第11章界位傳感器及工程應(yīng)用

1、第11章 界位傳感器及工程應(yīng)用第第11章章 界位傳感器及工程應(yīng)用界位傳感器及工程應(yīng)用11.1 界界位測(cè)量概述位測(cè)量概述11.2 液位傳感器及工程應(yīng)用液位傳感器及工程應(yīng)用11.3 料位傳感器及料位傳感器及工程工程應(yīng)用應(yīng)用11.4 物位傳感器及物位傳感器及工程工程應(yīng)用應(yīng)用11.5 界位傳感器工程應(yīng)用案例界位傳感器工程應(yīng)用案例返回主目錄第11章 界位傳感器及工程應(yīng)用界位是指兩種不同物質(zhì)分界面的位置，實(shí)現(xiàn)界位測(cè)量的傳感器稱作界位傳感器。為了敘述方便，通常人們把液體和氣體的分界面位置稱作液位；把細(xì)小顆粒狀或粉末狀固體與氣體的分界面位置稱作料位；把大塊固體與氣體的分界面位置稱作物位。測(cè)量界位的傳感器種類較

2、多，按其工作原理可分為下列幾種： 直讀式根據(jù)流體的連通性原理來測(cè)量液位。 浮力式根據(jù)浮子高度或浮力大小隨液位高度變化而變化的原理來測(cè)量液位。11.1 界界位測(cè)量概述位測(cè)量概述第11章 界位傳感器及工程應(yīng)用 差壓式根據(jù)液位高度變化對(duì)某點(diǎn)產(chǎn)生的靜(差)壓力變化原理來測(cè)量液位。 電學(xué)式根據(jù)物位變化與某種電量變化有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系原理來測(cè)量物位。 核輻射式根據(jù)核輻射透過物料時(shí)，其強(qiáng)度隨厚度變化而變化的原理來測(cè)量物位。 聲學(xué)式根據(jù)物位變化引起聲阻抗和反射距離變化原理來測(cè)量物位。 其他形式如微波式、激光式、射流式、光纖維式傳感器等。本章重點(diǎn)介紹常用的幾種界位傳感器。 第11章 界位傳感器及工程應(yīng)用11.2 液

3、位傳感器及工程應(yīng)用液位傳感器及工程應(yīng)用11.2.1 浮力式液位傳感器浮力式液位傳感器浮力式液位傳感器是利用液體浮力來測(cè)量液位的。根據(jù)測(cè)量原理，它可分為恒浮力式和變浮力式兩大類型。1.1.恒浮力式液位傳感器恒浮力式液位傳感器最原始簡(jiǎn)單的恒浮力式液位傳感器就是一個(gè)浮子。把它置于液體中，它受到浮力的作用就會(huì)漂浮在液面上，其液位檢測(cè)原理如圖11 1所示。圖圖11 1 浮子式液位檢測(cè)原理浮子式液位檢測(cè)原理第11章 界位傳感器及工程應(yīng)用由圖可知，由于浮子由繩索經(jīng)滑輪與塔外的重錘相連，當(dāng)液面發(fā)生變化時(shí)，重錘帶著指針便可移動(dòng)，其位置便可反映水位的高低。但與直觀印象相反，標(biāo)尺下端代表水位高，若使指針動(dòng)作方向與水

4、位變化方向一致，應(yīng)增加滑輪數(shù)目，但引起摩擦阻力增加，誤差也會(huì)增大。 若將標(biāo)尺上的滑動(dòng)電觸點(diǎn)與報(bào)警電路適當(dāng)相連，可實(shí)現(xiàn)超限報(bào)警。若將標(biāo)尺上的滑動(dòng)電觸點(diǎn)與水塔水箱進(jìn)水口的電磁閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)配合，可實(shí)現(xiàn)閥門的自動(dòng)啟停，進(jìn)行液位的自動(dòng)控制。若把浮子換成浮球，測(cè)量機(jī)構(gòu)從容器內(nèi)移到容器外，可直接顯示罐內(nèi)液位的變化。常見的一種外浮球式液位檢測(cè)原理如圖11 2所示。第11章 界位傳感器及工程應(yīng)用這種液位傳感器適合測(cè)量溫度較高、粘度較大的液體介質(zhì)，但量程范圍較窄。如在該液位傳感器的基礎(chǔ)上增加機(jī)電信號(hào)變換裝置，可實(shí)現(xiàn)液位的自動(dòng)控制。 圖圖11 2 外浮球式液位檢測(cè)原理外浮球式液位檢測(cè)原理2. 變浮力式液位傳感器變浮

