljx AM Mi Δ;；Δ/0
根據(jù)誤差傳遞公式被測信號(hào)頻率相對(duì)誤差為- + -i-i + +。其中f 為
Jx M N J0/
MfMf
晶振的頻率準(zhǔn)確度；—為計(jì)數(shù)器1的計(jì)數(shù)相對(duì)誤差；--為計(jì)數(shù)器2的計(jì)數(shù)相對(duì)誤差。
MN
Mf由于被測信號(hào)是作為同步的觸發(fā)信號(hào)，系統(tǒng)對(duì)被測信號(hào)的計(jì)數(shù)沒有誤差，故
M
=0。但由于晶振信號(hào)與閘門信號(hào)不同步，故有N=士 1。的值一般遠(yuǎn)小于！，故可以
j-iJoN
忽略。所以同精度測頻法可能產(chǎn)生的相對(duì)誤差為I= 士 ！ = 士 1/N。而且N越大，此
Λ N
方法的相對(duì)誤差就越小。另外，本電路是通過外部中斷服務(wù)程序來實(shí)現(xiàn)閘門開啟與關(guān)閉的，所以存在一定的中斷響應(yīng)時(shí)間，這樣就增大了誤差，中斷響應(yīng)一般需要3到8個(gè)機(jī)器周期，因此會(huì)產(chǎn)生士5 的中斷響應(yīng)誤差。通過以上誤差分析，從而可知此方法的最大誤差為k’= C^ N+ (士5))/C’X100%， 其中C’為與實(shí)際閘門時(shí)間T’對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)的周期數(shù)。由于實(shí)際閘門時(shí)間T’應(yīng)略大于預(yù)設(shè)閘門T，故與預(yù)置閘門時(shí)間T對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)的周期數(shù)C則應(yīng)略小于C’，故可得最大誤差又可近似表示為k= ( U N+ (士5))/C X 100%,可知實(shí)際誤差k’小于近似誤差k。定時(shí)器為16位的，最大計(jì)數(shù)可達(dá)65536，但考慮到實(shí)時(shí)性的問題，選擇定時(shí)器0時(shí)間不能太長，即定時(shí)器0的初值不能太小。本系統(tǒng)取定時(shí)器初值為30000，則可得最大誤差k= (士 1+ (士5))/(65536-30000) X 100%=0. 0169%
由于水位傳感器輸出頻率范圍約在20KHZ 30KHZ，故可計(jì)算出，系統(tǒng)頻率測量誤差小于士5HZ，達(dá)到了真正的高精度頻率測量。采樣頻率值的優(yōu)化處理及特性曲線的獲取本系統(tǒng)采用matlab工具作為上位機(jī)顯示界面，利用其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能和圖形顯示功能，使得上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)在一定程度上得到簡化。上位機(jī)串口與ADyC812通過MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片相連，系統(tǒng)工作時(shí)，matlab 通過調(diào)用serial類及相關(guān)函數(shù)來創(chuàng)建串口設(shè)備對(duì)象，并通過中斷的方式的實(shí)時(shí)接收下位機(jī)發(fā)送的10個(gè)數(shù)據(jù)。上位機(jī)將接收到的10個(gè)數(shù)據(jù)用最小二乘法進(jìn)行擬合，形成被測傳感器的特性曲線，并與標(biāo)準(zhǔn)特性曲線公差帶進(jìn)行比較，判斷出傳感器性能是否達(dá)標(biāo)。最小二乘法(又稱最小平方法)是一種數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù)。它通過最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配。利用最小二乘法可以簡便地求得未知的數(shù)據(jù)，并使得這些求得的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)之間誤差的平方和為最小，并最終可得到擬合曲線。
通過理論推導(dǎo)，可得到傳感器輸出特性曲線可近似用多次多項(xiàng)式來擬合。設(shè)所求曲線為少= ^1+、^^4 +…+“" +而。最小二乘法的原理就是使以下M為最小值時(shí)得到
Λ的值，令
權(quán)利要求
1.一種高精度諧振式水位傳感器性能檢測儀，其特征在于，諧振式水位傳感器置于帶有進(jìn)氣電磁閥的密閉氣室內(nèi)，諧振式水位傳感器輸出測量的頻率經(jīng)過放大電路到單片機(jī)控制器，單片機(jī)控制器輸出控制信號(hào)經(jīng)過光耦隔離，再經(jīng)過功率放大電路放大后輸出到電磁閥對(duì)氣室進(jìn)氣口開閉進(jìn)行控制，上位機(jī)采用MATLAB工具實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)單片機(jī)控制器的通信、數(shù)據(jù)處理和顯示測量結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述汽車散熱器冷卻風(fēng)量在線測量裝置，其特征在于，所述單片機(jī)控制器采用美國ADI公司的數(shù)據(jù)采集芯片ADy C812作為控制器。
