第4章 物位及厚度檢測課件

第4章物位及厚度檢測物位的基本概念：物位-----指容器中的液體介質的液位、固體的料位或顆粒物的料位和兩種不同液體介質分界面的總稱。液位-----容器中的液體介質的高低料位-----容器中固體或顆粒狀物質的堆積高度。第4章物位及厚度檢測物位檢測方法：物位檢測總體上分為直接檢測和間接檢測兩種方法，由于測量狀況及條件復雜多樣，因而往往采用間接測量，即將物位信號轉化為其它相關信號進行測量。第4章物位及厚度檢測直接測量法：直接測量是一種最為簡單、直觀的測量方法。其中液位檢測常會用到直接測量，它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中，通過標尺讀出液位高度。第4章物位及厚度檢測第4章物位及厚度檢測常用的間接檢測方法有：浮力法和靜壓法；電學法（電容法）；微波法；超聲波法；核輻射法等。4.2電容式物位計4.2.2電容式物位傳感器一、測量導電液體的電容式物位傳感器二、測量非導電液體的電容式物位傳感器

4.3微波式傳感器在電磁波譜中將波長為1～1000mm的電磁波稱為微波。微波的特點是:在各種障礙物上能產(chǎn)生良好的反射，具有良好的定向輻射性能；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(huán)境適應能力。微波碰到金屬就發(fā)生反射，金屬根本沒有辦法吸收或傳導它；微波可以穿過玻璃、陶瓷、塑料等絕緣材料，但不會消耗能量；而水（蒸汽）會對微波產(chǎn)生強烈吸收。一、微波傳感器的組成

微波振蕩器和微波天線是微波傳感器的重要組成部分，構成微波振蕩器的器件有速調管、磁控管或某些固體器件。由微波振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號需要用波導管(波長在10cm以上可用同軸電纜)傳輸，并通過天線發(fā)射出去，常用的天線有喇叭形天線、拋物面天線和介質線等。

4.3微波式傳感器4.3微波式傳感器

常用的微波天線(a)扇形喇叭天線;(b)圓錐形喇叭天線;(c)旋轉拋物面天線;(d)拋物柱面天線

二、微波傳感器工作原理

微波傳感器的敏感元件可認為是一個微波場。其它部分可視為一個轉換器和接收器，如圖所示。Microwavesourse4.3微波式傳感器1.反射式微波傳感器反射式微波傳感器是通過檢測被測物體反射回來的微波功率或經(jīng)過的時間間隔來測量被測位置、厚度等參數(shù)。2.遮斷式微波傳感器

遮斷式微波傳感器是通過檢測接受天線接收到的微波功率大小，來判斷發(fā)射天線和接收天線之間有無被測物或被測物體的位置與含水量等參數(shù)。4.3微波式傳感器4.3微波式傳感器三、微波物位計

微波物位計原理如圖所示。當被測物位低于設定物位時，接收天線接收的功率為

當被測物位升高到天線所在高度時，接收天線接收的功率為

η——由被測物形狀、材料性質、電磁性能及高度所決定的系數(shù)四、微波液位計

微波液位計原理如圖所示，接收天線接收到的功率Pr為4.3微波式傳感器4.3微波式傳感器圖中所示是目前在工程應用較多的調頻連續(xù)波式微波物位（液位和料位）計。4.3微波式傳感器通常只需將發(fā)射、接收天線裝在被測料倉（罐）上方，即可對物位進行連續(xù)測量。這種調頻連續(xù)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(xù)、快速而準確地測出目標物體的物位值。4.4超聲波物位及厚度檢測

4.4.1超聲波檢測原理一、超聲波人耳所能聽到的聲波在20～20000Hz之間，頻率超過20000Hz，人耳不能聽到的聲波稱為超聲波)(由逆壓電效應產(chǎn)生)。

