第4章+物位及厚度检测(新).ppt

1、4.1 基本概念,物位:统指设备和容器中液体或固体物料的表面位置。对应不同性质的物料又有以下的定义。 液位:指设备和容器中液体介质表面的高低。 料位:指设备和容器中所储存的块状、颗粒或粉末状固体物料的堆积高度。 界位:指相界面位置。容器中两种互不相溶的液体，因其重度不同而形成分界面，为液-液相界面；容器中互不相溶的液体和固体之间的分界面，为液-固相界面。液-液、液-固相界面的位置简称界位。 物位是液位、料位、界位的总称。对物位进行测量、指示和控制的仪表，称物位检测仪表。,物位检测仪表的分类： 物位检测仪表按测量方式可分为连续测量和定点测量两大类。 连续测量方式能持续测量物位的变化。 定点测量方

2、式则只检测物位是否达到上限、下限或某个特定位置，定点测量仪表一般称为物位开关。 按工作原理分类，物位检测仪表有直读式、静压式、浮力式、机械式、电气式等。,4.1 基本概念,直读式物位检测仪表:采用侧壁开窗口或旁通管方式，直接显示容器中物位的高度。方法可靠、准确，但是只能就地指示。主要用于液位检测和压力较低的场合。 静压式物位检测仪表:基于流体静力学原理，适用于液位检测。容器内的液面高度与液柱重量所形成的静压力成比例关系，当被测介质密度不变时，通过测量参考点的压力可测知液位。这类仪表有压力式、吹气式和差压式等型式。,4.1 基本概念,浮力式物位检测仪表:基于阿基米德定律，适用于液位检测。漂浮于液

3、面上的浮子或浸没在液体中的浮筒，在液面变动时其浮力会产生相应的变化，从而可以检测液位。这类仪表有各种浮子式液位计、浮筒式液位计等。 机械接触式物位检测仪表:通过测量物位探头与物料面接触时的机械力实现物位的测量。这类仪表有重锤式、旋翼式和音叉式等。,4.1 基本概念,电气式物位检测仪表:将电气式物位敏感元件置于被测介质中，当物位变化时其电气参数如电阻、电容等也将改变，通过检测这些电量的变化可知物位。 其他物位检测方法:如声学式、射线式、光纤式仪表等。 物位检测的意义：a.精确的物料的数量。 b.保证产品质量与安全。,4.1 基本概念,4.2 电容式物位计,4.2.1 电容式物位计的工作原理 电容

4、式物位计是基于圆筒形电容器的原理而工作的，它将被测介质料位的变化转化成电容量的变化。通过对电容的检测与转换将其变为标准的电流信号输出。 适用范围：各种导电、非导电液体或粉状料位的测量。,电容量的变化量与电极浸没的长度成正比关系,4.2 电容式物位计,大致可分成三种工作方式。 一、立式圆筒形导电容器，非导电液体或固体粉末的物位测量。,4.2.2 电容式物位传感器,器壁为电容的外电极，沿轴线插入金属棒，作为内电极。,4.2 电容式物位计,4.2 电容式物位计,二、立式圆筒形导电容器，且物料为导电性液体的液位测量。,用一根电极作为电容器的内电极，一般用紫铜或不锈钢，外套聚四氟乙烯塑料管或涂搪瓷作为绝

5、缘层，而导电液体和容器壁构成电容器的外电极。,4.2 电容式物位计,三、非金属容器，或虽为金属容器，但非立式圆筒形，物料为非导电性液体的液位的测量。,中心棒状电极的外面套有一个同轴金属筒，并通过绝缘支架互相固定，金属筒的上下开口，或整体上均匀分布多个小孔，使筒内外的液位相同。中央圆棒与金属套筒构成两个电极，电容的中间介质为气体和液体物料。 这样组成的电容Cx与容器的形状无关，只取决于液位的高低。由于固体粉粒容易滞留在极间，所以此种电极不适于固体物位的测量。,4.2 电容式物位计,4.2.3电容式物位计的特点： 可测量液位、粉状料位、也可测界位，具有结构简单，安装要求低等特点 但当被测介质粘度较

