【正文】 變化量也相等，則對上式微分并求增量，整理后得出 （）其中 。利用壓阻效應(yīng)原理，采用集成工藝技術(shù)經(jīng)過摻雜、擴散，沿單晶硅片上的特點晶向，制成應(yīng)變電阻，構(gòu)成惠斯登電橋，利用硅材料的彈性力學(xué)特性，在同一塊硅材料上進(jìn)行各向異性微加工，就制成了一個集力敏與力電轉(zhuǎn)換檢測于一體的擴散硅傳感器。這種壓力傳感器精度高，工作可靠，容易實現(xiàn)數(shù)字化，比應(yīng)變式壓力傳感器體積小而輸出信號大。為此,本文提出采用兩個差壓傳感器，即采用雙差壓法[7]。但是雙差壓法需要實現(xiàn)兩個差壓的除法運算。如果壓力處于測量范圍下限時對應(yīng)的輸出信號大于或小于4 mA,則都需要采用調(diào)整遷移彈簧等零點遷移技術(shù),使之等于4 mA。2閥門；3差壓變送器。隨著測控系統(tǒng)向基于現(xiàn)場總線的多傳感器計算機測控系統(tǒng)發(fā)展，現(xiàn)有的傳統(tǒng)位移傳感器已無法滿足要求，而集信息采集、信息預(yù)處理和數(shù)字通信功能于一身，能自主管理，具有智能化特性的智能位移傳感器系統(tǒng)成為生產(chǎn)實踐發(fā)展的迫切需求。（5）磁致伸縮法、超聲波法、調(diào)制型光學(xué)法、微波法；以上3種方法都是通過檢測信號傳播的時間來確定液位的。這4種方法都是人工測量方法，具有測量簡單、可靠性高、直觀、成本低的優(yōu)點。開關(guān)式傳感器主要是用于獲得特殊位置的液位值。因此，在設(shè)計、安裝、使用液位計時要考慮到：置放在某一高度的超聲波探頭會發(fā)生反射回波聲速的變化；浸沒于液體中的壓力敏感元件會產(chǎn)生靜壓的變化；貼于容器壁的超聲波發(fā)、收探頭間會發(fā)生接收波能量大小的變化；置于側(cè)壁的放射源和接收器間會產(chǎn)生接收能量強弱的變化，等等。但是，由于液體的性質(zhì)及其容器的特性不同，各物理參數(shù)的變化程度將有所不同。液位檢測技術(shù)是基于液位敏感元件在液位發(fā)生變化時，把相應(yīng)的能夠表示液位變化且易于檢測的物理量變化值檢測出來。它包括對測量對象(被測介質(zhì)及其容器、環(huán)境條件)、測量方法和測量儀表的研究。（7）靈活性強以軟件為主體的智能型傳感器不僅在使用方便、功能多樣化等方面呈現(xiàn)很大的靈活性，而且在智能型傳感器的性能方面，由于其控制軟件或運算軟件易于修改，也是易于改變的。（5）設(shè)計制造容易，使用維修簡單由于智能型傳感器的大部分功能都是通過軟件程序來實現(xiàn)的，而它的硬件電路相對來講是比較簡單，制造容易。 智能傳感器系統(tǒng)框圖智能傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比，具有如下特點：（1）精度高智能傳感器可以用多個功能來保證它的高精度，如：通過自動校零調(diào)整零點；自動進(jìn)行整體系統(tǒng)的非線性等系統(tǒng)誤差的校正；通過對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波以消除隨機誤差的影響。智能傳感器系統(tǒng)的主要特點是把計算機技術(shù)和現(xiàn)代通訊技術(shù)融入傳感器系統(tǒng)中，其目的是為了適應(yīng)計算機測控系統(tǒng)的發(fā)展?jié)M足系統(tǒng)對傳感器提出的更高要求，因此認(rèn)為智能傳感器是指傳感器與微處理器賦予智能的結(jié)合，兼有信息檢測、信息處理及通訊功能的傳感器系統(tǒng)[3]。智能傳感器一詞已經(jīng)出現(xiàn)了十幾年。這樣，雖然在一定程度上滿足了計算機測控系統(tǒng)對信息采集系統(tǒng)高精度和數(shù)字化的要求，但由于未把傳感器與數(shù)字化儀表作為一個整體設(shè)計，致使以下一些問題仍未解決：(1)為提高傳感器性能而對元器件的要求提高，電路復(fù)雜化，使傳感器成本增加，可靠性下降；(2)數(shù)字化儀表的采用增加了信息采集系統(tǒng)的體積，并使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜；(3)儀表對傳感器無法進(jìn)行管理，難以實現(xiàn)傳感器的在線自動標(biāo)定、自動校準(zhǔn)和在線故障檢測等智能化特性。