1、傳感器與檢測技術(shù)教程傳感器與檢測技術(shù)教程傳感器與檢測技術(shù)2008年3月12傳感器與檢測技術(shù)教程傳感器與檢測技術(shù)教程n物位測量l液位是指開口和密封容器中液體介質(zhì)液面的高低；l料位是指固體粉末或顆粒物在容器中堆積的高度；l相界面是指兩種液體介質(zhì)的分界面。l液位計(jì)、料位計(jì)、界面計(jì)n厚度測量3傳感器與檢測技術(shù)教程傳感器與檢測技術(shù)教程直接測量直接測量直接測量是一種最為簡單、直觀的測量方法，它直接測量是一種最為簡單、直觀的測量方法，它是是利用連通器的原理，將容器中的液體引入帶有標(biāo)尺利用連通器的原理，將容器中的液體引入帶有標(biāo)尺的觀察管中，通過標(biāo)尺讀出液位高度。的觀察管中，通過標(biāo)尺讀出液位高度。下圖所示的是玻

2、璃管液位計(jì)。下圖所示的是玻璃管液位計(jì)。 4傳感器與檢測技術(shù)教程傳感器與檢測技術(shù)教程主要內(nèi)容主要內(nèi)容n4.1浮力式物位檢測n4.2靜壓式物位檢測n4.3電容式物位計(jì)n4.4超聲傳感器與物位、厚度檢測n4.5微波式傳感器n4.6核輻射物位與厚度檢測n4.7電渦流傳感器及厚度檢測5傳感器與檢測技術(shù)教程傳感器與檢測技術(shù)教程4.1浮力式物位檢測浮力式物位檢測n浮力式液位計(jì)是根據(jù)液位變化時(shí)，漂浮在液體表面的浮子隨之同步移動(dòng)的原理工作的。這一移動(dòng)距離通過機(jī)構(gòu)傳出或變成氣信號(hào)或電信號(hào)，即可測出液位，即為恒浮力式測量；n也可將浮筒的一部分浸入液體中，并使之不能自由漂浮，則其所受的浮力將隨液位或相界面位置而變化，

3、測出此浮力變化即可測出液位，即變浮力式測量。6傳感器與檢測技術(shù)教程傳感器與檢測技術(shù)教程WFG直讀式浮子式液位計(jì)，這是一種最簡單的液位計(jì)，一般只能就地顯示。式中：W浮子的重力；F 浮力；G 重錘的重力。圖4.1.1 恒浮力物位測量原理圖1浮子；2 繩索：3 重錘4.1.1恒浮力式物位檢測恒浮力式物位檢測7傳感器與檢測技術(shù)教程傳感器與檢測技術(shù)教程4.1.2變浮力式物位檢測變浮力式物位檢測 浮筒式液位計(jì)屬于變浮力液位計(jì)，當(dāng)被測液面位置變化時(shí)，浮筒浸沒體積變化，所受浮力也變化，通過測量浮力變化確定出液位的變化量。圖中： 1-浮筒；2-彈簧；3-差動(dòng)變壓器8傳感器與檢測技術(shù)教程傳感器與檢測技術(shù)教程0Cx

4、G式中：x0彈簧被壓縮的位移；C 彈簧的剛度；G 浮筒的重力。平衡條件xHh 根據(jù)平衡條件可知0()GShC xx為液體的密度ShC xC xHS9傳感器與檢測技術(shù)教程傳感器與檢測技術(shù)教程n其它力平衡的測量方式l直線位移l角位移10傳感器與檢測技術(shù)教程傳感器與檢測技術(shù)教程4.2靜壓式物位檢測靜壓式物位檢測n4.2.1靜壓式物位檢測原理n4.2.2壓力式液位計(jì)n4.2.3壓差式液位計(jì)n4.2.4量程遷移11傳感器與檢測技術(shù)教程傳感器與檢測技術(shù)教程4.2.1靜壓式物位檢測原理靜壓式物位檢測原理原理：液柱靜壓與液柱高度壓力成正比原理：液柱靜壓與液柱高度壓力成正比BApppHg 式中：pA A點(diǎn)的靜壓

