新型检测课件6液位

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1、过程参数新型检测技术过程参数新型检测技术授课教师授课教师: : 姜姜 波波20102010年年6 6月月1111日日1第六章第六章 新型液位传感新型液位传感器器 本次课主要内容本次课主要内容1 1 概述概述4 4 磁致伸缩液位测量磁致伸缩液位测量3 3 雷达式液位测量雷达式液位测量5 5 新型液位仪国产化开发情况新型液位仪国产化开发情况 磁致伸缩液位仪研究与开发磁致伸缩液位仪研究与开发 雷达液位仪研究与开发雷达液位仪研究与开发 磁致伸缩效应磁致伸缩效应 结构及工作原理结构及工作原理 功能特点功能特点 雷达式液位测量基本原理雷达式液位测量基本原理 测量方法与结构测量方法与结构 应用应用特点特点2

2、 2 超声波物位测量超声波物位测量 物位测量的基本原理及方法物位测量的基本原理及方法 应用问题及特点应用问题及特点-液位测量方法简介液位测量方法简介2第六章第六章 新型液位传感器新型液位传感器1 1 概述概述 液位测量方法很多液位测量方法很多, ,按测量原理有不同的分类按测量原理有不同的分类. .静压式：静压式：根据流体静力学原理根据流体静力学原理, ,测量液柱对某点产生的静压力测量液柱对某点产生的静压力, , 或测量两点间的压差进行液位测量或测量两点间的压差进行液位测量. . 浮力式：浮力式：利用液体对浸在其中的物体具有浮力的原理利用液体对浸在其中的物体具有浮力的原理.hx(.hx(位移位移

3、) )电容式：电容式：利用圆筒电容原理利用圆筒电容原理 接触式物位测量接触式物位测量两点的两点的压力差力差为: :差压式液位测量差压式液位测量 压力式液位测量压力式液位测量3第六章第六章 新型液位传感器新型液位传感器1 1 概述概述 当浮力当浮力 等于物体重力等于物体重力 时时, ,物体处于平衡状态物体处于平衡状态. . 利用平衡时物体位置移动进行液位测量利用平衡时物体位置移动进行液位测量. . 放在液体中的物体所受浮力放在液体中的物体所受浮力D Dh h恒浮力式物位测量恒浮力式物位测量变浮力式物位测量变浮力式物位测量 液位测量方法很多液位测量方法很多, ,按测量原理有不同的分类按测量原理有不

4、同的分类. .静压式：静压式：根据流体静力学原理根据流体静力学原理, ,测量液柱对某点产生的静压力测量液柱对某点产生的静压力, , 或测量两点间的压差进行液位测量或测量两点间的压差进行液位测量. . 浮力式：浮力式：利用液体对浸在其中的物体具有浮力的原理利用液体对浸在其中的物体具有浮力的原理. .hx(hx(位移位移) )电容式：电容式：利用圆筒电容原理利用圆筒电容原理 接触式物位测量接触式物位测量4第六章第六章 新型液位传感器新型液位传感器1 1 概述概述变浮力式物位测量变浮力式物位测量恒浮力式物位测量恒浮力式物位测量磁翻转式磁翻转式 液位测量方法很多液位测量方法很多, ,按测量原理有不同的

5、分类按测量原理有不同的分类. .静压式：静压式：根据流体静力学原理根据流体静力学原理, ,测量液柱对某点产生的静压力测量液柱对某点产生的静压力, , 或测量两点间的压差进行液位测量或测量两点间的压差进行液位测量. . 浮力式：浮力式：利用液体对浸在其中的物体具有浮力的原理利用液体对浸在其中的物体具有浮力的原理.hx(.hx(位移位移) )电容式：电容式：利用圆筒电容原理利用圆筒电容原理 接触式物位测量接触式物位测量5第六章第六章 新型液位传感器新型液位传感器1 1 概述概述 液位测量方法很多液位测量方法很多, ,按测量原理有不同的分类按测量原理有不同的分类. .静压式：静压式：根据流体静力学原

6、理根据流体静力学原理, ,测量液柱对某点产生的静压力测量液柱对某点产生的静压力, , 或测量两点间的压差进行液位测量或测量两点间的压差进行液位测量. . 浮力式：浮力式：利用液体对浸在其中的物体具有浮力的原理利用液体对浸在其中的物体具有浮力的原理.hx(.hx(位移位移) )电容式：电容式：利用圆筒电容原理利用圆筒电容原理 接触式物位测量接触式物位测量导电介质电容物位测量导电介质电容物位测量非导电介质电容物位测量非导电介质电容物位测量6 液位测量方法很多液位测量方法很多, ,按测量原理有不同的分类按测量原理有不同的分类. .核辐射式物位测量：核辐射式物位测量：基于辐射线穿过介质时会被介质吸收的

7、原理基于辐射线穿过介质时会被介质吸收的原理. .超声波式：超声波式：基于声波的传播特性基于声波的传播特性, ,回声测距法回声测距法. .第六章第六章 新型液位传感器新型液位传感器1 1 概述概述 非接触式物位测量非接触式物位测量 射射线强强度度为 , ,穿过介质后的强度为穿过介质后的强度为-介介质对射射线的吸收系数的吸收系数, , -介介质层的厚度的厚度, ,-自然自然对数的底数的底. .7 液位测量方法很多液位测量方法很多, ,按测量原理有不同的分类按测量原理有不同的分类. .核辐射式物位测量：核辐射式物位测量：基于辐射线穿过介质时会被介质吸收的原理基于辐射线穿过介质时会被介质吸收的原理.

8、.超声波式：超声波式：基于声波的传播特性基于声波的传播特性, ,回声测距法回声测距法. .第六章第六章 新型液位传感器新型液位传感器1 1 概述概述 非接触式物位测量非接触式物位测量定点安装定点安装I I0 0跟踪式安装跟踪式安装伺服电机伺服电机多点组合式安装多点组合式安装8 接触式接触式, ,使用受限制使用受限制, ,机械传递部分寿命短机械传递部分寿命短. . 以上液位检测方法的不足以上液位检测方法的不足 受被测介质的影响受被测介质的影响, ,精度不稳定精度不稳定. .第六章第六章 新型液位传感器新型液位传感器1 1 概述概述 不能同时满足多参数不能同时满足多参数( (液位液位、界面界面)

9、)、高精度及宽量程高精度及宽量程 的要求的要求. . 核辐射式物位测量核辐射式物位测量, ,核辐射线对人体有害核辐射线对人体有害. .剂量要严格剂量要严格 控制控制. .要有必要的要有必要的、有效的防护措施及防护规定有效的防护措施及防护规定. . 放射源在半衰减期后放射源在半衰减期后, ,必须进行更换必须进行更换, ,否则不准确否则不准确. .9第六章第六章 新型液位传感器新型液位传感器1 1 概述概述 近年来近年来, ,国外针对液位测量中的特殊应用国外针对液位测量中的特殊应用-宽量程宽量程、高精度高精度、多参数多参数( (液位液位、界面界面、温度等温度等) )进行着不断地研进行着不断地研究与

10、开发究与开发, ,目前已开发出的几种新型液位测量仪表有：目前已开发出的几种新型液位测量仪表有：超声波液位仪超声波液位仪、雷达液位仪雷达液位仪、磁致伸缩液位仪磁致伸缩液位仪、射频射频导纳液位仪等导纳液位仪等. .在国外已广泛应用在国外已广泛应用. . 我国目前正在积极引进国外先进产品我国目前正在积极引进国外先进产品, ,进行应用研究进行应用研究与国产化开发与国产化开发. . 超声波液位仪超声波液位仪和和雷达液位仪雷达液位仪我国已有开我国已有开发试用产品发试用产品, ,磁致伸缩液位仪磁致伸缩液位仪在储油罐油位在储油罐油位、水位水位、温度温度、储油量的测量及控制中储油量的测量及控制中, ,具有很好的

11、应用前景具有很好的应用前景, ,我国也在我国也在积极的研发中积极的研发中. .102 2 超声波物位测量超声波物位测量 超声波物位测量必须有超声波的发射和接收装置超声波物位测量必须有超声波的发射和接收装置. . 超声波超声波-频率高于频率高于20KHz20KHz的声波的声波. . 高频声波在介质中传播高频声波在介质中传播, ,方向性好方向性好、扩散性小扩散性小. . 第六章第六章 新型液位传感器新型液位传感器11 当晶体两个面上施加交变电压时当晶体两个面上施加交变电压时, ,晶体片将产生沿厚度方向伸长和压缩晶体片将产生沿厚度方向伸长和压缩的交替变化的交替变化( (振荡振荡),),振动频率与所加

12、交振动频率与所加交流电的频率相同流电的频率相同. .该振动在周围媒介中该振动在周围媒介中发射同频率的声波发射同频率的声波. .1.1.超声波物位测量的基本原理超声波物位测量的基本原理晶体的逆压电效应晶体的逆压电效应 -可使电能转换成声能的效应可使电能转换成声能的效应. .f ff f交流输入交流输入逆压电效应逆压电效应 超声换能器超声换能器: : 所加交流电的频率为超声频率所加交流电的频率为超声频率, ,晶体晶体将向周围发射超声波将向周围发射超声波. .晶体的这一物理晶体的这一物理现象现象-逆压电效应逆压电效应. .2 2 超声波物位测量超声波物位测量超声波的发射和接收装置超声波的发射和接收装

