1、傳感器與檢測技術教程傳感器與檢測技術教程第第12講物位及厚度檢測講物位及厚度檢測 Level & Thickness transducer2傳感器與檢測技術教程傳感器與檢測技術教程n物位測量n液位是指開口和密封容器中液體介質液面的高低；n料位是指固體粉末或顆粒物在容器中堆積的高度；n相界面是指兩種液體介質的分界面。n液位計、料位計、界面計n厚度測量3傳感器與檢測技術教程傳感器與檢測技術教程直接測量直接測量直接測量是一種最為簡單、直觀的測量方法，它直接測量是一種最為簡單、直觀的測量方法，它是利用連通器的原理，將容器中的液體引入帶有標尺是利用連通器的原理，將容器中的液體引入帶有標尺的觀察管

2、中，通過標尺讀出液位高度。的觀察管中，通過標尺讀出液位高度。下圖所示的是玻璃管液位計。下圖所示的是玻璃管液位計。 4傳感器與檢測技術教程傳感器與檢測技術教程主要內容主要內容n4.1浮力式物位檢測n4.2靜壓式物位檢測n4.3電容式物位計n4.4超聲傳感器與物位、厚度檢測n4.5微波式傳感器n4.6核輻射物位與厚度檢測n4.7電渦流傳感器及厚度檢測5傳感器與檢測技術教程傳感器與檢測技術教程4.1浮力式物位檢測浮力式物位檢測n浮力式液位計是根據液位變化時，漂浮在液體表面的浮子隨之同步移動的原理工作的。這一移動距離通過機構傳出或變成氣信號或電信號，即可測出液位，即為恒浮力式測量；n也可將浮筒的一部分

3、浸入液體中，并使之不能自由漂浮，則其所受的浮力將隨液位或相界面位置而變化，測出此浮力變化即可測出液位，即變浮力式測量。6傳感器與檢測技術教程傳感器與檢測技術教程WFG直讀式浮子式液位計，這是一種最簡單的液位計，一般只能就地顯示。式中：W浮子的重力；F 浮力；G 重錘的重力。圖4.1.1 恒浮力物位測量原理圖1浮子；2 繩索：3 重錘4.1.1恒浮力式物位檢測恒浮力式物位檢測7傳感器與檢測技術教程傳感器與檢測技術教程4.1.2變浮力式物位檢測變浮力式物位檢測 浮筒式液位計屬于變浮力液位計，當被測液面位置變化時，浮筒浸沒體積變化，所受浮力也變化，通過測量浮力變化確定出液位的變化量。圖中： 1-浮筒

4、；2-彈簧；3-差動變壓器8傳感器與檢測技術教程傳感器與檢測技術教程0CxG式中：x0彈簧被壓縮的位移；C 彈簧的剛度；G 浮筒的重力。平衡條件xHh 根據平衡條件可知0()GShC xx為液體的密度ShC xC xHS9傳感器與檢測技術教程傳感器與檢測技術教程n其它力平衡的測量方式n直線位移n角位移10傳感器與檢測技術教程傳感器與檢測技術教程4.2靜壓式物位檢測靜壓式物位檢測n4.2.1靜壓式物位檢測原理n4.2.2壓力式液位計n4.2.3壓差式液位計n4.2.4量程遷移11傳感器與檢測技術教程傳感器與檢測技術教程4.2.1靜壓式物位檢測原理靜壓式物位檢測原理原理：液柱靜壓與液柱高度壓力成正

5、比原理：液柱靜壓與液柱高度壓力成正比BApppHg 式中：pA A點的靜壓；pB B點的靜壓；H 液體的高度； 液體的密度。12傳感器與檢測技術教程傳感器與檢測技術教程4.2.2壓力式液位計壓力式液位計n壓力計式液位計n測量敞口容器的液位高度。n1 閥門；2導壓管；3壓力表n關于測量值修正的問題壓力表式壓力液位計13傳感器與檢測技術教程傳感器與檢測技術教程n法蘭(Flange)液位計n法蘭盤n壓力計n黏稠液體的隔離和傳遞介質硅油）法蘭式壓力液位計14傳感器與檢測技術教程傳感器與檢測技術教程n吹氣式液位計n適用于腐蝕性、高粘度、含有懸浮顆粒的液體液位n敞口容器吹氣式液位計15傳感器與檢測技術教程