5、；pB B點(diǎn)的靜壓；H 液體的高度； 液體的密度。12傳感器與檢測技術(shù)教程傳感器與檢測技術(shù)教程4.2.2壓力式液位計(jì)壓力式液位計(jì)n壓力計(jì)式液位計(jì)l 測量敞口容器的液位高度。l 1 閥門；2導(dǎo)壓管；3壓力表l 關(guān)于測量值修正的問題壓力表式壓力液位計(jì)13傳感器與檢測技術(shù)教程傳感器與檢測技術(shù)教程n法蘭(Flange)液位計(jì)l 法蘭盤l 壓力計(jì)n黏稠液體的隔離和傳遞介質(zhì)（硅油）法蘭式壓力液位計(jì)14傳感器與檢測技術(shù)教程傳感器與檢測技術(shù)教程n吹氣式液位計(jì)l 適用于腐蝕性、高粘度、含有懸浮顆粒的液體液位l 敞口容器吹氣式液位計(jì)15傳感器與檢測技術(shù)教程傳感器與檢測技術(shù)教程4.2.3壓差式液位計(jì)壓差式液位計(jì)2

6、壓差計(jì)，其輸出與上下壓力差有關(guān)；16傳感器與檢測技術(shù)教程傳感器與檢測技術(shù)教程4.3電容式物位計(jì)電容式物位計(jì)n電容式物位傳感器利用被測物的介電常數(shù)與空氣的不同的特點(diǎn)進(jìn)行檢測n適用于導(dǎo)電、非導(dǎo)電液體的液位和粉狀物料的遠(yuǎn)距離連續(xù)測量和指示。n4.3.1電容式物位計(jì)工作原理n4.3.2電容式物位傳感器n4.3.3電容式物位傳感器應(yīng)用舉例17傳感器與檢測技術(shù)教程傳感器與檢測技術(shù)教程4.3.1電容式物位計(jì)工作原理電容式物位計(jì)工作原理檢測原理：檢測原理：兩個(gè)長度為兩個(gè)長度為 L，半徑分別，半徑分別為為 R和和 r 的圓筒形金屬導(dǎo)體，的圓筒形金屬導(dǎo)體，中間隔以絕緣材料構(gòu)成圓筒形中間隔以絕緣材料構(gòu)成圓筒形電容器

7、，如圖所示。電容器的電容器，如圖所示。電容器的電容量：電容量：液位變化引起等效介電常液位變化引起等效介電常數(shù)數(shù) 1變化，從而使電容器的電變化，從而使電容器的電容量變化。容量變化。12ln()LCRr18傳感器與檢測技術(shù)教程傳感器與檢測技術(shù)教程21212 ()2 ()ln()ln()lClRRrr 1CCC電極間被介電常數(shù)為電極間被介電常數(shù)為 2 的液體浸沒時(shí)，引起電容變化的液體浸沒時(shí)，引起電容變化浸沒長度為浸沒長度為 l 時(shí)，則電容值為時(shí)，則電容值為電容變化值與液體的高度成正比電容變化值與液體的高度成正比19傳感器與檢測技術(shù)教程傳感器與檢測技術(shù)教程4.3.2電容式物位傳感器電容式物位傳感器n用

8、來測量導(dǎo)電介質(zhì)的單電極電容液位計(jì)n它只用一根電極作為電容器的內(nèi)電極，一般用紫銅或不銹鋼，外套聚四氟乙烯塑料管或涂搪瓷作為絕緣層，而導(dǎo)電液體和容器壁構(gòu)成電容器的外電極。 1-內(nèi)電極；2-絕緣套20傳感器與檢測技術(shù)教程傳感器與檢測技術(shù)教程n用于測量非導(dǎo)電介質(zhì)的同軸雙層電極電容式液位計(jì)。n內(nèi)電極和與之絕緣的同軸金屬套組成電容的兩極，外電極上開有很多流通孔使液體流入極板間。1、2內(nèi)、外電極；3絕緣套；4流通孔。21傳感器與檢測技術(shù)教程傳感器與檢測技術(shù)教程4.3.3電容式物位傳感器應(yīng)用舉例電容式物位傳感器應(yīng)用舉例電容式料位1-金屬電容； 2-測量電極；3-輔助電極；4-絕緣套22傳感器與檢測技術(shù)教程傳感