頻率量傳輸具有較強的抗干擾性，提高了信噪比，用于計算機測控系統(tǒng)中時可以取消模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過測頻率、測周期方法轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，容易由計算機實現(xiàn)。這種傳感器采用模擬電子電路組成，只能進(jìn)行信號調(diào)理，基本不具備信息處理能力和自我管制能力。在利用信息的過程中，首先要解決的就是要獲取準(zhǔn)確可靠的信息，而傳感器是獲取自然科學(xué)領(lǐng)域中信息的主要途徑和手段。傳感器技術(shù)是信息社會的關(guān)鍵技術(shù)，傳感器技術(shù)的水平在一定程度上標(biāo)志著一個國家的科學(xué)技術(shù)水平[1]。這就決定了傳感器存在著輸入—輸出特性具有一定的非線性、信噪比低而易受噪聲干擾、復(fù)合靈敏度難以克服而使分辨率不高等問題，導(dǎo)致傳感器性能不穩(wěn)定、可靠性差、精度低。但頻率量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量需要較長的時間，頻率量的傳輸同樣要求單獨的信號線，系統(tǒng)沒有得到簡化。隨著高性能計算機測控系統(tǒng)的發(fā)展，當(dāng)系統(tǒng)對傳感器提出數(shù)字化、智能化要求后，傳統(tǒng)傳感器已不再與系統(tǒng)相適應(yīng)。目前對其中“智能”的確切定義仍在討論之中。在結(jié)構(gòu)上，智能傳感器系統(tǒng)將傳感器、信號調(diào)理電路、微控制器及數(shù)字信號接口組合為一整體。（2）高可靠性與高穩(wěn)定性智能傳感器能自動補償因工作條件與環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化后引起系統(tǒng)特性的漂移，如：對溫度變化而產(chǎn)生的零點和靈敏度的漂移進(jìn)行補償；能自動改換量程；能進(jìn)行系統(tǒng)的自我檢驗。同樣若智能型傳感器出現(xiàn)故障，除它本身具有自尋故障，發(fā)出警報功能外，對它進(jìn)行維修主要是優(yōu)化軟件程序。（8）高的性能價格比智能型傳感器所具有的上述多種功能，并不是像傳統(tǒng)傳感器技術(shù)追求傳感器本身的完善，對傳感器的各個環(huán)境進(jìn)行精心設(shè)計與調(diào)試進(jìn)行“手工藝品”式的精雕細(xì)琢來獲得，而是通過與微處理器或計算機相結(jié)合采用廉價的集成電路工藝和芯片以及強大的軟件來實現(xiàn)的。對被測介質(zhì)的研究，主要是要了解它的電導(dǎo)率、密度、介電常數(shù)、聲速、聲阻抗、粘度、逆光性能、表面張力系數(shù)、流動情況以及液體表面的一些特性。這個物理量可能是電量參數(shù)，或機械位移，也可能是諸如聲速、能量衰減變化、靜壓力的變化，等等。例如，有的參數(shù)變化明顯；有的變化不太明顯，甚至看不出有什么變化。同時還要考慮到：被測對象的壓力、溫度、濕度以及輻照、腐蝕情況；當(dāng)時的科學(xué)技術(shù)水平（包括電量和非電量的測量技術(shù)、材料情況、工藝水平）、儀表的成本以及用戶的經(jīng)濟(jì)能力等。連續(xù)式傳感器運用于測量一定范圍內(nèi)的液位值。（2）吹氣法、差壓法、HTG法；這3種方法都是利用液體的壓力差來測量液位的。（6）磁翻板法、振動法、核輻射法、光纖傳感器法等。然而，由于智能傳感器系統(tǒng)的研究起步較晚，其理論和實踐遠(yuǎn)未成熟，離實際應(yīng)用需求差距很大，尤其是高性能、小體積、低成本智能傳感器系統(tǒng)更是有待于進(jìn)一步開發(fā)。對于開口容器或常壓容器,閥門1及氣相引壓管道可以省掉。雙差壓法：。方案的比較與選定：普通差壓法測量液位的原理：只有在液體密度恒定不變的條件下,差壓才與液位高度呈線性正比關(guān)系,才可通過測量差壓間接地獲取液位值。從差壓法測量原理可以看出，只要能測出壓力差，就能計算出液位高度。