第4章物位及厚度检测

1、第4章 物位及厚度检测物位的基本概念：物位的基本概念：n物位物位-指容器中的液体介质的液位、固体指容器中的液体介质的液位、固体的料位或颗粒物的料位和两种不同液体介质的料位或颗粒物的料位和两种不同液体介质分界面的总称。分界面的总称。n液位液位-容器中的液体介质的高低容器中的液体介质的高低n料位料位-容器中固体或颗粒状物质的堆积高容器中固体或颗粒状物质的堆积高度度 。第4章 物位及厚度检测物位检测方法：物位检测方法：n物位检测总体上分为物位检测总体上分为直接检测直接检测和和间接检测间接检测两种两种方法，由于测量状况及条件复杂多样，因而往方法，由于测量状况及条件复杂多样，因而往往采用间接测量，即将物

2、位信号转化为其它相往采用间接测量，即将物位信号转化为其它相关信号进行测量。关信号进行测量。第4章 物位及厚度检测直接测量法：直接测量法：n直接测量是一种最为简单、直观的测量方法。直接测量是一种最为简单、直观的测量方法。其中液位检测常会用到直接测量，它是其中液位检测常会用到直接测量，它是利用连利用连通器的原理，将容器中的液体引入带有标尺的通器的原理，将容器中的液体引入带有标尺的观察管中，通过标尺读出液位高度。观察管中，通过标尺读出液位高度。第4章 物位及厚度检测第4章 物位及厚度检测常用的间接检测方法有：常用的间接检测方法有：n浮力法和静压法；浮力法和静压法；n电学法（电容法）；电学法（电容法）

3、； n微波法；微波法；n超声波法；超声波法；n核辐射法等。核辐射法等。4.2 电容式物位计n4.2.2 4.2.2 电容式物位传感器电容式物位传感器 一、测量导电液体的电容式物位传感器一、测量导电液体的电容式物位传感器二、测量非导电液体的电容式物位传感器二、测量非导电液体的电容式物位传感器 32lnlCRr32lnlCRr2112 ()lnlCCRr )ln(211rRlC4.3 微波式传感器n在电磁波谱中将波长为在电磁波谱中将波长为11000mm的电磁波称为微的电磁波称为微波。波。微波的特点是微波的特点是:n在各种障碍物上能产生良好的反射，具有良好的定在各种障碍物上能产生良好的反射，具有良好

4、的定向辐射性能；向辐射性能；n在传输过程中受到粉尘、烟雾、火焰及强光的影响在传输过程中受到粉尘、烟雾、火焰及强光的影响小，具有很强的环境适应能力。小，具有很强的环境适应能力。1.微波碰到金属就发生反射，金属根本没有办法吸收微波碰到金属就发生反射，金属根本没有办法吸收或传导它；微波可以穿过玻璃、陶瓷、塑料等绝缘或传导它；微波可以穿过玻璃、陶瓷、塑料等绝缘材料，但不会消耗能量；而水（蒸汽）会对微波产材料，但不会消耗能量；而水（蒸汽）会对微波产生强烈吸收。生强烈吸收。一、微波传感器的组成一、微波传感器的组成 微波振荡器微波振荡器和和微波天线微波天线是微波传感器的重要是微波传感器的重要组成部分，构成微

5、波振荡器的器件有速调管、磁组成部分，构成微波振荡器的器件有速调管、磁控管或某些固体器件。控管或某些固体器件。 由微波振荡器产生的振荡信号需要用波导管由微波振荡器产生的振荡信号需要用波导管( (波长在波长在10cm10cm以上可用同轴电缆以上可用同轴电缆) )传输，并通过天传输，并通过天线发射出去，常用的天线有喇叭形天线、抛物面线发射出去，常用的天线有喇叭形天线、抛物面天线和介质线等。天线和介质线等。 4.3 微波式传感器4.3 微波式传感器(a)(b)(c)(d) 常用的微波天线常用的微波天线(a) 扇形喇叭天线扇形喇叭天线; (b) 圆锥形喇叭天线圆锥形喇叭天线; (c) 旋转抛物面天线旋转