13、置, ,实现电能与超声能的转换实现电能与超声能的转换. .第六章第六章 新型液位传感器新型液位传感器12 当晶体两个面上施加一脉动的外力当晶体两个面上施加一脉动的外力, ,使之变形使之变形, ,将有一定的电流产生将有一定的电流产生. .晶体的这一物理现象晶体的这一物理现象-压电效应压电效应. .晶体的压电效应晶体的压电效应 -可使声能转换成电能的效应可使声能转换成电能的效应. . 超声换能器利用晶体的超声换能器利用晶体的 逆压电效应逆压电效应: :用于超声波的发射用于超声波的发射. . 压电效应压电效应: :用于超声波的接收用于超声波的接收. .f ff f交流输出交流输出压电效应压电效应2

14、2 超声波物位测量超声波物位测量1.1.超声波物位测量的基本原理超声波物位测量的基本原理第六章第六章 新型液位传感器新型液位传感器13 声波在两种密度不同的介声波在两种密度不同的介质中中传播速度不同播速度不同, ,声波声波传播碰到两种介播碰到两种介质的相界面的相界面时, ,传播的方向将播的方向将发生生变化化, ,一部分被反射一部分被反射、一部分折射入相一部分折射入相邻介介质中中. . 测量原理测量原理反射率反射率: :设设: :两种介质密度分别为两种介质密度分别为 ，声波在其中传播，声波在其中传播 速度分别为速度分别为 , ,入射声强入射声强 , ,反射声强反射声强 . .-入射角入射角, ,

15、反射角反射角-声阻抗声阻抗2 2 超声波物位测量超声波物位测量第六章第六章 新型液位传感器新型液位传感器1.1.超声波物位测量的基本原理超声波物位测量的基本原理142.2.测量方法测量方法2 2 超声波物位测量超声波物位测量反射率反射率: : 采用垂直入射采用垂直入射: :当当 相差相差悬殊殊时 测量方法量方法-回声测距法回声测距法超声换能器可安装在容器的底部或顶部超声换能器可安装在容器的底部或顶部. . 可用两个换能器分别担负超声波的发射和接收，可用两个换能器分别担负超声波的发射和接收， 也可用一个换能器交替进行发射和接收也可用一个换能器交替进行发射和接收. .第六章第六章 新型液位传感器新

16、型液位传感器153.3.应用问题应用问题垂直安装垂直安装、要稳定要稳定 . .(2)(2)存在问题存在问题: :(3) (3) 的修正方法的修正方法 -校正具修正法校正具修正法 测量与声速无关量与声速无关, , 为已知，已知， 只需测得两个时间量求比值只需测得两个时间量求比值. . 校正具校正具: :(1)(1)应用要求应用要求: :一套固定距离的超声波参比装置一套固定距离的超声波参比装置. .直接影响测量直接影响测量. .2 2 超声波物位测量超声波物位测量第六章第六章 新型液位传感器新型液位传感器16 计算机采集液位信号的同时采集温度计算机采集液位信号的同时采集温度、压力信号压力信号 通过

17、模型进行修正通过模型进行修正. . 测绘不同温度测绘不同温度、压力时仪表输入输出特性压力时仪表输入输出特性, ,建立建立 数学模型数学模型. . 计算机软修正法计算机软修正法 如果介质存在密度梯度，如果介质存在密度梯度， 速度梯度速度梯度. . 可采用活动校正具，一端可采用活动校正具，一端 装一浮球随液升降装一浮球随液升降. .2 2 超声波物位测量超声波物位测量3.3.应用问题应用问题(3) (3) 的修正方法的修正方法第六章第六章 新型液位传感器新型液位传感器172 2 超声波物位测量超声波物位测量 实际应用实际应用-非接触式物位测量非接触式物位测量第六章第六章 新型液位传感器新型液位传感

18、器空高：空高： 物位仪物位仪LH被测液位：被测液位：v-v-超声波传播速度超声波传播速度tt时间时间 要注意垂直安装及要注意垂直安装及 的影响的影响. .184.4.超声波物位测量特点超声波物位测量特点2 2 超声波物位测量超声波物位测量优优 点点 物位测量没有可动部件物位测量没有可动部件, ,使用寿命长使用寿命长. .( (可测量高粘度可测量高粘度、高腐蚀及有毒介质，液体高腐蚀及有毒介质，液体、 粉末粉末、块体等块体等) ) 可做到非接触测量可做到非接触测量, ,应用范围广应用范围广. . 测量范围宽测量范围宽. .缺缺 点点 探头本身不能承受高温探头本身不能承受高温. . 不能用于对声波吸

19、收能力很强的介质不能用于对声波吸收能力很强的介质. . 电路部分较复杂电路部分较复杂、造价高造价高. . 要考虑声速对测量的影响要考虑声速对测量的影响. .第六章第六章 新型液位传感器新型液位传感器19 一种特殊形式的电磁波一种特殊形式的电磁波, ,其物理特性其物理特性 与可见光相似与可见光相似. .根据量子理论根据量子理论, ,雷达信号雷达信号 可穿透空间可穿透空间, ,传播速度相当于光速传播速度相当于光速. .一、基本原理一、基本原理-基于雷达信号的传播特性基于雷达信号的传播特性. . 雷达信号雷达信号 二、方法与结构二、方法与结构方法方法: :时域反射时域反射( (回声测距回声测距) )

20、与超声波方法相同与超声波方法相同. . 雷达信号雷达信号( (电磁波电磁波) )的发射的发射反射反射接收接收. .结构结构: :按天线的不同分两种按天线的不同分两种普通雷达液位仪普通雷达液位仪导波雷达液位仪导波雷达液位仪第六章第六章 新型液位传感器新型液位传感器3 3 雷达物位仪雷达物位仪20(1)(1)普通雷达液位仪普通雷达液位仪 -喇叭口天线喇叭口天线 仪表电路部分仪表电路部分, ,每隔每隔278ns278ns发射一束雷达脉冲信号发射一束雷达脉冲信号, ,脉冲波脉冲波速的频率为速的频率为3.6MHz.3.6MHz.每束脉冲频每束脉冲频率率f f最低为最低为5.8GHz.5.8GHz. 发射

21、间隔天线系统作为发射间隔天线系统作为接收装置接收装置, , 仪表在极短的仪表在极短的一瞬间分析处理回波图一瞬间分析处理回波图. .第六章第六章 新型液位传感器新型液位传感器3 3 雷达物位仪雷达物位仪21(1)(1)导波雷达液位仪导波雷达液位仪导波体波体-导波体导波体( (管管) )天线天线 采用采用导波体或波体或导波导波管做天管做天线, ,雷达信号集中沿雷达信号集中沿导波体波体( (管管) )传播播, ,不受不受雾气气、液面泡沫等影响液面泡沫等影响, ,因此因此, ,应用更广泛用更广泛. . 导波雷达液位仪由于信号集中沿导波雷达液位仪由于信号集中沿导波体导波体( (管管) )传播传播, ,信

22、号能量衰减小信号能量衰减小, ,约为普通雷达液位普通雷达液位仪发射能量的射能量的10%,10%,故可降低制造故可降低制造难度和造价度和造价. . 第六章第六章 新型液位传感器新型液位传感器3 3 雷达物位仪雷达物位仪22 目前国外已做成智能型目前国外已做成智能型( (德国产品德国产品, ,中国代理中国代理) ) 测量分辨率高测量分辨率高, ,可达可达1mm .1mm .量程宽量程宽, ,可达可达35M .35M .的液体或固体介的液体或固体介质均可均可测量量. .三、三、特点特点 不受温度不受温度、压力影响压力影响. . 温度影响几乎为温度影响几乎为0.0. (500(500时为时为0.018

23、%,0.018%,压力压力P=50barP=50bar时时,0.8%),0.8%)现场显示液位现场显示液位 几种输出形式几种输出形式420mA420mA模拟输出模拟输出, ,数字通讯数字通讯( (任意联网任意联网) )数字输出数字输出( (一根双芯线可连接一根双芯线可连接1515个仪表个仪表, ,用手操器进行远距离调试用手操器进行远距离调试、校准等校准等) )( (辽河油田辽河油田、胜利油田应用胜利油田应用) )第六章第六章 新型液位传感器新型液位传感器3 3 雷达物位仪雷达物位仪23第六章第六章 新型液位传感器新型液位传感器 近年来近年来, ,美国及一些欧洲国家研制出磁致伸缩液位仪美国及一些

24、欧洲国家研制出磁致伸缩液位仪, , 能同时满足高精度能同时满足高精度、多参数及宽量程的要求多参数及宽量程的要求. .4 4 磁致伸缩液位测量磁致伸缩液位测量 美国美国MTSMTS公司的一产品公司的一产品 测量范围：测量范围：0.127m0.127m18.28m,18.28m,精度：精度：0.508mm,0.508mm, 分辨率：分辨率：0.025mm,0.025mm,温度范围：温度范围：-30-301491490 0C.C. 可同时测液位可同时测液位、界面界面. .已智能化已智能化, ,内部具有温度补偿内部具有温度补偿, , 量程自校准等量程自校准等, ,无故障无故障2323年年. . 24第

