物位檢測(cè)方法和傳感器類型

1、物位檢測(cè)方法和傳感器類型第二學(xué)習(xí)周 檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)知識(shí)目標(biāo)： 了解物位檢測(cè)的基本方法 掌握電容式傳感器的結(jié)構(gòu)、分類和工作原理 熟悉電容式傳感器的基本轉(zhuǎn)換電路 了解電容式傳感器的典型應(yīng)用 理解超聲波的概念及傳播特性 掌握超聲波傳感器的工作原理和類型 能夠根據(jù)需要選擇合適的物位傳感器進(jìn)行測(cè)量電路設(shè)計(jì) 學(xué)會(huì)物位測(cè)量系統(tǒng)的制作與調(diào)試 技能目標(biāo)：學(xué)習(xí)目標(biāo)項(xiàng)目背景 液位、料位和界位總稱為物位。根據(jù)具體用途可以使用液位、料位、界位等傳感器。物位測(cè)量的目的主要是按生產(chǎn)工藝要求等監(jiān)視、控制被測(cè)物位的變化。物位測(cè)量結(jié)果常用絕對(duì)長(zhǎng)度單位或百分?jǐn)?shù)表示。要求物位測(cè)量裝置或系統(tǒng)應(yīng)具有對(duì)物位進(jìn)行測(cè)量、記錄、報(bào)警或發(fā)出控制

2、信號(hào)等功能。 由于被測(cè)對(duì)象種類繁多，檢測(cè)的條件和環(huán)境也有很大的差別，因而對(duì)物位進(jìn)行測(cè)量的傳感器形式有許多種，簡(jiǎn)單的有直讀式或直接顯示的裝置；復(fù)雜的有利用通過敏感元件將物位轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏枯敵龅碾姕y(cè)儀表，以及建立在多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)和智能識(shí)別與控制基礎(chǔ)上的檢測(cè)與控制系統(tǒng)。也有應(yīng)用于特殊要求和測(cè)量場(chǎng)合的聲、光、電轉(zhuǎn)換原理的傳感器表等。按是否與被測(cè)介質(zhì)接觸又分為接觸式物位傳感器和非接觸式物位傳感器，其應(yīng)用比較廣泛的代表分別是電容和超聲波物位傳感器。 任務(wù)5.1汽車油箱油位檢測(cè)知識(shí)分布網(wǎng)絡(luò)汽車油箱油位檢測(cè)任務(wù)實(shí)施知識(shí)拓展相關(guān)知識(shí)電容傳感器的類型及特性電容傳感器的測(cè)量電路傳感器選型測(cè)量電路設(shè)計(jì)模擬調(diào)試電容傳

3、感器測(cè)量厚度電容傳感器測(cè)量壓力電容傳感器的工作原理電容傳感器測(cè)量加速度電容傳感器測(cè)量位移電容傳感器的測(cè)量電路任務(wù)5.1汽車油箱油位檢測(cè) 傳統(tǒng)的機(jī)械式汽車油位傳感器存在精度低、穩(wěn)定性不高、使用壽命短、使用環(huán)境存在局限等問題，導(dǎo)致汽車的使用成本相應(yīng)增加。為了克服并改善傳統(tǒng)汽車油位傳感器存在的局限性，電容式液位傳感器克服了傳統(tǒng)油位傳感器存在的上述缺點(diǎn)，而且在精度、穩(wěn)定性等指標(biāo)上有了質(zhì)的飛躍，并具有數(shù)據(jù)精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。 圖5- 1 電容式油量計(jì)外形【任務(wù)描述】任務(wù)5.1汽車油箱油位檢測(cè)霍爾傳感器工作原理【相關(guān)知識(shí)】 電容傳感器是將被測(cè)量（如尺寸、位移、壓力等）的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化