1.次聲波的特點及應用

次聲波是指頻率低于人們的聽覺下限(20Hz)的聲波。例如，火山爆發(fā)、地震、海嘯、臺風等所含能量巨大的自然現(xiàn)象及核爆中都會產(chǎn)生次聲波．次聲波傳播的特點是，能量衰減小，易受重力影響；在空氣中傳播易引起空氣分子的振動，使部分聲能轉化為空氣的內能。次聲波由于受重力影響，主要是沿地面?zhèn)鞑?，因而次聲波可以傳播很遠的距離。次聲波常用于探測波源(如爆炸點)的位置、預測火山爆發(fā)、雷暴及異常的氣象變化等。2．超聲波的特點及應用頻率高于人們的聽覺上限(20000Hz)不能再激起聽覺的聲波叫超聲波。由于超聲波的波長很短，所以只能是近似地做直線傳播．超聲波與一切波一樣會發(fā)生反射、折射、干涉、衍射等現(xiàn)象．超聲波在介質中傳播時，超聲波與介質間因相互作用而發(fā)生一系列的物理或化學變化。超聲波引起的效應很多，主要表現(xiàn)是，介質中的質點在超聲波的作用下做受迫振動，產(chǎn)生機械效應，會使懸浮粒子凝聚；強度很大的超聲波能引起物體破碎；超聲波可用做清洗、乳化，以促進化學反應，以及在此基礎上發(fā)展起來的超聲探傷、測距，醫(yī)學上廣泛應用的超聲波診斷成像(B超)等等。現(xiàn)在，超聲波與電磁輻射、粒子轟擊已成為研究物質微觀結構的三大重要手段．二、超聲波的物理特性1.定向傳播2.穿透能力強3.反射特性12三、超聲波的衰減

聲波在介質中傳播時，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減。其聲壓和聲強的衰減規(guī)律滿足以下函數(shù)關系：式中:

、

——聲波在距聲源x處的聲壓和聲強；

、

——聲波在聲源處的聲壓和聲強；

——聲波與聲源間的距離；

——衰減系數(shù).

4.4.2超聲波傳感器

壓電式超聲波傳感器是利用壓電材料的壓電效應原理工作。壓電式超聲波發(fā)生器是利用逆壓電效應的原理將高頻電振動轉換成高頻機械振動，從而產(chǎn)生超聲波。當外加交變電壓的頻率超聲波傳感器發(fā)射和接收部分均稱為超聲波換能器，有時也稱為超聲波探頭。根據(jù)工作原理分：壓電式、磁滯伸縮式和電磁式等。

把超聲發(fā)射出去，然后再把超聲波接受回來，變換成電信號，完成這一部分工作的超聲波儀器，稱為超聲波傳感器。等于壓電材料的固有頻率時會產(chǎn)生共振，此時產(chǎn)生的超聲波最強。

壓電式超聲波接收器是利用正壓電效應原理進行工作的。當超聲波作用到壓電晶片上時引起晶片伸縮，在晶片的兩個表面上便產(chǎn)生極性相反的電荷，這些電荷被轉換成電壓經(jīng)放大后送到測量電路，最后記錄或顯示出來。

4.4.2超聲波傳感器

壓電式超聲波傳感器結構圖

根據(jù)結構不同分：直探頭式、斜探頭式和多探頭式等。

超聲波的波型

縱波——質點振動方向與波的傳播方向一致的波，稱為縱波。它能在固體、液體和氣體中傳播；橫波——質點振動方向垂直于傳播方向的波，稱為橫波。它只能在固體中傳播；表面波——質點的振動介于縱波與橫波之間，沿著表面?zhèn)鞑ィ穹S深度增加而迅速衰減的波，稱為表面波。表面波質點振動的軌跡是橢圓形（其長軸垂直于傳播方向，短軸平行于傳播方向）。表面波只能沿著固體的表面?zhèn)鞑ァ?/p>

4.4.3超聲傳感器測物位超聲波液位計按傳聲介質不同，可分為氣介式、液介式和固介式三種；按探頭的工作方式可分為自發(fā)自收的單探頭方式和收發(fā)分開的雙探頭方式。相互組合可以得到六種液位計的方案。在容器底部或頂部安裝超聲波發(fā)射器和接收器，發(fā)射出的超聲波在相界面被反射。由圖中可看出，超聲波傳播距離為2H，波的傳播速度為v，傳播時間為Δt，則：H的測量一般是用接收到的信號觸發(fā)門電路對振蕩器的脈沖進行計數(shù)來實現(xiàn)。

