《自动检测技术》-课题3压力与液位的测量

3.1任务一扩散硅压阻式压力装置3.1.1学习目标(1)了解压力的基本概念。(2)了解压阻效应。(3)了解扩散硅压阻式传感器的组成和结构特点。(4)掌握扩散硅压阻式传感器的工作原理。(5)掌握压力传感器的应用。3.1.2学习任务(1)通过查阅相关资料，了解压力传感器的功能和作用。(2)结合实际工程项日的需要，能够进行压力传感器的产品选型。(3)结合实际工程项日的需要，能安装调试压力传感器电路。下一页返回3.1任务一扩散硅压阻式压力装置3.1.3知识准备1.压力侧量的基本知识压力是工业生产中的重要参数之一。在物理学中，流体介质垂直作用于单位面积上的力称为“压强”，在工程技术上一般称它为“压力”，其法定计量单位为帕斯卡，简称帕，符号为Pa

由于空气有重量，所以在地球上的任何物体都会受到它的压力作用，称为大气压。大气压在海平面的标准值为1.01325x105N/m2。上一页下一页返回3.1任务一扩散硅压阻式压力装置

以绝对真空(零压)为基准来表示的压力称为绝对压力。绝对压力的测量涉及零压力，很不方便，因此引入表压力的概念。表压力是以实际大气压为基准来表示的压力，它是绝对压力与大气压之差。当物体仅在大气压的作用下，它的表压为零。当测量液体压力时，其值通常会高于大气压;当测量气体压力时，压力可能高于或低于大气压。由于它们的测量范围不同，以及各种液体和气体的状态不同，所使用的压力测量装置也不相同。上一页下一页返回3.1任务一扩散硅压阻式压力装置2.扩散硅压阻式传感器结构及原理固体受力后电阻率发生变化的现象称为压阻效应。扩散硅压阻式压力传感器是基于半导体材料(单晶硅)的压阻效应原理制成的传感器，是一种半导体传感器。图3.1为压阻式传感器的实物图。利用集成电路工艺直接在硅平膜片上按一定晶向制成扩散压敏电阻，当硅膜片受压时，膜片的变形将使扩散电阻的阻值发生变化。硅平膜片上的扩散电阻通常构成桥式测量电路，相对的桥臂电阻是对称布置的，电阻变化时，电桥输出电压与膜片所受压力呈对应关系。上一页下一页返回3.1任务一扩散硅压阻式压力装置

压阻式传感器的结构及等效电路如图3.2所示。被测压力引至隔离膜片，通过硅油传到硅基片。硅基片受力产生的机械形变引起四个应变电阻值的变化。介质压力越大，机械变形越大，则电阻值变化也越大。3.压阻式传感器供电电路扩散硅压阻式传感器由恒压源或恒流源供电。由恒压源供电的电路如图3.3(a)所示。设四个桥臂电阻的起始值相等而且均为R。当有压力作用时，电桥的输出由恒流源供电的电路如图3.3(b)所示。上一页下一页返回3.1任务一扩散硅压阻式压力装置3.1.4任务实施1.扩散硅压阻式传感器主要规格和性能参数

MPM系列扩散硅压阻式传感器由中美合资麦克传感器有限公司生产，该系列又有208型、306型、310型和316型四种型号，每种型号还有若干个规格。这一系列的传感器的敏感元件是一个固态压阻芯片，用ISO技术封装在不锈钢波纹膜片的壳体中，在不锈钢波纹膜片与敏感芯片之间充满硅油，并且采用了温度补偿技术，故其体积小、性能好、便于安装，具有很高的重复性，能用于有腐蚀性和导电性的流体或气体的压力测量，并能远距离地传输压力信号，便于实现远程控制。如在化工行业中用于对各种管道内部压力的监测和控制、流量及液面位置的测量等。上一页下一页返回3.1任务一扩散硅压阻式压力装置2.选型原则传感器的选型，主要从技术上可行、经济上合理、管理上方便三个方面考虑，具体可考虑以下几点:(1)测量范围、精度。一般实际被测最大压力以不超过压力敏感元件量程的80%为宜。建议不要将压力敏感元件过分缩小量程使用，以免其输出过小给使用造成不便。

