物体位置传感器课件.ppt

1、第十章第十章 物体位置传感器物体位置传感器 第一节第一节 电容式物位传感器电容式物位传感器第二节第二节 静压式物位传感器静压式物位传感器第三节第三节 超声波物位传感器超声波物位传感器第四节第四节 微波物位传感器微波物位传感器第五节第五节 光纤液位传感器光纤液位传感器第一节第一节 电容式物位传感器电容式物位传感器一一 工作原理及特性工作原理及特性电容式物位传感器是利用被测介质面的变化引起电容变化的一电容式物位传感器是利用被测介质面的变化引起电容变化的一种变介质型电容传感器。种变介质型电容传感器。图图10-1所示为用于检测非导电介质所示为用于检测非导电介质的电容物位传感器。图的电容物位传感器。图1

2、0-1(a)为电容液位传感器。当被测液为电容液位传感器。当被测液面高度变化时，两同轴电极间的介电常数将随之发生变化，从面高度变化时，两同轴电极间的介电常数将随之发生变化，从而引起电容量的变化。假设被测介质的介电常数为而引起电容量的变化。假设被测介质的介电常数为1，而液面，而液面以上部分介质的介电常数为以上部分介质的介电常数为2，则其电容量为，则其电容量为 （10-1）式中：式中：H传感器插入液面深度，单位传感器插入液面深度，单位m；L两电极相互覆盖部分的长度，单位两电极相互覆盖部分的长度，单位m；D，d分别为外电极的内径和内电极的外径，单位分别为外电极的内径和内电极的外径，单位m。下一页返回d

3、DHLdDHCln)(2ln221第一节第一节 电容式物位传感器电容式物位传感器设设C0为液面深度为液面深度H=0时的电容，则液面深度增至时的电容，则液面深度增至H时电容的时电容的变化为变化为 （10-2）由上式可见，两种介质介电常数差别（由上式可见，两种介质介电常数差别（1-2）愈大，极径）愈大，极径D与与d相差愈小，传感器灵敏度就愈高。相差愈小，传感器灵敏度就愈高。上述原理也可用于导电介质液位的测量。这时，传感器极板上述原理也可用于导电介质液位的测量。这时，传感器极板必须与被测介质绝缘。必须与被测介质绝缘。图图10-1(b)为电容式料位传感器，用来测量非导电固体散粒为电容式料位传感器，用来

4、测量非导电固体散粒的料位。由于固体摩擦力较大，容易的料位。由于固体摩擦力较大，容易“滞留滞留”，故一般不用，故一般不用双层电极，而用电极棒与容器壁组成电容料位传感器的两极。双层电极，而用电极棒与容器壁组成电容料位传感器的两极。设设D与与d分别为容器的内径和电极棒外径，分别为容器的内径和电极棒外径，分别为空气和分别为空气和物料的介电常数，则电容物料的介电常数，则电容C变化与物位的升降关系为：变化与物位的升降关系为：上一页 下一页返回HdDCCCx)/ln()(2210)/ln(/)(20dDHC（10-3）第一节第一节 电容式物位传感器电容式物位传感器二、二、测量电路测量电路1高频电感电容电桥电

5、路高频电感电容电桥电路电桥电路原理如电桥电路原理如图图10-2所示，电桥由两个电感臂所示，电桥由两个电感臂L2，L3和和两个电容臂两个电容臂C1，CX组成，由电感组成，由电感L1高频振荡的电源供电，被高频振荡的电源供电，被测电容测电容CX接入测量臂，而另一参比臂中接有可变电容接入测量臂，而另一参比臂中接有可变电容C1，用以调整电桥平衡。扼流圈用以调整电桥平衡。扼流圈L0有高频滤波性能，有高频滤波性能，Re用来调整用来调整测量范围，电桥形成不平衡输出，经二极管整流后，在显示测量范围，电桥形成不平衡输出，经二极管整流后，在显示仪表毫安表中显示出液位高低。高频电感电容电桥结构简单，仪表毫安表中显示出