壓阻式壓力傳感器是利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)制成的器件。有壓力作用時，膜片產(chǎn)生相應(yīng)的彈性形變，應(yīng)變電阻由于單晶硅壓阻效應(yīng)使其阻值發(fā)生相應(yīng)的改變，電橋失去平衡，輸出電壓與膜片上感受的壓力成比例，從而實現(xiàn)了對壓力的測量。從式()得知電橋輸出電壓與輸入電壓成正比關(guān)系，是恒定電壓。另一方面，當(dāng)溫度變化時，由式（）可以看出，由于R不等于零，所以也不為零。擴散硅壓力傳感器技術(shù)特點 [10]：（1）靈敏度高擴散硅敏感電阻的靈敏因子比金屬應(yīng)變片高50~80倍，它的滿量程信號輸出在80~100mV左右。由于硅材料的剛性好，形變小，因而傳感器的線性也非常好。（4）頻響高由于敏感膜片硅材料的本身固有頻率高，一般在50kHz。硅材料又與硅油有良好的兼容性，使它在采用防腐材料隔離時結(jié)構(gòu)工藝更易于實現(xiàn)。但是，盡管知道智能型液位傳感器是在傳統(tǒng)型液位傳感器加上微處理器基礎(chǔ)產(chǎn)生的，但仍然要剖析其內(nèi)部總體設(shè)計指導(dǎo)思想以有利于進(jìn)行各個組成部分的設(shè)計和制造及其接口電路設(shè)計。而一體化設(shè)計方案又使體積縮小。（5）優(yōu)良的上位機管理功能使它具備了靈活的適應(yīng)能力，擴大適用范圍，方便使用和維護(hù)。（9）采用LED顯示。但從實際應(yīng)用角度看，又希望傳感器輸出參數(shù)儀與壓力有線性關(guān)系而與溫度無關(guān)。表現(xiàn)為零點輸出隨溫度的變化而變化。由于內(nèi)補償有局限性，所以必須進(jìn)行外補償。壓阻式傳感器專用信號調(diào)理芯片（SSC）的溫度補償方法與單片機的智能多點補償類似，通過溫度傳感器檢測環(huán)境溫度，溫度值經(jīng)AD轉(zhuǎn)換作為地址指針，儲存在存貯器中此地址的零點和滿量程的溫度修正系數(shù)經(jīng)DA轉(zhuǎn)換成模擬量，修正傳感器輸出信號中零點和滿量程的溫度漂移。但種方法增加了硬件開銷，加大了電路板面積。由于溫度對傳感器輸出的影響非常復(fù)雜，很難建立起溫度對傳感器影響的精確數(shù)學(xué)模型，因此傳感器壓力非線性和溫度非線性一般通過實驗給出，每隔一定溫度進(jìn)行壓力標(biāo)定測試，由此產(chǎn)生的數(shù)據(jù)被存儲在微處理器的存儲器中作為轉(zhuǎn)換曲線，實際的讀數(shù)與轉(zhuǎn)換曲線比較加以補償和修正。綜合各種方法，研制的數(shù)字液位變送器采用了智能多點補償法進(jìn)行溫度補償。插值法是預(yù)先將一系列的實驗數(shù)據(jù)裝入一個參數(shù)表內(nèi)，獲得測量數(shù)據(jù)后，根據(jù)數(shù)據(jù)與參數(shù)的對比進(jìn)行處理。插值法優(yōu)點處理速度快，算法簡單；缺點是如果選擇的插值基點多則需要占用較大的存儲空間，如果插值基點少則精度可能不夠。實際中最常用的曲線擬合是多項式曲線擬合。兩個信息的融合算法可以有多種，曲面擬合算法是其中之一，也就是二維回歸分析法。這種方法準(zhǔn)確度高、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，算法簡明、收斂性好，其突出的優(yōu)點是可以同時考慮傳感器各種干擾影響及其本身非線性作用，補償精度也較高[19][20]。問題的困難在于通過標(biāo)定實驗只能在有限數(shù)量的幾個溫度值條件下標(biāo)定輸入輸出特性。從而方程組（）就被確定。但步驟（2）中的系數(shù)k的曲線擬合中，有兩個問題，一是數(shù)據(jù)量較少，二是數(shù)據(jù)的規(guī)律性差，這造成擬合精度差，不能滿足要求。（1）求多項式曲線擬合有最小二乘法、牛頓法、拉格朗日法、牛頓一格雷高里法等多種方法，在本項目中，各種方法得到的結(jié)果差別很小，本次設(shè)計就用最小二乘法來進(jìn)行多項式擬合。則通過p=polyfit（x，y，5），就可得到?？偨泳€電路圖見附錄。