(2)测量环境、被测介质的化学状态。

(3)被测对象的结构、形状和尺寸。压力敏感元件装配推荐为“悬浮式”结构，以使把安装对压力敏感元件造成的影响减至尽可能小的程度。

(4)项日中所有仪表的选型要统一考虑，要尽可能地减少品种规格，减少备品备件，以利于管理。上一页下一页返回3.1任务一扩散硅压阻式压力装置3.结构及引脚结构及引脚如图3.4、图3.5所示。4.应用电路如图3.6所示为压力传感器电路枢图。传感器由恒流源供电，其输出的压力信号经压力检测与调理模块处理后，由电压放大器做进一步放大后送液晶电压显示。上一页返回3.2任务二电容式液位计3.2.1学习目标(1)掌握液位的检测方法。(2)掌握电容式传感器的组成和结构特点。(3)掌握电容式液位传感器的原理。3.2.2学习任务(1)针对水箱水位检测检测要求，确定液位传感器类型。(2)分析制定安装位置，实施效果检测方案，分析成本。(3)现场安装、连接和调试液位传感器电路。下一页返回3.2任务二电容式液位计3.2.3知识准备1.概述液位的检测常用以下几种方法。

(1)直读法。用直读式仪表进行直读。这类仪表利用连通原理，采用和被测容器旁通着的玻璃管直接显示容器内液位的高度，常见有玻璃管液位计等。

(2)浮力法。利用浮力原理，通过浮标把液位的变化转换成机械位移的变化，从而实现液位检测。如浮球式液位计、浮筒式液位变送器等。

上一页下一页返回3.2任务二电容式液位计(3)静压法。利用静压原理，通过检测液柱静压的办法对液位进行检测。常用有压力式液位变送器、差压式液位变送器等。

(4)电容检测法。利用电容器原理，将液位的变化转换成电容器电容量的变化进行检测。常用的有电容式液位变送器，如图3.8所示。上一页下一页返回3.2任务二电容式液位计2.电容式传感器的原理平板式电容器的电容量:(1)变间隙式电容传感器变间隙式电容传感器如图3.9所示。初始电容上一页下一页返回3.2任务二电容式液位计

当活动极板随被测参数变化上下移动时，设初始间隙d减小△d时，电容量士曾加△

C，则:

当△

d<d时，上一页下一页返回3.2任务二电容式液位计此时，电容变化量为:所以改变极板的间隙即可改变电容量。(2)变面积式电容传感器初始电容上一页下一页返回3.2任务二电容式液位计在图3.10中，可动电极产生位移△X时，电容量减小△C可见，改变两极板相互覆盖的有效面积即可改变电容量。上一页下一页返回3.2任务二电容式液位计(3)变介电常数式电容传感器上一页下一页返回3.2任务二电容式液位计3.电容法侧量液位的原理

图3.12是一种用于测量液位高低的圆柱式电容器的结构原理图。设被测液体的介电常数为ε1，液面高度为H，传感器的总高度为H，内筒外径为d，外筒内径为D，则此时传感器的电容值C为上一页下一页返回3.2任务二电容式液位计4.电容式传感器的侧量电路由于电容传感器中的电容量及其变化量很微小，很难驭动显示、记录仪表，这就必须借助测量电路检测出微小电容的变化，并转换成电压、电流或频率。电容式传感器的测量电路分为四类:电桥电路、运放电路、脉冲宽度调制电路和调频(谐振)电路。通过测量电路把电容的变化转换成输出电压的变化。

(1)交流电桥测量电路

图3.13为普通交流电桥电路。该电路要求提供幅值、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。上一页下一页返回3.2任务二电容式液位计(2)运算放大器式测量电路

图3.15为运算放大器式测量电路。根据集成运算比例放大器的运算关系，可导出下面的式子:上一页下一页返回3.2任务二电容式液位计

所以，输出电压与传感器电容变化成线性关系。该电路的特点是测量精度高，测量误差小。

(3)差动脉冲调制电路脉冲调制电路如图3.16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。上一页下一页返回3.2任务二电容式液位计(4)调频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，导致振荡频率发生变化。经过鉴频电路将频率的变化转换为振幅的变化，再经放大器放大后再显示。原理框图如图3.17所示。调频振荡器的振荡频率:上一页下一页返回3.2任务二电容式液位计

这种电路的特点是抗干扰能力强，能取较高的直流信号(伏特数量级)。缺点是振荡频率受电缆电容的影响大。随着电子技术的发展，可直接将振荡器装在电容传感器旁，以克服电缆电容的影响。上一页下一页返回3.2任务二电容式液位计3.2.4任务实施电容液位变送器由电容式液位传感器和电容检测线路构成。通过电容传感器将液位的变化变换成电容量的变化，然后由电容转换电路将电容量的变化转换成电流、电压或频率等电信号，从而获得液位的数值。电容液位变送器适用于各种导电液体、非导电液体的液位测量和显示，还能与电动单元仪表配套使用，完成对液位的自动显示、记录和控制。上一页下一页返回3.2任务二电容式液位计1.特点