4、的一種傳感器。它的敏感部分就是具有可變參數(shù)的電容器。 圖5- 2 平板電容器+Srd_電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，=0r，其中0為真空介電常數(shù)，0 8.85410-12F/m，r為極板間介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)；A兩平行板所覆蓋的面積，單位m2；d兩平行板之間的距離，單位m。 任務(wù)5.1汽車油箱油位檢測(cè)5.1.2 電容傳感器的類型及特性 根據(jù)電容傳感器的工作原理，電容傳感器可分為變極距型、變面積型和變介質(zhì)型三種類型。 1變極距型電容傳感器 （a) 結(jié)構(gòu)示意圖 （b) Cd特性曲線圖5-3變極距型電容式傳感器1動(dòng)極板 2定極板 當(dāng)傳感器的r和A為常數(shù)，初始極距為d0時(shí) ，其初始電容量C0為 ：任務(wù)5.1汽

5、車油箱油位檢測(cè)當(dāng)動(dòng)極板2移動(dòng)x 值后，其電容值C 為：當(dāng)xC2），則C1、C2充電時(shí)間常數(shù)就發(fā)生改變，輸出平均電壓UAB就不再為零。 （a）C1=C2 （b） C1C2圖5- 11 脈沖寬度調(diào)制電路各點(diǎn)電壓波形任務(wù)5.1汽車油箱油位檢測(cè) 輸出電壓UAB經(jīng)低通濾波器后，即可得到一直流電壓U0，在理想情況下，它等于UAB的電壓平均值，即T1C1充電時(shí)間；T2C2充電時(shí)間，；U1觸發(fā)器輸出的高電位。當(dāng)電阻R1=R2=R時(shí) 任務(wù)5.1汽車油箱油位檢測(cè)脈沖調(diào)寬電路具有以下特點(diǎn)：（1）對(duì)傳感元件的線性要求不高，不論是變極距式，還是變截面式，其輸出量都與輸入量成線性關(guān)系。（2）不需要調(diào)解電路，只要經(jīng)過低通濾

6、波器就可以得到較大的直流輸出。（3）調(diào)寬頻率的變化對(duì)輸出無影響。（4）由于低通濾波器的作用，所以對(duì)輸出矩形波純度要求不高。 任務(wù)5.1汽車油箱油位檢測(cè)5雙T電橋電路（a）電路原理圖（b）u為正半周期時(shí)的等效電路 （c）u為負(fù)半周期時(shí)的等效電路圖5-12 雙T交流電橋 雙T電橋可以測(cè)量確定值的高頻阻抗和連續(xù)變化的阻抗:任務(wù)5.1汽車油箱油位檢測(cè)這種電路的特點(diǎn)是： （1）輸出電壓高。當(dāng)用有效值為45V，頻率為的正弦波高頻電源供電時(shí)，被測(cè)電容從-7pF到+7pF范圍內(nèi)變化，可在阻值為1M的負(fù)載上產(chǎn)生-5+5v的直流電壓。如適當(dāng)選擇元件參數(shù)，可直接用數(shù)字電壓表進(jìn)行測(cè)量。 （2）減小寄生電容影響。電源、

7、傳感器電容及負(fù)載有一個(gè)公共接地點(diǎn)，從而縮短了引線，減小了寄生電容及引線電容的影響。 （3）二極管在線性區(qū)工作。因?yàn)檩斎腚妷狠^高，所以二極管均在線性區(qū)工作，減小了非線性誤差。 （4）能適用動(dòng)態(tài)測(cè)量。輸出電壓的上升時(shí)間由負(fù)載電阻RL確定，如RL=1K時(shí)，上升時(shí)間僅為20s，故適于測(cè)量快速的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。 任務(wù)5.1汽車油箱油位檢測(cè)5.1.4 電容傳感器應(yīng)用中的注意事項(xiàng)1消除和減小邊緣效應(yīng)（a）電容器的邊緣效應(yīng) （b）帶有等位環(huán)的平板式電容器圖5- 13等位環(huán)消除電容邊緣效應(yīng)原理圖 任務(wù)5.1汽車油箱油位檢測(cè)2減小環(huán)境溫度影響 環(huán)境溫度的變化將改變電容傳感器的輸出相對(duì)被測(cè)輸入量的單值函數(shù)關(guān)系，從而引入溫

