《传感器及检测技术》课件06 项目六 液位检测

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传感器及检测技术项目六液位检测项目六液位检测目录1任务一汽车油箱的液位检测2任务二高压密闭容器的液位检测项目六液位检测学习目标能掌握电容式传感器三种类型的工作原理及特性。能理解电容式传感器的几种测量电路。能掌握超声波的概念和传播特性等。能理解超声波传感器的工作原理。能理解电容式传感器和超声波传感器的应用电路。任务一汽车油箱的液位检测任务提出各种汽车、飞机的仪表盘上都有油箱油量的指示表，它是驾驶员要掌握的重要参数之一。检测油箱液位的高低就要用到液位传感器，通常采用电容式液位传感器来测量油箱液位。任务一汽车油箱的液位检测相关知识电容式传感器是把被测非电量转换为电容量变化的一种传感器。它具有高阻抗、小功率、动态范围大、响应速度快、几乎没有零漂、结构简单、适应性强、可在恶劣的环境下使用等优点，但它具有分布电容影响严重的缺点。任务一汽车油箱的液位检测一、电容式液位传感器的外形电容式液位传感器的外形如图6-1所示，主要有棒式和缆式两种。任务一汽车油箱的液位检测二、各种电容式传感器的结构各种电容式传感器的结构示意图如图6-2所示。任务一汽车油箱的液位检测三、电容式传感器的工作原理平板式电容器是由两个金属极板、中间夹一层电介质构成的。若在两极板间加上电压，电极上就储存有电荷，所以电容器是一种储存电场能量的元件。任务一汽车油箱的液位检测三、电容式传感器的工作原理变间隙式电容传感器如图6-3所示，两块极板中的一块为定极板，另一块为动极板，当动极板受被测量作用产生位移Δd时，改变了两极板间的距离d，从而使电容量C发生变化。这种传感器可以用来测量微小位移，测量范围为0．01μm~0．1mm之间。（一）变间隙式电容传感器任务一汽车油箱的液位检测三、电容式传感器的工作原理变面积式电容传感器的两块极板也是一块为定极板，另一块为动极板，当动极板受被测量作用产生位移时，它改变了两极板相互覆盖的有效面积，从而使电容量C发生变化。这种传感器可以用来测量厘米数量级的位移和测量角位移。（二）变面积式电容传感器任务一汽车油箱的液位检测三、电容式传感器的工作原理1.直线位移型电容传感器直线位移型变面积式电容传感器如图6-4所示。（二）变面积式电容传感器任务一汽车油箱的液位检测三、电容式传感器的工作原理2.角位移型电容传感器角位移型电容传感器如图6-5所示。（二）变面积式电容传感器任务一汽车油箱的液位检测三、电容式传感器的工作原理3.齿形极板型电容传感器（二）变面积式电容传感器任务一汽车油箱的液位检测三、电容式传感器的工作原理变介电常数式电容传感器如图6-6所示。这种传感器可以用来测量湿度、物位和密度等。（三）变介电常数式电容传感器任务一汽车油箱的液位检测四、电容式传感器的测量电路1.普通交流电桥普通交流电桥要求提供幅值、频率稳定的交流电源，电源频率为被测信号最高频率的5~10倍，如图6-7所示。初始状态下，电桥平衡，输出电压为零。当电容Co有增量ΔC时，电桥失去平衡，输出电压的幅值随ΔC变化。（一）交流电桥电路任务一汽车油箱的液位检测四、电容式传感器的测量电路2.变压器电桥变压器电桥如图6-8所示。（一）交流电桥电路任务一汽车油箱的液位检测四、电容式传感器的测量电路运算放大器式测量电路如图6-9所示。（二）运算放大器式测量电路任务一汽车油箱的液位检测四、电容式传感器的测量电路双T电路如图6-10a所示,图中VD1、VD2为相同特性二极管，R1、R2为阻值相等的固定电阻，RL为负载电阻，C1、C2为差动电容，u为对称方波高频电源电压。（三）双T电路任务一汽车油箱的液位检测四、电容式传感器的测量电路脉冲调制电路如图6-11所示，它利用传感器电容充放电，使电路输出脉冲的占空比随电容量变化而变化，再通过低频滤波器得到对应于被测量变化的直流信号。