5、力式液位傳感器變浮力式液位傳感器最常見的就是浮筒式傳感器，它是利用變浮力的原理來測(cè)量液位的。圖11 3是浮筒式傳感器液位檢測(cè)原理圖。它由浮筒、彈簧和差動(dòng)變壓器組成。第11章 界位傳感器及工程應(yīng)用設(shè)懸掛在彈簧上的空心金屬圓筒(浮筒)橫截面積為A，質(zhì)量為m，彈簧的下端被固定，當(dāng)浮筒的重力與彈簧力達(dá)到平衡時(shí)，則有(11-1)圖圖11 3 浮筒液位檢測(cè)原理浮筒液位檢測(cè)原理mggAh0Amh 0(11-2)式中，h0為浮筒浸沒在液體的深度； 為浸沒浮筒的液體密度。如果浮筒重力與浮力平衡時(shí)，浮筒底面所處的液面高度為H0，以h0+H0作為初始液位（即使彈簧處于原始長(zhǎng)度）。第11章 界位傳感器及工程應(yīng)用假設(shè)當(dāng)

6、液位高度為H，且浮筒受到的浮力和重力與彈簧力平衡時(shí)，浮筒上移了x，浸沒在液體中的深度為h。因浮筒上移的距離x即為彈簧的位移，則有(11-3)式中，k為彈簧的彈性系數(shù)。由圖11 3可知，被測(cè)液位H可表示為kxmggAh0hxgAkAmxgAkh(11-4)000)1 (HhxgAkHxhH由式(11 5)可知，被測(cè)液位H與浮筒產(chǎn)生的位移x呈線性關(guān)系。(11 5)第11章 界位傳感器及工程應(yīng)用 以上分析表明，變浮力式液位傳感器實(shí)際上是將液位轉(zhuǎn)化成浮筒的位移。當(dāng)浮筒移動(dòng)時(shí)，安裝在浮筒連桿上的鐵芯則隨浮筒一起上下移動(dòng)，通過位移測(cè)量電路（即差動(dòng)變壓器）把位移轉(zhuǎn)變成與它成正比例關(guān)系的電壓輸出。只要把電壓測(cè)

7、量出來就得到了被測(cè)液位。 浮筒式液位傳感器適應(yīng)性能好，對(duì)粘度較高的介質(zhì)、高壓介質(zhì)及溫度較高的敞口或密閉容器的液位等都能測(cè)量。對(duì)液位電信號(hào)可遠(yuǎn)距離傳輸和顯示，若與單元組合儀表配套，可實(shí)現(xiàn)液位的報(bào)警和自動(dòng)控制。第11章 界位傳感器及工程應(yīng)用11.2.2 靜壓式液位傳感器靜壓式液位傳感器 1.1.利用壓力傳感器測(cè)量液位原理利用壓力傳感器測(cè)量液位原理對(duì)于上端與大氣相通的敞口容器，其底部壓力與液位的關(guān)系為gpH式中，H為液位高度(m)；為液體的密度(kg/m3)；g為重力加速度(m/s2)；p為容器底部的壓力(Pa)。由式(11 6)可知，只要能把敞口容器底部的壓力測(cè)量出來，就可以計(jì)算出液位高度H。測(cè)量

8、壓力的傳感器很多，利用壓力傳感器測(cè)量液位原理如圖11 4所示。當(dāng)壓力傳感器與容器底部處在同一水平線上時(shí)，儀表顯示的數(shù)值就是液位H的高度。(11 6)第11章 界位傳感器及工程應(yīng)用圖圖11 4 壓力傳感器測(cè)量液位原理壓力傳感器測(cè)量液位原理注：如果壓力傳感器與容器底部不在同一水平線上時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生零點(diǎn)遷移，導(dǎo)致測(cè)量誤差。為了測(cè)量準(zhǔn)確，使用中應(yīng)注意消除。2. 壓差傳感器測(cè)量液位原理壓差傳感器測(cè)量液位原理對(duì)于上端與大氣隔絕的封閉容器，容器上部空間與大氣壓力一般不相等，不能用上述方法來測(cè)量。工業(yè)生產(chǎn)中普遍采用壓差傳感器來測(cè)量液位，利用壓差傳感器測(cè)量液位原理如圖11 5所示。第11章 界位傳感器及工程應(yīng)用設(shè)