25、六章第六章 新型液位传感器新型液位传感器4 4 磁致伸缩液位测量磁致伸缩液位测量 主要基于磁致伸缩效应主要基于磁致伸缩效应, ,结合浮力原理结合浮力原理、电磁感应及电子技术等多种技术的综合应用电磁感应及电子技术等多种技术的综合应用. .一、磁致伸缩效应一、磁致伸缩效应 机理机理 在外磁场作用下在外磁场作用下, ,材料内部随机取向的磁畴材料内部随机取向的磁畴 发生旋转至与外磁场方向一致发生旋转至与外磁场方向一致, , 使之在外形使之在外形 几何尺寸出现沿磁场方向伸长或缩短的现象几何尺寸出现沿磁场方向伸长或缩短的现象. . 基本原理基本原理-铁磁材料铁磁材料( (铁铁、镍等镍等) )在磁场作用下在

26、磁场作用下发生形变的物理现象发生形变的物理现象. .25 主要基于磁致伸缩效应主要基于磁致伸缩效应, ,结合浮力原理结合浮力原理、电磁感应及电子技术等多种技术的综合应用电磁感应及电子技术等多种技术的综合应用. .第六章第六章 新型液位传感器新型液位传感器 18421842年美国科学家年美国科学家(James Prescott Joule)(James Prescott Joule)发现了发现了磁致伸缩效应磁致伸缩效应. .由于材料的磁致伸缩效应非常细微由于材料的磁致伸缩效应非常细微, ,如如镍铁合金只有镍铁合金只有30PPM,30PPM,没有应用价值没有应用价值. .随着新材料的开发随着新材料

27、的开发, ,稀土技术的应用稀土技术的应用, ,使磁致伸缩效应提升至使磁致伸缩效应提升至1500PPM.1500PPM. 19401940年磁致伸缩效应首次应用于潜艇声纳探测距离年磁致伸缩效应首次应用于潜艇声纳探测距离系统上系统上. .4 4 磁致伸缩液位测量磁致伸缩液位测量 基本原理基本原理一、磁致伸缩效应一、磁致伸缩效应26 70 70年代磁致伸缩效应被迅速开发应用于位移年代磁致伸缩效应被迅速开发应用于位移、液位液位、速度等测量速度等测量. . 广泛应用于机械自动化广泛应用于机械自动化、钢铁厂钢铁厂、生化生化、石化石化、木材加工等各个领域木材加工等各个领域. .一、磁致伸缩效应一、磁致伸缩效

28、应 目前磁致伸缩液位传感器市场占有率逐年增加目前磁致伸缩液位传感器市场占有率逐年增加, ,以美国以美国MTSMTS系统公司和系统公司和Veeder rootVeeder root公司代表的生产公司代表的生产厂家达几十家厂家达几十家, ,在国外各控制领域应用超过在国外各控制领域应用超过1010万台万台. . 进入中国市场较晚进入中国市场较晚, ,近年我国才由国内代理国外近年我国才由国内代理国外产品进入应用研究阶段产品进入应用研究阶段. .国内几家仪表厂初步开发出国内几家仪表厂初步开发出自已的试用产品自已的试用产品. .第六章第六章 新型液位传感器新型液位传感器4 4 磁致伸缩液位测量磁致伸缩液位

29、测量27二、结构及工作原理二、结构及工作原理 结构结构磁环：磁环：随液面升降的磁性浮子随液面升降的磁性浮子( (内存磁钢内存磁钢).).产生轴向磁场产生轴向磁场. .保护管：保护管：( (外管外管) )保护波导管不受化学及机械损坏保护波导管不受化学及机械损坏. .处理电路：处理电路：智能信号处理智能信号处理( (包括发射包括发射、接收接收、计数计数、控制等控制等) ) 磁致伸缩材料制成的薄壁毛细管磁致伸缩材料制成的薄壁毛细管. . 波导管波导管 在波导管内具有一定张力的铜线在波导管内具有一定张力的铜线, ,通电流后可在波导管径向感应出垂通电流后可在波导管径向感应出垂直于铜线的环形磁场直于铜线的

30、环形磁场. . 铜线铜线第六章第六章 新型液位传感器新型液位传感器4 4 磁致伸缩液位测量磁致伸缩液位测量28v-v-应变波运行速度应变波运行速度, ,约约3000M/s3000M/s 当两磁场相交时当两磁场相交时, ,产生一螺旋磁场使波导管应变产生一螺旋磁场使波导管应变( (扭转变形扭转变形), ), 并以超声波速度运行到电子部件的感应线圈并以超声波速度运行到电子部件的感应线圈. . ( (应变波向两端运行应变波向两端运行, ,沿管传到底部侧沿管传到底部侧, ,被底部的阻尼装置吸收被底部的阻尼装置吸收, ,运行到上部在感应线圈中产生电势运行到上部在感应线圈中产生电势).). 测量从发出脉冲到

31、反回应变脉冲的时间测量从发出脉冲到反回应变脉冲的时间, ,即可得到液位即可得到液位. . 电路部分向波导管内的铜线发出电路部分向波导管内的铜线发出一询问脉冲一询问脉冲, ,此脉冲电流同时产生此脉冲电流同时产生一垂直于铜线一垂直于铜线( (沿波导管径向沿波导管径向) )的环的环形磁场；沿外管随液位升降的磁浮形磁场；沿外管随液位升降的磁浮子产生一轴向磁场子产生一轴向磁场. . 工作原理工作原理第六章第六章 新型液位传感器新型液位传感器4 4 磁致伸缩液位测量磁致伸缩液位测量二、结构及工作原理二、结构及工作原理29 与浮子接触式不同与浮子接触式不同, ,能量转换与能量转换与信号处理非接触信号处理非接

32、触、无机械传动部件无机械传动部件. .1.1.非接触测量非接触测量三、功能特点三、功能特点 测液位的浮子密度测液位的浮子密度 应稍小于液体应稍小于液体密度密度 . .若两种液体若两种液体 , ,增加一磁增加一磁浮子其密度为浮子其密度为 , ,只要满足只要满足 , ,浮子浮在两液体界面处浮子浮在两液体界面处. .2.2.很方便地实现液位很方便地实现液位、界面测量界面测量第六章第六章 新型液位传感器新型液位传感器4 4 磁致伸缩液位测量磁致伸缩液位测量30总线传输总线传输( (远距离手操器调试远距离手操器调试、设定等设定等) ) 时间量测量时间量测量, ,采用数字接口采用数字接口, , 高频计数脉

33、冲源实现高分辨力高频计数脉冲源实现高分辨力. .3.3.高精度高精度 底部放一磁浮子进行自校正底部放一磁浮子进行自校正: : 总长为总长为L,L,对应时间对应时间T. T. 温度补偿温度补偿, ,在波导管与外管之间在波导管与外管之间 均匀放置均匀放置5 5个温敏元件个温敏元件. .4.4.智能化智能化第六章第六章 新型液位传感器新型液位传感器4 4 磁致伸缩液位测量磁致伸缩液位测量三、功能特点三、功能特点3155 新型液位仪国产化开发情况新型液位仪国产化开发情况 我国目前正在积极引进国外产品我国目前正在积极引进国外产品, ,进行应用研究与进行应用研究与国产化开发阶段国产化开发阶段, ,磁致伸缩

34、液位仪在储油罐油位磁致伸缩液位仪在储油罐油位、水位水位、温度温度、储油量的测量及控制中储油量的测量及控制中, ,具有很好的应用前景具有很好的应用前景. .科研简介：北京空军油料研究所与我校联合开发科研简介：北京空军油料研究所与我校联合开发 -油料储运自动化系统油料储运自动化系统要求：要求：对国外磁致伸缩式对国外磁致伸缩式、雷达式液位传感器产品进行雷达式液位传感器产品进行 机理分析与研究机理分析与研究, ,国产化开发研制国产化开发研制. . 第六章第六章 新型液位传感器新型液位传感器32第六章第六章 5 5 新型液位仪国产化开发情况新型液位仪国产化开发情况20002000级研究生赵芳级研究生赵芳

35、、任波的研究课题任波的研究课题 赵芳赵芳, ,姜波姜波, ,陈祥光等陈祥光等. .磁致伸缩效应在高精度液位测量中的应用研究磁致伸缩效应在高精度液位测量中的应用研究. . 仪表技术与传感器仪表技术与传感器,2003(8).,2003(8). 任波任波, ,陈祥光陈祥光, ,姜波等姜波等. .磁致伸缩液位传感器机理研究磁致伸缩液位传感器机理研究. . 传感器技术传感器技术,2003(1).,2003(1).20012001级研究生齐荣的研究课题级研究生齐荣的研究课题 齐荣齐荣, ,姜波姜波, ,陈祥光等陈祥光等. .磁致伸缩液位传感器中高分辨力时间量检测磁致伸缩液位传感器中高分辨力时间量检测. .