6、液位高低。高频电感电容电桥结构简单，调整方便，但精度不高，线性差。调整方便，但精度不高，线性差。上一页 下一页返回第一节第一节 电容式物位传感器电容式物位传感器2利用电容充放电原理的测量电路利用电容充放电原理的测量电路利用电容式充放电原理来测量电容的液位计方框图如利用电容式充放电原理来测量电容的液位计方框图如图图10-3所示。电容液位传感器把液位变化变为电容变化，测量前所示。电容液位传感器把液位变化变为电容变化，测量前置电路利用电容充放电原理，把电容变化为直流电流的变化，置电路利用电容充放电原理，把电容变化为直流电流的变化，经与调零单元的零点电流比较后，再经直流放大，然后进行经与调零单元的零点

7、电流比较后，再经直流放大，然后进行指示或远传。晶体振荡器用来产生高频恒定频率的方波（实指示或远传。晶体振荡器用来产生高频恒定频率的方波（实为梯形波），经分频后，通过多芯屏蔽电缆与显示仪表部分为梯形波），经分频后，通过多芯屏蔽电缆与显示仪表部分相连，这样可减小传输电缆分布电容的影响，并减小干扰的相连，这样可减小传输电缆分布电容的影响，并减小干扰的影响。影响。上一页返回第二节第二节 静压式物位传感器静压式物位传感器静压式物位传感器是利用压力传感器，配用陶瓷或薄膜传感静压式物位传感器是利用压力传感器，配用陶瓷或薄膜传感元件作为探头，将容器或储罐中的物位变化产生的压力变化，元件作为探头，将容器或储罐中

8、的物位变化产生的压力变化，经压力传感器转换成电信号的变化，通过检测电路对电信号经压力传感器转换成电信号的变化，通过检测电路对电信号进行处理，从而检测出物位。进行处理，从而检测出物位。静压式物位传感器的探头种类较多。如膜片型传感器，它的静压式物位传感器的探头种类较多。如膜片型传感器，它的结构形式是在感压膜上粘贴应变片，由应变片组成惠斯登电结构形式是在感压膜上粘贴应变片，由应变片组成惠斯登电桥，将物位的变化引起的压力变化以应变片电阻值变化的形桥，将物位的变化引起的压力变化以应变片电阻值变化的形式检测出来。其检测方法与应变片式压力传感器相同，在此式检测出来。其检测方法与应变片式压力传感器相同，在此不

9、再阐述。不再阐述。下一页返回第二节第二节 静压式物位传感器静压式物位传感器静压式物位传感器可用于装有液体、糊状物以及浆料容器的静压式物位传感器可用于装有液体、糊状物以及浆料容器的物位及储量测量。静压式物位传感器有多种封装形式，不同物位及储量测量。静压式物位传感器有多种封装形式，不同的封装形式有如下不同用途：的封装形式有如下不同用途：（1）紧凑型用于标准用途，例如用于搅拌的容器；）紧凑型用于标准用途，例如用于搅拌的容器；（2）卫生型用于液体食品；）卫生型用于液体食品；（3）法兰型用于易爆区域；）法兰型用于易爆区域；（4）绳索型用于水井，深度可达）绳索型用于水井，深度可达25m；（5）棒型用于从顶

10、部安装。）棒型用于从顶部安装。上一页返回超声波物位传感器是利用超声波在气体、液体和固体介质中超声波物位传感器是利用超声波在气体、液体和固体介质中传播的回声测距原理检测物位，故超声波物位传感器有气介传播的回声测距原理检测物位，故超声波物位传感器有气介式、液介式和固介式三类，如式、液介式和固介式三类，如图图10-4所示。单探头形式，所示。单探头形式，即探头（换能器）既发射又接收超声波；双探头形式，发射即探头（换能器）既发射又接收超声波；双探头形式，发射和接收超声波各由一个探头承担。和接收超声波各由一个探头承担。液介式探头既可以安装在液体介质的底部，亦可安装在容器液介式探头既可以安装在液体介质的底部

11、，亦可安装在容器外部。图外部。图10-4(a)中，设待测液面的高度为中，设待测液面的高度为h，超声波在该，超声波在该介质中的传播速度为介质中的传播速度为v，超声波从单探头发射到液面，又由，超声波从单探头发射到液面，又由液面反射到探头，共需时间液面反射到探头，共需时间t，则液面高度，则液面高度h为为 （10-4）下一页返回第三节第三节 超声波物位传感器超声波物位传感器2vth 第三节第三节 超声波物位传感器超声波物位传感器图图10-4(c)的工作原理同图的工作原理同图10-4(a)，但式（，但式（10-4）中）中v是超声波在空气中的传播速度。是超声波在空气中的传播速度。图图10-4(b)和和10