6、大时，液位下降后，电极表面仍会粘附一层被测介质，从而造成虚假液位示值，严重影响测量精度。 被测介质的温度、湿度等变化都能影响测量精度，当精度要求较高时，应采用修正措施。,4.3 超声传感器与物位、厚度检测,超声传感器是基于回声测距原理设计的，利用超声波发射探头发出超声脉冲，发射波在料位或液位表面反射形成回波，由接收探头将信号接收下来，测出超声脉冲从发射到接受所需时间，根据已知介质中的波速就能计算出探头到物位或液位表面的距离，从而确定物位的高度。,4.3.1 超声波检测原理 一、超声波及其波形 波动（简称波）：振动在弹性介质内的传播 声波：其频率在162104 Hz之间，能为人耳所闻的机械波 次

7、声波：低于16 Hz的机械波 超声波：高于2104 Hz的机械波。声频越高，则发射的声束越尖锐，方向性越强，但在介质中衰减也越大。 微波：频率在310831012 Hz之间的波,4.3 超声传感器与物位、厚度检测,声波的频率界限图,4.3 超声传感器与物位、厚度检测,纵波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； 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； 表面波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

8、体、液体的表面传播。,4.3 超声传感器与物位、厚度检测,二、超声波的传播速度 纵波、横波及表面波的传播速度，取决于介质的弹性常数及介质密度。气体和液体中只能传播纵波，其中气体中的声速为344m/s，液体中声速在9001900m/s。 在固体中，纵波、横波和表面波三者的声速成一定关系，通常可认为横波声速为纵波声速的一半，表面波声速约为横波声速的90。,4.3 超声传感器与物位、厚度检测,三、反射与折射,超声波的反射与折射,当超声波传播到两种特性阻抗不同介质的分界面上时，一部分声波被反射；另一部分透射过界面，在相邻介质内部继续传播，这种现象称之为声波的反射和折射。如左图所示。,反射角、折射角与两

9、个介质中的速度满足折射定律：,4.3 超声传感器与物位、厚度检测,四、超声波的衰减 声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减。在不同介质中衰减的幅度关系如下： 固体液体气体 声波在介质中传播时衰减的程度还与声波的频率有关，频率越高，声波的衰减也越大。,4.3 超声传感器与物位、厚度检测,4.3.2 超声波传感器 能将（交流）电信号转换成机械振荡而产生超声波向介质中发射，或将超声场中的机械振荡转换成相应的电信号的装置称为超声波换能器（或称为探测器、传感器、探头）。超声波传感器一般都是可逆的，既能发射也能接收发射超声波。 超声换能器按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等。最常用

10、的是压电式探头。,4.3 超声传感器与物位、厚度检测,压电式换能器的原理是以压电效应为基础的，在实际应用中，由于压电效应的可逆性，换能器可“发射”与“接收”兼用。 发射：脉冲交流电压加到压电元件上，使其向介质发射超声波。 接收：接收从介质中反射回来的超声波，并将反射波转换为电信号送到后面的放大器。 因此，压电式超声传感器实质上是压电式传感器。,4.3 超声传感器与物位、厚度检测,4.3.3超声波测物位 超声波的衍射本领很差,在均质导体中能够定向直线传播,波长越短,此特性越显著。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。 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

11、双探头方式。单探头液位计使用一个换能器，由控制电路控制它分时交替作发射器与接收器。双探头式则使用两个换能器分别作发射器和接收器。 相互组合可以得到六种液位计的方案。,4.3 超声传感器与物位、厚度检测,气介式 液介式 固介式 单探头超声波液位计,4.3 超声传感器与物位、厚度检测,超声波物位计的特点： 优点: 无可动部件，换能器的振幅小，寿命长，可实现非接触式测量； 不受介质粘度的影响，并与介质的介电常数、电导率、热导率等无关； 超声波与传声媒质的相互作用适中,易于携带传声媒质的状态信息。(诊断或对传声媒质产生效应) 缺点: 适合强腐蚀、高压、有毒、高粘度液体的测量；不适宜被测液体中有气泡和悬