36、 传感器技术传感器技术,2004(4).,2004(4).一、磁致伸缩液位仪研究与开发一、磁致伸缩液位仪研究与开发33一、磁致伸缩液位仪研究与开发一、磁致伸缩液位仪研究与开发1 1 传感器机理研究传感器机理研究传感器的总体结构及工作原理传感器的总体结构及工作原理 波导管磁浮子测量头液面罐体界面第六章第六章 5 5 新型液位仪国产化开发情况新型液位仪国产化开发情况 磁致伸缩液位传感器是由测量头磁致伸缩液位传感器是由测量头( (包包括脉冲发生括脉冲发生、回波接收回波接收、信号检测与处理信号检测与处理电路电路) )、波导管和磁浮子组成波导管和磁浮子组成. . 其中测量头装置在罐体之外其中测量头装置在

37、罐体之外, ,波导管波导管外有不锈钢或铝合金的保护套管外有不锈钢或铝合金的保护套管, ,插入液插入液体中直达罐底体中直达罐底, ,底部固定在罐底底部固定在罐底, ,磁浮子可磁浮子可以有两个以有两个, ,一个测量液位一个测量液位, ,一个测量界位一个测量界位. .总体结构总体结构34一、磁致伸缩液位仪研究与开发一、磁致伸缩液位仪研究与开发 该传感器是综合利用浮力效应该传感器是综合利用浮力效应、磁致磁致伸缩效应伸缩效应、电磁效应电磁效应、磁机械磁机械( (超声超声) )效应等效应等原理进行工作原理进行工作, ,通过检测从发生电脉冲至通过检测从发生电脉冲至接收到磁浮子的返回脉冲之间的时间间隔接收到磁

38、浮子的返回脉冲之间的时间间隔来计算液面和界面的位置来计算液面和界面的位置. . 由于时间量检测可以达到很高的精度由于时间量检测可以达到很高的精度, ,而且还可采用温度补偿等措施而且还可采用温度补偿等措施, ,所以磁致伸所以磁致伸缩传感器能够达到很高的精度缩传感器能够达到很高的精度. .第六章第六章 5 5 新型液位仪国产化开发情况新型液位仪国产化开发情况1 1 传感器机理研究传感器机理研究传感器的总体结构及工作原理传感器的总体结构及工作原理 波导管磁浮子测量头液面罐体界面35传感器的工作原理传感器的工作原理 移动的磁浮子在波导管中产生一轴向移动的磁浮子在波导管中产生一轴向磁场磁场, ,脉冲发生

39、电路产生电脉冲脉冲发生电路产生电脉冲, ,沿着铜丝沿着铜丝传播传播, ,在铜丝周围产生一环形磁场随着电脉在铜丝周围产生一环形磁场随着电脉冲一道以光速传播冲一道以光速传播, ,当遇到磁浮子的轴向磁当遇到磁浮子的轴向磁场时合成一个瞬间的倾斜磁场场时合成一个瞬间的倾斜磁场, ,根据威德曼根据威德曼(Wiedemann)(Wiedemann)效应效应, ,将在波导管中产生一个将在波导管中产生一个扭转弹性波扭转弹性波, ,弹性波以恒定的超声速向波导弹性波以恒定的超声速向波导管两端传播管两端传播, ,在测量头一端被回波接收器接在测量头一端被回波接收器接收转换为电脉冲收转换为电脉冲, ,通过检测两个电脉冲的

40、时通过检测两个电脉冲的时间差间差, ,即可计算出液位即可计算出液位. . 脉冲发生弹性回波接收器信号处理电路石英晶振显示 波导管 磁浮子第六章第六章 5 5 新型液位仪国产化开发情况新型液位仪国产化开发情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发一、磁致伸缩液位仪研究与开发1 1 传感器机理研究传感器机理研究传感器的总体结构及工作原理传感器的总体结构及工作原理 波导管磁浮子测量头液面罐体界面36传感器机理分析传感器机理分析 磁致伸缩原理磁致伸缩原理 铁磁材料或亚铁磁材料在居里点温度以下铁磁材料或亚铁磁材料在居里点温度以下, ,在磁场中被磁化时在磁场中被磁化时, ,会沿磁化方向发生微量伸长和缩短会沿磁化方向

41、发生微量伸长和缩短, ,称之为称之为磁致伸缩效应磁致伸缩效应, ,又称焦耳又称焦耳(Joule)(Joule)效应效应. . 磁致伸缩的产生是由于铁磁材料在居里点温度以下发生自发磁化磁致伸缩的产生是由于铁磁材料在居里点温度以下发生自发磁化, ,形成大量磁畴形成大量磁畴. .在每个磁畴内在每个磁畴内, ,晶格发生形变晶格发生形变. .在未加外磁场时在未加外磁场时, ,磁畴的磁畴的磁化方向是随机取向的磁化方向是随机取向的, ,不显示宏观效应；在外磁场中不显示宏观效应；在外磁场中, ,大量磁畴的磁大量磁畴的磁化方向转向外场化方向转向外场, ,其宏观效应即是材料在磁力线方向的伸长或缩短其宏观效应即是材

42、料在磁力线方向的伸长或缩短. .长长度为度为 的磁性体外加磁场时的磁性体外加磁场时, ,相对伸缩的值相对伸缩的值 , ,即为磁致伸缩常数即为磁致伸缩常数. . 相反相反, ,由于形状变化由于形状变化, ,致使磁化强度发生变化的现象致使磁化强度发生变化的现象, ,称为称为磁致伸缩磁致伸缩逆效应逆效应(Villary(Villary效应效应).).第六章第六章 5 5 新型液位仪国产化开发情况新型液位仪国产化开发情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发一、磁致伸缩液位仪研究与开发1 1 传感器机理研究传感器机理研究37对于对于VillaryVillary效应效应, ,磁化量的变化量可表示为磁化量的变化量可

43、表示为: :对于对于JouleJoule效应效应, ,磁场变化磁场变化 , ,磁致伸缩的变化有磁致伸缩的变化有: :- -饱和磁致伸缩；饱和磁致伸缩；- -饱和磁化强度；饱和磁化强度；- -单轴磁各向异性常数；单轴磁各向异性常数；- -磁场与易磁化轴间的角度磁场与易磁化轴间的角度. .- -周向扭曲应力变化周向扭曲应力变化. . 第六章第六章 5 5 新型液位仪国产化开发情况新型液位仪国产化开发情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发一、磁致伸缩液位仪研究与开发1 1 传感器机理研究传感器机理研究38 磁致伸缩位移传感原理磁致伸缩位移传感原理 磁致伸缩效应在位移检测中已得到广泛应用磁致伸缩效应在位移检

44、测中已得到广泛应用. .其工作原理是其工作原理是, ,利用两个不同的磁场相交使波导管利用两个不同的磁场相交使波导管发生波导扭曲发生波导扭曲, ,产生一个超声波信号产生一个超声波信号, ,然后计算这个然后计算这个信号被探测所需的时间信号被探测所需的时间, ,便能换算出动磁铁的准确便能换算出动磁铁的准确位置位置. .第六章第六章 5 5 新型液位仪国产化开发情况新型液位仪国产化开发情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发一、磁致伸缩液位仪研究与开发1 1 传感器机理研究传感器机理研究39 在波导管的轴向方向配置非接触移在波导管的轴向方向配置非接触移动的磁体动的磁体, , 给磁致伸缩波导管产生轴向给磁致伸缩

45、波导管产生轴向磁场磁场. . 当在金属线上有一个轴向的电流当在金属线上有一个轴向的电流脉冲时脉冲时, ,在波导管上则产生周向磁场在波导管上则产生周向磁场, ,周周向和轴向磁场矢量合成倾斜磁场向和轴向磁场矢量合成倾斜磁场, ,因周向因周向磁场产生于瞬间磁场产生于瞬间, ,所以所以, ,倾斜磁场也瞬间倾斜磁场也瞬间产生产生. . 波导管中的磁场瞬间变化时波导管中的磁场瞬间变化时, ,根据威根据威德曼效应德曼效应, ,金属随其瞬间变形产生波导扭金属随其瞬间变形产生波导扭曲曲, ,同时产生一个应变脉冲的超声波信号同时产生一个应变脉冲的超声波信号, ,在波导管中以固定的速度向两端传播在波导管中以固定的速

46、度向两端传播. .第六章第六章 5 5 新型液位仪国产化开发情况新型液位仪国产化开发情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发一、磁致伸缩液位仪研究与开发1 1 传感器机理研究传感器机理研究40应变脉冲的超声波信号在波导管的传播速度为应变脉冲的超声波信号在波导管的传播速度为: :- -波导管的剪切弹性模量波导管的剪切弹性模量- -波导管密度波导管密度第六章第六章 5 5 新型液位仪国产化开发情况新型液位仪国产化开发情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发一、磁致伸缩液位仪研究与开发1 1 传感器机理研究传感器机理研究 、均是恒定均是恒定( (对于一定的波导管来说对于一定的波导管来说) )的的, ,所以传播速度也