12、-4(d)中，超声波经过介质的路程为中，超声波经过介质的路程为2s，而而 （10-5）因此，待测液位高因此，待测液位高 （10-6）式中，式中，a为两探头之间距离的一半。为两探头之间距离的一半。超声波探头是声换能器。超声波探头是声换能器。图图10-5所示为声的发射换能器和所示为声的发射换能器和声接收换能器结构原理图。在图声接收换能器结构原理图。在图10-5(a)所示发射换能器的所示发射换能器的压电晶片压电晶片1上粘一半球面音膜上粘一半球面音膜2，用螺钉和压环将音膜和晶片，用螺钉和压环将音膜和晶片一起固定在外壳一起固定在外壳3上。音膜起改善辐射阻抗匹配，提高辐射上。音膜起改善辐射阻抗匹配，提高辐

13、射功率的作用。接收换能器如图功率的作用。接收换能器如图10-5(b)所示，压电晶片背面所示，压电晶片背面用弹簧用弹簧5压紧。换能器的结构对电压紧。换能器的结构对电-声、声声、声-电转换效率，传电转换效率，传感器的作用距离及声束的方向性有较大影响。感器的作用距离及声束的方向性有较大影响。上一页 下一页返回2vts 22ash第三节第三节 超声波物位传感器超声波物位传感器利用超声波物位传感器测量物位有许多优越性。超声波物位利用超声波物位传感器测量物位有许多优越性。超声波物位传感器可用于危险场所非接触检测物位，可以测量所有液体传感器可用于危险场所非接触检测物位，可以测量所有液体和固体的物位，它不仅可

14、以定点和连续测量，而且能够很方和固体的物位，它不仅可以定点和连续测量，而且能够很方便地提供遥控所需要的信号。测量精度高和换能器寿命长。便地提供遥控所需要的信号。测量精度高和换能器寿命长。传感器与物料不直接接触，安装维护方便，价格便宜。超声传感器与物料不直接接触，安装维护方便，价格便宜。超声波不受光线、料度的影响，其传播速度并不直接与媒质的介波不受光线、料度的影响，其传播速度并不直接与媒质的介电常数、电导率、热导率有关，因而超声传感器广泛应用于电常数、电导率、热导率有关，因而超声传感器广泛应用于测量腐蚀性和侵蚀性物粒及性质易变的物位。测量腐蚀性和侵蚀性物粒及性质易变的物位。上一页 下一页返回第三

15、节第三节 超声波物位传感器超声波物位传感器超声波物位传感器测量物位也有其缺点。超声波物位传感器超声波物位传感器测量物位也有其缺点。超声波物位传感器不能测量有汽泡和有悬浮物的液位；当被测量液面有很大波不能测量有汽泡和有悬浮物的液位；当被测量液面有很大波浪时，在测量上会引起声波反射混乱，产生测量误差。单探浪时，在测量上会引起声波反射混乱，产生测量误差。单探头式不能检测小于盲区的距离，双探头式虽然理论上无盲区，头式不能检测小于盲区的距离，双探头式虽然理论上无盲区，但由于电路耦合和探头侧向超声辐射对接收器的作用，使接但由于电路耦合和探头侧向超声辐射对接收器的作用，使接收电路有微弱输出。收电路有微弱输出

16、。超声波物位传感器的检测范围为超声波物位传感器的检测范围为10-2m104m，精度为，精度为0.1%。上一页返回第四节第四节 微波物位传感器微波物位传感器微波是波长为微波是波长为0.01m1m的电磁波，它能在各种障碍物上的电磁波，它能在各种障碍物上产生良好的反射；在传播过程中定向辐射性好；待测介质对产生良好的反射；在传播过程中定向辐射性好；待测介质对微波的吸收量跟介质的介电系数成正比例，水吸收微波最多；微波的吸收量跟介质的介电系数成正比例，水吸收微波最多；微波绕过障碍物人本领较小；微波在传输过程中受烟、火焰、微波绕过障碍物人本领较小；微波在传输过程中受烟、火焰、灰尘和强光的影响较小。由于微波有

