物位检测方法和传感器类型

1、物位检测方法和传感器类型第二学习周 检测技术基础知识知识目标： 了解物位检测的基本方法 掌握电容式传感器的结构、分类和工作原理 熟悉电容式传感器的基本转换电路 了解电容式传感器的典型应用 理解超声波的概念及传播特性 掌握超声波传感器的工作原理和类型 能够根据需要选择合适的物位传感器进行测量电路设计 学会物位测量系统的制作与调试 技能目标：学习目标项目背景 液位、料位和界位总称为物位。根据具体用途可以使用液位、料位、界位等传感器。物位测量的目的主要是按生产工艺要求等监视、控制被测物位的变化。物位测量结果常用绝对长度单位或百分数表示。要求物位测量装置或系统应具有对物位进行测量、记录、报警或发出控制

2、信号等功能。 由于被测对象种类繁多，检测的条件和环境也有很大的差别，因而对物位进行测量的传感器形式有许多种，简单的有直读式或直接显示的装置；复杂的有利用通过敏感元件将物位转变为电量输出的电测仪表，以及建立在多传感器数据融合技术和智能识别与控制基础上的检测与控制系统。也有应用于特殊要求和测量场合的声、光、电转换原理的传感器表等。按是否与被测介质接触又分为接触式物位传感器和非接触式物位传感器，其应用比较广泛的代表分别是电容和超声波物位传感器。 任务5.1汽车油箱油位检测知识分布网络汽车油箱油位检测任务实施知识拓展相关知识电容传感器的类型及特性电容传感器的测量电路传感器选型测量电路设计模拟调试电容传

3、感器测量厚度电容传感器测量压力电容传感器的工作原理电容传感器测量加速度电容传感器测量位移电容传感器的测量电路任务5.1汽车油箱油位检测 传统的机械式汽车油位传感器存在精度低、稳定性不高、使用寿命短、使用环境存在局限等问题，导致汽车的使用成本相应增加。为了克服并改善传统汽车油位传感器存在的局限性，电容式液位传感器克服了传统油位传感器存在的上述缺点，而且在精度、稳定性等指标上有了质的飞跃，并具有数据精度高、稳定性强、使用寿命长等优点。 图5- 1 电容式油量计外形【任务描述】任务5.1汽车油箱油位检测霍尔传感器工作原理【相关知识】 电容传感器是将被测量（如尺寸、位移、压力等）的变化转换成电容量变化

4、的一种传感器。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。 图5- 2 平板电容器+Srd_电容极板间介质的介电常数，=0r，其中0为真空介电常数，0 8.85410-12F/m，r为极板间介质相对介电常数；A两平行板所覆盖的面积，单位m2；d两平行板之间的距离，单位m。 任务5.1汽车油箱油位检测5.1.2 电容传感器的类型及特性 根据电容传感器的工作原理，电容传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型。 1变极距型电容传感器 （a) 结构示意图 （b) Cd特性曲线图5-3变极距型电容式传感器1动极板 2定极板 当传感器的r和A为常数，初始极距为d0时 ，其初始电容量C0为 ：任务5.1汽

5、车油箱油位检测当动极板2移动x 值后，其电容值C 为：当xC2），则C1、C2充电时间常数就发生改变，输出平均电压UAB就不再为零。 （a）C1=C2 （b） C1C2图5- 11 脉冲宽度调制电路各点电压波形任务5.1汽车油箱油位检测 输出电压UAB经低通滤波器后，即可得到一直流电压U0，在理想情况下，它等于UAB的电压平均值，即T1C1充电时间；T2C2充电时间，；U1触发器输出的高电位。当电阻R1=R2=R时 任务5.1汽车油箱油位检测脉冲调宽电路具有以下特点：（1）对传感元件的线性要求不高，不论是变极距式，还是变截面式，其输出量都与输入量成线性关系。（2）不需要调解电路，只要经过低通滤

6、波器就可以得到较大的直流输出。（3）调宽频率的变化对输出无影响。（4）由于低通滤波器的作用，所以对输出矩形波纯度要求不高。 任务5.1汽车油箱油位检测5双T电桥电路（a）电路原理图（b）u为正半周期时的等效电路 （c）u为负半周期时的等效电路图5-12 双T交流电桥 双T电桥可以测量确定值的高频阻抗和连续变化的阻抗:任务5.1汽车油箱油位检测这种电路的特点是： （1）输出电压高。当用有效值为45V，频率为的正弦波高频电源供电时，被测电容从-7pF到+7pF范围内变化，可在阻值为1M的负载上产生-5+5v的直流电压。如适当选择元件参数，可直接用数字电压表进行测量。 （2）减小寄生电容影响。电源、