8、度干擾誤差。這種影響主要有兩個(gè)方面： （1）溫度對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的影響。電容傳感器由于極間隙很小而對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的變化特別敏感。在傳感器各零件材料線脹系數(shù)不匹配的情況下，溫度變化將導(dǎo)致極間隙較大的相對(duì)變化，從而產(chǎn)生很大的溫度誤差。在設(shè)計(jì)電容傳感器時(shí)，適當(dāng)選擇材料及有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以滿足溫度誤差補(bǔ)償要求。 （2）溫度對(duì)介質(zhì)的影響。溫度對(duì)介電常數(shù)的影響隨介質(zhì)不同而異，空氣及云母的介電常數(shù)溫度系數(shù)近似為零；而某些液體介質(zhì)，如硅油、煤油等，其介電常數(shù)的溫度系數(shù)較大。因此，在設(shè)計(jì)電容傳感器時(shí)，盡量采用空氣、云母等介電常數(shù)的溫度系數(shù)幾乎為零的電介質(zhì)作為電容傳感器的電介質(zhì)。任務(wù)5.1汽車油箱油位檢測(cè)3減小或消除寄生電

9、容的影響 減小或消除寄生電容的影響是設(shè)計(jì)電容傳感器的關(guān)鍵。通?？刹捎萌缦路椒ǎ?（1）增加電容初始值。增加電容初始值可以減小寄生電容的影響。一般采用減小電容式傳感器極板之間的距離，增大有效覆蓋面積來增加初始電容值。 （2）采用驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)。驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)又叫雙層屏蔽等位傳輸技術(shù)，它實(shí)際上是一種等電位屏蔽法。圖5- 14驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)原理圖任務(wù)5.1汽車油箱油位檢測(cè)4防止和減小外界干擾主要措施有： （1）屏蔽和接地。用良導(dǎo)體做傳感器殼體，將傳感器包圍起來，并可靠接地；用屏蔽電纜，屏蔽層可靠接地；用雙層屏蔽線可靠接地并保持等電位等。 （2）增加傳感器原始電容量，降低容抗。 （3）導(dǎo)線間的分布電容有靜電

10、感應(yīng)，因此導(dǎo)線和導(dǎo)線之間要離得遠(yuǎn)，線要盡可能短，最好成直角排列，若必須平行排列時(shí)，可采用同軸屏蔽電纜線，即地線和信號(hào)線相間地走線。 （4）盡可能一點(diǎn)接地，避免多點(diǎn)接地。地線要用粗的良導(dǎo)體或?qū)捰≈凭€。 （5）采用差動(dòng)式電容傳感器，減小非線性誤差，提高傳感器靈敏度，減小寄生電容的影響和溫度、濕度等誤差。 任務(wù)5.1汽車油箱油位檢測(cè)【任務(wù)實(shí)施】 1傳感器選型圖5-15 圓柱式電容傳感器1-內(nèi)電極；2-外電極D 、d外電極內(nèi)徑和內(nèi)電極外徑(m)； 極板間介質(zhì)介電常數(shù)(F/m)； L 極板相互重疊的長(zhǎng)度(m)。任務(wù)5.1汽車油箱油位檢測(cè)2測(cè)量電路分析圖5-16 電容油位計(jì)測(cè)量電路 CR-606系列電容式

11、油位傳感器的傳感部分是一個(gè)同軸的容器，當(dāng)油進(jìn)入容器后引起傳感器殼體和感應(yīng)電極之間電容量的變化，這個(gè)變化量通過集成轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換并進(jìn)行精確的線性和溫度補(bǔ)償，輸出420mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)供給顯示儀表以顯示油位。如圖5-16所示，是測(cè)量電路原理框圖，主要由振蕩電路、放大電路和控制電路等組成。任務(wù)5.1汽車油箱油位檢測(cè)3.模擬調(diào)試 （1）為便于便于觀察實(shí)際液位的變化并驗(yàn)證測(cè)量結(jié)果的正確性，可選用帶刻度的柱形透明容器代替實(shí)際油箱。按照CR-606型油位傳感器說明書上要求正確安裝傳感器，外殼必須可靠接地。 （2）將紅、黑端分別接24V直流電源正、負(fù)極，將輸出電流信號(hào)紅、藍(lán)端分別接毫安表的正、負(fù)極，通電預(yù)熱30分