6、抛物面天线; (d) 抛物柱面天线抛物柱面天线 二、微波传感器工作原理二、微波传感器工作原理 n微波传感器的敏感元件可认为是一个微波场。其微波传感器的敏感元件可认为是一个微波场。其它部分可视为一个转换器和接收器，如图所示。它部分可视为一个转换器和接收器，如图所示。Microwave sourse4.3 微波式传感器 1. 1.反射式微波传感器反射式微波传感器 反射式微波传感器是通过检测被测物体反射回来反射式微波传感器是通过检测被测物体反射回来的微波功率或经过的时间间隔来测量被测位置、厚度的微波功率或经过的时间间隔来测量被测位置、厚度等参数。等参数。 2.2.遮断式微波传感器遮断式微波传感器 遮

7、断式微波传感器是通过检测接受天线接收到的遮断式微波传感器是通过检测接受天线接收到的微波功率大小，来判断发射天线和接收天线之间有无微波功率大小，来判断发射天线和接收天线之间有无被测物或被测物体的位置与含水量等参数。被测物或被测物体的位置与含水量等参数。4.3 微波式传感器4.3 微波式传感器三、微波物位计三、微波物位计 n微波物位计原理如图所示。当被测物位低于设定物位时，微波物位计原理如图所示。当被测物位低于设定物位时，接收天线接收的功率为接收天线接收的功率为 rttGGPSP20)4(n当被测物位升高到天线所在高度时，接收天线接收的功率为当被测物位升高到天线所在高度时，接收天线接收的功率为 0

8、PPr由被测物形状、材料性质、电磁性能及高度所决定的系数四、微波液位计四、微波液位计 n微波液位计原理如图所示，接收天线接收到的功率微波液位计原理如图所示，接收天线接收到的功率Pr为为 2224)4(dSGGPPrttr4.3 微波式传感器4.3 微波式传感器n图中所示是目前在工程应用较多的调频连续波图中所示是目前在工程应用较多的调频连续波式微波物位（液位和料位）计。式微波物位（液位和料位）计。4.3 微波式传感器n通常只需将发射、接收通常只需将发射、接收天线装在被测料仓（罐）天线装在被测料仓（罐）上方，即可对物位进行上方，即可对物位进行连续测量。这种调频连连续测量。这种调频连续波式微波物位计

9、抗机续波式微波物位计抗机械噪声、电磁噪声能力械噪声、电磁噪声能力强，在高温、高压、高强，在高温、高压、高粘度情况下，可连续、粘度情况下，可连续、快速而准确地测出目标快速而准确地测出目标物体的物位值。物体的物位值。4.4 4.4 超声波物位及厚度检测超声波物位及厚度检测 n4.4.1 4.4.1 超声波检测原理超声波检测原理 一、超声波一、超声波 人耳所能听到的声波在人耳所能听到的声波在202020 000Hz20 000Hz之间，频率超过之间，频率超过20000Hz20000Hz，人耳不能听到的，人耳不能听到的声波称为超声波声波称为超声波)()(由逆压电效应产生由逆压电效应产生) )。 1.

10、次声波的特点及应用次声波的特点及应用 次声波是指频率低于人们的听觉下限次声波是指频率低于人们的听觉下限(20Hz)的声波。的声波。例如，火山爆发、地震、海啸、台风等所含能量巨大的自例如，火山爆发、地震、海啸、台风等所含能量巨大的自然现象及核爆中都会产生次声波次声波传播的特点是，然现象及核爆中都会产生次声波次声波传播的特点是，能量衰减小，易受重力影响；在空气中传播易引起空气分能量衰减小，易受重力影响；在空气中传播易引起空气分子的振动，使部分声能转化为空气的内能。次声波由于受子的振动，使部分声能转化为空气的内能。次声波由于受重力影响，主要是沿地面传播，因而次声波可以传播很远重力影响，主要是沿地面传