各点的输出波形如图6-12所示。（四）脉冲调制电路任务一汽车油箱的液位检测四、电容式传感器的测量电路（四）脉冲调制电路任务一汽车油箱的液位检测四、电容式传感器的测量电路该测量电路把电容式传感器与一个电感配合，构成一个谐振电路。当传感器工作时，电容量发生变化，导致振荡频率相应变化。再经过鉴频电路将频率的变化转换为振幅的变化，经放大器放大后再显示。其原理框图如图6-13所示。（五）调频电路任务一汽车油箱的液位检测任务实施电容式液位传感器不仅能测量腐蚀性液体，还能测量粉尘和固体颗粒，可用于制药、化工、食品等行业。如啤酒罐装机酒位测控、奶制品生产线液位测控、制药厂反应罐、油箱液位测量等。一、合理选择电容式液位传感器任务一汽车油箱的液位检测一、合理选择电容式液位传感器（一）主要技术指标①电源：14～36VDC。②输出信号：4～20mADC。③精度：0．5%F·S（标准条件下）。④探头长度：0．1～3m（刚性），3～20m（柔性）。⑤环境温度：－20～85℃（标准型）。⑥电子舱防护等级：IP66。⑦电缆密封套电缆进线：G1/2。⑧电子舱材料：压铸铝。任务一汽车油箱的液位检测一、合理选择电容式液位传感器（二）探头类型及典型应用探头类型及典型应用如表6-1所示。任务一汽车油箱的液位检测一、合理选择电容式液位传感器（三）探头的选择选用带同轴接地管全绝缘探头。任务一汽车油箱的液位检测二、正确使用电容式液位传感器（一）电容式油量表工作原理电容式油量表原理示意图如图6-14所示，它由电桥电路、放大器、两相电机、指针等部件组成。电容式传感器CX接入电桥作为一个臂，C0为固定的标准电容器，RP为调整电桥平衡的电位器，其电刷与指针同轴连接，该轴由两相电机经减速器带动。当油箱无油时，电容传感器有最小初始电容量CX＝CX0，此时调RP为零，由于CXC0=R2R1，电桥平衡，无输出，伺服电机不转，油量表指针θ＝0。任务一汽车油箱的液位检测二、正确使用电容式液位传感器（一）电容式油量表工作原理任务一汽车油箱的液位检测其他案例（一）电容式位移传感器电容式位移传感器结构如图6-15所示，它是差动变面积式结构。当测量杆受被测位移带动活动电极移动时，改变了动电极与两定电极的相互遮盖面积，使两电容值变化。因变面积型电容传感器的线性特性，这种传感器的线性度很好。任务一汽车油箱的液位检测其他案例（二）电容式压力传感器1.电容式压力传感器的结构电容式压力传感器的结构如图6-16所示，由一个金属膜片动极板和两个在凹形玻璃圆盘上电镀成的定极板组成。它是一种差动变间隙式的结构。任务一汽车油箱的液位检测其他案例（二）电容式压力传感器2.电容式压力传感器的工作原理电容式压力传感器的原理框图如图617所示。任务一汽车油箱的液位检测其他案例（三）电容式厚度传感器在板材轧制过程中，要对金属板材的厚度进行在线检测，如图6-18所示，采用了电容式厚度传感器来测厚。在被测带材的上下两侧各放置一块面积相等且与被测带材距离相等的极板，并用导线把两块极板连接起来作为电容的定极板，被测带材作为动极板，这样相当于两个电容并联。当带材轧制过程中，厚度发生变化时，极板间距（位移）发生变化，引起两电容量发生变化，从而实现在线检测。任务一汽车油箱的液位检测其他案例（三）电容式厚度传感器任务一汽车油箱的液位检测其他案例（四）电容式振动位移传感器电容式振动位移传感器如图6-19所示，它是动态非接触式测量振动和位移。任务一汽车油箱的液位检测其他案例（五）电容式加速度传感器如图6-20所示为电容式加速度传感器的示意图，上下两个定极板与壳体绝缘，质量块由弹簧片支撑在壳体内，两个平整的端面作为动极板分别与两个定极板构成差动电容C1和C2。测量时，传感器外壳固定在被测振动体上，随被测物一起振动，质量块相对壳体运动，使得电容C1和C2差动变化，电容的变化量正比于质量块的惯性力，而在一定频率范围内，惯性力正比于被测振动加速度。