17、以上特性，可用微波检灰尘和强光的影响较小。由于微波有以上特性，可用微波检测物位。测物位。微波物位传感器原理图如微波物位传感器原理图如图图10-6所示。发射天线与接收天所示。发射天线与接收天线构成一定角度。微波从待测面反射后进入接收天线，接收线构成一定角度。微波从待测面反射后进入接收天线，接收功率为：功率为：下一页返回)4(162122002ssGGPP（10-7）第四节第四节 微波物位传感器微波物位传感器式中：式中：P0发射天线的功率；发射天线的功率；G接收天线的增益；接收天线的增益；G0发射天线的增益；发射天线的增益；s发射天线到接收天线间的距离；发射天线到接收天线间的距离；s1两天线位置离

18、待测面的距离；两天线位置离待测面的距离；微波波长。微波波长。通常式（通常式（10-7）中）中P0，G，G0和和为已知数，若为已知数，若令令 ，则，则上一页 下一页返回200216/GGPk 2/21sPks（10-8）第四节第四节 微波物位传感器微波物位传感器设设s1的增量为的增量为s1，则对式（，则对式（10-8）微分可得：）微分可得：（10-9）式中，式中，P为为s1的增量为的增量为s1时对应的微波功率增量。时对应的微波功率增量。由式（由式（10-9）可知，当测得）可知，当测得P时，即可确定物位变化时，即可确定物位变化s1。微波的波长很小，也就是它的频率很高，如波长微波的波长很小，也就是它

19、的频率很高，如波长1m的波，的波，其频率为其频率为300MHz，这样振荡电路的振荡频率较高，要求振，这样振荡电路的振荡频率较高，要求振荡回路有微小的电感及电容。一般使用小型固体微波元件组荡回路有微小的电感及电容。一般使用小型固体微波元件组成微波振荡电路。成微波振荡电路。上一页 下一页返回221/4sPkPPks第四节第四节 微波物位传感器微波物位传感器为了使微波辐射有很尖锐的方向性，有许多新的发射装置，为了使微波辐射有很尖锐的方向性，有许多新的发射装置，如剌叭形天线、介质天线等。喇叭形天线具有圆形或矩形截如剌叭形天线、介质天线等。喇叭形天线具有圆形或矩形截面，实际上它是波导管的延续，以避免波导

20、过渡到敞开空间面，实际上它是波导管的延续，以避免波导过渡到敞开空间时传播条件的剧变。时传播条件的剧变。图图10-7为喇叭形天线，它有扇形、角为喇叭形天线，它有扇形、角锥形等几种。为了得到较好的方向性，喇叭筒应有某个最佳锥形等几种。为了得到较好的方向性，喇叭筒应有某个最佳的张角，通常为的张角，通常为4060。介质天线的构造如介质天线的构造如图图10-8所示。直径逐渐减小的介质棒在所示。直径逐渐减小的介质棒在细的一端做成匀滑的半圆形，另一端则插入作为反射器的金细的一端做成匀滑的半圆形，另一端则插入作为反射器的金属杯中，馈送能量给天线的同轴线的耦合针也插入这个杯中。属杯中，馈送能量给天线的同轴线的耦

21、合针也插入这个杯中。上一页 下一页返回第四节第四节 微波物位传感器微波物位传感器为了改善微波发射的方向性，就像光学凹面镜产生平行光一为了改善微波发射的方向性，就像光学凹面镜产生平行光一样，也可用反射器来形成一束无线电波，但它的方向性没有样，也可用反射器来形成一束无线电波，但它的方向性没有光波好。光波好。图图10-9所示为两种微波反射镜，图所示为两种微波反射镜，图10-9(a)为抛为抛物面式，图物面式，图10-9(b)为抛物柱面式的反射镜。为抛物柱面式的反射镜。微波物位传感器有检测范围宽和性能稳定等优点，可用于测微波物位传感器有检测范围宽和性能稳定等优点，可用于测量有旋涡的液体（如在带搅拌器的容