9、器與檢測技術(shù)教程4.4超聲傳感器與物位、厚度檢測超聲傳感器與物位、厚度檢測n4.4.1超聲波檢測原理n4.4.2超聲傳感器n4.4.3超聲傳感器測物位n4.4.4超聲傳感器測厚度23傳感器與檢測技術(shù)教程傳感器與檢測技術(shù)教程4.4.1超聲波檢測原理超聲波檢測原理n超聲波及其波形l 縱波橫波表面波n超聲波的傳播速度 vl 取決與介質(zhì)的彈性常數(shù)和密度n擴(kuò)散角 sin = 1.22(/D)n反射與折射 l 反射定律折射定律反射系數(shù) Rn聲波的衰減 (dB/cm)l 和頻率的關(guān)系24傳感器與檢測技術(shù)教程傳感器與檢測技術(shù)教程4.4.2超聲傳感器超聲傳感器n超聲傳感器主要有壓電式、磁致伸縮式、電磁式等。n壓

10、電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)n采用脈沖工作方式n壓電材料：l石英（SiO2）鈦酸鋇(BaTiO3)鋯鈦酸鉛(PZT)l偏鈮鉛( PbNbO6)25傳感器與檢測技術(shù)教程傳感器與檢測技術(shù)教程4.4.3超聲傳感器測物位超聲傳感器測物位n超聲波液位測量有許多優(yōu)點(diǎn)：l與介質(zhì)不接觸，無可動(dòng)部件，電子元件只以聲頻振動(dòng)，振幅小，儀器壽命長；l超聲波傳播速度比較穩(wěn)定，光線、介質(zhì)粘度、濕度、介電常數(shù)、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率等對(duì)檢測幾乎無影響，因此適用于有毒、腐蝕性或高粘度等特殊場合的液位測量；l不僅可進(jìn)行連續(xù)測量和定點(diǎn)測量，還能方便地提供遙測或遙控信號(hào)；l能測量高速運(yùn)動(dòng)或有傾斜晃動(dòng)的液體的液位，如置于汽車、飛機(jī)、輪船中的液位。26

11、傳感器與檢測技術(shù)教程傳感器與檢測技術(shù)教程n超聲波液位測量也有缺點(diǎn)：l超聲波儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格相對(duì)昂貴；l當(dāng)超聲波傳播介質(zhì)溫度或密度發(fā)生變化，聲速也將發(fā)生變化，對(duì)此超聲波液位計(jì)應(yīng)有相應(yīng)的補(bǔ)償措施，否則嚴(yán)重影響測量精度；l有些物質(zhì)對(duì)超聲波有強(qiáng)烈吸收作用，選用測量方法和測量儀器時(shí)要充分考慮液位測量的具體情況和條件。27傳感器與檢測技術(shù)教程傳感器與檢測技術(shù)教程(a) 氣介式 (b) 液介式 (c) 固介式單探頭超聲波液位計(jì) 超聲波傳播距離為超聲波傳播距離為 L，波的傳播速度為，波的傳播速度為 c ，傳播，傳播時(shí)間為時(shí)間為 t ，則：，則：12Lc t28傳感器與檢測技術(shù)教程傳感器與檢測技術(shù)教程n超聲波

12、液位計(jì)利用波在介質(zhì)中的傳播特性。n在容器底部或頂部安裝超聲波發(fā)射器和接收器，發(fā)射出的超聲波在相界面被反射。并由接收器接收，測出超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間差，便可測出液位高低。29傳感器與檢測技術(shù)教程傳感器與檢測技術(shù)教程n超聲波液位計(jì)按傳聲介質(zhì)不同，可分為三種l氣介式l液介式l固介式n按探頭的工作方式可分為自發(fā)自收的單探頭方式和收發(fā)分開的雙探頭方式。相互組合可以得到六種液位計(jì)的方案。30傳感器與檢測技術(shù)教程傳感器與檢測技術(shù)教程4.4.4超聲傳感器測厚度超聲傳感器測厚度31傳感器與檢測技術(shù)教程傳感器與檢測技術(shù)教程4.5微波式傳感器微波式傳感器n4.5.1微波傳感器的組成、原理及分類n4.5.2微波傳