6、傳感器與檢測技術教程4.2.3壓差式液位計壓差式液位計2 壓差計，其輸出與上下壓力差有關；16傳感器與檢測技術教程傳感器與檢測技術教程4.3電容式物位計電容式物位計n電容式物位傳感器利用被測物的介電常數與空氣的不同的特點進行檢測n適用于導電、非導電液體的液位和粉狀物料的遠距離連續測量和指示。n4.3.1電容式物位計工作原理n4.3.2電容式物位傳感器n4.3.3電容式物位傳感器應用舉例17傳感器與檢測技術教程傳感器與檢測技術教程4.3.1電容式物位計工作原理電容式物位計工作原理檢測原理：檢測原理：兩個長度為兩個長度為 L，半徑分別，半徑分別為為 R和和 r 的圓筒形金屬導體，的圓筒形金屬導體，

7、中間隔以絕緣材料構成圓筒形中間隔以絕緣材料構成圓筒形電容器，如下圖。電容器的電電容器，如下圖。電容器的電容量：容量：液位變化引起等效介電常液位變化引起等效介電常數數 1變化，從而使電容器的變化，從而使電容器的電容量變化。電容量變化。12ln()LCRr18傳感器與檢測技術教程傳感器與檢測技術教程21212 ()2 ()ln()ln()lClRRrr 1CCC電極間被介電常數為電極間被介電常數為 2 的液體浸沒時，引起電容變的液體浸沒時，引起電容變化化浸沒長度為浸沒長度為 l 時，則電容值為時，則電容值為電容變化值與液體的高度成正比電容變化值與液體的高度成正比19傳感器與檢測技術教程傳感器與檢測

8、技術教程4.3.2電容式物位傳感器電容式物位傳感器n用來測量導電介質的單電極電容液位計n它只用一根電極作為電容器的內電極，一般用紫銅或不銹鋼，外套聚四氟乙烯塑料管或涂搪瓷作為絕緣層，而導電液體和容器壁構成電容器的外電極。 1-內電極；2-絕緣套20傳感器與檢測技術教程傳感器與檢測技術教程n用于測量非導電介質的同軸雙層電極電容式液位計。n內電極和與之絕緣的同軸金屬套組成電容的兩極，外電極上開有很多流通孔使液體流入極板間。1、2內、外電極；3絕緣套；4流通孔。21傳感器與檢測技術教程傳感器與檢測技術教程4.3.3電容式物位傳感器應用舉例電容式物位傳感器應用舉例電容式料位1-金屬電容； 2-測量電極

9、；3-輔助電極；4-絕緣套22傳感器與檢測技術教程傳感器與檢測技術教程4.4超聲傳感器與物位、厚度檢測超聲傳感器與物位、厚度檢測n4.4.1超聲波檢測原理n4.4.2超聲傳感器n4.4.3超聲傳感器測物位n4.4.4超聲傳感器測厚度23傳感器與檢測技術教程傳感器與檢測技術教程4.4.1超聲波檢測原理超聲波檢測原理n超聲波及其波形n縱波橫波表面波n超聲波的傳播速度 vn取決與介質的彈性常數和密度n擴散角 nsin = 1.22(/D)n反射與折射 n反射定律折射定律反射系數 Rn聲波的衰減 (dB/cm)n和頻率的關系24傳感器與檢測技術教程傳感器與檢測技術教程4.4.2超聲傳感器超聲傳感器n超

10、聲傳感器主要有壓電式、磁致伸縮式、電磁式等。n壓電效應和逆壓電效應n采用脈沖工作方式n壓電材料：n石英SiO2）鈦酸鋇(BaTiO3)鋯鈦酸鉛(PZT)n偏鈮鉛( PbNbO6)25傳感器與檢測技術教程傳感器與檢測技術教程4.4.3超聲傳感器測物位超聲傳感器測物位n超聲波液位測量有許多優點：n與介質不接觸，無可動部件，電子元件只以聲頻振動，振幅小，儀器壽命長；n超聲波傳播速度比較穩定，光線、介質粘度、濕度、介電常數、電導率、熱導率等對檢測幾乎無影響，因此適用于有毒、腐蝕性或高粘度等特殊場合的液位測量；n不僅可進行連續測量和定點測量，還能方便地提供遙測或遙控信號；n能測量高速運動或有傾斜晃動的液