12、浮物，而且液面不能有很大的波动； 测量精度受声速的影响（声速受温度影响）。,4.3 超声传感器与物位、厚度检测,4.3.4 超声传感器的应用 超声波传感器广泛应用于工业生产中，如: 超声波清洗; 超声波焊接; 超声波加工(超声钻孔、切削、研磨、抛光等); 超声波处理(搪锡、淬火、超声波电镀、净化水质等); 超声波治疗诊断（体外碎石、B超等）; 超声波检测(超声波测厚、检漏、测距、探伤等)。,4.3 超声传感器与物位、厚度检测,一、超声波测厚 由于脉冲反射法不涉及共振机理，与被测物表面的光洁度关 系不密切，超声波脉冲回波法是最常用的一种测厚方法。 1.测量原理： 脉冲回波法超声测厚原理是测量超声

13、波脉冲通过试样所需的 时间间隔，然后根据超声波脉冲在样品中的传播速度求出样 品厚度。 d 样品厚度； c 超声波速度； t 超声波从发射到接收回波的时间间隔。,4.3 超声传感器与物位、厚度检测,脉冲回波法检测厚度工作原理,4.3 超声传感器与物位、厚度检测,超声波测厚仪AR850,测量范围：1.2225.0mm 精度：+-(1%+-0.1)mm,4.3 超声传感器与物位、厚度检测,基于89C2051的超声波测距仪的设计,P1.0 端口输出一个40kHz的脉冲信号，经过三极管T放大，驱动超声波发射头UCM40T，发出40kHz的脉冲超声波 ；右侧和左侧测距电路的输入端分别接P1.1和P1.2端

14、口，工作原理与前方测距电路相同。 接收头采用与发射头配对的UCM40R，将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经运算放大器IC1A和IC1B两极放大后加至IC2。LM567输入信号大于25mV，输出端8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 。,二,超声波测物位,(d),(c),(b),(a),几种超声波检测物位工作原理,4.3 超声传感器与物位、厚度检测,由图中可看出，超声波传播距离为H，波的传播速度为v，传播时间为t ，则： H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。,4.3 超声传感器与物位、厚度检测,1.穿透法探伤 穿透法探伤是根据超声波穿透工件

15、后能量的变化情况来 判断工件内部质量。,4.3 超声传感器与物位、厚度检测,三、超声波无损探伤 无损探伤:在不损坏工件或原材料工作状态的前提下，对被检验部件的表面和内部质量进行检查的一种测试手段。,优点：指示简单，适用于自动探伤；可避免盲区，适宜探测薄板。 缺点：探测灵敏度较低，不能发现小缺陷；根据能量的变化可判断有无缺陷，但不能定位；对两探头的相对位置要求较高。,穿透法探伤原理,4.3 超声传感器与物位、厚度检测,2.反射法探伤 一般在均匀的材料中，缺陷的存在将造成材料的不连续, 这种不连续往往又造成声阻抗的不一致，由反射定理我们 知道，超声波在两种不同声阻抗的介质的交界面上将会发 生反射，

16、反射回来的能量的大小与交界面两边介质声阻抗 的差异和交界面的取向、大小有关。脉冲反射式超声波探 伤仪就是根据这个原理设计的。 可分为一次脉冲反射法和多次脉冲反射法两种。,4.3 超声传感器与物位、厚度检测,一次脉冲反射法,一次脉冲反射法探伤原理,4.3 超声传感器与物位、厚度检测,多次脉冲反射法,多次脉冲反射法探伤原理,4.3 超声传感器与物位、厚度检测,4.4.1微波概述,微波是波长为1 mm1 m的电磁波，微波作为一种电磁波，具有电磁波的所有性质。 微波传感器是利用微波特性来检测某些物理量的器件或装置，是一种新型非接触式测量传感器。,4.4 微波传感器,微波特点： 需要定向辐射装置； 遇到