4.4.3超聲傳感器測物位f0為計數(shù)振蕩器的頻率n為計數(shù)器的顯示數(shù)，n值與液面高度成比例超聲波法測厚常用脈沖回波法，測厚原理如圖所示：

4.4.4超聲傳感器測厚度超聲波測厚儀AR850測量范圍：1.2~225.0mm精度：+-(1%+-0.1)mm基于89C2051的超聲波測距儀的設計P1.0端口輸出一個40kHz的脈沖信號，經(jīng)過三極管T放大，驅動超聲波發(fā)射頭UCM40T，發(fā)出40kHz的脈沖超聲波；右側和左側測距電路的輸入端分別接P1.1和P1.2端口，工作原理與前方測距電路相同。接收頭采用與發(fā)射頭配對的UCM40R，將超聲波調制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?，?jīng)運算放大器IC1A和IC1B兩極放大后加至IC2。LM567輸入信號大于等于25mV，輸出端8腳由高電平躍變?yōu)榈碗娖?，作為中斷請求信號，送至單片機處理。核輻射傳感器是根據(jù)被測物質對射線的吸收、反散射或射線對被測物質的電離激發(fā)作用而進行工作，核輻射傳感器是核輻射式檢測儀表的重要組成部分，它是利用放射性同位素來進行測量的。核輻射傳感器一般由放射源、探測器以及電信號轉換電路所組成。它可以檢測厚度、液位、物位等參數(shù)。4.5核輻射物位與厚度檢測

4.5.1放射源和探測器原子如果不是由于外界的原因，而是由于自發(fā)的結構性的變化，稱為核衰變，核衰變是放射性同位素的本征特性。放射性同位素在衰變的過程中釋放出一種特殊的，帶有一定能量的粒子或者射線，這種現(xiàn)象成為核輻射或者放射性。放射性同位素能放出α射線、β射線和γ射線。一、射線的種類及衰變規(guī)律

(1)α粒子：一般具有4～10MeV能量，其電離能力較強，主要用于氣體分析，用來測量氣體壓力、流量等參數(shù)。α射線由于貫穿本領強，可以用來檢查金屬內部有沒有沙眼或裂紋，所用的設備叫α射線探傷儀；α射線的電離作用很強，可以用來消除機器在運轉中因摩擦而產(chǎn)生的有害靜電；生物體內的DNA(脫氧核糖核酸)承載著物種的遺傳密碼，但是DNA在射線作用下可能發(fā)生突變，所以通過射線照射可以使種子發(fā)生變異，培養(yǎng)出新的優(yōu)良品種；射線輻射還能抑制農(nóng)作物害蟲的生長，甚至直接消滅害蟲．人體內的癌細胞比正常細胞對射線更敏感，因此用射線照射可以治療惡性腫瘤，這就是醫(yī)生們說的“放療”。4.5核輻射物位與厚度檢測(2)β粒子：實際上是高速運動的電子，它在氣體中的射程可達20m，主要測量材料的厚度、密度或重量；根據(jù)輻射的反散射來測量覆蓋層的厚度，利用β粒子很大的電離能力來測量氣體流。

(3)γ射線：是一種從原子核內發(fā)射出來的電磁輻射，在物質中的穿透能力比較強，在氣體中的射程為數(shù)百米，能穿過幾十厘米厚的固體物質。主要用于金屬探傷、厚度檢測以及物體密度檢測等。

4.5核輻射物位與厚度檢測二、射線與物質的相互作用

1.帶電粒子和物質的相互作用。

2.γ射線和物質的相互作用

I—穿過厚度為h的吸收層后的輻射通量強度I0—入射到吸收體的輻射通量的強度μ—線性吸收系數(shù)—質量吸收系數(shù)1.電離室2.閃爍計數(shù)器4.5核輻射物位與厚度檢測三、常用探測器

探測器就是核輻射的接收器，它是核輻射傳感器的重要組成部分。其用途就是將核輻射信號轉換成電信號，從而探測出射線的強弱和變化。用于檢測儀表的主要有電離室、閃爍計數(shù)器和蓋格計數(shù)等。

1收集極2高壓極3保護環(huán)4鍍鋁薄膜6外殼閃爍體的原子受激發(fā)光，光透過閃爍體射到光陰極上打出光電子，經(jīng)過倍增在陽極上