物體位置傳感器課件

1、第十章 物體位置傳感器 第一節(jié) 電容式物位傳感器第二節(jié) 靜壓式物位傳感器第三節(jié) 超聲波物位傳感器第四節(jié) 微波物位傳感器第五節(jié) 光纖液位傳感器第一節(jié) 電容式物位傳感器一 工作原理及特性電容式物位傳感器是利用被測介質(zhì)面的變化引起電容變化的一種變介質(zhì)型電容傳感器。圖10-1所示為用于檢測非導(dǎo)電介質(zhì)的電容物位傳感器。圖10-1(a)為電容液位傳感器。當(dāng)被測液面高度變化時(shí)，兩同軸電極間的介電常數(shù)將隨之發(fā)生變化，從而引起電容量的變化。假設(shè)被測介質(zhì)的介電常數(shù)為1，而液面以上部分介質(zhì)的介電常數(shù)為2 ，則其電容量為 （10-1）式中：H傳感器插入液面深度，單位m； L兩電極相互覆蓋部分的長度，單位m； D ，d

2、分別為外電極的內(nèi)徑和內(nèi)電極的外徑，單位m。下一頁返回第一節(jié) 電容式物位傳感器設(shè)C0為液面深度H=0時(shí)的電容，則液面深度增至H時(shí)電容的變化為 （10-2）由上式可見，兩種介質(zhì)介電常數(shù)差別（1-2）愈大，極徑D與d相差愈小，傳感器靈敏度就愈高。上述原理也可用于導(dǎo)電介質(zhì)液位的測量。這時(shí)，傳感器極板必須與被測介質(zhì)絕緣。圖10-1(b)為電容式料位傳感器，用來測量非導(dǎo)電固體散粒的料位。由于固體摩擦力較大，容易“滯留”，故一般不用雙層電極，而用電極棒與容器壁組成電容料位傳感器的兩極。設(shè)D與d分別為容器的內(nèi)徑和電極棒外徑， 分別為空氣和物料的介電常數(shù)，則電容C變化與物位的升降關(guān)系為：上一頁下一頁返回（10-

3、3）第一節(jié) 電容式物位傳感器二、 測量電路1高頻電感電容電橋電路電橋電路原理如圖10-2所示，電橋由兩個(gè)電感臂L2，L3和兩個(gè)電容臂C1，CX組成，由電感L1高頻振蕩的電源供電，被測電容CX接入測量臂，而另一參比臂中接有可變電容C1 ，用以調(diào)整電橋平衡。扼流圈L0有高頻濾波性能，Re用來調(diào)整測量范圍，電橋形成不平衡輸出，經(jīng)二極管整流后，在顯示儀表毫安表中顯示出液位高低。高頻電感電容電橋結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便，但精度不高，線性差。上一頁下一頁返回第一節(jié) 電容式物位傳感器2利用電容充放電原理的測量電路利用電容式充放電原理來測量電容的液位計(jì)方框圖如圖10-3所示。電容液位傳感器把液位變化變?yōu)殡娙葑兓?，測

4、量前置電路利用電容充放電原理，把電容變化為直流電流的變化，經(jīng)與調(diào)零單元的零點(diǎn)電流比較后，再經(jīng)直流放大，然后進(jìn)行指示或遠(yuǎn)傳。晶體振蕩器用來產(chǎn)生高頻恒定頻率的方波（實(shí)為梯形波），經(jīng)分頻后，通過多芯屏蔽電纜與顯示儀表部分相連，這樣可減小傳輸電纜分布電容的影響，并減小干擾的影響。上一頁返回第二節(jié) 靜壓式物位傳感器靜壓式物位傳感器是利用壓力傳感器，配用陶瓷或薄膜傳感元件作為探頭，將容器或儲(chǔ)罐中的物位變化產(chǎn)生的壓力變化，經(jīng)壓力傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化，通過檢測電路對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理，從而檢測出物位。靜壓式物位傳感器的探頭種類較多。如膜片型傳感器，它的結(jié)構(gòu)形式是在感壓膜上粘貼應(yīng)變片，由應(yīng)變片組成惠斯登電橋，將