11、播，因而次声波可以传播很远的距离。的距离。 次声波常用于探测波源次声波常用于探测波源(如爆炸点如爆炸点)的位置、预测火山的位置、预测火山爆发、雷暴及异常的气象变化等。爆发、雷暴及异常的气象变化等。2超声波的特点及应用超声波的特点及应用 频率高于人们的听觉上限频率高于人们的听觉上限(20000 Hz)不能再激起听觉不能再激起听觉的声波叫超声波。由于超声波的波长很短，所以只能是近的声波叫超声波。由于超声波的波长很短，所以只能是近似地做直线传播超声波与一切波一样会发生反射、折射、似地做直线传播超声波与一切波一样会发生反射、折射、干涉、衍射等现象超声波在介质中传播时，超声波与介干涉、衍射等现象超声波在

12、介质中传播时，超声波与介质间因相互作用而发生一系列的物理或化学变化。质间因相互作用而发生一系列的物理或化学变化。 超声波引起的效应很多，主要表现是，介质中的质点超声波引起的效应很多，主要表现是，介质中的质点在超声波的作用下做受迫振动，产生在超声波的作用下做受迫振动，产生机械效应机械效应，会使悬浮，会使悬浮粒子凝聚；强度很大的超声波能引起粒子凝聚；强度很大的超声波能引起物体破碎物体破碎；超声波可；超声波可用做清洗、乳化，以用做清洗、乳化，以促进化学反应促进化学反应，以及在此基础上发展，以及在此基础上发展起来的超声探伤、测距，医学上广泛应用的超声波诊断成起来的超声探伤、测距，医学上广泛应用的超声波

13、诊断成像像(B超超)等等。现在，超声波与电磁辐射、粒子轰击已成等等。现在，超声波与电磁辐射、粒子轰击已成为研究物质微观结构的三大重要手段为研究物质微观结构的三大重要手段二、超声波的物理特性二、超声波的物理特性1. 定向传播2. 穿透能力强3. 反射特性1211 1222121212221212212112,coscoscoscos0R1zv zvvvzzzzRzzzzRzz 、为两种介质的密度；、 为超声波在两种介质中传播的速度；、 为超声波在介质中传播的声阻抗；反射系数：当 时：如果相差较大，则，即全反射6212121.44 104 100.999zzzzR、 为水、空气，则三、超声波的衰减

14、三、超声波的衰减 声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减。其声压和声强的衰减规律满足以下函数关系：逐渐衰减。其声压和声强的衰减规律满足以下函数关系：xxeII20 xxePP0式中式中: xP、 xI 声波在距声源声波在距声源x x处的声压和声强；处的声压和声强； 0P、 0I 声波在声源处的声压和声强；声波在声源处的声压和声强； x 声波与声源间的距离；声波与声源间的距离； 衰减系数衰减系数. .n 4.4.2 超声波传感器 压电式超声波传感器是利用压电材料的压电效应原理工作。压电式超声波传感器是利用压电材料的压电效应原理工作。n压电

15、式超声波发生器是利用逆压电效应的原理将高频电振动转压电式超声波发生器是利用逆压电效应的原理将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波。当外加交变电压的频率换成高频机械振动，从而产生超声波。当外加交变电压的频率n 超声波传感器发射和接收部分均称为超声波换能器，有超声波传感器发射和接收部分均称为超声波换能器，有 时也称为超声波探头。时也称为超声波探头。n 根据工作原理分：压电式、磁滞伸缩式和电磁式等。根据工作原理分：压电式、磁滞伸缩式和电磁式等。 n把超声发射出去，然后再把超声波接受回来，变换成电信号，把超声发射出去，然后再把超声波接受回来，变换成电信号，完成这一部分工作的超声波仪器，称为超声

16、波传感器。完成这一部分工作的超声波仪器，称为超声波传感器。 等于压电材料的固有频率时会产生共振，此时产生的超声等于压电材料的固有频率时会产生共振，此时产生的超声波最强波最强。 压电式超声波接收器是利用正压电效应原理进行工作压电式超声波接收器是利用正压电效应原理进行工作的。当超声波作用到压电晶片上时引起晶片伸缩，在晶片的。当超声波作用到压电晶片上时引起晶片伸缩，在晶片的两个表面上便产生极性相反的电荷，这些电荷被转换成的两个表面上便产生极性相反的电荷，这些电荷被转换成电压经放大后送到测量电路，最后记录或显示出来。电压经放大后送到测量电路，最后记录或显示出来。 n 4.4.2 超声波传感器 压电式超