任务一汽车油箱的液位检测其他案例（五）电容式加速度传感器任务一汽车油箱的液位检测其他案例（六）电容式料位传感器电容式料位传感器结构如图6-21所示。检测物料为非导电介质，电极安装在罐顶，在电极与管壁之间形成了一个电容器。当罐内注入物料时，电容的介电常数发生变化，从而导致电容量的变化，变化的大小与罐内被测物料的高度成比例关系。这样只要检测出电容的变化值就可测得物料的高度了。任务一汽车油箱的液位检测其他案例（六）电容式料位传感器任务一汽车油箱的液位检测其他案例（七）电容式荷重传感器如图6-22所示为电容式荷重传感器的原理结构图。在浇铸特性好、弹性极限高的镍铬钼特种钢块上，开一排同高度、等间距且平行的圆孔，每个圆孔的内壁用黏结剂固定两个截面为T形的绝缘体，保持其相对面并留有一定间隙，在此相对面上粘贴铜箔作为电容器的两个极板。当钢块端面承受荷重F而使圆孔变形时，每个电容器极板间的距离变小，电容量增大。在测量电路中将所有电容并联，电容总变化量正比于被测平均荷重F。任务一汽车油箱的液位检测其他案例（七）电容式荷重传感器任务一汽车油箱的液位检测训练一下

大家都用过收音机，请你打开收音机后盖，观察和思考一下，收音机调节电台的旋钮是调节了什么器件来改变电台的呢？它的工作原理是怎样的呢？任务二高压密闭容器的液位检测任务提出

在工业生产中，经常会使用各种密闭容器来储存高温、有毒、易挥发、易燃、易爆、强腐蚀性等液体介质，对这些容器的液位检测必须使用非接触式测量，一般采用超声波液位传感器。任务二高压密闭容器的液位检测相关知识

超声波是一种机械波，它方向性好，穿透力强，遇到杂质或分界面会产生显著的反射。利用这些物理性质，可把一些非电量转换成声学参数，通过压电元件转换成电量。超声波传感器就是利用超声波的特性，将非电量转换为电量的测量元件。超声波传感器又称为超声波换能器或超声波探头。任务二高压密闭容器的液位检测一、超声波传感器的外形、结构和特性（一）超声波传感器的外形超声波传感器的外形如图6-25所示。任务二高压密闭容器的液位检测一、超声波传感器的外形、结构和特性（二）超声波传感器的结构和符号超声波传感器按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式和电磁式等，在实际使用中，以压电式最为常用。压电式超声波传感器的内部结构如图6-26所示，主要由压电陶瓷晶片、锥形共振盘、底座、引脚、金属网和外壳等组成。任务二高压密闭容器的液位检测一、超声波传感器的外形、结构和特性（三）超声波传感器的特性超声波传感器具有小角度、小盲区、测量准确、无接触、防水、防腐蚀、低成本等优点，可应用于液位，物位检测，可保证在液面有泡沫或大的晃动、不易检测到回波的情况下有稳定的输出。任务二高压密闭容器的液位检测一、超声波传感器的外形、结构和特性（三）超声波传感器的特性①检测距离：3~30m不同规格。②盲区：0．25m。③超声波工作频率：75kHz。④重复精度：0．5%。⑤输出速度：5次/s。⑥波束角（-6DB）：15°。⑦工作电压：12～15VDC（纹波<200mVpp）。⑧工作电流：<100MA。⑨输出：4～20MA（三线）,仪表阻抗<250Ω。⑩工作温度：-30～70℃（带温度补偿）。任务二高压密闭容器的液位检测二、超声波的特性（一）声波与超声波波是振动在弹性介质中的传播。发声体的机械振动会引起周围弹性介质中质点的振动，并由近及远地传播，这就是波。振动频率在16Hz～20kHz之间，能为人耳所闻的机械波称为声波；频率超过20kHz的机械波称为超声波；低于16Hz的机械波称为次声波。检测中常用的超声波频率范围为几十千赫兹到几十兆赫兹。任务二高压密闭容器的液位检测二、超声波的特性（二）超声波的传播特性①超声波的传播速度与波长及频率成正比，即声速为：任务二高压密闭容器的液位检测二、超声波的特性（二）超声波的传播特性②当超声波通过两种不同的介质时，产生反射和折射现象。