17、障碍物容易反射，具有良好的定向辐射性能； 绕射能力差； 传输特性好，传输过程中受烟雾、灰尘等的影响较小； 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、塑料等绝缘材料，但不会消耗能量；而水（蒸汽）会对微波产生强烈吸收。,4.4 微波传感器,4.4.2 微波传感器的组成、原理及分类 一、微波传感器的组成 微波传感器通常由微波发射器（即微波振荡器）、 微波天线及微波检测器三部分组成。 1. 微波发射器 是产生微波的装置。由于微波波长很短，即频率很高（300 MHz300GHz），要求振荡回路中具有非常微小的电感与电容，因此不能用普通的电子管与晶体管构成微波振荡器。

18、构成微波振荡器的器件有调速管、磁控管或某些固态器件，小型微波振荡器也可以采用体效应管。,4.4 微波传感器,2、微波天线 由微波振荡器产生的振荡信号需要用波导管(波长在10cm以上可用同轴电缆)传输，并通过天线发射出去，天线要具有特殊的结构。常用的天线有喇叭形、 抛物面形、 介质天线等。 喇叭形天线结构简单，制造方便，可以看作是波导管的延续。喇叭形天线在波导管与空间之间起匹配作用，可以获得最大能量输出。 抛物面天线使微波发射方向性得到改善。,4.4 微波传感器,常用的微波天线 (a) 扇形喇叭天线; (b) 圆锥形喇叭天线; (c) 旋转抛物面天线; (d) 抛物柱面天线,4.4 微波传感器,

19、3. 微波检测器 电磁波作为空间的微小电场变动而传播，所以使用电流-电压特性呈现非线性的电子元件作为探测它的敏感探头。 与其它传感器相比， 敏感探头在其工作频率范围内必须有足够快的响应速度。 作为非线性的电子元件可用各类较多（半导体PN结元件、隧道结元件等），根据使用情形选用。,4.4 微波传感器,二、微波传感器的原理及分类 工作原理：由发射天线发出微波，此波遇到被测物体时将被吸收或反射，使微波功率发生变化。接收天线接收到通过被测物体或由被测物体反射回来的微波，并将它转换为电信号，再经过信号调理电路，即可以显示出被测量，实现了微波检测。 分类：分为反射式和遮断式两类。,4.4 微波传感器,1.

20、 反射式微波传感器 反射式微波传感器是通过检测被测物反射回来的微波功率或经过的时间间隔来测量被测量的。通常它可以测量物体的位置、位移、厚度等参数。 2. 遮断式微波传感器 遮断式微波传感器是通过检测接收天线收到的微波功率大小来判断发射天线与接收天线之间有无被测物体或被测物体的厚度、 含水量等参数的。,4.4 微波传感器,4.4.3 微波传感器的应用,微波液位计,一、 微波液位计,4.4 微波传感器,接收天线接收到的功率 为： -发射天线的发射功率； -发射天线的增益； -接收天线的增益。,4.4 微波传感器,二、 微波辐射计（温度传感器） 任何物体，当它的温度高于环境温度时，都能够向外辐射热能

21、。微波辐射计能测量对象的温度。普朗克公式在微波领域可近似为,微波温度传感器最有价值的应用是微波遥测，将它装在航天器上，可以遥测大气对流层的状况，可以进行大地测量与探矿，可以遥测水质污染程度，确定水域范围，判断植物品种等。,4.4 微波传感器,微波温度传感器原理框图,4.4 微波传感器,被测物位低于设定物位时， 接收天线接收到的功率为,被测物位升高到天线所在高度时， 接收天线接收的功率为,为由被测物形状、材料性质、电磁性能等因素决定的系数。,三、微波物位计,4.4 微波传感器,物位较低时:发射天线发出的微波束全部由接收天线接收，经检波、放大、与电压比较器比较后，发出正常工作信号。 物位升高到天线