47、恒定，所以传播速度也恒定，约为约为3km/s.3km/s.当超声波沿波导管传到控制器一端时当超声波沿波导管传到控制器一端时, ,超声波被固连在超声波被固连在波导管上的回波接受装置接收转换为电脉冲波导管上的回波接受装置接收转换为电脉冲, ,经放大送到主要由计经放大送到主要由计数器所组成的测量电路中数器所组成的测量电路中. .因为超声波在波导管中是以恒速传播的因为超声波在波导管中是以恒速传播的, ,所以只要测出脉冲发射与脉冲接收两者之间的时间间隔所以只要测出脉冲发射与脉冲接收两者之间的时间间隔, ,乘以这个乘以这个固定速度固定速度, ,即可得到磁铁的位置即可得到磁铁的位置, ,实现位置检测实现位置

48、检测. .这个过程是连续不这个过程是连续不断的断的, ,所以所以, ,每当磁铁移动时每当磁铁移动时, ,新的位置就被感测出来新的位置就被感测出来. . 磁铁位置磁铁位置= =时差时差 传送速度零点位置传送速度零点位置 磁铁离传感器的电子检测装置越远磁铁离传感器的电子检测装置越远, ,声波传播所需的时间就声波传播所需的时间就越长越长, ,所以传感器的更新时间与距离成正比所以传感器的更新时间与距离成正比. . 最长更新时间最长更新时间=(=(量程量程+ +零点位置零点位置)/)/传送速度传送速度 41 磁致伸缩液位测量原理磁致伸缩液位测量原理 在位移传感器中在位移传感器中, ,若将磁环装置在浮若将

49、磁环装置在浮子中子中, ,而将波导管垂直安装在罐中而将波导管垂直安装在罐中, ,则磁则磁环环( (磁浮子磁浮子) )随着液面随着液面( (界面界面) )的变化上下的变化上下滑动滑动, ,与位移传感原理相同与位移传感原理相同, ,即可测得磁即可测得磁浮子的位置从而得出液面浮子的位置从而得出液面( (界面界面) )高度高度. . 波导管是一根外径为波导管是一根外径为0.55mm,0.55mm,壁厚壁厚0.05 mm0.05 mm的细长管子的细长管子, ,管子里面装有一根绝缘铜丝管子里面装有一根绝缘铜丝, ,为了为了保护和屏蔽保护和屏蔽, ,在波导管外套一个屏蔽管在波导管外套一个屏蔽管, ,屏蔽管屏

50、蔽管可以是不锈钢或铝合金等可以是不锈钢或铝合金等, ,波导管材料的成分波导管材料的成分主要是铁镍合金主要是铁镍合金. .第六章第六章 5 5 新型液位仪国产化开发情况新型液位仪国产化开发情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发一、磁致伸缩液位仪研究与开发1 1 传感器机理研究传感器机理研究42第六章第六章 5 5 新型液位仪国产化开发情况新型液位仪国产化开发情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发一、磁致伸缩液位仪研究与开发 采用管状传递超声波机理分析采用管状传递超声波机理分析 Wiedemann Wiedemann效应既可发生在波导线中效应既可发生在波导线中, ,也可发生在波导管中也可发生在波导管中, ,采

51、用波导管和铜线的采用波导管和铜线的结构是因为波导管和铜线功能分离结构是因为波导管和铜线功能分离, ,互不干互不干扰扰. .波导管只需传递扭转波波导管只需传递扭转波, , 因此只需考虑因此只需考虑其磁导率；铜导线用来传递电脉冲其磁导率；铜导线用来传递电脉冲. .若仅采若仅采用波导线用波导线, , 除了要考虑它的磁导率外除了要考虑它的磁导率外, ,还得还得考虑它的电导率考虑它的电导率, ,无疑给波导管材料的选择无疑给波导管材料的选择带来困难带来困难. .1 1 传感器机理研究传感器机理研究43第六章第六章 5 5 新型液位仪国产化开发情况新型液位仪国产化开发情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发一、磁致

52、伸缩液位仪研究与开发 相同外径的波导管和波导线在同样大相同外径的波导管和波导线在同样大小的扭转波作用下小的扭转波作用下, ,波导管的材料变形量大波导管的材料变形量大, ,也就是说波导管的信号更容易被回波接收装也就是说波导管的信号更容易被回波接收装置转变成电脉冲信号加以接收置转变成电脉冲信号加以接收. . 由于趋肤效应由于趋肤效应, , 电流脉冲在固体铁磁波电流脉冲在固体铁磁波导线中传播时导线中传播时, , 电脉冲沿波导线最外层传播电脉冲沿波导线最外层传播, ,因而不能得到完全的磁感应因而不能得到完全的磁感应. .当铜导线在波导当铜导线在波导管内传递电脉冲时管内传递电脉冲时, , 管中得到完全的

53、磁感应管中得到完全的磁感应, ,可得到更强感应的应力脉冲可得到更强感应的应力脉冲, ,该脉冲宽度较窄该脉冲宽度较窄, ,可得到高频响应可得到高频响应, ,使测量信号更好使测量信号更好. .1 1 传感器机理研究传感器机理研究44第六章第六章 5 5 新型液位仪国产化开发情况新型液位仪国产化开发情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发一、磁致伸缩液位仪研究与开发 弹性回波的接收弹性回波的接收 波导管上焊接着绕有线圈的两条窄金属带波导管上焊接着绕有线圈的两条窄金属带, ,线圈处在线圈处在由小磁铁产生的旁路磁场中由小磁铁产生的旁路磁场中, ,当弹性扭转回波传到这里时当弹性扭转回波传到这里时, ,转变为对这两

54、条金属带的推力和拉力转变为对这两条金属带的推力和拉力, ,金属带和波导管是金属带和波导管是用相同的磁致伸缩材料制成的用相同的磁致伸缩材料制成的, ,由于由于VillaryVillary效应效应, ,两条金两条金属带在拉力和推力的作用下属带在拉力和推力的作用下, ,发生伸缩发生伸缩, ,而引起线圈内磁感而引起线圈内磁感应量的变化应量的变化, ,在永久磁铁磁场作用下在永久磁铁磁场作用下, ,线圈中感应出电脉冲线圈中感应出电脉冲. .1 1 传感器机理研究传感器机理研究45第六章第六章 5 5 新型液位仪国产化开发情况新型液位仪国产化开发情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发一、磁致伸缩液位仪研究与开发

55、采用差动方式采用差动方式, ,两条金属带完全相同两条金属带完全相同, ,一伸一缩一伸一缩, ,从而线从而线圈中的感应电势大小相同圈中的感应电势大小相同, ,方向相反方向相反, , 将两个脉冲迭加将两个脉冲迭加, ,则一则一方面可以得到增大一倍的信号方面可以得到增大一倍的信号, ,同时可以消除共模干扰同时可以消除共模干扰. . 该机电转换是先将扭转波脉冲转换成两金属带的纵波脉该机电转换是先将扭转波脉冲转换成两金属带的纵波脉冲冲, ,然后再根据纵向然后再根据纵向VillaryVillary效应进行接收效应进行接收. . 也可直接采用也可直接采用VillaryVillary效应效应, ,利用波导管内

56、的铜线或在波利用波导管内的铜线或在波导管上绕有线圈导管上绕有线圈, ,将波导管扭转波直接转换成电脉冲将波导管扭转波直接转换成电脉冲. .1 1 传感器机理研究传感器机理研究46第六章第六章 5 5 新型液位仪国产化开发情况新型液位仪国产化开发情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发一、磁致伸缩液位仪研究与开发 时间量的测量时间量的测量 传感器通过测量脉冲发射和回波接收之间的时间间隔传感器通过测量脉冲发射和回波接收之间的时间间隔来确定液位的位置来确定液位的位置, ,所以时间量的测量直接决定着液位测量所以时间量的测量直接决定着液位测量的精度的精度. . 时间量的测量有多种方法时间量的测量有多种方法, ,脉

57、冲记数法可达到很高的精脉冲记数法可达到很高的精度度, ,还可以直接输出数字信号还可以直接输出数字信号. .tdTT t t t tITUR发送脉冲接收脉冲计数脉冲源计数脉冲1 1 传感器机理研究传感器机理研究47第六章第六章 5 5 新型液位仪国产化开发情况新型液位仪国产化开发情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发一、磁致伸缩液位仪研究与开发如如 V=3000m/s, V=3000m/s,计数频率为计数频率为150MHz,150MHz,则分辨率则分辨率为：为： 可见可见, ,只要计数脉冲源的频率足够高只要计数脉冲源的频率足够高, ,磁致磁致伸缩液位传感器的理论分辨率可以达到无穷伸缩液位传感器的理论分

58、辨率可以达到无穷小小, ,传感器可以达到非常高的精度。传感器可以达到非常高的精度。1 1 传感器机理研究传感器机理研究tdTT t t t tITUR发送脉冲接收脉冲计数脉冲源计数脉冲 发射的电流脉冲发射的电流脉冲I IT T以光速传播以光速传播, ,所以其传播时间可以忽略所以其传播时间可以忽略. .脉冲电脉冲电流发射时触发测量电路的计数器开始计数流发射时触发测量电路的计数器开始计数, ,回波接收装置转换的电脉回波接收装置转换的电脉冲冲U UR R , ,经整形放大后对计数器复位经整形放大后对计数器复位, ,使其停止计数使其停止计数, ,则计数器的计数值则计数器的计数值正比于时间间隔正比于时间