12、鐘，使輸出信號(hào)穩(wěn)定。 （3）標(biāo)定。確定液位是零的位置，按下“零點(diǎn)”鍵；加入水（從安全、經(jīng)濟(jì)方面考慮，用水代替汽油進(jìn)行調(diào)試）至最高液位時(shí)，按下“量程”鍵，完成傳感器的標(biāo)定。完成標(biāo)定后，即可自動(dòng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。 （4）改變?nèi)萜髦兴坏母叨?，觀察電流表的讀數(shù)與液位高度的變化關(guān)系，記錄數(shù)據(jù)，分析測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。任務(wù)5.1汽車油箱油位檢測(cè)【知識(shí)拓展】 1電容傳感器測(cè)量厚度電容測(cè)厚傳感器是用來對(duì)金屬帶材在軋制過程中厚度的檢測(cè) 圖5- 17 電容式測(cè)厚儀原理圖1-傳動(dòng)輪 2-軋輥 3-電容極板 4-金屬帶材任務(wù)5.1汽車油箱油位檢測(cè)2電容傳感器測(cè)量壓力 差動(dòng)電容式壓力傳感器。其主要結(jié)構(gòu)為一個(gè)膜片動(dòng)電極和兩個(gè)

13、在凹形玻璃上電鍍成的固定電極組成的差動(dòng)電容器。 當(dāng)被測(cè)壓力或壓力差作用于膜片并使之產(chǎn)生位移時(shí)，形成的兩個(gè)電容器的電容量，一個(gè)增大，一個(gè)減小。該電容值的變化經(jīng)測(cè)量電路轉(zhuǎn)換成與壓力或壓力差相對(duì)應(yīng)的電流或電壓的變化。 圖5- 18 差動(dòng)電容式壓力傳感器任務(wù)5.1汽車油箱油位檢測(cè)3電容傳感器測(cè)量加速度圖5-19 差動(dòng)電容式加速度傳感器 傳感器殼體隨被測(cè)對(duì)象沿垂直方向作直線加速運(yùn)動(dòng)時(shí)， 質(zhì)量塊在慣性空間中相對(duì)靜止，兩個(gè)固定電極將相對(duì)于質(zhì)量塊在垂直方向產(chǎn)生大小正比于被測(cè)加速度的位移。此位移使兩電容的間隙發(fā)生變化，一個(gè)增加，一個(gè)減小，從而使C1、C2產(chǎn)生大小相等、符號(hào)相反的增量，此增量正比于被測(cè)加速度。 電

14、容式加速度傳感器外形任務(wù)5.1汽車油箱油位檢測(cè)4電容傳感器測(cè)量位移圖5-20圓筒式變面積型電容位移傳感器 測(cè)量時(shí)，動(dòng)電極隨被測(cè)物發(fā)生軸向移動(dòng)，從而改變活動(dòng)電極與兩個(gè)固定電極之間的有效覆蓋面積，使電容發(fā)生變化，電容的變化量與位移成正比。開槽彈簧片2為傳感器的導(dǎo)向與支承，無機(jī)械摩擦，靈敏度高，但行程小，主要用于接觸式測(cè)量。 任務(wù)5.1汽車油箱油位檢測(cè)5電容傳感器測(cè)量濕度（a）平面結(jié)構(gòu) （b) 側(cè)面結(jié)構(gòu) （c) 等效電路圖5- 21 濕敏電容器結(jié)構(gòu)示意圖1- 兩個(gè)上電極 2- 下電極 3- 介質(zhì)膜 傳感器的感濕組件是高分子薄膜式濕敏電容，它的兩個(gè)上電極是梳狀金屬電極，下電極是一網(wǎng)狀多孔金屬電極，上下

