.net平台的磁致伸缩液位监控软件设计
摘 要拥有高科技含量的磁致伸缩液位传感器，被应用于各类储罐的液位测量。该种液位仪具有环境适应性强、精度高、安装方便等特点。因此，被广泛应用于石油化工、水利水电、航空航天、污水处理、食品饮料以及船舶制造等液位测量领域，而且逐渐取代了其它传统的传感器，成为了液位测量中的精品。在面向对象编程思想基础上，针对磁致伸缩液位计，基于.NET框架使用C#语言在Visual Studio 2010 构建液位实时监控软件系统。该系统分为实时显示模块、数据库功能模块、串口通讯模块、液位报警模块以及历史数据查询模块等模块，利用.NET程序集技术、多线程技术以及数据库技术分别实现了对用户控件和控制算法的封装、多任务的并发执行和测控数据的存储与管理等。监控软件完成了对液位数据的实时采集与处理并存入SQL2008数据库，实时曲线的绘制以及控制算法的动态加载等功能。实验表明，该软件具有良好的可靠性和实时性，易于操作并且运行正常。课题综合运用了传感器技术、自动控制技术、计算机技术、通信技术，在液位监控方面具有较强的实用性。
目录
第1章 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 国内外研究现状 3
1.3 课题难点 4
1.4 本章小结 4
第2章 总体设计 5
2.1 系统开发平台选型 5
2.1.1 应用软件平台选型 5
2.1.2 数据库平台选型 6
2.1.3 嵌入式平台选型 6
2.2 监控系统总体设计 7
2.3本章小结 8
第3章 监控软件程序实现 9
3.1 软件设计方案 9
3.2 界面设计 9
3.3 数据库功能模块实现 12
3.3.1 数据库连接控件 12
3.3.2 数据库操作函数 13
3.3.3 数据存储函数 14
3.4 串口通讯模块实现 15
3.4.1 串口通讯控件 15
3.4.2 串口初始化 16
3.4.3 串口设置 16
3.4.4 串口接收函数 18
3.5 实时显示模块实现 20
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3.6 历史数据查询模块实现 21
3.6.1 数据表格控件 21
3.6.2 历史数据存储与查询程序实现 22
3.7 报警模块实现 23
3.7.1 绘制报警灯 23
3.7.2 报警灯程序实现 24
3.8 本章小结 24
第4章 系统调试 25
4.1 磁致伸缩硬件测试平台设计 25
4.1.1 芯片选型 25
4.1.2 测试数据生成 26
4.1.3 数据的转换和发送 27
4.2 联合调试 27
4.3 本章小结 32
第5章 总结与展望 33
参考文献 34
致谢 36
附录一 37
附录二 44
绪论
1.1 课题背景
现实生产生活、科学研究中，对位移的测量方式涉及非常广泛的范围。小的位移量一般使用电感式传感器、应变式传感器、差动变压器式传感器、霍尔传感器以及涡流式传感器来测量。而感应同步器和容栅测量等传感技术则应用与对大的位移量的测量。根据磁致伸缩材料所特有的磁致伸缩效应跟其相对应的逆效应原理的磁致伸缩位移传感器是用来进行位移测量的一种多用途的传感器（非接触式）。它具有很高的精度，不需要人手接触，而且拥有很好的重复性和非常可靠的稳定性。并且它的造价不是很高，还拥有很强的环境适应能力。磁致伸缩位移传感器在石油化工、水利水电、航空航天、污水处理、食品饮料以及船舶制造等许多行业的对储存罐液位的测量系统中表现突出，表现了它比传统的液位传感器拥有更高的应用价值和经济价值。