59、间隔t td d , ,知道计数脉冲频率即可求出知道计数脉冲频率即可求出t td d . . 在电流脉冲频率在电流脉冲频率f f适当的情况下适当的情况下, ,回波脉冲具有相同的频率回波脉冲具有相同的频率, ,U UR R较较I IT T延迟延迟t td d . .计数脉冲源的频率越高计数脉冲源的频率越高, ,时间时间t td d内所计脉冲数越多内所计脉冲数越多, ,一个计数一个计数脉冲表示的当量距离越小脉冲表示的当量距离越小, ,即分辨率越高即分辨率越高. .48 温度补偿温度补偿 磁致伸缩传感器是采用浮子作为液位感应元件磁致伸缩传感器是采用浮子作为液位感应元件, ,当介质当介质密度变化时密度

60、变化时, ,将给测量精度带来影响将给测量精度带来影响. .温度变化将引起介质的温度变化将引起介质的密度变化密度变化, ,使浮子浸在介质中的高度发生变化给测量带来误差使浮子浸在介质中的高度发生变化给测量带来误差. .第六章第六章 5 5 新型液位仪国产化开发情况新型液位仪国产化开发情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发一、磁致伸缩液位仪研究与开发 以油料为例以油料为例, ,油料的相对密度为油料密度与油料的相对密度为油料密度与44同体积蒸馏水密度同体积蒸馏水密度之比之比, ,用用 表示表示, ,油料相对密度与温度的关系为油料相对密度与温度的关系为: :1 1 传感器机理研究传感器机理研究- -油料相对密

61、度的温度修正系数油料相对密度的温度修正系数. .-20-20油料的相对密度油料的相对密度, ,称标准相对密度称标准相对密度. .49第六章第六章 5 5 新型液位仪国产化开发情况新型液位仪国产化开发情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发一、磁致伸缩液位仪研究与开发 在高精度磁致伸缩液位测量中在高精度磁致伸缩液位测量中, ,温度的影响是不可忽视的温度的影响是不可忽视的. .目前美国磁致伸缩传感器产品目前美国磁致伸缩传感器产品, ,沿传感器波导管安装多个温敏沿传感器波导管安装多个温敏元件元件, ,检测液体的温度变化检测液体的温度变化, ,采用单片机系统自动进行温度补采用单片机系统自动进行温度补偿偿. .

62、 另外减小浮子的密度另外减小浮子的密度, ,使浮子浸入液体的高度减小使浮子浸入液体的高度减小, ,也可也可以减小温度变化引起的密度变化对测量的影响以减小温度变化引起的密度变化对测量的影响. .1 1 传感器机理研究传感器机理研究 以油料为例以油料为例, ,油料的相对密度为油料密度与油料的相对密度为油料密度与44同体积蒸馏水密度同体积蒸馏水密度之比之比, ,用用 表示表示, ,油料相对密度与温度的关系为油料相对密度与温度的关系为: :- -油料相对密度的温度修正系数油料相对密度的温度修正系数. .-20-20油料的相对密度油料的相对密度, ,称标准相对密度称标准相对密度. .50第六章第六章 5

63、 5 新型液位仪国产化开发情况新型液位仪国产化开发情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发一、磁致伸缩液位仪研究与开发抗干扰措施抗干扰措施 在测量过程中在测量过程中, ,传感器内的发射电流脉冲和应变脉冲不可传感器内的发射电流脉冲和应变脉冲不可避免地会对测量信号产生一定的干扰避免地会对测量信号产生一定的干扰. .为了提高采样的可靠性为了提高采样的可靠性, ,减小虚假信息的影响减小虚假信息的影响, ,采用数字滤波采用数字滤波, ,具有硬件滤波器的功效具有硬件滤波器的功效, ,却不需要硬件投资却不需要硬件投资. . 数字滤波即进行连续多次测量数字滤波即进行连续多次测量, ,然后求其平均值作为有效然后求其平均

64、值作为有效采样值采样值. .采样次数越大采样次数越大, ,效果越好效果越好, ,但系统灵敏度下降但系统灵敏度下降. . 也可采用滑动平均滤波算法也可采用滑动平均滤波算法, ,这种算法只采样一次这种算法只采样一次, ,将这一将这一次采样值和过去若干次采样值一起求平均次采样值和过去若干次采样值一起求平均, ,得到有效的采样值得到有效的采样值. .如果取如果取n n个采样值求平均个采样值求平均,RAM,RAM中必须开辟中必须开辟n n个数据暂存区个数据暂存区. .每新每新采集一个数据便存入暂存区采集一个数据便存入暂存区, ,同时去掉一个最老的数据同时去掉一个最老的数据, , 保持保持这这n n个数据

65、始终是最近的数据个数据始终是最近的数据, ,然后将这然后将这n n个采样值求平均即可个采样值求平均即可得到有效采样值得到有效采样值. .1 1 传感器机理研究传感器机理研究51第六章第六章 5 5 新型液位仪国产化开发情况新型液位仪国产化开发情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发一、磁致伸缩液位仪研究与开发 分析研究可知分析研究可知, , 磁致伸缩液位仪能够实现高精度测量磁致伸缩液位仪能够实现高精度测量, ,主要是综合了磁致伸缩效应主要是综合了磁致伸缩效应、浮力原理浮力原理、电磁感应电磁感应、电子电子技术等构成的先进的测量技术技术等构成的先进的测量技术, ,同时考虑了高分辩率的时同时考虑了高分辩率的

66、时间量检测间量检测、液体密度变化以及应变波速变化对测量的影响液体密度变化以及应变波速变化对测量的影响. .1 1 传感器机理研究传感器机理研究任波任波, ,陈祥光陈祥光, ,姜波等姜波等. .磁致伸缩液位传感器机理研究磁致伸缩液位传感器机理研究. .传感器技术传感器技术,2003(1). ,2003(1). 52高分辩力的时间量检测高分辩力的时间量检测( (接口接口) ) 被测液位被测液位L L是通过仪表对时间量是通过仪表对时间量t t的测量的测量来确定的来确定的. . 假定应变波的运行速度假定应变波的运行速度V V恒定恒定, ,L=tV.L=tV.液位测量的高精度主要取决于对时间量液位测量的

67、高精度主要取决于对时间量的精确计量的精确计量. .为此为此, ,数字接口应是最佳选择数字接口应是最佳选择, ,由由高时钟频率得到时间计量的高分辨力从而实现高时钟频率得到时间计量的高分辨力从而实现液位测量的高精度液位测量的高精度. . 第六章第六章 5 5 新型液位仪国产化开发情况新型液位仪国产化开发情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发一、磁致伸缩液位仪研究与开发2 2 高精度液位测量的研究高精度液位测量的研究 tdTT t t t tITUR发送脉冲接收脉冲计数脉冲源计数脉冲 接口部件给液位测量带来的误差为时间分辨力与速度接口部件给液位测量带来的误差为时间分辨力与速度V V的乘积：的乘积：测量误差

68、测量误差= =时间分辨力时间分辨力 V, V,则要求：时间分辨力则要求：时间分辨力 仪表允许误差仪表允许误差/V./V.假如数字接口误差限定在假如数字接口误差限定在0.1mm,0.1mm,波导管应变波运行速度为波导管应变波运行速度为3000m/s,3000m/s,则要求时间分辨力则要求时间分辨力0.03s,0.03s,时钟频率时钟频率=1/=1/时间分辨力时间分辨力, ,对于对于0.1mm0.1mm的的误差误差, ,要有要有33MHz33MHz的时钟频率来保证的时钟频率来保证. .53 从而看出从而看出, ,要保证液位测量的高精度要保证液位测量的高精度, ,首首先要考虑选择时间接口的高时钟频率

69、来得到先要考虑选择时间接口的高时钟频率来得到时间量检测的高分辨力时间量检测的高分辨力. . 要进一步提高分辨力要进一步提高分辨力, ,则要求更高的时钟则要求更高的时钟频率频率, ,同时计数器的电路功能也需要同步提升同时计数器的电路功能也需要同步提升. .第六章第六章 5 5 新型液位仪国产化开发情况新型液位仪国产化开发情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发一、磁致伸缩液位仪研究与开发高分辩力的时间量检测高分辩力的时间量检测( (接口接口) ) MTS MTS公司新产品中的电子板公司新产品中的电子板, ,采用了该公司的专利采用了该公司的专利ASISASIS电路电路, ,该电路该电路工作时犹如内置工作时

70、犹如内置360MHz360MHz的时钟的时钟, ,可以达到可以达到0.003s0.003s的时间分辨力的时间分辨力. .2 2 高精度液位测量的研究高精度液位测量的研究 tdTT t t t tITUR发送脉冲接收脉冲计数脉冲源计数脉冲 接口部件给液位测量带来的误差为时间分辨力与速度接口部件给液位测量带来的误差为时间分辨力与速度V V的乘积：的乘积：测量误差测量误差= =时间分辨力时间分辨力 V, V,则要求：时间分辨力则要求：时间分辨力 仪表允许误差仪表允许误差/V./V.假如数字接口误差限定在假如数字接口误差限定在0.1mm,0.1mm,波导管应变波运行速度为波导管应变波运行速度为3000