11、體的液位，如置于汽車、飛機、輪船中的液位。26傳感器與檢測技術教程傳感器與檢測技術教程n超聲波液位測量也有缺點：n超聲波儀器結構復雜，價格相對昂貴；n當超聲波傳播介質溫度或密度發生變化，聲速也將發生變化，對此超聲波液位計應有相應的補償措施，否則嚴重影響測量精度；n有些物質對超聲波有強烈吸收作用，選用測量方法和測量儀器時要充分考慮液位測量的具體情況和條件。27傳感器與檢測技術教程傳感器與檢測技術教程(a) 氣介式 (b) 液介式 (c) 固介式單探頭超聲波液位計 超聲波傳播距離為超聲波傳播距離為 L，波的傳播速度為，波的傳播速度為 c ，傳播，傳播時間為時間為 t ，那么：，那么：12Lc t2

12、8傳感器與檢測技術教程傳感器與檢測技術教程n超聲波液位計利用波在介質中的傳播特性。n在容器底部或頂部安裝超聲波發射器和接收器，發射出的超聲波在相界面被反射。并由接收器接收，測出超聲波從發射到接收的時間差，便可測出液位高低。29傳感器與檢測技術教程傳感器與檢測技術教程n超聲波液位計按傳聲介質不同，可分為三種n氣介式n液介式n固介式n按探頭的工作方式可分為自發自收的單探頭方式和收發分開的雙探頭方式。相互組合可以得到六種液位計的方案。30傳感器與檢測技術教程傳感器與檢測技術教程4.4.4超聲傳感器測厚度超聲傳感器測厚度31傳感器與檢測技術教程傳感器與檢測技術教程4.5微波式傳感器微波式傳感器n4.5

13、.1微波傳感器的組成、原理及分類n4.5.2微波傳感器測物位與液位n4.5.3微波傳感器測厚度在電磁波譜中將波長為在電磁波譜中將波長為11000mm (頻率：頻率：300MHz 300GHz)的電磁波稱為微波。的電磁波稱為微波。微波的特點是微波的特點是: (1)在各種障礙物上能產生良好的反射，具有良在各種障礙物上能產生良好的反射，具有良好的定向輻射性能；好的定向輻射性能； (2)在傳輸過程中受到粉塵、煙霧、火焰及強光在傳輸過程中受到粉塵、煙霧、火焰及強光的影響小，具有很強的環境適應能力。的影響小，具有很強的環境適應能力。 32傳感器與檢測技術教程傳感器與檢測技術教程4.5.1微波傳感器的組成、

14、原理及分類微波傳感器的組成、原理及分類MS與與S合而為一合而為一有源微波傳感器有源微波傳感器MS與與R合而為一合而為一自振蕩式微波傳感器自振蕩式微波傳感器1. 反射式微波傳感器利用微波反射的原理制作的液位計，可以連續檢測與實現液位定點控制。2. 遮擋式微波傳感器33傳感器與檢測技術教程傳感器與檢測技術教程4.5.2微波傳感器測物位與液位微波傳感器測物位與液位n1. 微波物位計20()4ttrPPGGS0rPP物位低物位高34傳感器與檢測技術教程傳感器與檢測技術教程 圖為定點式微波料位計原理示意圖。圖中的振蕩器為一高頻振蕩器，可用速調管、磁控管或微波固體元件構成。 35傳感器與檢測技術教程傳感器

15、與檢測技術教程 小型的微波振器可用體效應管、微波砷化鎵金屬半導體場效應三極管、高遷移率場效應三極管等作發生器，產生的微波用波導管引到輻射天線而發射出去。 發射天線與接收天線有扇形、角錐形或圓錐形等嗽叭筒天線，可保證輻射波有良好的方向。此外還有一種介質天線，方向性更好。 振蕩器產生的微波電流，饋送給安裝在料面一側的發射天線向料面發射出去，經過料上方被接收天線接收。36傳感器與檢測技術教程傳感器與檢測技術教程當料位較低時，定向發射的微波無衰減的直接為接收天線接收，經前置放大器放大到適當的電平后饋送到電子放大器，經檢波、放大后，與定電壓比較，發出正常工作的信號，表示料位沒有超過規定高度。這時接收器由