所谓的磁致伸缩是指铁磁物质或磁性材料因为其磁化状态的变化，导致材料的尺寸大小也发生了变化，类似于大家所熟知的日常生活中物体的热胀冷缩的现象。就算不去改变温度，磁场和电场的变化也会导致磁性材料尺寸大小的伸长或者缩短。在外磁场作用下，铁磁性物质的尺寸大小伸长或缩短，当外磁场消失后，其原来的长度又能够恢复，这种现象被称为磁致伸缩现象（或效应）。当某一长度为L的铁磁材料的长度因为磁场变化为ΔL时，此时该材料的磁致伸缩率可表示为：
（1.1）
磁致伸缩液位计(Magnetostrictive Liquid Level Meter)的核心元件是由拥有磁致伸缩效应的磁性材料构成。这种液位计一般由三部分组成：波导管探测杆，电路单元和含有磁性材料的浮子组成，使用24V直流二线制供电，产生的信号范围在4到20mA。
磁致伸缩式液位计的基本原理如图1.1所示，接通变送器电源，脉冲发送器开始工作并以一定的频率发出低电流的询问脉冲信号，这个脉冲信号以及它所产生的磁场沿着磁致伸缩线的方向往下运行。若等到这个脉冲信号所产生的磁场与浮球里面的磁场相遇，这个时候就会产生一个扭应力脉冲，此脉冲会沿着磁致伸缩线两端运行。向下传送的扭应力脉冲传送到吸收端的时候吸收，而向上传送的脉冲可以被上端的接收器识别接收并且检测出来。从而液位的高度就可以通过从发送器发出脉冲到接收器接收返回的扭应力脉冲的所经历的时间来计算得出，并转换成4到20mA的输出信号。
图1.1 磁致伸缩液位计基本原理
图1.2 磁致伸缩液位计总体结构
磁致伸缩液位传感器主要是由波导管、内含磁铁的浮子、保护套管和测量头四个部分构成，图1.2为一种装置在储罐中的典型液位传感器总体结构图。测量头安装在罐体之外，包括脉冲发生电路、回波接收电路、信号检测与处理电路。保护套管由不锈钢或铝合金材料制作，套在波导管外，插入被测液体中直达罐底，底部在罐底固定。可以有两个内含磁铁的浮子，一个用来测量油位，另外一个安置在波导管所对应的油水界面处，用于测量界位。如果在波导管底端再设置一块永磁磁铁，还可以完成自主校正的功能，这样传感器就无须再定期标定。
如表1.1，相对于其它液位传感器，综合多种因素，磁致伸缩式液位传感器性价比更高。
表1.1 磁致伸缩式液位传感器与其它常用液位传感器的比较
测量方式
精度
/%FS
油水界面
平均温度
标定
寿命
可靠性
安装方式
价格
磁致伸缩式
0.01
可测
可测
不需
长
高
一般
较高
浮球、浮筒式
1
可测
否
需要
短
低
一般
目录
第1章 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 国内外研究现状 3
1.3 课题难点 4
1.4 本章小结 4
第2章 总体设计 5
2.1 系统开发平台选型 5
2.1.1 应用软件平台选型 5
2.1.2 数据库平台选型 6
2.1.3 嵌入式平台选型 6
2.2 监控系统总体设计 7
2.3本章小结 8
第3章 监控软件程序实现 9
3.1 软件设计方案 9
3.2 界面设计 9
3.3 数据库功能模块实现 12
3.3.1 数据库连接控件 12
3.3.2 数据库操作函数 13
3.3.3 数据存储函数 14
3.4 串口通讯模块实现 15
3.4.1 串口通讯控件 15
3.4.2 串口初始化 16
3.4.3 串口设置 16
3.4.4 串口接收函数 18
3.5 实时显示模块实现 20
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3.6 历史数据查询模块实现 21
3.6.1 数据表格控件 21
3.6.2 历史数据存储与查询程序实现 22
3.7 报警模块实现 23
3.7.1 绘制报警灯 23
3.7.2 报警灯程序实现 24
3.8 本章小结 24
第4章 系统调试 25