9、容器上部空間的壓力為p1，液體的壓力為p2，則差壓傳感器正、負(fù)壓室所受到的壓力分別為p+和p-則112pgHppp1pp gHppp圖圖11 5 壓差傳感器測(cè)量液位原理壓差傳感器測(cè)量液位原理(11 7)正、負(fù)壓室的壓差為(11 8)(11 9)由式(11 9)可知，壓差p與被測(cè)液位H成正比。只要把壓差測(cè)量出來，就可以利用式(11 9)計(jì)算出被測(cè)液位H。第11章 界位傳感器及工程應(yīng)用3.3.常用靜壓式液位變送器常用靜壓式液位變送器 液位變送器的特點(diǎn)是輸出電流信號(hào)和被測(cè)液位呈線性關(guān)系，不需要進(jìn)行壓力和液位的換算。根據(jù)安裝方法不同有多種結(jié)構(gòu)形式，其中常見的靜壓式液位變送器有投入式和法蘭式兩種，如圖1

10、1 6所示。(a) 投入式 (b) 法蘭式圖圖11 6 常見液位變送器常見液位變送器第11章 界位傳感器及工程應(yīng)用11.2.3 應(yīng)變式液位傳感器應(yīng)變式液位傳感器1. 應(yīng)變式液位傳感器結(jié)構(gòu)應(yīng)變式液位傳感器結(jié)構(gòu)應(yīng)變式液位傳感器是利用電阻應(yīng)變片把液位壓力轉(zhuǎn)變成應(yīng)變的原理來測(cè)量液位的。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖11 7(a)所示。它有一根傳壓桿，下端安裝感壓膜，感壓膜感受上面液體的壓力。圖圖11 7 應(yīng)變式液位傳感器結(jié)構(gòu)示意圖及測(cè)量電路應(yīng)變式液位傳感器結(jié)構(gòu)示意圖及測(cè)量電路第11章 界位傳感器及工程應(yīng)用其測(cè)量電路結(jié)構(gòu)如圖11 7(b)所示。圖中RL的阻值比較大，其作用是把電壓源U輸出的電流恒定，以減少測(cè)量電路的非

11、線性誤差。2. 應(yīng)變式傳感器測(cè)量液位原理應(yīng)變式傳感器測(cè)量液位原理由圖11 7(b)可知，若微壓傳感器在未受壓力時(shí)，電橋平衡，U1=U2=0；則當(dāng)微壓傳感器受到壓力p作用時(shí)，兩微壓傳感器串聯(lián)后的輸出電壓Uo為gHKKpKpKUUU)(212121ogKKUH)(21o式中，K1，2分別為兩個(gè)微壓傳感器對(duì)壓力p的傳輸系數(shù)；H為被測(cè)液位高度；為被測(cè)液體的密度；g為重力加速度。(11 10)(11 11) 即第11章 界位傳感器及工程應(yīng)用式(11 11)表明，容器內(nèi)液位高度H與電橋輸出電壓Uo呈線性關(guān)系，只要把輸出電壓Uo測(cè)量出來，就可以計(jì)算出容器內(nèi)液位高度H。11.2.4 電容式液位傳感器電容式液位

12、傳感器1. 電容式液位傳感器的結(jié)構(gòu)電容式液位傳感器的結(jié)構(gòu)電容式液位傳感器實(shí)際是一個(gè)變介質(zhì)電容器。它的極板是兩根同心圓柱。將它插入裝有液體的容器內(nèi)，如圖11 8所示。若容器中液體是非導(dǎo)電的，這時(shí)在同心圓柱之間就形成了兩個(gè)并聯(lián)電容器。根據(jù)同心圓柱電容器電容量的計(jì)算公式可知，這兩個(gè)電容器并聯(lián)后總的電容C為)/ln()(2)/ln(2)/ln()(2)/ln(2212121022102211DDHDDHDDHHDDHC(11 12)第11章 界位傳感器及工程應(yīng)用由式(11 12)可知，當(dāng)容器內(nèi)液位H變化時(shí)，兩極板間的電容量 就會(huì)發(fā)生變化。令圖圖11 8 變介質(zhì)電容器測(cè)量液位原理變介質(zhì)電容器測(cè)量液位原理