22、器里）和有毒的、完全量有旋涡的液体（如在带搅拌器的容器里）和有毒的、完全无菌的或特别腐蚀的介质的物位。微波物位传感器的缺点是无菌的或特别腐蚀的介质的物位。微波物位传感器的缺点是精度不高。在实际应用时，应注意当微波频率高于精度不高。在实际应用时，应注意当微波频率高于3000MHz时，由于水分子吸收微波能量，故若有待测环境时，由于水分子吸收微波能量，故若有待测环境周围有水蒸气或有大的温度变化时，则微波物位传感器的检周围有水蒸气或有大的温度变化时，则微波物位传感器的检测效果会受到影响。测效果会受到影响。微波物位传感器的主要性能：微波物位传感器的主要性能：检测范围：检测范围：0.01m1.0m；精度：

23、精度：2%。上一页返回第五节第五节 光纤液位传感器光纤液位传感器一、一、工作原理及特点工作原理及特点光纤液位传感器由以下三部分组成：光纤液位传感器由以下三部分组成：（1）接触液体后光反射量的检测器件即光敏感元件；）接触液体后光反射量的检测器件即光敏感元件；（2）传输光信号的双芯光纤；）传输光信号的双芯光纤；（3）发光、受光和信号处理的接收装置。）发光、受光和信号处理的接收装置。图图10-10所示为光纤液位传感器的基本结构。这种传感器的所示为光纤液位传感器的基本结构。这种传感器的敏感元件和传输信号的光纤均由玻璃纤维构成，故有绝缘性敏感元件和传输信号的光纤均由玻璃纤维构成，故有绝缘性能好和抗电磁噪

24、声等优点。能好和抗电磁噪声等优点。下一页返回第五节第五节 光纤液位传感器光纤液位传感器光纤液位传感器的工作原理如光纤液位传感器的工作原理如图图10-11所示。发光器件射出所示。发光器件射出来的光通过传输光纤送到敏感元件，在敏感元件的球面上，来的光通过传输光纤送到敏感元件，在敏感元件的球面上，有一部分透过，而其余的光被反射回来。当敏感元件与液体有一部分透过，而其余的光被反射回来。当敏感元件与液体相接触时，与空气接触相比，球面部的光透射量增大，而反相接触时，与空气接触相比，球面部的光透射量增大，而反射量减少。因此，由反射光量即可知道敏感元件是否接触液射量减少。因此，由反射光量即可知道敏感元件是否接

25、触液体。反射光量决定于敏感元件玻璃的折射率和被测定物质的体。反射光量决定于敏感元件玻璃的折射率和被测定物质的折射率。被测物质的折射率越大，反射光量越小。来自敏感折射率。被测物质的折射率越大，反射光量越小。来自敏感元件的反射光，通过传输光纤由受光器件的光电晶体管进行元件的反射光，通过传输光纤由受光器件的光电晶体管进行光电转换后输出。敏感元件的反射光量的变化，若以空气的光电转换后输出。敏感元件的反射光量的变化，若以空气的光量为基准，在水中则为光量为基准，在水中则为-6dB-7dB，在油中为，在油中为-25dB-30dB。可对反射光量差别很大的水和油等进行物。可对反射光量差别很大的水和油等进行物质判

26、别。质判别。上一页 下一页返回第五节第五节 光纤液位传感器光纤液位传感器二、传感器的应用二、传感器的应用1检测液位检测液位在装有液体的槽内，将敏感元件安装在液面下预定检测的高在装有液体的槽内，将敏感元件安装在液面下预定检测的高度，当液面低于这一高度时，从敏感元件产生的反射光量就度，当液面低于这一高度时，从敏感元件产生的反射光量就增加，根据这时发生的信号就能检测出液面位置。若在不同增加，根据这时发生的信号就能检测出液面位置。若在不同高度安装敏感元件，则可检测液面的高度。具体应用实例：高度安装敏感元件，则可检测液面的高度。具体应用实例：（1）应用电力电缆对光纤液位传感器感应小的特点，设计）应用电力

27、电缆对光纤液位传感器感应小的特点，设计制作检测电力电缆油面的光纤式油量极限报警装置。用这种制作检测电力电缆油面的光纤式油量极限报警装置。用这种装置能进行油量上限和下限报警。装置能进行油量上限和下限报警。（2）利用光纤液位传感器耐化学腐蚀的优点，检测大型蓄）利用光纤液位传感器耐化学腐蚀的优点，检测大型蓄电池的电解液液位。电池的电解液液位。上一页 下一页返回第五节第五节 光纤液位传感器光纤液位传感器2检测两种液体界面检测两种液体界面如如图图10-12所示，当油和水分层存在时，利用光纤液面传感所示，当油和水分层存在时，利用光纤液面传感器能检测出油的表面，以及油与水之间的分界面。油量增加，器能检测出油