(1)结构和安装特别简单。盲区小，杆式结构几乎无盲区。

(2)用于测量导电液体的UYB一1型变送器采用聚四氟乙烯或氟一46塑料绝缘的内电极，耐高低温和耐强腐蚀性能好。

(3)用于测量非导电液体的UYB一2型变送器采用不锈钢内外电极，结构牢固。

(4)无可动零部件，寿命长，性能长期稳定可靠。

(5)输出两线制DC4~20mA标准电流信号。

上一页下一页返回3.2任务二电容式液位计(6)输出信号的大小不受被测介质温度、压力及密度变化的影响。

(7)杆式结构在出了前已将“零点”和“量程”校准，安装后用户无须重新调试即可直接使用。

(8)变送器输出信号的数值只与液位的高低相对应，与容器的形状、大小无关。

(9)测量范围宽。上一页下一页返回3.2任务二电容式液位计2.主要技术指标(1)测量范围(2)精度为士0.5%FS(3)被测介质。(4)被测介质温度为-40~+200℃(5)输出信号为DC4一20mA(6)负载电阻为0~750Ω(供电电压为DC24V时)。(7)环境温度为-40~+50℃(8)供电电压为DC24V上一页下一页返回3.2任务二电容式液位计3.结构

UYB一1型变送器适用于导电液体，有杆式结构和缆式结构两种。为便于安装和调试，应优先选用杆式结构。仅当量程很大时，才有必要选用缆式结构。

(1)UYB一1型变送器的杆式结构如图3.18(a)所示，其电容式液位传感器由内外两个电极组成。内电极表面有聚四氟乙烯或氟一46塑料绝缘层。外电极用不锈钢管制造，它兼做内电极的保护管。

(2)UYB一1型变送器的缆式结构如图3.18(b)，变送器上只装有电容式液位传感器的缆式内电极。缆式内电极表面有聚四氟乙烯或氟一46塑料绝缘层，外电极要根据安装现场的具体条件另外设置。

(3)UYB-2型变送器，适用于非导电液体，一般只推荐使用杆式结构，其外形与UYB一1型变送器杆式结构的外形相似，如图3.18(a)所示。但其电容式液位传感器的内外两个电极都采用导电材料不锈钢制造，内外两个电极的表面均无绝缘层。上一页下一页返回3.2任务二电容式液位计4.选型根据现场液位罐的材料和高度来选择传感器的探头长度，一般探头的长度应稍微短于料罐高度。另外，在选择传感器时，还要考虑测量精度、探极耐温、输出方式、承压范围、安装方式等因素。5.安装

(1)机械安装要严格按照使用说明书进行正确的机械安装。首先要进行标准法共的安装与液位罐连接，然后将同轴探头安装在标准法共上。探极垂直伸进罐内，要保证同轴探头安装的长度与液位罐底的面垂直，否则会影响测量精度。上一页下一页返回3.2任务二电容式液位计(2)电路接线杆式变送器和缆式变送器的电路接线相同，如图3.20所示。7.注意事项

(1)要特别注意保护UYB一1型变送器的内电极表面绝缘层，定期检查内电极与被测液体之间的绝缘性能。

(2)变送器上涉及电极密封的紧固件，不要随意松动。

(3)要定期检查或更换转换器中的干燥剂，使其保持浅蓝色。上一页返回3.3任务三超声波液位测量装置3.3.1学习目标(1)了解超声波的概念。(2)掌握超声波的传播特性。(3)掌握超声波在液位测量中的应用。3.3.2学习任务(1)针对容器液位检测要求，确定液位传感器类型。(2)分析制定安装位置，实施效果检测方案，分析成本。(3)现场安装、连接和测试超声波传感器电路。下一页返回3.3任务三超声波液位测量装置3.3.3知识准备1.概述声波是指人耳朵能感受到的一种纵波。它是由于发声体的机械振动，引起周围弹性介质中质点振动而产生的一种机械波。人耳能听到的声波频率为20Hz一20kHz。频率超过20kHz的声波称为超声波，低于20Hz的称为次声波。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上一页下一页返回3.3任务三超声波液位测量装置

超声波分为纵波、横波、表面波和共姆波四种。波源的质点振动方向与波的传播方向一致的波称为纵波;波源的质点振动方向垂直于波的传播方向的波称为横波;波源的质点的振动方向介于纵波与横波之间且沿着表面传播，随深度的增加振幅迅速衰减的波称为表面波。质点以纵波分量或横波分量形式振动，以特定频率被封闭在特定有限空间时产生的制导波称为共姆波。横波、表面波和共姆波只能在固体中传播，纵波可以在固体、液体和气体中传播。上一页下一页返回3.3任务三超声波液位测量装置2.超声波换能器超声波的方向性好，穿透力强，遇到杂质或分界面会产生显著的反射。超声波的频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越弱，利用这种特性就可以制成超声波传感器。超声波传感器是一种能将交流电信号转换成机械振动而面向介质中发射超声波，或将超声场中的机械振动转换成相应的电信号的装置。它主要由产生超声波和接收超声波两个部分组成，这种装置又称为超声波换能器或超声波探头。它可以分为直探头、斜探头、表面波探头、共姆波探头和双探头(一个发射、一个接收)等。超声波传感器一般是可逆的，既能发射，也能接收超声波。如图3.22所示为超声波传感器的外形图。上一页下一页返回3.3任务三超声波液位测量装置3.超声波传感器的测距原理超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波后立即停止计时。超声波在空中的传播速度，一般约为340m/s。根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点到障碍物的距离s，即上一页下一页返回3.3任务三超声波液位测量装置