13、式中，H0為同心圓柱的高度；D1為外圓柱內(nèi)直徑；D2為內(nèi)圓柱外直徑；H為被測(cè)液位的高度；1為被測(cè)液體的介電常數(shù)；2為空氣的介電常數(shù)。2. 電容式液位傳感器測(cè)量原理電容式液位傳感器測(cè)量原理 )/ln()(22121DDA)/ln(221020DDHC(11-13)(11-14)第11章 界位傳感器及工程應(yīng)用(11-16)AHCCC00CAHC將式(11 14)和(11 13)代入式(11 12)，可得(11-15)由此可見，電容式液位傳感器的電容變化量C與液位高度H成正比例關(guān)系。因此，只要通過電容測(cè)量電路把變化的電容量測(cè)量出來，就可以實(shí)現(xiàn)液位的測(cè)量。第11章 界位傳感器及工程應(yīng)用11.3 料位傳

14、感器及工程應(yīng)用料位傳感器及工程應(yīng)用11.3.1 電容式料位傳感器電容式料位傳感器1. 電容式料位傳感器的結(jié)構(gòu)電容式料位傳感器的結(jié)構(gòu)電容式料位傳感器與電容式液位傳感器結(jié)構(gòu)相類同，也是一個(gè)變介質(zhì)電容器。所不同的是，它只有一根圓柱形極板(金屬棒)，稱作測(cè)定電極。使用時(shí)將它安裝在罐的中央，如圖11 9所示。這樣在罐壁和測(cè)定電極之間就形成了一個(gè)電容器。圖圖11 9 變介質(zhì)電容器測(cè)量料位原理變介質(zhì)電容器測(cè)量料位原理第11章 界位傳感器及工程應(yīng)用根據(jù)同心圓柱形電容器電容C的計(jì)算公式可知，測(cè)定電極與罐壁組成的電容器電容量C可由下式表示(11-17)式中，1為被測(cè)物料的介電常數(shù)；2為空氣的介電常數(shù)；D1為儲(chǔ)罐的

15、內(nèi)直徑；D2為測(cè)定電極的外直徑；H為被測(cè)物料的高度；H0為儲(chǔ)罐深度。2. 電容式料位傳感器測(cè)量原理電容式料位傳感器測(cè)量原理由式(11 17)可知，該電容量的大小與被測(cè)物料在罐內(nèi)高度H有關(guān)。令)/ln()(2)/ln(221212102DDHDDHC)/ln(221020DDHC(11-18)第11章 界位傳感器及工程應(yīng)用式中，C0為罐內(nèi)無料時(shí)的電容值。當(dāng)儲(chǔ)罐放入物料后引起電容的變化量為由式(11 20)可見，電容式料位傳感器的電容變化量C與液面高度H成正比。因此，只要把變化的電容量測(cè)量出來就可以實(shí)現(xiàn)料位的測(cè)量。并且介電常數(shù)1和2差別越大，直徑D1與D2相差愈小，傳感器靈敏度就愈高。)/ln()

16、(221210DDHCC則(11-19)HDDCCC)/ln()(221210(11-20)第11章 界位傳感器及工程應(yīng)用在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，儲(chǔ)存罐并不一定要求是圓柱形的，而電容式料位傳感器也并非一定要安裝在罐的中央，而是應(yīng)該安裝在罐內(nèi)料位平穩(wěn)、能正確反映料位高低的任意位置。此時(shí)，物料高度變化引起的電容變化量應(yīng)修正為式中，K為比例系數(shù)，它與罐的形狀、電容式料位傳感器的安裝位置有關(guān)；1為被測(cè)物料的介電常數(shù)；2為空氣的介電常數(shù)；H為被測(cè)物料的高度。需要注意的是，這種測(cè)量方法要求罐壁必須是金屬材料的，而物料必需是不導(dǎo)電的；否則，此傳感器不能使用。HKCCC)(210(11-21)第11章 界位傳感器及工程