15、電極間是親水性高分子介質(zhì)膜。兩個(gè)梳狀上電極、高分子薄膜和下電極構(gòu)成兩個(gè)串聯(lián)的電容器當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度改變時(shí)，高分子薄膜通過網(wǎng)狀下電極吸收或放出水分，使高分子薄膜的介質(zhì)常數(shù)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電容量變化。 濕敏電容外形任務(wù)5.2液化氣罐液位檢測(cè)知識(shí)分布網(wǎng)絡(luò)液化氣罐液位檢測(cè)任務(wù)實(shí)施知識(shí)拓展相關(guān)知識(shí)超聲波類型及傳播特性超聲波傳感器超聲波物位傳感器傳感器選型測(cè)量電路設(shè)計(jì)模擬調(diào)試超聲波測(cè)厚度超聲波測(cè)流量超聲波無損探傷任務(wù)5.2液化氣罐液位檢測(cè) 【任務(wù)描述】 在油氣生產(chǎn)中，特別是在油氣集輸儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)中，石油、天然氣與伴生污水要在各種生產(chǎn)設(shè)備和罐器中分離、存儲(chǔ)與處理，物位的測(cè)量與控制，對(duì)于保證正常生產(chǎn)和設(shè)備安全是至

16、關(guān)重要的，否則會(huì)產(chǎn)生重大的事故。 針對(duì)液化氣罐密閉，儲(chǔ)存液體易燃、易爆、強(qiáng)腐蝕等特點(diǎn)，一般采用非接觸測(cè)量法進(jìn)行液位的檢測(cè)，本任務(wù)中采用超聲波液位傳感器進(jìn)行測(cè)量。任務(wù)5.2液化氣罐液位檢測(cè)【相關(guān)知識(shí)】 超聲波技術(shù)是一門以物理、電子、機(jī)械及材料學(xué)為基礎(chǔ)的，各行各業(yè)都使用的通用技術(shù)之一。它是通過超聲波產(chǎn)生、傳播以及接收這個(gè)物理過程來完成的。超聲波檢測(cè)就是利用不同介質(zhì)的不同聲學(xué)特性對(duì)超聲波傳播的影響來進(jìn)行探查和測(cè)量的一門技術(shù)。超聲波在液體、固體中衰減很小，穿透能力強(qiáng)，特別是對(duì)不透光的固體，超聲波能穿透幾十米的厚度。當(dāng)超聲波從一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時(shí)，由于在兩種介質(zhì)中的傳播速度不同，在介質(zhì)面上會(huì)產(chǎn)生反

17、射、折射和波型轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。超聲波的這些特性使它在檢測(cè)技術(shù)中獲得了廣泛的應(yīng)用，如超聲波無損探傷、厚度測(cè)量、流速測(cè)量、超聲顯微鏡及超聲成像等。 任務(wù)5.2液化氣罐液位檢測(cè)5.2.1 超聲波簡(jiǎn)介1.聲波的分類圖5-22 聲波頻率界限劃分示意圖 聲波是振動(dòng)在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動(dòng)，簡(jiǎn)稱波。聲波的振動(dòng)頻率在20Hz20kHz范圍內(nèi)，為可聞聲波；低于20Hz的聲波為次聲波；高于20kHz的聲波為超聲波。 任務(wù)5.2液化氣罐液位檢測(cè)2超聲波的波型（1）橫波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向垂于傳播方向的波，它只能在固體中傳播。（2）縱波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與傳播方向一致的波，它能在固體、液體和氣體中傳播。 （a）橫波（b）縱波

