《传感器》-项目6 液位检测

任务一电容式液位传感器1.电容式传感器的工作原理和结构

由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为

当被测参数变化使得A、d或ε发生变化时，电容量C也随之变化。如果保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介电常数型三种。电容式传感元件的各种结构形式表电介质材料的相对介电常数2.测量转换电路

(1)交流电桥电路。a）图为单臂接法的桥式电路，高频电源经变压器接到电容电桥的一条对角线上，电容C1、C2、C3、Cx构成电桥的4个桥臂，Cx为电容传感器。当交流电桥平衡时，即C1·C3=C2·Cx，输出电压U0=0，当改变Cx时，则U0≠0，就会有电压输出，图6-4(b)所示为差动连接，其空载输出电压为(a)单臂电桥(b)差动连接（2）调频电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分,当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化。可将频率作为输出量用以判断被测非电量的大小，但此时系统是非线性的，不易校正，因此必须加入鉴频器，将频率的变化转换为电压振幅的变化，经过放大就可以用仪器指示或记录仪记录下来。图中调频振荡器的振荡频率为式中：

C——振荡回路的总电容，C=C1+C2+Cx，其中C1为振荡回路固有电容,C2为传感器引线分布电容,Cx=C0±ΔC为传感器的电容。调频式测量电路原理框图

当被测信号为0时，ΔC=0，则C=C1+C2+C0，所以振荡器有一个固有频率f0,其表示式为当被测信号不为0时，ΔC≠0，振荡器频率有相应变化，此时频率为

调频电容传感器测量电路具有较高的灵敏度，可以测量高至0.01μm级位移变化量。信号的输出频率易于用数字仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强，可以发送、接收，以达到遥测遥控的目的。（3）

运算放大器式电路由于运算放大器的放大倍数非常大，而且输入阻抗Zi很高,运算放大器的这一特点可以作为电容式传感器的比较理想的测量电路。如图5-12示。由运算放大器工作原理可得如果传感器是一只平板电容，则Cx=εS/d，代入式(5-32)，可得

式中“－”号表示输出电压Uo的相位与电源电压反相。可见运算放大器的输出电压与极板间距离d成线性关系。运算放大器式电路虽解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题，注意条件：要求Zi及放大倍数足够大。为保证仪器精度，还要求电源电压Ui的幅值和固定电容C值稳定。运算放大器式电路原理图电容式油量表

当油箱中注满油时，液位上升，指针停留在转角为

m处。当油箱中的油位降低时，电容传感器的电容量Cx减小，电桥失去平衡，伺服电动机反转，指针逆时针偏转（示值减小），同时带动RP的滑动臂移动。当RP阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，伺服电动机停转，指针停留在新的位置（

x处）。任务二

超声波检测法

超声波液位计利用波在介质中的传播特性。因此，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。并由接收器接收，测出超声波从发射到接收的时间差，便可测出液位高低。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双探头方式。相互组合可以得到六种液位计的方案。(a)气介式(b)液介式(c)固介式单探头超声波液位计

由图看出，超声波传播距离为L，波的传播速度为C，传播时间为Δt

，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。

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，对于固介式，需要有两根金属棒或金属管分别作发射波与接收波的传输管道。超声波液位测量有许多优点：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、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。超声波液位测量也有缺点：