5、物位的變化引起的壓力變化以應(yīng)變片電阻值變化的形式檢測出來。其檢測方法與應(yīng)變片式壓力傳感器相同，在此不再闡述。下一頁返回第二節(jié) 靜壓式物位傳感器靜壓式物位傳感器可用于裝有液體、糊狀物以及漿料容器的物位及儲(chǔ)量測量。靜壓式物位傳感器有多種封裝形式，不同的封裝形式有如下不同用途：（1）緊湊型用于標(biāo)準(zhǔn)用途，例如用于攪拌的容器；（2）衛(wèi)生型用于液體食品；（3）法蘭型用于易爆區(qū)域；（4）繩索型用于水井，深度可達(dá)25m；（5）棒型用于從頂部安裝。上一頁返回超聲波物位傳感器是利用超聲波在氣體、液體和固體介質(zhì)中傳播的回聲測距原理檢測物位，故超聲波物位傳感器有氣介式、液介式和固介式三類，如圖10-4所示。單探頭形式

6、，即探頭（換能器）既發(fā)射又接收超聲波；雙探頭形式，發(fā)射和接收超聲波各由一個(gè)探頭承擔(dān)。液介式探頭既可以安裝在液體介質(zhì)的底部，亦可安裝在容器外部。圖10-4(a)中，設(shè)待測液面的高度為h，超聲波在該介質(zhì)中的傳播速度為v，超聲波從單探頭發(fā)射到液面，又由液面反射到探頭，共需時(shí)間t，則液面高度h為 （10-4）下一頁返回第三節(jié) 超聲波物位傳感器第三節(jié) 超聲波物位傳感器圖10-4(c)的工作原理同圖10-4(a)，但式（10-4）中v是超聲波在空氣中的傳播速度。圖10-4(b)和10-4(d)中，超聲波經(jīng)過介質(zhì)的路程為2s，而 （10-5）因此，待測液位高 （10-6）式中，a為兩探頭之間距離的一半。超聲

7、波探頭是聲換能器。圖10-5所示為聲的發(fā)射換能器和聲接收換能器結(jié)構(gòu)原理圖。在圖10-5(a)所示發(fā)射換能器的壓電晶片1上粘一半球面音膜2，用螺釘和壓環(huán)將音膜和晶片一起固定在外殼3上。音膜起改善輻射阻抗匹配，提高輻射功率的作用。接收換能器如圖10-5(b)所示，壓電晶片背面用彈簧5壓緊。換能器的結(jié)構(gòu)對(duì)電-聲、聲-電轉(zhuǎn)換效率，傳感器的作用距離及聲束的方向性有較大影響。上一頁下一頁返回第三節(jié) 超聲波物位傳感器利用超聲波物位傳感器測量物位有許多優(yōu)越性。超聲波物位傳感器可用于危險(xiǎn)場所非接觸檢測物位，可以測量所有液體和固體的物位，它不僅可以定點(diǎn)和連續(xù)測量，而且能夠很方便地提供遙控所需要的信號(hào)。測量精度高和

8、換能器壽命長。傳感器與物料不直接接觸，安裝維護(hù)方便，價(jià)格便宜。超聲波不受光線、料度的影響，其傳播速度并不直接與媒質(zhì)的介電常數(shù)、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率有關(guān)，因而超聲傳感器廣泛應(yīng)用于測量腐蝕性和侵蝕性物粒及性質(zhì)易變的物位。上一頁下一頁返回第三節(jié) 超聲波物位傳感器超聲波物位傳感器測量物位也有其缺點(diǎn)。超聲波物位傳感器不能測量有汽泡和有懸浮物的液位；當(dāng)被測量液面有很大波浪時(shí)，在測量上會(huì)引起聲波反射混亂，產(chǎn)生測量誤差。單探頭式不能檢測小于盲區(qū)的距離，雙探頭式雖然理論上無盲區(qū)，但由于電路耦合和探頭側(cè)向超聲輻射對(duì)接收器的作用，使接收電路有微弱輸出。超聲波物位傳感器的檢測范圍為10-2m104m，精度為0.1 %。上一