18、圖5-23 超聲波傳播波型 任務(wù)5.2液化氣罐液位檢測(cè)（3）表面波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向介于縱波與橫波之間，沿著固體表面向前傳播的波，它只能在固體中傳播。 圖5-24 表面波任務(wù)5.2液化氣罐液位檢測(cè)5.2.2 超聲波傳播特性1聲速、聲壓、聲強(qiáng)與指向性 1）聲速 超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，并有各自的傳播速度，縱波、橫波和表面波的傳播速度取決于介質(zhì)的彈性常數(shù)、介質(zhì)的密度以及聲阻抗。聲阻抗Z為介質(zhì)密度與聲速C的乘積，即 其中聲速C恒等于聲波的波長(zhǎng)與頻率f的乘積，即 ：任務(wù)5.2液化氣罐液位檢測(cè)材 料密度(103kgm-1)聲阻抗Z（103MPas -1）縱波聲速cL（km/ s）橫波聲速cs（

19、km/s）鋼7.8465.93.23鋁2.7176.323.08銅8.9424.72.05有機(jī)玻璃1.183.22.731.43甘油1.262.41.92水（20）1.01.481.48油0.91.281.4空氣0.00130.00040.34表5-1常用材料的密度、聲阻抗與聲速（環(huán)境溫度為0） 任務(wù)5.2液化氣罐液位檢測(cè)2）聲壓 當(dāng)超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，質(zhì)點(diǎn)所受交變壓強(qiáng)與質(zhì)點(diǎn)靜壓強(qiáng)之差稱為聲壓P。聲壓與介質(zhì)密度、聲速C、質(zhì)點(diǎn)的振幅X及振動(dòng)的角頻率成正比，即 3）聲強(qiáng) 單位時(shí)間內(nèi)，在垂直于聲波傳播方向上的單位面積A內(nèi)所通過的聲能稱為聲強(qiáng)I，聲強(qiáng)與聲壓的平方成正比，即任務(wù)5.2液化氣罐液位檢測(cè)4

20、）指向性 超聲波聲源發(fā)出的超聲波束是以一定的角度向外擴(kuò)散的，在聲源的中心軸線上聲強(qiáng)最大，隨著擴(kuò)散角度的增大聲強(qiáng)逐步減小。半擴(kuò)散角、聲源直徑D以及波長(zhǎng)之間的關(guān)系為 圖5-25超聲波束擴(kuò)散角任務(wù)5.2液化氣罐液位檢測(cè)2超聲波的反射和折射圖5- 26聲波反射與折射1）反射定律 由物理學(xué)知，當(dāng)波在界面上產(chǎn)生反射時(shí)，入射角的正弦與反射角的正弦之比等于波速之比。聲波在同一介質(zhì)內(nèi)的傳播速度相等，所以入射角與反射角相等。 2）折射定律 當(dāng)波在界面處產(chǎn)生折射時(shí)，入射角的正弦與折射角的正弦之比，等于入射波在第一介質(zhì)中的波速C1與折射波在第二介質(zhì)中的波速C2之比，即 任務(wù)5.2液化氣罐液位檢測(cè)3超聲波的衰減 超聲波

21、在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減，其衰減的程度與介質(zhì)的密度、晶粒的粗細(xì)及超聲波的頻率等因素有關(guān)。晶粒越粗或密度越小，衰減越快；頻率越高，衰減越快。氣體的密度很小，因此衰減較快，尤其在頻率高時(shí)衰減更快。因此，在空氣中傳導(dǎo)的超聲波的頻率選得較低，約數(shù)千赫茲，而在固體、液體中則選較高頻率的超聲波。 任務(wù)5.2液化氣罐液位檢測(cè)5.2.3 超聲波傳感器 1. 超聲波探頭 超聲波傳感器是利用超聲波的特性，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)的測(cè)量元件。為了以超聲波作為檢測(cè)手段，必須能產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，又稱超聲波探頭。超聲波傳感器按其工作原理，可分為壓電式、磁致伸縮式 、電