13、感器測物位與液位n4.5.3微波傳感器測厚度在電磁波譜中將波長為在電磁波譜中將波長為11000mm (頻率：頻率：300MHz 300GHz)的電磁波稱為微波的電磁波稱為微波。微波的特點(diǎn)是微波的特點(diǎn)是: (1)在各種障礙物上能產(chǎn)生良好的反射，具有良在各種障礙物上能產(chǎn)生良好的反射，具有良好的定向輻射性能；好的定向輻射性能； (2)在傳輸過程中受到粉塵、煙霧、火焰及強(qiáng)光在傳輸過程中受到粉塵、煙霧、火焰及強(qiáng)光的影響小，具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。的影響小，具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。 32傳感器與檢測技術(shù)教程傳感器與檢測技術(shù)教程4.5.1微波傳感器的組成、原理及分類微波傳感器的組成、原理及分類MS與與S合而

14、為一合而為一有源微波傳感器有源微波傳感器MS與與R合而為一合而為一自振蕩式微波傳感器自振蕩式微波傳感器1. 反射式微波傳感器利用微波反射的原理制作的液位計(jì)，可以連續(xù)檢測與實(shí)現(xiàn)液位定點(diǎn)控制。2. 遮擋式微波傳感器33傳感器與檢測技術(shù)教程傳感器與檢測技術(shù)教程4.5.2微波傳感器測物位與液位微波傳感器測物位與液位n1. 微波物位計(jì)20()4ttrPPGGS0rPP物位低物位高34傳感器與檢測技術(shù)教程傳感器與檢測技術(shù)教程 圖為定點(diǎn)式微波料位計(jì)原理示意圖。圖中的振蕩器為一高頻振蕩器，可用速調(diào)管、磁控管或微波固體元件構(gòu)成。 35傳感器與檢測技術(shù)教程傳感器與檢測技術(shù)教程 小型的微波振器可用體效應(yīng)管、微波砷化

15、鎵金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)三極管、高遷移率場效應(yīng)三極管等作發(fā)生器，產(chǎn)生的微波用波導(dǎo)管引到輻射天線而發(fā)射出去。 發(fā)射天線與接收天線有扇形、角錐形或圓錐形等嗽叭筒天線，可保證輻射波有良好的方向。此外還有一種介質(zhì)天線，方向性更好。 振蕩器產(chǎn)生的微波電流，饋送給安裝在料面一側(cè)的發(fā)射天線向料面發(fā)射出去，經(jīng)過料上方被接收天線接收。36傳感器與檢測技術(shù)教程傳感器與檢測技術(shù)教程當(dāng)料位較低時(shí)，定向發(fā)射的微波無衰減的直接為接收天線接收，經(jīng)前置放大器放大到適當(dāng)?shù)碾娖胶箴佀偷诫娮臃糯笃?，?jīng)檢波、放大后，與定電壓比較，發(fā)出正常工作的信號(hào)，表示料位沒有超過規(guī)定高度。這時(shí)接收器由天線收到的功率為 ：式中 ： 微波發(fā)射與接收天線的增

16、益； 微波的波長； 發(fā)射與接收天線的距離； 饋送給發(fā)射天線的功率。 riioGGPdP24iGrG diP37傳感器與檢測技術(shù)教程傳感器與檢測技術(shù)教程 當(dāng)料位升高到遮斷微波束時(shí)，微波一部分被物料反射回去，一部分被物料吸收。接收到的微波功率為式中為衰減系數(shù)，決定于物料的電磁性能、顆粒大小、堆積形狀及含水量等。此時(shí)微波被接收后經(jīng)放大并在電壓比較電路與定電壓進(jìn)行比較，其電位低于定電壓，使儀表發(fā)出料位高的信號(hào)。這種定點(diǎn)式微波物位計(jì)很適合于物位測量的上、下限報(bào)警用。 rP0PPr38傳感器與檢測技術(shù)教程傳感器與檢測技術(shù)教程222()44ttrrPGGPSd2. 微波液位計(jì)微波液位計(jì)39傳感器與檢測技術(shù)教