9、頁返回第四節(jié) 微波物位傳感器微波是波長為0.01m1m的電磁波，它能在各種障礙物上產(chǎn)生良好的反射；在傳播過程中定向輻射性好；待測介質(zhì)對(duì)微波的吸收量跟介質(zhì)的介電系數(shù)成正比例，水吸收微波最多；微波繞過障礙物人本領(lǐng)較小；微波在傳輸過程中受煙、火焰、灰塵和強(qiáng)光的影響較小。由于微波有以上特性，可用微波檢測物位。微波物位傳感器原理圖如圖10-6所示。發(fā)射天線與接收天線構(gòu)成一定角度。微波從待測面反射后進(jìn)入接收天線，接收功率為：下一頁返回（10-7）第四節(jié) 微波物位傳感器式中： P0發(fā)射天線的功率； G接收天線的增益； G0發(fā)射天線的增益； s發(fā)射天線到接收天線間的距離； s1兩天線位置離待測面的距離； 微波

10、波長。通常式（10-7）中P0，G，G0和為已知數(shù)，若令 ，則上一頁下一頁返回（10-8）第四節(jié) 微波物位傳感器設(shè)s1的增量為s1，則對(duì)式（10-8）微分可得： （10-9）式中， P為s1的增量為s1時(shí)對(duì)應(yīng)的微波功率增量。由式（10-9）可知，當(dāng)測得P時(shí)，即可確定物位變化s1。微波的波長很小，也就是它的頻率很高，如波長1m的波，其頻率為300MHz，這樣振蕩電路的振蕩頻率較高，要求振蕩回路有微小的電感及電容。一般使用小型固體微波元件組成微波振蕩電路。上一頁下一頁返回第四節(jié) 微波物位傳感器為了使微波輻射有很尖銳的方向性，有許多新的發(fā)射裝置，如剌叭形天線、介質(zhì)天線等。喇叭形天線具有圓形或矩形截面

11、，實(shí)際上它是波導(dǎo)管的延續(xù)，以避免波導(dǎo)過渡到敞開空間時(shí)傳播條件的劇變。圖10-7為喇叭形天線，它有扇形、角錐形等幾種。為了得到較好的方向性，喇叭筒應(yīng)有某個(gè)最佳的張角，通常為4060。介質(zhì)天線的構(gòu)造如圖10-8所示。直徑逐漸減小的介質(zhì)棒在細(xì)的一端做成勻滑的半圓形，另一端則插入作為反射器的金屬杯中，饋送能量給天線的同軸線的耦合針也插入這個(gè)杯中。上一頁下一頁返回第四節(jié) 微波物位傳感器為了改善微波發(fā)射的方向性，就像光學(xué)凹面鏡產(chǎn)生平行光一樣，也可用反射器來形成一束無線電波，但它的方向性沒有光波好。圖10-9所示為兩種微波反射鏡，圖10-9(a)為拋物面式，圖10-9(b)為拋物柱面式的反射鏡。微波物位傳感

12、器有檢測范圍寬和性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，可用于測量有旋渦的液體（如在帶攪拌器的容器里）和有毒的、完全無菌的或特別腐蝕的介質(zhì)的物位。微波物位傳感器的缺點(diǎn)是精度不高。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)注意當(dāng)微波頻率高于3000MHz時(shí)，由于水分子吸收微波能量，故若有待測環(huán)境周圍有水蒸氣或有大的溫度變化時(shí)，則微波物位傳感器的檢測效果會(huì)受到影響。微波物位傳感器的主要性能：檢測范圍：0.01m1.0m；精度：2%。上一頁返回第五節(jié) 光纖液位傳感器一、 工作原理及特點(diǎn)光纖液位傳感器由以下三部分組成：（1）接觸液體后光反射量的檢測器件即光敏感元件；（2）傳輸光信號(hào)的雙芯光纖；（3）發(fā)光、受光和信號(hào)處理的接收裝置。圖10-10所示為光