8051單片機包含中央處理器、程序存儲器（ROM）、數(shù)據(jù)存儲器（RAM）、定時/計數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線，現(xiàn)在我們分別加以說明： 8051的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（1）中央處理器中央處理器（CPU）是整個單片機的核心部件，是8位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)或代碼，CPU負(fù)責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作[24]。（5）并行輸入輸出（I/O）口8051共有4組8位I/O口（P0、 PP2或P3），用于對外部數(shù)據(jù)的傳輸。（8）時鐘電路8051內(nèi)置最高頻率達(dá)12MHz的時鐘電路，用于產(chǎn)生整個單片機運行的脈沖時序，但8051單片機需外置振蕩電容?，F(xiàn)在我們對這些引腳的功能加以說明：（1）Pin20：接地腳。8051的時鐘有兩種方式，一種是片內(nèi)時鐘振蕩方式，但需在18和19腳外接石英晶體(2~12MHz)和振蕩電容，振蕩電容的值一般取10p~30p。初始化后，程序計數(shù)器PC指向0000H，P0~P3輸出口全部為高電平，堆棧指鐘寫入07H，其它專用寄存器被清“0”。此外，還是一復(fù)用腳，掉電其間，此腳可接上備用電源，以保證單片機內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)不丟失。如EA為低電平，則不管地址大小，一律讀取外部程序存儲器指令。我們也以這一代表性的機型進(jìn)行系統(tǒng)的講解。 A/D轉(zhuǎn)換MC14433是采用CMOS工藝制作的位雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，由于它外圍元件少，功能較齊全，價格低廉。（1）采樣和保持為了使采樣輸出信號能不失真地代表輸入模擬信號,對于一個頻率有限的模擬信號,可以由采樣定理確定采樣頻率： （為采樣頻率, 為輸入模擬信號所包含的最高頻率分量）。另一方面,數(shù)字量僅能取某一區(qū)間的某些特定值,如果該數(shù)字量是三位的二進(jìn)制數(shù),則僅可取000~111內(nèi)的8種可能的值。MC14433屬于逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器,它是按串行方式工作的,即轉(zhuǎn)換器輸出的各位數(shù)碼是逐位形成的。JK觸發(fā)器：在命令信號作用下,存儲每次比較的結(jié)果,并向DAC提供數(shù)碼。這樣就以一系列二進(jìn)制砝碼的重量之和表示了被稱物體的重量。由液位高度轉(zhuǎn)換成上的電壓加在（3腳）和VAG（1腳）兩端子上。 , 。片內(nèi)具有時鐘電路，只要在11腳間接一只電阻，就能產(chǎn)生時鐘信號。3腳輸入被測模擬電壓信號。14腳為轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志輸出端，每次轉(zhuǎn)換結(jié)束時14腳便輸出一個正脈沖。而這些參數(shù)往往是一些連續(xù)變化的模擬量，因此，必須轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，才能被計算機讀取和處理。 MC14433與8051的連線圖MC14433采用連續(xù)轉(zhuǎn)換方式，每次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，14腳便輸出一個正脈沖，作為轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志，并經(jīng)反相器反相后，作為8051外部中斷源的中斷請求信號。這里設(shè)轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的地址為21H~24H，程序清單如下：L1: MOV A, P1 JNB ACC4, L1 JB ACC0, ERR JB ACC3, L2 MOV 21H, 01H AJMP L3L2: MOV 21H, 00HL3: MOV A, P1JNB ACC5, L3MOV RD,