7、传感器电容及负载有一个公共接地点，从而缩短了引线，减小了寄生电容及引线电容的影响。 （3）二极管在线性区工作。因为输入电压较高，所以二极管均在线性区工作，减小了非线性误差。 （4）能适用动态测量。输出电压的上升时间由负载电阻RL确定，如RL=1K时，上升时间仅为20s，故适于测量快速的机械运动。 任务5.1汽车油箱油位检测5.1.4 电容传感器应用中的注意事项1消除和减小边缘效应（a）电容器的边缘效应 （b）带有等位环的平板式电容器图5- 13等位环消除电容边缘效应原理图 任务5.1汽车油箱油位检测2减小环境温度影响 环境温度的变化将改变电容传感器的输出相对被测输入量的单值函数关系，从而引入温

8、度干扰误差。这种影响主要有两个方面： （1）温度对结构尺寸的影响。电容传感器由于极间隙很小而对结构尺寸的变化特别敏感。在传感器各零件材料线胀系数不匹配的情况下，温度变化将导致极间隙较大的相对变化，从而产生很大的温度误差。在设计电容传感器时，适当选择材料及有关结构参数，可以满足温度误差补偿要求。 （2）温度对介质的影响。温度对介电常数的影响随介质不同而异，空气及云母的介电常数温度系数近似为零；而某些液体介质，如硅油、煤油等，其介电常数的温度系数较大。因此，在设计电容传感器时，尽量采用空气、云母等介电常数的温度系数几乎为零的电介质作为电容传感器的电介质。任务5.1汽车油箱油位检测3减小或消除寄生电

9、容的影响 减小或消除寄生电容的影响是设计电容传感器的关键。通常可采用如下方法： （1）增加电容初始值。增加电容初始值可以减小寄生电容的影响。一般采用减小电容式传感器极板之间的距离，增大有效覆盖面积来增加初始电容值。 （2）采用驱动电缆技术。驱动电缆技术又叫双层屏蔽等位传输技术，它实际上是一种等电位屏蔽法。图5- 14驱动电缆技术原理图任务5.1汽车油箱油位检测4防止和减小外界干扰主要措施有： （1）屏蔽和接地。用良导体做传感器壳体，将传感器包围起来，并可靠接地；用屏蔽电缆，屏蔽层可靠接地；用双层屏蔽线可靠接地并保持等电位等。 （2）增加传感器原始电容量，降低容抗。 （3）导线间的分布电容有静电

10、感应，因此导线和导线之间要离得远，线要尽可能短，最好成直角排列，若必须平行排列时，可采用同轴屏蔽电缆线，即地线和信号线相间地走线。 （4）尽可能一点接地，避免多点接地。地线要用粗的良导体或宽印制线。 （5）采用差动式电容传感器，减小非线性误差，提高传感器灵敏度，减小寄生电容的影响和温度、湿度等误差。 任务5.1汽车油箱油位检测【任务实施】 1传感器选型图5-15 圆柱式电容传感器1-内电极；2-外电极D 、d外电极内径和内电极外径(m)； 极板间介质介电常数(F/m)； L 极板相互重叠的长度(m)。任务5.1汽车油箱油位检测2测量电路分析图5-16 电容油位计测量电路 CR-606系列电容式

11、油位传感器的传感部分是一个同轴的容器，当油进入容器后引起传感器壳体和感应电极之间电容量的变化，这个变化量通过集成转换电路的转换并进行精确的线性和温度补偿，输出420mA标准信号供给显示仪表以显示油位。如图5-16所示，是测量电路原理框图，主要由振荡电路、放大电路和控制电路等组成。任务5.1汽车油箱油位检测3.模拟调试 （1）为便于便于观察实际液位的变化并验证测量结果的正确性，可选用带刻度的柱形透明容器代替实际油箱。按照CR-606型油位传感器说明书上要求正确安装传感器，外壳必须可靠接地。 （2）将红、黑端分别接24V直流电源正、负极，将输出电流信号红、蓝端分别接毫安表的正、负极，通电预热30分