如图3.24所示，超声波传感器常见有透射型、分离式反射型和反射型三种方式，它们用于不同的测量场合。如图3.25所示为超声波测量液位的示意图。在液位上方安装空气传导型超声发射器和接收器。按照超声波脉冲反射原理，由超声波的往返时间就可以测出液面高度。如果液面晃动，就会由于反射波散射而使接收困难，这时可用直管将超声波传播路径限定在一定范围内。上一页下一页返回3.3任务三超声波液位测量装置4.超声波探侧用藕合剂超声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，并导致很大的衰减。为此，必须将接触面之间的空气排挤掉，使超声波能顺利地人射到被测介质中。在工业中，经常使用一种称为祸合剂的液体物质，使之充满在接触层中，起到传递超声波的作用。常用的祸合剂有自来水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆糊等。上一页下一页返回3.3任务三超声波液位测量装置5.超声波侧量电路如图3.26所示为超声波传感器测量系统的方枢图。超声波传感器的测量电路一般由处理单元、输出电路等组成。处理单元控制超声波信号的发射和接收，计算测距的数值和温度校正;输出电路对物体反射超声波的回波信号进行放大、整形和输出数据。超声波传感器测量系统的显示仪表，由LED显示电路组成，LED上直接显示被测距离。上一页下一页返回3.3任务三超声波液位测量装置6.超声波传感器的特点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。上一页下一页返回3.3任务三超声波液位测量装置3.3.4任务实施1.超声波测距模块组成凌阳V2.0版本超声波测距模块是一款简单实用、价格较低的超声波测量电路，可满足实验室条件下对距离或液位的测量要求。模块由超声波发射击探头、超声波接收探头、超声波谐振载波调理电路、超声波回波接收处理电路、模组接口、选择跳线器组成。图3.27、图3.28分别为超声波测距模块的组成框图和实物图。上一页下一页返回3.3任务三超声波液位测量装置2.超声波侧距模块参数(1)超声波传感器谐振频率:40kHz(2)模组传感器工作电压:4.5~9V(3)模组接口电压:4.5~5.5V(4)通过跳线J1可选择三种测距模式(短距、中距、可调距)。短距:20~100cm左右(根据被测物表面材料决定)，精度1cm中距:70~400cm左右(根据被测物表面材料决定)。上一页下一页返回3.3任务三超声波液位测量装置3.供电方式选择模块提供了两种电源输人方式，一种用凌阳16位单片机SPCE061A板(或其他开发板)通过10PIN排线为模块供电(SPCE061A板上J5选择5V,要求最好不要低于4.5V)，此时要把J2跳接到SV的一端;另一种直接为模块供电，通过模块上的电源输人口J3引入，此时需要把J2跳线跳到IN的一端。外接电源仅是为了给模块提高超声波发射功率、提高后级运算放大器的性能，最高不要超过12V。模组外接电源接口(J3)及供电方式选择跳线(J2)如图3.29所示。上一页下一页返回3.3任务三超声波液位测量装置4.侧距模式选择超声波测距时，存在余波干扰问题，所以针对不同测距范围会有不同的处理方法。模组提供了测距模式选择跳线(J1)，可以选择短距测量模式、中距测量模式或距离可调模式。针对前两种测量模式，提供有不同参数的程序，跳线选择不同的模式时，要选用相对应的程序进行测量;跳线选择LOW时为近距测量模式，选择HIG时为中距测量例程，选择SET时为距离可调模式。凌阳网站上提供了短距测量模式和中距测量模式的完整源程序。模组测距模式(测量距离范围)选择跳线J1，如图3.30所示。上一页下一页返回3.3任务三超声波液位测量装置5.超声波侧距模块与单片机SPCE061A板连接超声波测距模块与单片机SPCE061A板配合可进行距离测量，连接方法也很简单。首先保证SPCE061A板供电的电源在4.5~5.5V,SPCE061A板I/O端口电平选择5V输出。可以用10PIN的排线将SPCE061A板的J6与超声波测距模组的J5接口直接连接，而SP