13、纖液位傳感器的基本結(jié)構(gòu)。這種傳感器的敏感元件和傳輸信號(hào)的光纖均由玻璃纖維構(gòu)成，故有絕緣性能好和抗電磁噪聲等優(yōu)點(diǎn)。下一頁返回第五節(jié) 光纖液位傳感器光纖液位傳感器的工作原理如圖10-11所示。發(fā)光器件射出來的光通過傳輸光纖送到敏感元件，在敏感元件的球面上，有一部分透過，而其余的光被反射回來。當(dāng)敏感元件與液體相接觸時(shí)，與空氣接觸相比，球面部的光透射量增大，而反射量減少。因此，由反射光量即可知道敏感元件是否接觸液體。反射光量決定于敏感元件玻璃的折射率和被測定物質(zhì)的折射率。被測物質(zhì)的折射率越大，反射光量越小。來自敏感元件的反射光，通過傳輸光纖由受光器件的光電晶體管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后輸出。敏感元件的反射光量的

14、變化，若以空氣的光量為基準(zhǔn)，在水中則為-6dB-7dB，在油中為-25dB-30dB?？蓪?duì)反射光量差別很大的水和油等進(jìn)行物質(zhì)判別。上一頁下一頁返回第五節(jié) 光纖液位傳感器二、傳感器的應(yīng)用1檢測液位在裝有液體的槽內(nèi)，將敏感元件安裝在液面下預(yù)定檢測的高度，當(dāng)液面低于這一高度時(shí)，從敏感元件產(chǎn)生的反射光量就增加，根據(jù)這時(shí)發(fā)生的信號(hào)就能檢測出液面位置。若在不同高度安裝敏感元件，則可檢測液面的高度。具體應(yīng)用實(shí)例：（1）應(yīng)用電力電纜對(duì)光纖液位傳感器感應(yīng)小的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)制作檢測電力電纜油面的光纖式油量極限報(bào)警裝置。用這種裝置能進(jìn)行油量上限和下限報(bào)警。（2）利用光纖液位傳感器耐化學(xué)腐蝕的優(yōu)點(diǎn)，檢測大型蓄電池的電解液

15、液位。上一頁下一頁返回第五節(jié) 光纖液位傳感器2檢測兩種液體界面如圖10-12所示，當(dāng)油和水分層存在時(shí)，利用光纖液面?zhèn)鞲衅髂軝z測出油的表面，以及油與水之間的分界面。油量增加，當(dāng)敏感元件1插入油中，反射光量減少。水量增加時(shí)，從油面變成水面后，敏感元件2的反射光量增加，故可知道敏感元件進(jìn)入水中。具體應(yīng)用實(shí)例：（1）檢測油罐內(nèi)的水分量。在汽油或輕油（柴油）罐內(nèi)，由于事故或空氣中的水分凝結(jié)而使罐底存在水分。為了避免事故，必須檢測油罐內(nèi)的水分，然后進(jìn)行清掃或放水。在這種情況下，用沒有爆炸危險(xiǎn)的光纖液面計(jì)最合適。（2）區(qū)分汽油、柴油和水。上一頁下一頁返回第五節(jié) 光纖液位傳感器3檢測多種液體如圖10-13所示

16、，光從折射率為n1的介質(zhì)1向折射率為n2的介質(zhì)2（設(shè)n1 n2）以角度1入射時(shí)（設(shè)介質(zhì)2中的折射角為2 ），反射系數(shù)式中角標(biāo)p和s分別表示與入射面相平行和相垂直的分量。 上一頁下一頁返回（10-10）（10-11）第五節(jié) 光纖液位傳感器光的反射率 （10-12）式（10-10）、式（10-11）和式（10-12）跟光纖液位傳感器的敏感元件球 面部相對(duì)照射時(shí)，則n1為玻璃的折射率，n2為待檢測物質(zhì)的折射率。當(dāng)敏感元件與各種不同待檢測液體接觸時(shí)， n1與1不變，而2取決于n2，因此，反射率R是n2的函數(shù)。由于敏感元件的反射光量隨待檢測液體的折射率變化，故利用敏感元件能識(shí)別折射率不同的多種液體。圖10-14所示為待檢測液體的折射率與反射光量的關(guān)系。由圖可看出，即使待檢測的折射率比較相近，但反射光量的變化仍然很大。上一頁返回圖10