12、钟，使输出信号稳定。 （3）标定。确定液位是零的位置，按下“零点”键；加入水（从安全、经济方面考虑，用水代替汽油进行调试）至最高液位时，按下“量程”键，完成传感器的标定。完成标定后，即可自动进入运行状态。 （4）改变容器中水位的高度，观察电流表的读数与液位高度的变化关系，记录数据，分析测量结果的准确性。任务5.1汽车油箱油位检测【知识拓展】 1电容传感器测量厚度电容测厚传感器是用来对金属带材在轧制过程中厚度的检测 图5- 17 电容式测厚仪原理图1-传动轮 2-轧辊 3-电容极板 4-金属带材任务5.1汽车油箱油位检测2电容传感器测量压力 差动电容式压力传感器。其主要结构为一个膜片动电极和两个

13、在凹形玻璃上电镀成的固定电极组成的差动电容器。 当被测压力或压力差作用于膜片并使之产生位移时，形成的两个电容器的电容量，一个增大，一个减小。该电容值的变化经测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化。 图5- 18 差动电容式压力传感器任务5.1汽车油箱油位检测3电容传感器测量加速度图5-19 差动电容式加速度传感器 传感器壳体随被测对象沿垂直方向作直线加速运动时， 质量块在惯性空间中相对静止，两个固定电极将相对于质量块在垂直方向产生大小正比于被测加速度的位移。此位移使两电容的间隙发生变化，一个增加，一个减小，从而使C1、C2产生大小相等、符号相反的增量，此增量正比于被测加速度。 电

14、容式加速度传感器外形任务5.1汽车油箱油位检测4电容传感器测量位移图5-20圆筒式变面积型电容位移传感器 测量时，动电极随被测物发生轴向移动，从而改变活动电极与两个固定电极之间的有效覆盖面积，使电容发生变化，电容的变化量与位移成正比。开槽弹簧片2为传感器的导向与支承，无机械摩擦，灵敏度高，但行程小，主要用于接触式测量。 任务5.1汽车油箱油位检测5电容传感器测量湿度（a）平面结构 （b) 侧面结构 （c) 等效电路图5- 21 湿敏电容器结构示意图1- 两个上电极 2- 下电极 3- 介质膜 传感器的感湿组件是高分子薄膜式湿敏电容，它的两个上电极是梳状金属电极，下电极是一网状多孔金属电极，上下

15、电极间是亲水性高分子介质膜。两个梳状上电极、高分子薄膜和下电极构成两个串联的电容器当环境相对湿度改变时，高分子薄膜通过网状下电极吸收或放出水分，使高分子薄膜的介质常数发生变化，从而导致电容量变化。 湿敏电容外形任务5.2液化气罐液位检测知识分布网络液化气罐液位检测任务实施知识拓展相关知识超声波类型及传播特性超声波传感器超声波物位传感器传感器选型测量电路设计模拟调试超声波测厚度超声波测流量超声波无损探伤任务5.2液化气罐液位检测 【任务描述】 在油气生产中，特别是在油气集输储运系统中，石油、天然气与伴生污水要在各种生产设备和罐器中分离、存储与处理，物位的测量与控制，对于保证正常生产和设备安全是至

16、关重要的，否则会产生重大的事故。 针对液化气罐密闭，储存液体易燃、易爆、强腐蚀等特点，一般采用非接触测量法进行液位的检测，本任务中采用超声波液位传感器进行测量。任务5.2液化气罐液位检测【相关知识】 超声波技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的，各行各业都使用的通用技术之一。它是通过超声波产生、传播以及接收这个物理过程来完成的。超声波检测就是利用不同介质的不同声学特性对超声波传播的影响来进行探查和测量的一门技术。超声波在液体、固体中衰减很小，穿透能力强，特别是对不透光的固体，超声波能穿透几十米的厚度。当超声波从一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中的传播速度不同，在介质面上会产生反

17、射、折射和波型转换等现象。超声波的这些特性使它在检测技术中获得了广泛的应用，如超声波无损探伤、厚度测量、流速测量、超声显微镜及超声成像等。 任务5.2液化气罐液位检测5.2.1 超声波简介1.声波的分类图5-22 声波频率界限划分示意图 声波是振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。声波的振动频率在20Hz20kHz范围内，为可闻声波；低于20Hz的声波为次声波；高于20kHz的声波为超声波。 任务5.2液化气罐液位检测2超声波的波型（1）横波：质点的振动方向垂于传播方向的波，它只能在固体中传播。（2）纵波：质点的振动方向与传播方向一致的波，它能在固体、液体和气体中传播。 （a）横波（b）纵波

