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1、第第4章章 物位及厚度检测物位及厚度检测n浮力式物位检测浮力式物位检测n静压式物位检测静压式物位检测n电容式物位计电容式物位计n超声波传感器与物位、厚度检测超声波传感器与物位、厚度检测n微波式传感器微波式传感器n核辐射物位与厚度检测核辐射物位与厚度检测n电涡流传感器及厚度检测电涡流传感器及厚度检测第第4章章 物位及厚度检测物位及厚度检测 物位物位是是液位液位、料位料位和和相界面相界面的的统称统称。用来对物位进。用来对物位进行测量的传感器称为行测量的传感器称为物位传感器物位传感器，由此制成的仪表称为，由此制成的仪表称为物位计物位计。液位液位是指开口容器或密封容器中液体介质液面是指开口容器或密封容
2、器中液体介质液面的高低，用来测量液位的仪表称为的高低，用来测量液位的仪表称为液位计液位计；料位料位是指固是指固体粉状或颗粒物在容器中堆积的高度，用来测量料位的体粉状或颗粒物在容器中堆积的高度，用来测量料位的仪表称为仪表称为料位计料位计；相界面相界面是指两种液体介质的分界面，是指两种液体介质的分界面，用来测量分界面的仪表称为用来测量分界面的仪表称为界面计界面计。物位物位检测方法检测方法：直读法、浮力法、静压法、电容法、：直读法、浮力法、静压法、电容法、核辐射法、超声波法、激光法、微波法等。核辐射法、超声波法、激光法、微波法等。 机械量机械量测量中，常用测量中，常用测厚仪测厚仪，如超声波测厚仪、核
3、，如超声波测厚仪、核辐射式测厚仪、红外线测厚仪、激光测厚仪、微波测厚辐射式测厚仪、红外线测厚仪、激光测厚仪、微波测厚仪等。仪等。 静压式液位变送器静压式液位变送器浮球液位变送器浮球液位变送器浮球液位变送器浮球液位变送器静压式液位变送器静压式液位变送器电容式物位变送器电容式物位变送器超声波物位变送器超声波物位变送器 若测料位，则超声波物位计安若测料位，则超声波物位计安装在容器顶部。装在容器顶部。4.1 浮力式物位检测浮力式物位检测 n浮力式物位检测的基本原理是通过测量漂浮于被测液浮力式物位检测的基本原理是通过测量漂浮于被测液面上的面上的浮子浮子（也称（也称浮标浮标）随液面变化而产生的位移来）随液
4、面变化而产生的位移来检测液位；或利用沉浸在被测液体中的检测液位；或利用沉浸在被测液体中的浮筒浮筒（也称（也称沉沉筒筒）所受的浮力与液面位置的关系来检测液位。前者）所受的浮力与液面位置的关系来检测液位。前者一般称为一般称为恒浮力式检测恒浮力式检测，后者一般称为，后者一般称为变浮力式检测变浮力式检测。n 恒浮力式物位检测恒浮力式物位检测 原理如图所示原理如图所示 密闭容器密闭容器？ 高温、粘度大的液体高温、粘度大的液体？ 4.1 浮力式物位检测浮力式物位检测n 变浮力式物位检测变浮力式物位检测 变浮力式物位检测原理变浮力式物位检测原理 如图所示，当浮筒的重力与如图所示，当浮筒的重力与 弹簧的弹力达
5、到平衡时，浮弹簧的弹力达到平衡时，浮 筒才停止移动，平衡条件为筒才停止移动，平衡条件为n 浮筒的重力浮筒的重力差动变压器差动变压器4.1 浮力式物位检测浮力式物位检测n设液位高度为设液位高度为H，浮筒由于向上移动实际侵没在液体，浮筒由于向上移动实际侵没在液体中的长度为中的长度为h ，浮筒移动的距离即弹簧的位移改变量，浮筒移动的距离即弹簧的位移改变量x为为 n根据力平衡可知根据力平衡可知 n从而被测液位从而被测液位H可表示为可表示为 静压式物位检测静压式物位检测 n 静压式物位检测原理静压式物位检测原理 静压式物位检测方法是根据液柱静压与液柱高度静压式物位检测方法是根据液柱静压与液柱高度成正比的
6、原理来实现的，其原理如图所示。成正比的原理来实现的，其原理如图所示。 静压式物位检测静压式物位检测n 压力式液位计压力式液位计 n一、压力计式液位计一、压力计式液位计 二、法兰液位计二、法兰液位计 静压式物位检测静压式物位检测n三、吹气式液位计三、吹气式液位计n 压差式液位计压差式液位计 用测量差压的方法来获得液位，如图所示。用测量差压的方法来获得液位，如图所示。 静压式物位检测静压式物位检测n 量程迁移量程迁移 n 一、无迁移一、无迁移 二、负迁移二、负迁移 三、正迁移三、正迁移 由上述可知，正、负迁移的实质是通过由上述可知，正、负迁移的实质是通过迁移弹簧改变变送器的零点，即同时改变量迁移弹