17、應(yīng)用 1 1. .超聲波傳感器測(cè)量料位原理超聲波傳感器測(cè)量料位原理超聲波傳感器測(cè)量料位的工作原理是利用超聲波在傳播過程中遇到兩種介質(zhì)分界面就反射回波的特性，通過測(cè)量超聲波從發(fā)射至接收到被測(cè)料位界面的回波時(shí)間間隔來實(shí)現(xiàn)料位檢測(cè)的。2. 超聲波料位傳感器結(jié)構(gòu)超聲波料位傳感器結(jié)構(gòu)因?yàn)槌暡▊鞲衅饔袉翁筋^和雙探頭之分，所以常見的超聲波料位傳感器結(jié)構(gòu)如圖11 10所示。其中圖(a)和(b)是把超聲波探頭安裝在料面的上方，這種安裝、維修方便，但衰減比較嚴(yán)重。圖11 10(c)和(d)是把超聲波探頭安裝在料面下方。這種安裝可以大大降低超聲波傳感器的功率，減少成本。11.3.2 超聲波料位傳感器超聲波料位傳感

18、器第11章 界位傳感器及工程應(yīng)用圖圖11 10 超聲波料位傳感器結(jié)構(gòu)示意圖超聲波料位傳感器結(jié)構(gòu)示意圖第11章 界位傳感器及工程應(yīng)用對(duì)于圖11 10(a)來說，假設(shè)超聲波的發(fā)射時(shí)刻為t0，探頭接收到超聲波的時(shí)刻為t1，超聲波從發(fā)射到接收經(jīng)過的路程為2h，則2)(01tth 被測(cè)料位的高度H為式中，H0為探頭到容器底面的距離；h為探頭到料面的距離；為超聲波在空氣中的傳播速度；H為料位的高度。(11 22)(11 23)2)(0100ttHhHH第11章 界位傳感器及工程應(yīng)用對(duì)于圖11 10(b)來說，設(shè)超聲波從發(fā)射到接收經(jīng)過的路程為2S，則2)(01ttS 料位高度H為2201022002)(at

19、tHaSHhHH(11 24)(11 25)式中，a為兩個(gè)探頭之間距離的一半。從式(11 23)和(11 25)可以看出，只要測(cè)出超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔(tl-t0)，便可求出待測(cè)料位的高度H。第11章 界位傳感器及工程應(yīng)用11.4 物位傳感器及工程應(yīng)用物位傳感器及工程應(yīng)用11.4.1 超聲波物位傳感器超聲波物位傳感器1. 超聲波測(cè)量物位原理超聲波測(cè)量物位原理超聲波測(cè)量物位原理與測(cè)量料位原理相同，首先利用超聲波發(fā)射探頭朝著被測(cè)物體發(fā)出超聲波，超聲波遇到被測(cè)物體后就要返回。當(dāng)接收探頭接收到返回的超聲波時(shí)，計(jì)算出超聲波從發(fā)射到接收所需的時(shí)間，根據(jù)超聲波在介質(zhì)中的傳播速度，就可計(jì)算出被測(cè)物位的

20、距離。其計(jì)算公式為2tS(11-26)式中：S為被測(cè)距離；為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度；t為超聲波的傳播時(shí)間。第11章 界位傳感器及工程應(yīng)用2. 超聲波物位傳感器的結(jié)構(gòu)超聲波物位傳感器的結(jié)構(gòu)由于超聲波探頭有單探頭和雙探頭兩種形式，所以超聲波物位傳感器也有兩種結(jié)構(gòu)（見圖11 11）。其中圖(a)是單探頭結(jié)構(gòu)，圖(b)是雙探頭結(jié)構(gòu)。圖圖11 11 超聲波物位傳感器結(jié)構(gòu)示意圖超聲波物位傳感器結(jié)構(gòu)示意圖第11章 界位傳感器及工程應(yīng)用11.4.2 超聲波探頭的使用注意事項(xiàng)超聲波探頭的使用注意事項(xiàng)1. 超聲波探頭的補(bǔ)償超聲波探頭的補(bǔ)償由于超聲波的傳播速度通常不是一個(gè)常數(shù)，而是隨著傳播介質(zhì)的溫度、壓力及成分等