22、磁式等，下面介紹最為常用的壓電式超聲波傳感器。 任務(wù)5.2液化氣罐液位檢測(cè)2壓電式超聲波傳感器圖5-27壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu) 壓電式超聲波傳感器是利用壓電材料的壓電效應(yīng)原理來工作的。常用的壓電材料主要有壓電晶體和壓電陶瓷。根據(jù)正、逆壓電效應(yīng)的不同，壓電式超聲波傳感器分為發(fā)生器（發(fā)射探頭）和接收器（接收探頭）兩種。逆壓電效應(yīng)將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)，以產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭。而利用壓電效應(yīng)則將接收的超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成壓電信號(hào)，可作為接收探頭。 任務(wù)5.2液化氣罐液位檢測(cè)3超聲波探頭結(jié)構(gòu)類型1）單晶直探頭 超聲波的發(fā)射和接收雖然均是利用同一塊晶片，但時(shí)間上有先后之分，所以單晶直探頭是處于分

23、時(shí)工作狀態(tài)，必須用電子開關(guān)來切換這兩種不同的狀態(tài)。 2）雙晶直探頭 由兩個(gè)單晶探頭組合而成，裝配在同一殼體內(nèi)，檢測(cè)精度比單晶直探頭高，且超聲波信號(hào)的反射和接收的控制電路較單晶直探頭簡(jiǎn)單。 3）斜探頭 壓電晶片粘貼在與底面成一定角度（如30、45等）的有機(jī)玻璃斜楔塊上，當(dāng)斜楔塊與不同材料的被測(cè)介質(zhì)（試件）接觸時(shí)，超聲波產(chǎn)生一定角度的折射，傾斜入射到試件中去，折射角可通過計(jì)算求得，可產(chǎn)生多次反射，而傳播到較遠(yuǎn)處去。 任務(wù)5.2液化氣罐液位檢測(cè)1接插件 2外殼 3阻尼吸收塊 4引線 5壓電晶體 6保護(hù)膜7隔離層 8延遲塊 9有機(jī)玻璃斜楔塊 10試件 11耦合劑 任務(wù)5.2液化氣罐液位檢測(cè)5.2.4

24、超聲波物位傳感器1. 超聲波物位傳感器工作原理 圖5-29超聲波物位檢測(cè)工作原理 任務(wù)5.2液化氣罐液位檢測(cè) 對(duì)于單換能器來說, 超聲波從發(fā)射到液面, 又從液面反射到換能器的時(shí)間為:則h 換能器距液面的高度；V 超聲波在介質(zhì)中傳播的速度。對(duì)于雙換能器來說, 超聲波從發(fā)射到被接收經(jīng)過的路程為2s, 而 s 超聲波反射點(diǎn)到換能器的距離；a 兩換能器間距的一半。 任務(wù)5.2液化氣罐液位檢測(cè)2超聲波液位計(jì)（a）氣介式 （b）液介式 （c）固介式圖5-30 單探頭超聲波液位計(jì) 超聲波液位測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)：與介質(zhì)不接觸，無可動(dòng)部件，電子元件只以聲頻振動(dòng)，振幅小，儀器壽命長(zhǎng)；超聲波傳播速度比較穩(wěn)定，光線、介質(zhì)粘度

25、、濕度、介電常數(shù)、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率等對(duì)檢測(cè)幾乎無影響，因此適用于有毒、腐蝕性或高粘度等特殊場(chǎng)合的液位測(cè)量；不僅可進(jìn)行連續(xù)測(cè)量和定點(diǎn)測(cè)量，還能方便地提供遙測(cè)或遙控信號(hào)；能測(cè)量高速運(yùn)動(dòng)或有傾斜晃動(dòng)的液體的液位，如置于汽車、飛機(jī)、輪船中的液位。 任務(wù)5.2液化氣罐液位檢測(cè)【任務(wù)實(shí)施】 1傳感器選型（a）實(shí)物安裝示意圖 （b）原理示意圖圖5-31 超聲波液位檢測(cè)任務(wù)5.2液化氣罐液位檢測(cè) 超聲波傳感器選型時(shí)要考慮被測(cè)物體的尺寸大小、外形及測(cè)量環(huán)境是否有振動(dòng)、環(huán)境溫度變化等因素，根據(jù)前面原理分析，結(jié)合本任務(wù)實(shí)際，選擇氣介式的單換能器超聲波傳感器,型號(hào)選用CSB40T。 超聲波傳播距離為L(zhǎng)，波的傳播速度為v