28、的表面，以及油与水之间的分界面。油量增加，当敏感元件当敏感元件1插入油中，反射光量减少。水量增加时，从油插入油中，反射光量减少。水量增加时，从油面变成水面后，敏感元件面变成水面后，敏感元件2的反射光量增加，故可知道敏感的反射光量增加，故可知道敏感元件进入水中。元件进入水中。具体应用实例：具体应用实例：（1）检测油罐内的水分量。在汽油或轻油（柴油）罐内，）检测油罐内的水分量。在汽油或轻油（柴油）罐内，由于事故或空气中的水分凝结而使罐底存在水分。为了避免由于事故或空气中的水分凝结而使罐底存在水分。为了避免事故，必须检测油罐内的水分，然后进行清扫或放水。在这事故，必须检测油罐内的水分，然后进行清扫或

29、放水。在这种情况下，用没有爆炸危险的光纤液面计最合适。种情况下，用没有爆炸危险的光纤液面计最合适。（2）区分汽油、柴油和水。）区分汽油、柴油和水。上一页 下一页返回第五节第五节 光纤液位传感器光纤液位传感器3检测多种液体检测多种液体如如图图10-13所示，光从折射率为所示，光从折射率为n1的介质的介质1向折射率为向折射率为n2的的介质介质2（设（设n1 n2）以角度）以角度1入射时（设介质入射时（设介质2中的折射角中的折射角为为2），反射系数），反射系数式中角标式中角标p和和s分别表示与入射面相平行和相垂直的分量。分别表示与入射面相平行和相垂直的分量。上一页 下一页返回rnnnnrp22112

30、211coscoscoscos22112211/cos/cos/cos/cosnnnnrs（10-10）（10-11）第五节第五节 光纤液位传感器光纤液位传感器光的反射率光的反射率 （10-12）式（式（10-10）、式（）、式（10-11）和式（）和式（10-12）跟光纤液位）跟光纤液位传感器的敏感元件球传感器的敏感元件球 面部相对照射时，则面部相对照射时，则n1为玻璃的折射率，为玻璃的折射率，n2为待检测物质的折射率。当敏感元件与各种不同待检测液为待检测物质的折射率。当敏感元件与各种不同待检测液体接触时，体接触时，n1与与1不变，而不变，而2取决于取决于n2，因此，反射率，因此，反射率R是

31、是n2的函数。由于敏感元件的反射光量随待检测液体的折射的函数。由于敏感元件的反射光量随待检测液体的折射率变化，故利用敏感元件能识别折射率不同的多种液体。率变化，故利用敏感元件能识别折射率不同的多种液体。图图10-14所示为待检测液体的折射率与反射光量的关系。所示为待检测液体的折射率与反射光量的关系。由图可看出，即使待检测的折射率比较相近，但反射光量的由图可看出，即使待检测的折射率比较相近，但反射光量的变化仍然很大。变化仍然很大。上一页返回)(2122sprrR)(2122sprrR图图10-1 电容式液位和料位传感器电容式液位和料位传感器返回图图10-2 电感电容电桥式测量电路电感电容电桥式测

32、量电路返回图图10-3 利用充放电原理的电容式利用充放电原理的电容式液位计方框图液位计方框图返回图图10-4 几种超声波物位传感器的几种超声波物位传感器的工作原理工作原理返回图图10-5 声换能器的结构原理图声换能器的结构原理图返回图图10-6 微波物位传感器原理图微波物位传感器原理图返回图图10-7 喇叭形微波天线喇叭形微波天线返回图图10-8 介质天线介质天线 返回图图10-9 微波反射镜微波反射镜返回图图10-10 光纤液位传感器的基本结构光纤液位传感器的基本结构返回图图10-11 光纤液位传感器的基本原理光纤液位传感器的基本原理返回图图10-12 检测两种液体界面检测两种液体界面返回图图10-13 光的反射与折射光的反射与折射 返回图图10-14 折射率与反射光量的关系折射率与反射光量的关系返回