21、變化而變化。例如在空氣中，0時(shí)的傳播速度為331.36 m/s，而在20時(shí)則為343.38 m/s。為了測(cè)量準(zhǔn)確，考慮到環(huán)境對(duì)超聲波傳播速度的影響，可采用補(bǔ)償措施予以校正，以提高測(cè)量精度。超聲波傳播速度的校正方法主要由溫度補(bǔ)償和校正裝置補(bǔ)償兩種。如果超聲波在介質(zhì)中的傳播速度主要隨溫度變化，而且超聲波速度隨溫度的變化規(guī)律已知，則可以在超聲波探頭附近安裝一個(gè)溫度傳感器，根據(jù)超聲波速度與溫度之間的關(guān)系，在測(cè)量時(shí)進(jìn)行聲速的自動(dòng)校正。這就是所謂的溫度補(bǔ)償。第11章 界位傳感器及工程應(yīng)用若聲速與溫度的關(guān)系未知，或者傳播介質(zhì)成分復(fù)雜，就需要校正裝置補(bǔ)償法。所謂校正裝置補(bǔ)償是指在同一測(cè)量環(huán)境里安裝兩組超聲波探

22、頭，一組用作測(cè)量探頭；另一組用作校正探頭。其結(jié)構(gòu)如圖11 12所示。由于S0為已知，只要測(cè)出超聲脈沖從校正探頭到反射板的往返時(shí)間t0，就可知道超聲波在空氣中的傳播速度，即002tS圖11 12 具有校正裝置的超聲波物位測(cè)量系統(tǒng)(11-27)第11章 界位傳感器及工程應(yīng)用式中，S0為校正探頭到反射板的距離；t0為超聲波從校正探頭到反射板的往返時(shí)間；t為超聲波從測(cè)量探頭到被測(cè)物的往返時(shí)間。由式(11 28)可知，只要測(cè)出時(shí)間t0和t，就可獲得被測(cè)物距S，而且還消除了因環(huán)境變化引起的誤差?；诔暡y(cè)距的原理，還可以應(yīng)用到其他地方，比如汽車的防撞、車速的檢測(cè)、大門的自動(dòng)開關(guān)、倒車?yán)走_(dá)、交通車輛的檢測(cè)

23、以及防盜報(bào)警等相關(guān)領(lǐng)域。因?yàn)樾Ｕ筋^和測(cè)量探頭在相同的環(huán)境里，則兩者的傳播速度一樣。顯然，從測(cè)量探頭到被測(cè)物體之間的距離S為(11-28)002ttStS第11章 界位傳感器及工程應(yīng)用2. 超聲波探頭的使用環(huán)境超聲波探頭的使用環(huán)境 由于超聲波探頭不能承受高溫、高壓，故超聲波傳感器通常適合于溫度在-40100之間，壓力在0.3Mpa以下的場(chǎng)所，進(jìn)行液位、料位和物位的測(cè)量。 對(duì)于密閉容器內(nèi)料面上方粉塵較多的料位測(cè)量，或密閉容器內(nèi)揮發(fā)性液體的液位測(cè)量。由于超聲波在粉塵或揮發(fā)性氣體中的傳播速度與空氣中不同，應(yīng)采用圖11 10(c)和(d)所示的結(jié)構(gòu)，否則應(yīng)采用補(bǔ)償措施對(duì)聲速進(jìn)行修正。 對(duì)于灰塵嚴(yán)重或密

24、閉容器內(nèi)有揮發(fā)性液體的場(chǎng)合，由于超聲波探頭上會(huì)有灰塵聚集或揮發(fā)氣體的凝結(jié)，影響超聲波的發(fā)射和接收。在這些場(chǎng)合最好要求該傳感器具有可變功率控制功能。第11章 界位傳感器及工程應(yīng)用3. 超聲波探頭的安裝位置超聲波探頭的安裝位置為保證測(cè)量的準(zhǔn)確，防止干擾，超聲波探頭安裝位置要盡可能選擇液面平穩(wěn)、料面平整的位置，同時(shí)遠(yuǎn)離扶梯、進(jìn)料口、出料口，盡可能與容器壁保持較遠(yuǎn)的距離，遠(yuǎn)離攪拌器等。第11章 界位傳感器及工程應(yīng)用11.5 界界位傳感器工程應(yīng)用案例位傳感器工程應(yīng)用案例11.5.1 液位測(cè)量顯示系統(tǒng)案例液位測(cè)量顯示系統(tǒng)案例 實(shí)現(xiàn)液位測(cè)量的方法很多，可以用壓力傳感器測(cè)量，也可以用壓力變送器測(cè)量，還可以用液