18、图5-23 超声波传播波型 任务5.2液化气罐液位检测（3）表面波：质点的振动方向介于纵波与横波之间，沿着固体表面向前传播的波，它只能在固体中传播。 图5-24 表面波任务5.2液化气罐液位检测5.2.2 超声波传播特性1声速、声压、声强与指向性 1）声速 超声波可以在气体、液体及固体中传播，并有各自的传播速度，纵波、横波和表面波的传播速度取决于介质的弹性常数、介质的密度以及声阻抗。声阻抗Z为介质密度与声速C的乘积，即 其中声速C恒等于声波的波长与频率f的乘积，即 ：任务5.2液化气罐液位检测材 料密度(103kgm-1)声阻抗Z（103MPas -1）纵波声速cL（km/ s）横波声速cs（

19、km/s）钢7.8465.93.23铝2.7176.323.08铜8.9424.72.05有机玻璃1.183.22.731.43甘油1.262.41.92水（20）1.01.481.48油0.91.281.4空气0.00130.00040.34表5-1常用材料的密度、声阻抗与声速（环境温度为0） 任务5.2液化气罐液位检测2）声压 当超声波在介质中传播时，质点所受交变压强与质点静压强之差称为声压P。声压与介质密度、声速C、质点的振幅X及振动的角频率成正比，即 3）声强 单位时间内，在垂直于声波传播方向上的单位面积A内所通过的声能称为声强I，声强与声压的平方成正比，即任务5.2液化气罐液位检测4

20、）指向性 超声波声源发出的超声波束是以一定的角度向外扩散的，在声源的中心轴线上声强最大，随着扩散角度的增大声强逐步减小。半扩散角、声源直径D以及波长之间的关系为 图5-25超声波束扩散角任务5.2液化气罐液位检测2超声波的反射和折射图5- 26声波反射与折射1）反射定律 由物理学知，当波在界面上产生反射时，入射角的正弦与反射角的正弦之比等于波速之比。声波在同一介质内的传播速度相等，所以入射角与反射角相等。 2）折射定律 当波在界面处产生折射时，入射角的正弦与折射角的正弦之比，等于入射波在第一介质中的波速C1与折射波在第二介质中的波速C2之比，即 任务5.2液化气罐液位检测3超声波的衰减 超声波

21、在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，其衰减的程度与介质的密度、晶粒的粗细及超声波的频率等因素有关。晶粒越粗或密度越小，衰减越快；频率越高，衰减越快。气体的密度很小，因此衰减较快，尤其在频率高时衰减更快。因此，在空气中传导的超声波的频率选得较低，约数千赫兹，而在固体、液体中则选较高频率的超声波。 任务5.2液化气罐液位检测5.2.3 超声波传感器 1. 超声波探头 超声波传感器是利用超声波的特性，实现自动检测的测量元件。为了以超声波作为检测手段，必须能产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，又称超声波探头。超声波传感器按其工作原理，可分为压电式、磁致伸缩式 、电

22、磁式等，下面介绍最为常用的压电式超声波传感器。 任务5.2液化气罐液位检测2压电式超声波传感器图5-27压电式超声波传感器结构 压电式超声波传感器是利用压电材料的压电效应原理来工作的。常用的压电材料主要有压电晶体和压电陶瓷。根据正、逆压电效应的不同，压电式超声波传感器分为发生器（发射探头）和接收器（接收探头）两种。逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，以产生超声波，可作为发射探头。而利用压电效应则将接收的超声振动转换成压电信号，可作为接收探头。 任务5.2液化气罐液位检测3超声波探头结构类型1）单晶直探头 超声波的发射和接收虽然均是利用同一块晶片，但时间上有先后之分，所以单晶直探头是处于分

23、时工作状态，必须用电子开关来切换这两种不同的状态。 2）双晶直探头 由两个单晶探头组合而成，装配在同一壳体内，检测精度比单晶直探头高，且超声波信号的反射和接收的控制电路较单晶直探头简单。 3）斜探头 压电晶片粘贴在与底面成一定角度（如30、45等）的有机玻璃斜楔块上，当斜楔块与不同材料的被测介质（试件）接触时，超声波产生一定角度的折射，倾斜入射到试件中去，折射角可通过计算求得，可产生多次反射，而传播到较远处去。 任务5.2液化气罐液位检测1接插件 2外壳 3阻尼吸收块 4引线 5压电晶体 6保护膜7隔离层 8延迟块 9有机玻璃斜楔块 10试件 11耦合剂 任务5.2液化气罐液位检测5.2.4