17、程傳感器與檢測技術(shù)教程3. 調(diào)頻連續(xù)波式物位計(jì)調(diào)頻連續(xù)波式物位計(jì)40傳感器與檢測技術(shù)教程傳感器與檢測技術(shù)教程通常只需將發(fā)射、接收天線裝在被測料倉（罐）上方，即可對(duì)物位進(jìn)行連續(xù)測量。這種調(diào)頻連續(xù)波式微波物位計(jì)抗機(jī)械噪聲、電磁噪聲能力強(qiáng)，在高溫、高壓、高粘度情況下，可連續(xù)、快速而準(zhǔn)確地測出目標(biāo)物體的物位值。調(diào)頻連續(xù)波式微波物位計(jì)工作原理如圖所所示。 調(diào)頻式微波液位計(jì)原理示意圖 41傳感器與檢測技術(shù)教程傳感器與檢測技術(shù)教程固態(tài)源頻率變化規(guī)律為 ：式中 ：T調(diào)制波周期；F調(diào)制波頻率； 固態(tài)源初始頻率； 本振頻率； 固態(tài)源在調(diào)制信號(hào)1/2周期內(nèi)的頻偏范圍； t 時(shí)間。 0200002/ 2fdfffff

18、F ftdtT0f2f0f42傳感器與檢測技術(shù)教程傳感器與檢測技術(shù)教程回波頻率為 ：式中 回波頻率；微波往返于被測對(duì)象之間的延遲時(shí)間t=2L/C，C為光速，L為被測距離；1002ffF ftt1ft43傳感器與檢測技術(shù)教程傳感器與檢測技術(shù)教程所以，差頻頻率 為 由上式整理得被測距離L為從上式可以看出被測距離 L與差頻頻率 成正比。當(dāng)固態(tài)源的調(diào)制頻率F和頻偏 一定時(shí)，只要測出 ，就可以計(jì)算得到 L。 f0210422F fLfffF fLCC 04C fLF ffff44傳感器與檢測技術(shù)教程傳感器與檢測技術(shù)教程 當(dāng)固態(tài)工作頻偏 =300 MHz，調(diào)制頻率F = 1kHz,則有： 即被測距離L 每

19、變化1 m時(shí)，差頻頻率為4 kHz。 采用三角波雙重調(diào)制可以克服調(diào)頻式微波物位計(jì)的部分固有誤差；加上采取其他措施，微波物位計(jì)的測量精確度可達(dá)1%。測量范圍一般為0.520 m，最大可達(dá)幾十米（由固態(tài)源發(fā)射功率大小決定）以上。6384 1000 300 104 103 10fLL 0f45傳感器與檢測技術(shù)教程傳感器與檢測技術(shù)教程4.6核輻射物位與厚度檢測核輻射物位與厚度檢測n4.6.1放射源和探測器4.6.2測量電路4.6.3核輻射厚度計(jì)4.6.4核輻射液位計(jì)46傳感器與檢測技術(shù)教程傳感器與檢測技術(shù)教程4.6.1放射源和探測器放射源和探測器不同物質(zhì)對(duì)同位素射線的吸收能力不同，一般固體最強(qiáng)，液體次之，氣體最差。當(dāng)射線射入厚度為H的介質(zhì)時(shí)，會(huì)有一部分被介質(zhì)吸收掉。透過介質(zhì)的射線強(qiáng)度 I 與入射強(qiáng)度 I0 之間有如下關(guān)系：式中 吸收系數(shù)，條件固定時(shí)為常數(shù)。變形為： 因此測液位可通過測量射線在穿過液體時(shí)強(qiáng)度的變化量來實(shí)現(xiàn)。 HeII0IIHlnln1047傳感器與檢測技術(shù)教程傳感器與檢測技術(shù)教程核幅射式液位計(jì)由輻射源、接收器和測量儀表組成。輻射源一般用鈷60或銫，放在專門的鉛室中，安裝在被測容器的一側(cè)。幅射源在結(jié)構(gòu)上只能允許射線經(jīng)鉛室的一