25、位變送器或超聲波傳感器測(cè)量。本案例是選用一個(gè)液位變送器和顯示儀表及報(bào)警電路來實(shí)現(xiàn)的。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖11 13所示。圖圖11 13 液位測(cè)量顯示系統(tǒng)液位測(cè)量顯示系統(tǒng)第11章 界位傳感器及工程應(yīng)用設(shè)液位變送器的輸出電流為420mA，則該容器內(nèi)的液位高度與液位變送器輸出電流的關(guān)系為4 kHI(11-29)式中，k為液位變送器的比例系數(shù)(mA/m)；H為液位高度(m)；I為液位變送器的輸出電流(mA)。由式(11 29)可知，只要能把液位變送器的輸出電流I測(cè)量出來，就可以計(jì)算出液位的高度H。然后利用顯示儀表就可以把液位的高度顯示出來。假設(shè)液位上限對(duì)應(yīng)的電流為I1，下限對(duì)應(yīng)的電流為I2，設(shè)計(jì)一個(gè)超限報(bào)警

26、電路，使得當(dāng)液位變送器輸出電流低于下限電流I2或高于上限電流I1時(shí)，使報(bào)警電路工作，就可以實(shí)現(xiàn)被測(cè)液位的超限報(bào)警。第11章 界位傳感器及工程應(yīng)用11.5.2 物位測(cè)量顯示系統(tǒng)案例物位測(cè)量顯示系統(tǒng)案例目前汽車上普遍安裝的超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)就是物位測(cè)量顯示系統(tǒng)的典型應(yīng)用案例。它可以在倒車時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)車后是否有障礙物以及障礙物的遠(yuǎn)近，并及時(shí)提醒駕駛員注意。為了保證倒車安全可靠，倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)通常在汽車的后保險(xiǎn)杠上布置34只超聲波探頭。該系統(tǒng)電路種類較多，圖11 14是某小型轎車超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖。它由4只一體式超聲波探頭、4路超聲波發(fā)射與接收電路、雙四選一開關(guān)、單片機(jī)控制電路、LCD顯示電路、

27、溫度補(bǔ)償電路和聲音報(bào)警電路等組成。下面簡(jiǎn)單介紹各部分電路的結(jié)構(gòu)和功能。第11章 界位傳感器及工程應(yīng)用圖圖11 14 超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖1. 超聲波探頭超聲波探頭它是該系統(tǒng)的主要部件，型號(hào)很多。一般測(cè)距在1.52.5m的都能滿足要求。本案例采用了四只EFR40RS一體式探頭。第11章 界位傳感器及工程應(yīng)用2. 超聲波電壓產(chǎn)生電路超聲波電壓產(chǎn)生電路要想讓超聲波探頭發(fā)射超聲波信號(hào)，必須給它施加一個(gè)與超聲波頻率相同的交變電壓信號(hào)。產(chǎn)生超聲波交變電壓信號(hào)的電路很多，本案例采用單片機(jī)編程來產(chǎn)生超聲波探頭所需的激勵(lì)脈沖電壓信號(hào)。3. 超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)與接收電路超聲波發(fā)射驅(qū)

28、動(dòng)與接收電路超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路的作用是對(duì)單片機(jī)發(fā)出的激勵(lì)脈沖信號(hào)進(jìn)行功率放大；超聲波接收電路的作用是把超聲波接收探頭轉(zhuǎn)化出來的回波電壓信號(hào)傳送給單片機(jī)。超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)與接收電路有多種，本案例采用的超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)與接收電路如圖11 15所示。第11章 界位傳感器及工程應(yīng)用圖圖11 15 超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)與接收電路超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)與接收電路4. 收發(fā)分時(shí)控制電路收發(fā)分時(shí)控制電路由于本案例中設(shè)計(jì)的發(fā)射驅(qū)動(dòng)和接收電路各有4路，為了保證它們有序工作。選用了雙四選一模擬開關(guān)CD4052來實(shí)現(xiàn)四路信號(hào)的分時(shí)收發(fā)控制。CD4052與超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)/接收電路的連接方式如圖11 16所示。第11章 界位傳感器及工程應(yīng)用圖圖11 16 CD4052與超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)與超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)/接收電路的連接方式接收電路的連接方式第11章 界位傳感器及工程應(yīng)