但当它由气体传播到液体或固体中，或由固体、液体传播到气体中时，由于介质密度相差太大而几乎全部发生反射。③当超声波通过同种介质时，随着传播距离的增加，其强度因介质吸收能量而衰减。任务二高压密闭容器的液位检测三、超声波传感器的工作原理超声波传感器有发送器和接收器，但一个探头也可兼有发射和接收。它是利用压电效应的原理制作的。所谓压电效应是当一定方向的外力作用在已极化的压电陶瓷片上时，在其表面产生电荷的现象，这也称为正压电效应。相反，在极化方向上施加电场，它会产生机械变形，外加电场去除，机械变形消失的现象称为逆压电效应。任务二高压密闭容器的液位检测四、超声波探测用耦合剂超声波探头与被测物体接触时，探头与被测物体表面间存在一层空气薄层，空气将引起三个界面间强烈的杂乱反射波，造成干扰；而且空气的密度很小，将对超声波造成很大的衰减。因此，必须将接触面之间的空气排挤掉，使超声波能顺利地入射到被测介质中。任务二高压密闭容器的液位检测任务实施一、合理选择超声波传感器的类型根据密闭罐的检测要求，结合超声波传感器相关知识，选用超声波液位传感器进行检测。任务二高压密闭容器的液位检测二、正确使用超声波液位传感器（一）超声波液位传感器的应用条件1.介质纯净度①液体中不能充满密集气泡。②液体中不能悬浮大量固体，如结晶物。③容器底部不能沉积大量泥沙及沉淀物。任务二高压密闭容器的液位检测二、正确使用超声波液位传感器（一）超声波液位传感器的应用条件2.介质黏度动力黏度<10mPa·s时正常测量。10mPa·s<动力黏度<30mPa·s时可能会使仪表量程减小。动力黏度>30mPa·s时不能测量。注：随温度升高黏度降低，大部分高黏度的液体受温度影响更为明显，所以在测量有黏度液体时需注意液体温度的影响。任务二高压密闭容器的液位检测二、正确使用超声波液位传感器（一）超声波液位传感器的应用条件3.被测容器（1）材质安装测量探头处的容器壁要求用能够良好传递信号的硬质材料制成，如碳钢、不锈钢、各种硬金属、玻璃钢、硬质塑料、陶瓷、玻璃、硬橡胶等材料或其复合材料等。（2）壁厚壁厚为2～70mm。（3）罐型罐型为球罐、卧罐、立式罐等。任务二高压密闭容器的液位检测二、正确使用超声波液位传感器（二）安装要求1.安装示意图安装示意图如图6-28所示。任务二高压密闭容器的液位检测二、正确使用超声波液位传感器（二）安装要求2.探头安装要求①对于铁质容器可以给探头工作端面涂上硅脂并用磁性吸盘将其直接贴在容器底部即可；若容器外壳是玻璃等其他材料，可以用胶将探头粘贴固定或用支架固定于容器底部。探头指向必须与所测距离在同一直线上。②探头正上方应无盘管等遮挡物。③远离罐底进液口，以避免进液剧烈流动对测量的影响。任务二高压密闭容器的液位检测二、正确使用超声波液位传感器（二）安装要求④远离罐顶进液口下方位置，以避免进液冲击使液面剧烈波动影响测量。⑤高于出液口或排污口，以避免罐底长期沉积污物对测量的影响，如不满足条件，则应定期清除罐底污物。⑥液位测量头用磁性或焊/粘接固定方式安装时，容器壁上的安装表面尺寸应不小于80的圆面，表面粗糙度应达到1.6，倾斜度应小于3°（旁通管除外）。任务二高压密闭容器的液位检测二、正确使用超声波液位传感器（三）工作原理如图6-29所示，在液罐下方安装了超声波发射器和接收器。任务二高压密闭容器的液位检测其他案例（一）超声波测厚度超声波测厚度常采用脉冲回波法，如图6-30所示。超声波探头与被测物表面接触，主控制器产生一定频率的脉冲信号送往发射电路，经电流放大后激励压电式探头产生超声波脉冲。超声波传到被测工件另一面被反射回来，又被同一探头接收。任务二高压密闭容器的液位检测其他案例（一）超声波测厚度任务二高压密闭容器的液位检测其他案例（二）超声波无损探伤超声波无损探伤采用超声直探头，检测时将探头放置在被测工件上，并在工件表面来回移动。探头发射出超声波，以垂直方向在工件内部传播。如果传播路径上没有缺陷，超声波到达底部便产生