4.1 磁致伸缩硬件测试平台设计 25
4.1.1 芯片选型 25
4.1.2 测试数据生成 26
4.1.3 数据的转换和发送 27
4.2 联合调试 27
4.3 本章小结 32
第5章 总结与展望 33
参考文献 34
致谢 36
附录一 37
附录二 44
绪论
1.1 课题背景
现实生产生活、科学研究中，对位移的测量方式涉及非常广泛的范围。小的位移量一般使用电感式传感器、应变式传感器、差动变压器式传感器、霍尔传感器以及涡流式传感器来测量。而感应同步器和容栅测量等传感技术则应用与对大的位移量的测量。根据磁致伸缩材料所特有的磁致伸缩效应跟其相对应的逆效应原理的磁致伸缩位移传感器是用来进行位移测量的一种多用途的传感器（非接触式）。它具有很高的精度，不需要人手接触，而且拥有很好的重复性和非常可靠的稳定性。并且它的造价不是很高，还拥有很强的环境适应能力。磁致伸缩位移传感器在石油化工、水利水电、航空航天、污水处理、食品饮料以及船舶制造等许多行业的对储存罐液位的测量系统中表现突出，表现了它比传统的液位传感器拥有更高的应用价值和经济价值。
所谓的磁致伸缩是指铁磁物质或磁性材料因为其磁化状态的变化，导致材料的尺寸大小也发生了变化，类似于大家所熟知的日常生活中物体的热胀冷缩的现象。就算不去改变温度，磁场和电场的变化也会导致磁性材料尺寸大小的伸长或者缩短。在外磁场作用下，铁磁性物质的尺寸大小伸长或缩短，当外磁场消失后，其原来的长度又能够恢复，这种现象被称为磁致伸缩现象（或效应）。当某一长度为L的铁磁材料的长度因为磁场变化为ΔL时，此时该材料的磁致伸缩率可表示为：
（1.1）
磁致伸缩液位计(Magnetostrictive Liquid Level Meter)的核心元件是由拥有磁致伸缩效应的磁性材料构成。这种液位计一般由三部分组成：波导管探测杆，电路单元和含有磁性材料的浮子组成，使用24V直流二线制供电，产生的信号范围在4到20mA。
磁致伸缩式液位计的基本原理如图1.1所示，接通变送器电源，脉冲发送器开始工作并以一定的频率发出低电流的询问脉冲信号，这个脉冲信号以及它所产生的磁场沿着磁致伸缩线的方向往下运行。若等到这个脉冲信号所产生的磁场与浮球里面的磁场相遇，这个时候就会产生一个扭应力脉冲，此脉冲会沿着磁致伸缩线两端运行。向下传送的扭应力脉冲传送到吸收端的时候吸收，而向上传送的脉冲可以被上端的接收器识别接收并且检测出来。从而液位的高度就可以通过从发送器发出脉冲到接收器接收返回的扭应力脉冲的所经历的时间来计算得出，并转换成4到20mA的输出信号。
图1.1 磁致伸缩液位计基本原理
图1.2 磁致伸缩液位计总体结构
磁致伸缩液位传感器主要是由波导管、内含磁铁的浮子、保护套管和测量头四个部分构成，图1.2为一种装置在储罐中的典型液位传感器总体结构图。测量头安装在罐体之外，包括脉冲发生电路、回波接收电路、信号检测与处理电路。保护套管由不锈钢或铝合金材料制作，套在波导管外，插入被测液体中直达罐底，底部在罐底固定。可以有两个内含磁铁的浮子，一个用来测量油位，另外一个安置在波导管所对应的油水界面处，用于测量界位。如果在波导管底端再设置一块永磁磁铁，还可以完成自主校正的功能，这样传感器就无须再定期标定。
如表1.1，相对于其它液位传感器，综合多种因素，磁致伸缩式液位传感器性价比更高。
表1.1 磁致伸缩式液位传感器与其它常用液位传感器的比较
测量方式
精度
/%FS
油水界面
平均温度
标定
寿命
可靠性
安装方式
价格
磁致伸缩式
0.01
可测
可测
不需
长
高
一般
较高
浮球、浮筒式
1
可测
否
需要
短
低
一般
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