17、声波传感器结构图压电式超声波传感器结构图 n根据结构不同分：直探头式、斜探头式和多探头式等。根据结构不同分：直探头式、斜探头式和多探头式等。 超声波的波型 n纵波纵波质点振动方向与波的传播方向一致的波，称为纵质点振动方向与波的传播方向一致的波，称为纵波。它能在固体、液体和气体中传播；波。它能在固体、液体和气体中传播； n横波横波质点振动方向垂直于传播方向的波，称为横波。质点振动方向垂直于传播方向的波，称为横波。它只能在固体中传播；它只能在固体中传播； n表面波表面波质点的振动介于纵波与横波之间，沿着表面传质点的振动介于纵波与横波之间，沿着表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减的波，称为表面波。表面

18、播，振幅随深度增加而迅速衰减的波，称为表面波。表面波质点振动的轨迹是椭圆形（其长轴垂直于传播方向，短波质点振动的轨迹是椭圆形（其长轴垂直于传播方向，短轴平行于传播方向）。表面波只能沿着固体的表面传播。轴平行于传播方向）。表面波只能沿着固体的表面传播。 n 4.4.3 超声传感器测物位n超声波液位计按传声介质不同，可分为气介式、超声波液位计按传声介质不同，可分为气介式、液介式和固介式三种；液介式和固介式三种；n按探头的工作方式可分为自发自收的单探头方按探头的工作方式可分为自发自收的单探头方式和收发分开的双探头方式。相互组合可以得式和收发分开的双探头方式。相互组合可以得到六种液位计的方案。到六种液

19、位计的方案。n在容器底部或顶部安装超声波发射器和接收器，在容器底部或顶部安装超声波发射器和接收器，发射出的超声波在相界面被反射。发射出的超声波在相界面被反射。n由图中可看出，超声波传播距离为2H，波的传播速度为v，传播时间为t ，则：nH的测量一般是用接收到的信号触发门电路对振荡器的脉冲进行计数来实现。12Hv t02nvHfn 4.4.3 超声传感器测物位f0为计数振荡器的频率n为计数器的显示数，n值与液面高度成比例n超声波法测厚常用脉冲回波法，测厚原理如图所示：超声波法测厚常用脉冲回波法，测厚原理如图所示：vtd21n 4.4.4 超声传感器测厚度超声波测厚仪AR850测量范围：1.222

20、5.0mm精度：+-(1%+-0.1)mm基于基于89C2051的超声波测距仪的设计的超声波测距仪的设计P1.0 端口输出一个端口输出一个40kHz的脉冲信号，经过三极管的脉冲信号，经过三极管T放大，驱动超声波发射放大，驱动超声波发射头头UCM40T，发出，发出40kHz的脉冲超声波的脉冲超声波 ；右侧和左侧测距电路的输入端分别；右侧和左侧测距电路的输入端分别接接P1.1和和P1.2端口，工作原理与前方测距电路相同。端口，工作原理与前方测距电路相同。 接收头采用与发射头配接收头采用与发射头配对的对的UCM40R，将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经运算放大器，将超声波调制脉冲变为交变电压信号，

21、经运算放大器IC1A和和IC1B两极放大后加至两极放大后加至IC2。LM567输入信号大于等于输入信号大于等于25mV，输出端，输出端8脚由脚由高电平跃变为低电平，作为中断请求信号，送至单片机处理高电平跃变为低电平，作为中断请求信号，送至单片机处理 。n核辐射传感器是根据被测物质对射线的吸收、反核辐射传感器是根据被测物质对射线的吸收、反散射或射线对被测物质的电离激发作用而进行工散射或射线对被测物质的电离激发作用而进行工作，核辐射传感器是核辐射式检测仪表的重要组作，核辐射传感器是核辐射式检测仪表的重要组成部分，它是利用放射性同位素来进行测量的。成部分，它是利用放射性同位素来进行测量的。n核辐射传