3.一種高精度諧振式水位傳感器性能檢測儀的測試方法，包括高精度諧振式水位傳感器性能檢測儀，其特征在于，具體包括如下步驟1)測試開始，單片機(jī)控制器輸出信號(hào)經(jīng)過光耦隔離，再經(jīng)過功率放大電路放大后輸出到電磁閥，打開氣室并開始進(jìn)氣，系統(tǒng)同時(shí)開始?xì)馐覊毫y量，直到測得壓力值與單片機(jī)控制器中設(shè)定的第1個(gè)壓力值相等，單片機(jī)控制器輸出控制信號(hào)到電磁閥，關(guān)閉氣室停止進(jìn)氣；2)單片機(jī)控制器接收諧振式水位傳感器，開始頻率測量，初始化各定時(shí)器并開外部中斷0，當(dāng)被測信號(hào)的下降沿到來時(shí)，產(chǎn)生中斷，軟件開啟閘門，同步打開計(jì)數(shù)器1和計(jì)數(shù)器2 開始計(jì)數(shù)，同時(shí)關(guān)外部中斷0，當(dāng)定時(shí)器0定時(shí)到時(shí)(即預(yù)置閘門時(shí)間T到)，開外部中斷0， 且此時(shí)外部中斷計(jì)數(shù)器1和計(jì)數(shù)器2均不停止計(jì)數(shù)，直到被測信號(hào)的下降沿到來時(shí)，當(dāng)被測信號(hào)下降沿到來時(shí)，外部中斷0產(chǎn)生中斷，同步關(guān)閉計(jì)數(shù)器1和計(jì)數(shù)器2，被測信號(hào)的頻率可表示為L = h f為被測信號(hào)N Jx頻率，M為計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)值，N為計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)值，力行準(zhǔn)晶振信號(hào)頻率；3)將測得頻率值保存到單片機(jī)控制器的內(nèi)存單元，第1點(diǎn)測量完畢，重復(fù)步驟1)和2) 進(jìn)行2到10點(diǎn)的測量；4)10點(diǎn)測試完畢，單片機(jī)控制器將所得10點(diǎn)頻率值通過串口依次送入上位機(jī)中；5)上位機(jī)采用MATLAB工具對(duì)頻率數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣頻率值的優(yōu)化處理，得出最終諧振式水位傳感器特性曲線，并與標(biāo)準(zhǔn)特性曲線點(diǎn)比較，判斷該傳感器性能是否達(dá)標(biāo)，并輸出特征曲線。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述高精度諧振式水位傳感器性能檢測儀的測試方法，其特征在于，所述步驟4)上位機(jī)串口與單片機(jī)控制器AD μ C812通過ΜΑΧ232電平轉(zhuǎn)換芯片相連，系統(tǒng)工作時(shí)，matlab通過調(diào)用serial類及相關(guān)函數(shù)來創(chuàng)建串口設(shè)備對(duì)象，并通過中斷的方式的實(shí)時(shí)接收下位機(jī)發(fā)送的10個(gè)數(shù)據(jù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述高精度諧振式水位傳感器性能檢測儀的測試方法，其特征在于，所述步驟5)上位機(jī)將接收到的10個(gè)數(shù)據(jù)用最小二乘法對(duì)采樣點(diǎn)進(jìn)行多次多項(xiàng)式擬合后，形成被測傳感器的特性曲線。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高精度諧振式水位傳感器性能檢測儀及測試方法，采用氣室壓力變化來模擬實(shí)際水位變化，采集氣室中諧振式水位傳感器值送入控制器中處理達(dá)得到傳感器性能曲線，氣室中氣量的改變等同于水箱中水位的變化。徹底消除了傳統(tǒng)測試系統(tǒng)的低穩(wěn)定性、低精度、高誤差的缺點(diǎn)。首先，利用一種新型的高精度頻率測量法，使系統(tǒng)頻率測量誤差不超過±5Hz，這與傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)動(dòng)輒幾十赫茲甚至幾百赫茲的誤差相比，系統(tǒng)精度達(dá)到一個(gè)新的層次；其次，系統(tǒng)對(duì)被采樣的數(shù)據(jù)用最小二乘法進(jìn)行擬合處理，極大優(yōu)化了系統(tǒng)輸出曲線，使得傳感器性能測試曲線更接近與真實(shí)的曲線；最后，采用了高集成度處理器芯片，系統(tǒng)可靠性也明顯提高。
文檔編號(hào)G01F25/00GK102353429SQ201110240959
公開日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月22日
發(fā)明者于佩, 張占波, 張瑋, 張金鑫, 李菲, 李陶智, 王業(yè)興, 王臻, 鄧錦龍, 黃靈鳳 申請(qǐng)人:上海理工大學(xué)