71、m/s,3000m/s,则要求时间分辨力则要求时间分辨力0.03s,0.03s,时钟频率时钟频率=1/=1/时间分辨力时间分辨力, ,对于对于0.1mm0.1mm的的误差误差, ,要有要有33MHz33MHz的时钟频率来保证的时钟频率来保证. .54第六章第六章 5 5 新型液位仪国产化开发情况新型液位仪国产化开发情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发一、磁致伸缩液位仪研究与开发 实现高精度测量实现高精度测量, ,除了从理论上要对时间量除了从理论上要对时间量t t进行高分辨力检测进行高分辨力检测之外之外, ,介质密度随温度变化也是影响仪表精度的一个很重要的因素介质密度随温度变化也是影响仪表精度的一个

72、很重要的因素. .介质密度随温度变化导致磁浮子浸入液体的深度发生变化将直接影介质密度随温度变化导致磁浮子浸入液体的深度发生变化将直接影响测量精度响测量精度. .特别是对于露天储油罐的液位测量特别是对于露天储油罐的液位测量, ,冬天冬天、夏天温度变夏天温度变化几十度化几十度, ,对测量带来的影响不可忽视对测量带来的影响不可忽视, ,必修采取措施必修采取措施. . 对介质密度的变化进行温度补偿对介质密度的变化进行温度补偿对于典型的柱状浮子对于典型的柱状浮子, ,利用阿基米德浮力定律可得浮子浸入介质深度利用阿基米德浮力定律可得浮子浸入介质深度h h与相对密度与相对密度、温度的关系：温度的关系：油料相

73、对密度与温度的关系为油料相对密度与温度的关系为: :- -油料相对密度的温度修正系数油料相对密度的温度修正系数. .负号表示浮子浸入介质深度随密度的增加而减小负号表示浮子浸入介质深度随密度的增加而减小. . 2 2 高精度液位测量的研究高精度液位测量的研究 55 可以看出可以看出, ,减小介质密度随温度变化对测量的影响可从两方面考虑减小介质密度随温度变化对测量的影响可从两方面考虑. .一方面一方面, ,从浮子材质及结构尺寸考虑从浮子材质及结构尺寸考虑, ,尽量减小浮子密度尽量减小浮子密度, ,使浮子浸入介使浮子浸入介质的深度质的深度h h小小. .若不是柱状浮子若不是柱状浮子( (球状球状),

74、),减小其外径减小其外径R,R,也可减小密度变化也可减小密度变化对测量的影响对测量的影响. .另一方面另一方面, ,应考虑对温度影响进行补偿应考虑对温度影响进行补偿. . 目前美国产品是沿波导管均匀放置几个温度传感器目前美国产品是沿波导管均匀放置几个温度传感器RTD,RTD,检测介质的检测介质的平均温度平均温度, ,由信号转换部分进行修正由信号转换部分进行修正. .第六章第六章 5 5 新型液位仪国产化开发情况新型液位仪国产化开发情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发一、磁致伸缩液位仪研究与开发2 2 高精度液位测量的研究高精度液位测量的研究 对介质密度的变化进行温度补偿对介质密度的变化进行温度补偿

75、油料相对密度与温度的关系为油料相对密度与温度的关系为: :- -油料相对密度的温度修正系数油料相对密度的温度修正系数. .对于典型的柱状浮子对于典型的柱状浮子, ,利用阿基米德浮力定律可得浮子浸入介质深度利用阿基米德浮力定律可得浮子浸入介质深度h h与相对密度与相对密度、温度的关系：温度的关系：负号表示浮子浸入介质深度随密度的增加而减小负号表示浮子浸入介质深度随密度的增加而减小. . 56第六章第六章 5 5 新型液位仪国产化开发情况新型液位仪国产化开发情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发一、磁致伸缩液位仪研究与开发 对应变波速的变化进行校正对应变波速的变化进行校正 机械波在波导管上的传播速度受温

76、度影响是很微小的机械波在波导管上的传播速度受温度影响是很微小的, ,有资料有资料介绍介绍, ,在常温在常温-10-10+45+45时时, ,弹性波在固体中的传播速度基本为一弹性波在固体中的传播速度基本为一定值定值. .但是对于高精度液位测量来说但是对于高精度液位测量来说, ,其影响也应该引起重视其影响也应该引起重视. . 高精度测量高精度测量, ,可在波导管底部安装固定磁铁可在波导管底部安装固定磁铁, ,使波导管在此处也使波导管在此处也发生磁致伸缩发生磁致伸缩. .此处离电子部件的距离此处离电子部件的距离L L底底是固定的是固定的, ,可以作为校正可以作为校正依据依据. . L/ LL/ L底

77、底=T/T=T/T底底 L= L L= L底底T/ TT/ T底底 可看出安装固定校正磁铁消除了温度对应变波传播速度的影响可看出安装固定校正磁铁消除了温度对应变波传播速度的影响. .但是对于较高的油罐但是对于较高的油罐, ,内有水内有水、油油、气使之具有温度梯度的情况气使之具有温度梯度的情况, ,这只这只是一种平均温度的校正是一种平均温度的校正, ,不能得到完全校正不能得到完全校正. .赵芳赵芳, ,姜波姜波, ,陈祥光等陈祥光等. .磁致伸缩效应在高精度液位测量中的应用研究磁致伸缩效应在高精度液位测量中的应用研究. . 仪表技术与传感器仪表技术与传感器,2003(8).,2003(8).2

78、2 高精度液位测量的研究高精度液位测量的研究 57一定一定 时间间隔内时间间隔内, ,计数计数N N多少多少, ,取决于取决于 计数脉冲源频率计数脉冲源频率f.f. 可通过提高计数脉冲源的频率可通过提高计数脉冲源的频率f f 实现高分辨率实现高分辨率. .对应的距离分辨率对应的距离分辨率: : 时间量检测是实现传感器高准确度的时间量检测是实现传感器高准确度的关键关键. .时间量检测方法很多时间量检测方法很多, ,脉冲计数法脉冲计数法可获得较高准确度可获得较高准确度. . 在发射电流脉冲的同时触发计数器在发射电流脉冲的同时触发计数器开始计数开始计数, ,接受到回波脉冲时接受到回波脉冲时, ,对计

79、数对计数器复位器复位, ,使其停止计数使其停止计数. .时间分辨率时间分辨率: :第六章第六章 5 5 新型液位仪国产化开发情况新型液位仪国产化开发情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发一、磁致伸缩液位仪研究与开发3 3 高分辨力时间量检测高分辨力时间量检测 58 在在CPLDCPLD内部开发出内部开发出3 3个计数器个计数器、译码译码电路和计数启闭门的时间量检测电路电路和计数启闭门的时间量检测电路. .具有一个起始端口具有一个起始端口START,START,停止计数端停止计数端口口STOP,STOP,清零清零CLRCLR和时钟和时钟CLK,CLK,数据选择数据选择端口端口A A、B B、C C、D

80、,D,及数据输出端及数据输出端A70. A70. 由关系式可得由关系式可得时间分辨力及对应的距离时间分辨力及对应的距离. .根据分给时间量检测根据分给时间量检测电路给液位带来的误差电路给液位带来的误差0.1mm, 0.1mm, 计算计数脉冲源的频率计算计数脉冲源的频率f f要在要在30MHz30MHz以上以上, ,计数器的位数至少要计数器的位数至少要1818位位. .如要同时测量油位如要同时测量油位、水位及自校准水位及自校准, ,则需要则需要3 3个个1818位计数器来满足位计数器来满足3 3个时间量检测个时间量检测. . 采用采用CPLDCPLD进行时间量检测进行时间量检测第六章第六章 5

81、5 新型液位仪国产化开发情况新型液位仪国产化开发情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发一、磁致伸缩液位仪研究与开发3 3 高分辨力时间量检测高分辨力时间量检测 59 译码电路在单片机的译码电路在单片机的控制下通过控制下通过A A、B B、C C、D D端口端口选择对计数器的数据进行选择对计数器的数据进行读入读入, , 使每个计数器的数使每个计数器的数据分低据分低8 8位位、中中8 8位位、高高2 2位位依次被计算机读入依次被计算机读入. . 第六章第六章 5 5 新型液位仪国产化开发情况新型液位仪国产化开发情况一、磁致伸缩液位仪研究与开发一、磁致伸缩液位仪研究与开发3 3 高分辨力时间量检测高分辨力

82、时间量检测 60 单片机发出询问脉冲的同时单片机发出询问脉冲的同时, ,通过其通过其P1P1口使口使STARTSTART端口出现高端口出现高电平电平, , 通过计数门使通过计数门使3 3个计数器个计数器开始计数开始计数, ,反回脉冲使反回脉冲使STOPSTOP端口端口依次出现依次出现3 3个由低到高的电平跳个由低到高的电平跳变变, ,分别使分别使3 3个计数器停止计数个计数器停止计数, ,并触发单片机中断并触发单片机中断. .通过单片机通过单片机换算出对应的油位换算出对应的油位、水位信号水位信号输出输出. . 第六章第六章 5 5 新型液位仪国产化开发情况新型液位仪国产化开发情况一、磁致伸缩液