26、，傳播時(shí)間為t ，則 : L是與液位有關(guān)的量，故測(cè)出L便可知液位，L的測(cè)量一般是用接收到的信號(hào)觸發(fā)門電路對(duì)振蕩器的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)。 任務(wù)5.2液化氣罐液位檢測(cè)2.測(cè)量電路設(shè)計(jì)1）超聲波發(fā)送模塊設(shè)計(jì)圖5-32 超聲波發(fā)送電路 本任務(wù)選用硬件發(fā)生法產(chǎn)生超聲波，40kHz的超聲波是利用555時(shí)基電路組成的振蕩器，通過調(diào)整20K電位器產(chǎn)生的。任務(wù)5.2液化氣罐液位檢測(cè)2）超聲波接收模塊設(shè)計(jì)圖5-33 超聲波接收電路 當(dāng)沒有發(fā)射超聲波信號(hào)時(shí)，A、B、C點(diǎn)的電位是均為0，D的電位是1。當(dāng)接收到超聲波信號(hào)時(shí)，經(jīng)過LM386放大，通過電感電容濾波，使其只有40KHz的信號(hào)通過，再經(jīng)過LM386進(jìn)行二次放大

27、，當(dāng)測(cè)量距離遠(yuǎn)時(shí)，二次放大的信號(hào)仍然太弱，所以還得進(jìn)行三次放大；當(dāng)測(cè)量距離近時(shí)，二次放大的信號(hào)就很強(qiáng)了，但由于第三級(jí)的輸入電壓不能太高，所以需要用二極管做限幅。 任務(wù)5.2液化氣罐液位檢測(cè)3.模擬調(diào)試 （1）按照電路圖5-33所示，將各元件焊接到實(shí)驗(yàn)板上，并檢查正確性； （2）模擬調(diào)試時(shí)選用玻璃瓶，以便于觀察實(shí)際液位。用膠將超聲波探頭粘貼在玻璃瓶的正上方，使探頭指向與所測(cè)液位在同一直線上； （3）接通電路電源，通過示波器測(cè)出D端輸出信號(hào)的峰值時(shí)間差t，通過式（5-34）計(jì)算出液位高度； （4）改變液位高度，測(cè)量多組數(shù)據(jù)，將測(cè)量值與實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比分析，分析偏差原因并進(jìn)行總結(jié)，加以改進(jìn)。 任務(wù)5.

28、2液化氣罐液位檢測(cè)【拓展知識(shí)】 1超聲波測(cè)厚（a）原理圖（b) 實(shí)物圖5-34 超聲波測(cè)厚度1-雙晶直探頭 2-引線電纜 3-入射波 4-反射波5-試件 6-顯示儀表任務(wù)5.2液化氣罐液位檢測(cè) 若已知超聲波在被測(cè)試件中的傳播速度v，設(shè)試件厚度為 d，脈沖波從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔t可以測(cè)量，則可求出被測(cè)試件厚度為 用超聲波傳感器測(cè)量零件厚度，具有測(cè)量精度高，操作安全簡(jiǎn)單，易于讀數(shù)，能實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)檢測(cè)，測(cè)試儀器輕便等諸多優(yōu)點(diǎn)。但是，對(duì)于聲衰減很大的材料，以及表面凹凸不平或形狀極不規(guī)則的零件，利用超聲波實(shí)現(xiàn)厚度測(cè)量比較困難。 任務(wù)5.2液化氣罐液位檢測(cè)2超聲波測(cè)流量 在管道兩側(cè)設(shè)置兩個(gè)超聲波傳感器，它們可以發(fā)射超聲波又可以接收超聲波，一個(gè)裝在上游，一個(gè)裝在下游，超聲波傳播方向與管徑夾角為，