22、感器一般由放射源、探测器以及电信号核辐射传感器一般由放射源、探测器以及电信号转换电路所组成。它可以检测厚度、液位、物位转换电路所组成。它可以检测厚度、液位、物位等参数。等参数。4.5 核辐射物位与厚度检测n 4.5.1 放射源和探测器n原子如果不是由于外界的原因，而是由于自发的结构性的变化，称为核衰变，原子如果不是由于外界的原因，而是由于自发的结构性的变化，称为核衰变，核衰变是放射性同位素的本征特性。核衰变是放射性同位素的本征特性。n放射性同位素在衰变的过程中释放出一种特殊的，带有一定能量的粒子或者放射性同位素在衰变的过程中释放出一种特殊的，带有一定能量的粒子或者射线，这种现象成为核辐射或者放

23、射性。射线，这种现象成为核辐射或者放射性。n放射性同位素能放出放射性同位素能放出射线、射线、射线和射线和射线。射线。一、射线的种类及衰变规律一、射线的种类及衰变规律 ( (1) )粒子：一般具有粒子：一般具有410MeV能量，其电离能力较强，主要用于气体分能量，其电离能力较强，主要用于气体分析，用来测量气体压力、流量等参数。析，用来测量气体压力、流量等参数。 射线由于贯穿本领强，可以用来检查金属内部有没有沙眼或裂纹，所用射线由于贯穿本领强，可以用来检查金属内部有没有沙眼或裂纹，所用的设备叫的设备叫射线探伤仪；射线探伤仪；射线的电离作用很强，可以用来消除机器在运转中射线的电离作用很强，可以用来消

24、除机器在运转中因摩擦而产生的有害静电；生物体内的因摩擦而产生的有害静电；生物体内的DNA(脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸)承载着物种的遗承载着物种的遗传密码，但是传密码，但是DNA在射线作用下可能发生突变，所以通过射线照射可以使种在射线作用下可能发生突变，所以通过射线照射可以使种子发生变异，培养出新的优良品种；射线辐射还能抑制农作物害虫的生长，子发生变异，培养出新的优良品种；射线辐射还能抑制农作物害虫的生长，甚至直接消灭害虫人体内的癌细胞比正常细胞对射线更敏感，因此用射线甚至直接消灭害虫人体内的癌细胞比正常细胞对射线更敏感，因此用射线照射可以治疗恶性肿瘤，这就是医生们说的照射可以治疗恶性肿瘤，这就是

25、医生们说的“放疗放疗”。0tII e4.5 核辐射物位与厚度检测 ( (2)粒子：实际上是高速运动的电子，它在气粒子：实际上是高速运动的电子，它在气体中的射程可达体中的射程可达20 m，主要测量材料的厚度、密，主要测量材料的厚度、密度或重量；根据辐射的反散射来测量覆盖层的厚度或重量；根据辐射的反散射来测量覆盖层的厚度，利用度，利用粒子很大的电离能力来测量气体流。粒子很大的电离能力来测量气体流。 ( (3)射线：是一种从原子核内发射出来的电磁射线：是一种从原子核内发射出来的电磁辐射，在物质中的穿透能力比较强，在气体中的辐射，在物质中的穿透能力比较强，在气体中的射程为数百米，能穿过几十厘米厚的固体物质。射程为数百米，能穿过几十厘米厚的固体物质。主要用于金属探伤、厚度检测以及物体密度检测主要用于金属探伤、厚度检测以及物体密度检测等。等。 4.5 核辐射物位与厚度检测二、射线与物质的相互作用二、射线与物质的相互作用 1.1.带电粒子和物质的相互作用。带电粒子和物质的相互作用。 2.2.射线和物质的相互作用射线和物质的相互作用 / heII00hII e I穿过厚度为穿过厚度为h的吸收层后的辐射通量强度的吸收层后的辐射通量强度I0入射到吸收体的辐射通量的强度入射到吸收体的辐射通量的强度线性吸收系数线性吸收系数