83、位仪研究与开发一、磁致伸缩液位仪研究与开发齐荣齐荣, ,姜波姜波, ,陈祥光等陈祥光等. .磁致伸缩液位传感器中高分辨力时间量检测磁致伸缩液位传感器中高分辨力时间量检测. . 传感器技术传感器技术,2004(4).,2004(4).3 3 高分辨力时间量检测高分辨力时间量检测 61 国内有关仪表厂家及研究部门都在积极投入人力国内有关仪表厂家及研究部门都在积极投入人力、资金进行资金进行 国产化开发国产化开发, ,北京空军油料所与我们联合开发北京空军油料所与我们联合开发. . 技术难点：技术难点：高分辨力时间量检测高分辨力时间量检测.(02.(02级研究生阴丽娟的课题级研究生阴丽娟的课题) ) 理

84、论上可通过提高计数脉冲理论上可通过提高计数脉冲 源的频率源的频率f f实现高分辨率实现高分辨率. .对应的距离分辨率对应的距离分辨率: :一定一定 时间间隔内时间间隔内, ,计数计数N N多少多少, , 取决于计数脉冲源频率取决于计数脉冲源频率f.f.时间分辨率时间分辨率: : 雷达信号光速雷达信号光速v,v,用用 代入代入, ,则则f=100GHz, f=100GHz, 如此高的振荡频率很难实现如此高的振荡频率很难实现, ,此方法不可行此方法不可行. .第六章第六章 5 5 新型液位仪国产化开发情况新型液位仪国产化开发情况二、雷达物位仪研究与开发二、雷达物位仪研究与开发62 对周期为对周期为

85、T T的重复信号的重复信号, ,采用采样脉冲周期为采用采样脉冲周期为: : 结果与周期为结果与周期为 的采样等效的采样等效, ,相当于将原信号在时间轴上相当于将原信号在时间轴上放大放大 倍倍. .这样降低了器件实现的难度这样降低了器件实现的难度. .姜波姜波, ,阴丽娟阴丽娟, ,陈祥光等陈祥光等. .等效时间采样在雷达液位仪中的应用等效时间采样在雷达液位仪中的应用 仪表技术与传感器仪表技术与传感器,2005(6),2005(6) 采用等效时间采样原理采用等效时间采样原理第六章第六章 5 5 新型液位仪国产化开发情况新型液位仪国产化开发情况二、雷达物位仪研究与开发二、雷达物位仪研究与开发63

86、等效时间采样在时间量检测中的应用等效时间采样在时间量检测中的应用-2002-2002级研究生级研究生 发射发射、回波信号周期为回波信号周期为T,T,采样周期为采样周期为 . .采集到高电平时采集到高电平时此次检测结束此次检测结束. .被测时间间隔被测时间间隔 ,n ,n为采样次数为采样次数, , 为为时间分辨率时间分辨率, ,设计要求距离分辨率小于设计要求距离分辨率小于1.5mm,1.5mm,计算计算 . .第六章第六章 5 5 新型液位仪国产化开发情况新型液位仪国产化开发情况二、雷达物位仪研究与开发二、雷达物位仪研究与开发64 实现方案实现方案-游标法游标法 采用两个频率相近的晶振采用两个频

87、率相近的晶振,T,T1 1、T T2 2，T T2 2=T=T1 1+ T+ T 采用晶振对为采用晶振对为8.000000MH8.000000MHZ Z和和8.000156MH8.000156MHZ Z, T=2.4ps, T=2.4ps 4 4个时钟周期控制一次发射个时钟周期控制一次发射,4T,4T1 1=500ns=500ns大于最大测量大于最大测量 距离距离30M30M对应的时间对应的时间t tD D(200ns),4 T=9.6ps10ps,(200ns),4 T=9.6ps10ps,满足满足 测量分辨率测量分辨率1.5mm1.5mm的要求的要求. .第六章第六章 5 5 新型液位仪国

88、产化开发情况新型液位仪国产化开发情况二、雷达物位仪研究与开发二、雷达物位仪研究与开发65 基本原理基本原理 方法与结构方法与结构 特点特点 磁致伸缩效应磁致伸缩效应 结构及工作原理结构及工作原理 功能特点功能特点1 1 概述概述4 4 磁致伸缩液位测量磁致伸缩液位测量3 3 雷达式液位测量雷达式液位测量第第六六章章 新型液位传感器新型液位传感器 课程小结课程小结普通雷达液位仪普通雷达液位仪导波雷达液位仪导波雷达液位仪55 新型液位仪国产化开发情况新型液位仪国产化开发情况 磁致伸缩液位仪研究与开发磁致伸缩液位仪研究与开发 雷达液位仪研究与开发雷达液位仪研究与开发 物位测量的基本原理及方法物位测量

89、的基本原理及方法 应用问题及特点应用问题及特点2 2 超声波物位测量超声波物位测量661.1.查阅有关文献查阅有关文献, ,写读书报告一份写读书报告一份( (约约3000300050005000字字).). 课程所涉及物理量范畴课程所涉及物理量范畴( (气气、磁磁、湿湿、热热、压力压力、光电光电、 光纤光纤、集成等集成等) )新型传感器原理新型传感器原理、性能及应用介绍性能及应用介绍. . 某种物理量检测传感器的发展动向某种物理量检测传感器的发展动向. . ( (综述型综述型、大量资料查阅大量资料查阅) ) 课程考核方法：课程考核方法：大作业形式大作业形式+ +学术交流学术交流、讨论讨论. .

90、过程参数新型检测技术过程参数新型检测技术2.2.实际应用设计实际应用设计 自立题目自立题目, ,提出功能要求提出功能要求, ,进行传感器选型进行传感器选型 ( (型号型号、性能介绍性能介绍).). 提出设计方案及设计原理图提出设计方案及设计原理图. . 交流报告交流报告1010分钟分钟. .一、一、内容内容67二、格式要求二、格式要求1.1.读书报告格式读书报告格式( (与发表文章格式相同与发表文章格式相同) ) 题目题目、摘要摘要、正文正文、参考文献参考文献( (规范书写规范书写) )2.2.应用设计格式应用设计格式 题目题目 1 1 引言引言 2 2 功能要求功能要求 3 3 设计方案设计

91、方案( (方法方法、思路思路) )、电路及功能实现电路及功能实现( (工作原理工作原理) ) 4 4 小结小结( (总结总结) ) 5 5 参考文献参考文献( (规范书写规范书写) )过程参数新型检测技术过程参数新型检测技术 课程考核方法：课程考核方法：大作业形式大作业形式+ +学术交流学术交流、讨论讨论. .3.3.封面格式封面格式题目题目-过程参数新型检测技术课大作业过程参数新型检测技术课大作业 年级：年级：级硕士研究生级硕士研究生 姓名姓名: : 学号：学号： 年年 月月 68过程参数新型检测技术过程参数新型检测技术 参考书目参考书目新型传感器原理新型传感器原理黄俊钦等著黄俊钦等著 航空

92、工业出版社航空工业出版社 1991. 1991.传感器技术传感器技术贾伯年等著贾伯年等著 东南大学出版社东南大学出版社 1992. 1992.电子传感器电子传感器李标荣著李标荣著 国防工业出版社国防工业出版社 1993. 1993.新型传感器基础新型传感器基础徐同举著徐同举著 机械工业出版社机械工业出版社 1987. 1987.半导体传感器半导体传感器张维新著张维新著 1990. 1990.现代传感器技术现代传感器技术金篆芷著金篆芷著 1995. 1995.现代传感器原理及应用现代传感器原理及应用贺安之著贺安之著 1995. 1995.现代传感器技术现代传感器技术魏永广著魏永广著 东北大学出版

93、社东北大学出版社 2001. 2001.传感器及应用技术传感器及应用技术沈聿农著沈聿农著 化学工业出版社化学工业出版社 2002. 2002.传感器及其应用传感器及其应用栾桂东等著栾桂东等著 西安电子科技大学出版社西安电子科技大学出版社 2002. 2002.传感器与压电器件传感器与压电器件徐泽善主编徐泽善主编 国防工业出版社国防工业出版社 1999. 1999.传感及其遥控技术应用传感及其遥控技术应用丁镇生著丁镇生著 电子工业出版社电子工业出版社 2003. 2003.传感器集成电路手册传感器集成电路手册赵负图著赵负图著 化学工业出版社化学工业出版社 2002. 2002.传感器应用及电路精选传感器应用及电路精选张高学著张高学著 电子工业出版社电子工业出版社 1992. 1992.传感器工作原理及应用实例传感器工作原理及应用实例黄继昌等著黄继昌等著 人民邮电出版社人民邮电出版社 1998. 1998.传感器第传感器第4 4版版 唐文彦主编唐文彦主编 机械工业出版社机械工业出版社 2006. 2006.非电量电测技术第非电量电测技术第2 2版版 严钟豪严钟豪、谭祖根主编谭祖根主编 机械工业出版社机械工业出版社 2001. 2001.新型传感器原理及应用新型传感器原理及应用王元庆著王元庆著 机械工业出版社机械工业出版社 2002. 2002.69