22、所在高度时:微波束部分被吸收，部分被反射，接收天线接收到的功率相应减弱，经检波、 放大后，低于设定电压信号，微波物位计就发出被测物位高出设定物位的信号。,4.4 微波传感器,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。,4.4 微波传感器,通常只需将发射、接收天线装在被测料仓（罐）上方，即可对物位进行连续测量。这种调频连续波式微波物位计抗机械噪声、电磁噪声能力强，在高温、高压、高粘度情况下，可连续、快速而准确地测出目标物体的物位值。,4.4 微波传感器,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作，核辐射传感器是核辐射式检测仪表

23、的重要组成部分，它是利用放射性同位素来进行测量的。 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、物位等参数。,4.5 核辐射物位与厚度检测,4.5.1 放射源和探测器 一、核辐射源-放射性同位素 核辐射传感器常采用、和X射线的核辐射源，产生这些 射线的物质通常是放射性同位素。 放射性同位素就是原子序数相同、原子质量不同的元素。 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。 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射性。 放射性同位素能放出射线、射线

24、和射线。,4.5 核辐射物位与厚度检测,1.射线的种类及衰变规律 、射线分别是带正、负电荷的高速粒子流； 射线不带电，是以光速运动的光子流，从原子核内放射出来； 三种射线中，射线穿透能力最强，射线次之， 射线最弱，射线的穿透厚度比、要大得多。,4.5 核辐射物位与厚度检测,1) 粒子 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。 应用: 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因摩擦而产生的有害静电； 生物体内的DNA(脱氧核糖核酸)承载着物种的遗传密码，但是DNA在射线作用下可能发生突变

25、，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，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“放疗”。,4.5 核辐射物位与厚度检测,2) 粒子 实际上是高速运动的电子，它在气体中的射程可达20 m，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，利用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。主要用于金属探伤、厚度检测以及物体密度检测等。,4.5 核辐射物

26、位与厚度检测,2.射线与物质的相互作用 1)带电粒子和物质的相互作用。 2)射线和物质的相互作用,I穿过厚度为h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 线性吸收系数 质量吸收系数,4.5 核辐射物位与厚度检测,二、常用探测器 探测器就是核辐射的接收器，它是核辐射传感器的重要组成部分。其用途就是将核辐射信号转换成电信号，从而探测出射线的强弱和变化，在现有的核辐射检测中，用于检测仪表上的主要有电离室、闪烁计数器和盖格计数等。,4.5 核辐射物位与厚度检测,1、电离室 利用电离室测量核辐射强度的示意图见下图。在电离空两侧的互相绝缘的电极上，施加极化电压，使两极板间形成电场。在射线

27、作用下，两极板间的气体被电离，形成正离子和电子，带电粒子在电场作用下定向运动形成电流 I，在外接电阻上便形成压降。电流 I 与气体电离程度成正比，电离程度又正比于 射线辐射强度，因此， 测量电阻 R 上的电压值 就可得到核辐射强度。 电离室主要用于探测 、粒子。,4.5 核辐射物位与厚度检测,2闪烁计数管 闪烁计数管由闪烁晶体(受激发光物体，常有气体、液体和固体三种，分为有机和无机两类)和光电倍增管组成，如下图所示。当辐射照射到闪烁晶体上，便激发出微弱的闪光，闪光射到光电倍增管上（由于闪光很微弱，必须使用光电倍增管才会有光电流输出），就会在其阳极形成脉冲电流，从而得到与核辐射有关的电信号。,4.5 核辐射物位与厚度检测,3盖格计数管 又称为气体放电计数管，其中心有一根金属丝并与管子绝缘，它是计数管的阳极；管壳内壁涂有导电金属层，为计数管的阴极，并在两极间加上适当电压。计数管内充有氩、氮等气体。当核辐射进入计数管内后，管内气体被电离。当电子在外电场的作用下向阳极运动时，由于碰撞气体产生次级电子，次极电子又碰撞气体分子，产生新的次级电子