24、超声波物位传感器1. 超声波物位传感器工作原理 图5-29超声波物位检测工作原理 任务5.2液化气罐液位检测 对于单换能器来说, 超声波从发射到液面, 又从液面反射到换能器的时间为:则h 换能器距液面的高度；V 超声波在介质中传播的速度。对于双换能器来说, 超声波从发射到被接收经过的路程为2s, 而 s 超声波反射点到换能器的距离；a 两换能器间距的一半。 任务5.2液化气罐液位检测2超声波液位计（a）气介式 （b）液介式 （c）固介式图5-30 单探头超声波液位计 超声波液位测量的优点：与介质不接触，无可动部件，电子元件只以声频振动，振幅小，仪器寿命长；超声波传播速度比较稳定，光线、介质粘度

25、、湿度、介电常数、电导率、热导率等对检测几乎无影响，因此适用于有毒、腐蚀性或高粘度等特殊场合的液位测量；不仅可进行连续测量和定点测量，还能方便地提供遥测或遥控信号；能测量高速运动或有倾斜晃动的液体的液位，如置于汽车、飞机、轮船中的液位。 任务5.2液化气罐液位检测【任务实施】 1传感器选型（a）实物安装示意图 （b）原理示意图图5-31 超声波液位检测任务5.2液化气罐液位检测 超声波传感器选型时要考虑被测物体的尺寸大小、外形及测量环境是否有振动、环境温度变化等因素，根据前面原理分析，结合本任务实际，选择气介式的单换能器超声波传感器,型号选用CSB40T。 超声波传播距离为L，波的传播速度为v

26、，传播时间为t ，则 : L是与液位有关的量，故测出L便可知液位，L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。 任务5.2液化气罐液位检测2.测量电路设计1）超声波发送模块设计图5-32 超声波发送电路 本任务选用硬件发生法产生超声波，40kHz的超声波是利用555时基电路组成的振荡器，通过调整20K电位器产生的。任务5.2液化气罐液位检测2）超声波接收模块设计图5-33 超声波接收电路 当没有发射超声波信号时，A、B、C点的电位是均为0，D的电位是1。当接收到超声波信号时，经过LM386放大，通过电感电容滤波，使其只有40KHz的信号通过，再经过LM386进行二次放大

27、，当测量距离远时，二次放大的信号仍然太弱，所以还得进行三次放大；当测量距离近时，二次放大的信号就很强了，但由于第三级的输入电压不能太高，所以需要用二极管做限幅。 任务5.2液化气罐液位检测3.模拟调试 （1）按照电路图5-33所示，将各元件焊接到实验板上，并检查正确性； （2）模拟调试时选用玻璃瓶，以便于观察实际液位。用胶将超声波探头粘贴在玻璃瓶的正上方，使探头指向与所测液位在同一直线上； （3）接通电路电源，通过示波器测出D端输出信号的峰值时间差t，通过式（5-34）计算出液位高度； （4）改变液位高度，测量多组数据，将测量值与实际值进行对比分析，分析偏差原因并进行总结，加以改进。 任务5.

28、2液化气罐液位检测【拓展知识】 1超声波测厚（a）原理图（b) 实物图5-34 超声波测厚度1-双晶直探头 2-引线电缆 3-入射波 4-反射波5-试件 6-显示仪表任务5.2液化气罐液位检测 若已知超声波在被测试件中的传播速度v，设试件厚度为 d，脉冲波从发射到接收的时间间隔t可以测量，则可求出被测试件厚度为 用超声波传感器测量零件厚度，具有测量精度高，操作安全简单，易于读数，能实现连续自动检测，测试仪器轻便等诸多优点。但是，对于声衰减很大的材料，以及表面凹凸不平或形状极不规则的零件，利用超声波实现厚度测量比较困难。 任务5.2液化气罐液位检测2超声波测流量 在管道两侧设置两个超声波传感器，它们可以发射超声波又可以接收超声波，一个装在上游，一个装在下游，超声波传播方向与管径夹角为，