16、天線收到的功率為 ：式中 ： 微波發射與接收天線的增益； 微波的波長； 發射與接收天線的距離； 饋送給發射天線的功率。 riioGGPdP24iGrG diP37傳感器與檢測技術教程傳感器與檢測技術教程 當料位升高到遮斷微波束時，微波一部分被物料反射回去，一部分被物料吸收。接收到的微波功率為式中為衰減系數，決定于物料的電磁性能、顆粒大小、堆積形狀及含水量等。此時微波被接收后經放大并在電壓比較電路與定電壓進行比較，其電位低于定電壓，使儀表發出料位高的信號。這種定點式微波物位計很適合于物位測量的上、下限報警用。 rP0PPr38傳感器與檢測技術教程傳感器與檢測技術教程222()44ttrrPGGP

17、Sd2. 微波液位計微波液位計39傳感器與檢測技術教程傳感器與檢測技術教程3. 調頻連續波式物位計調頻連續波式物位計40傳感器與檢測技術教程傳感器與檢測技術教程通常只需將發射、接收天線裝在被測料倉罐上方，即可對物位進行連續測量。這種調頻連續波式微波物位計抗機械噪聲、電磁噪聲能力強，在高溫、高壓、高粘度情況下，可連續、快速而準確地測出目標物體的物位值。調頻連續波式微波物位計工作原理如圖所所示。 調頻式微波液位計原理示意圖 41傳感器與檢測技術教程傳感器與檢測技術教程固態源頻率變化規律為 ：式中 ：T調制波周期；F調制波頻率； 固態源初始頻率； 本振頻率； 固態源在調制信號1/2周期內的頻偏范圍；

18、 t 時間。 0200002/ 2fdfffffF ftdtT0f2f0f42傳感器與檢測技術教程傳感器與檢測技術教程回波頻率為 ：式中 回波頻率；微波往返于被測對象之間的延遲時間t=2L/C，C為光速，L為被測距離；1002ffF ftt1ft43傳感器與檢測技術教程傳感器與檢測技術教程所以，差頻頻率 為 由上式整理得被測距離L為從上式可以看出被測距離 L與差頻頻率 成正比。當固態源的調制頻率F和頻偏 一定時，只要測出 ，就可以計算得到 L。 f0210422F fLfffF fLCC 04C fLF ffff44傳感器與檢測技術教程傳感器與檢測技術教程 當固態工作頻偏 =300 MHz，調

19、制頻率F = 1kHz,則有： 即被測距離L 每變化1 m時，差頻頻率為4 kHz。 采用三角波雙重調制可以克服調頻式微波物位計的部分固有誤差；加上采取其他措施，微波物位計的測量精確度可達1%。測量范圍一般為0.520 m，最大可達幾十米由固態源發射功率大小決定以上。6384 1000 300 104 103 10fLL 0f45傳感器與檢測技術教程傳感器與檢測技術教程4.6核輻射物位與厚度檢測核輻射物位與厚度檢測n4.6.1放射源和探測器4.6.2測量電路4.6.3核輻射厚度計4.6.4核輻射液位計46傳感器與檢測技術教程傳感器與檢測技術教程4.6.1放射源和探測器放射源和探測器不同物質對同位素射線的吸收能力不同，一般固體最強，液體次之，氣體最差。當射線射入厚度為H的介質時，會有一部分被介質吸收掉。透過介質的射線強度 I 與入射強度 I0 之間有如下關系：式中 吸收系數，條件固定時為常數。變形為： 因此測液位可通過測量射線在穿過液體時強度的變化量來實現。 HeII0IIHlnln1047傳感器與檢測技術教程傳感器與檢測技術教程核幅射式液位計由輻射源、接收器和測量儀表組成。輻射源一般用鈷60或銫，放在專門的鉛室中，安裝在被測容器的一側。幅射源在結構上只能允許射線經鉛室