7、簧改变变送器的零点，即同时改变量程的上、下限，而量程的大小不变。程的上、下限，而量程的大小不变。 静压式物位检测静压式物位检测n差压变送器测量液位原理图差压变送器测量液位原理图静压式物位检测静压式物位检测n差压变送器的正、负迁移示意图差压变送器的正、负迁移示意图 电容式物位计电容式物位计 n电容式物位传感器电容式物位传感器是利用被测物的介电常数与是利用被测物的介电常数与空气（或真空）空气（或真空）不同不同的特点进行检测的。一般的特点进行检测的。一般由电容式物位传感器和检测电容的测量电路由电容式物位传感器和检测电容的测量电路组组成成。可用于各种导电、非导电液体的液位或粉。可用于各种导电、非导电液
8、体的液位或粉状料位的测量，也可实现液位或料位的自动记状料位的测量，也可实现液位或料位的自动记录和自动控制（调节）。录和自动控制（调节）。 n 电容式物位计原理电容式物位计原理 结构形式如下图示，当中间所充介质的介结构形式如下图示，当中间所充介质的介电常数为电常数为1时时，则两圆筒间的电容量为，则两圆筒间的电容量为 电容式物位计电容式物位计 若两圆筒形电极间若两圆筒形电极间的一部分被介电常的一部分被介电常数为数为2的非导电性液体所浸没，的非导电性液体所浸没，则引起电容增量则引起电容增量 边缘效应边缘效应? ?若为导电性液体，可在内电若为导电性液体，可在内电极外加绝缘覆盖层，见后。极外加绝缘覆盖层
9、，见后。 电容式物位计电容式物位计n 电容式物位传感电容式物位传感器器一、测量导电液体的一、测量导电液体的电容式物位传感器电容式物位传感器 电容式物位计电容式物位计二、测量非导电液体二、测量非导电液体的电容式物位传感的电容式物位传感器器粉末状非导电固体料位粉末状非导电固体料位？粘粘滞非导电液体液位滞非导电液体液位？ 电容式物位计电容式物位计n 电容式物位传感器应用举例电容式物位传感器应用举例晶体管电容料位指示晶体管电容料位指示仪原理图，仪原理图，习题习题: :1.请选用电容传感器设计一水塔水位请选用电容传感器设计一水塔水位测量测量与与控制控制系统。系统。要求：要求：画出原理框图；画出原理框图；
10、简要说明测控原理；简要说明测控原理；给出一种具体给出一种具体的传感器信号调理电路（转换电路）。的传感器信号调理电路（转换电路）。讨论题讨论题: :n超声传感器的基本原理是什么？超声传感器的基本原理是什么？n微波传感器的基本原理是什么？微波传感器的基本原理是什么？n核辐射传感器的基本原理是什么？核辐射传感器的基本原理是什么？ AM广播广播:中频中频465KHz,中波载频约中波载频约5351605KHz,短波载频约短波载频约1.626MHz (收音机上分几个波段收音机上分几个波段),频带标准频带标准9KHz；FM广广播播:中频中频10.7MHz ,载频约载频约88108MHz ,频带标准频带标准2
11、00KHz；电电视视:各频道频率范围各频道频率范围8MHz,伴音伴音(FM)载频比图像载频比图像(AM)载频高载频高6.5MHz,第一伴音中频载频第一伴音中频载频31.5MHz,第二伴音中频载频第二伴音中频载频6.5MHz,图像中频载频图像中频载频38.0MHz.无线电波的频（波）段划分表：无线电波的频（波）段划分表： 音（声）频音（声）频：AF（audio frequency），人耳），人耳能听到的振动频率，能听到的振动频率，20Hz20KHz。视频视频：VF（video frequency），在电视或雷），在电视或雷达技术中，由图像转换而成的电信号的频率，达技术中，由图像转换而成的电信号的
12、频率，一般零至数一般零至数MHz。射频射频：RF（radio frequency），无线电波的），无线电波的频率，频率，3KHz3000GHz，此范围的电波可用天，此范围的电波可用天线辐射出去。线辐射出去。其他常用波长表（自由空间）：其他常用波长表（自由空间）：微波微波(1m1mm 或或 0.1mm/ 300MHz300GHz 或或 3000GHz)(家用微波炉家用微波炉)红外线红外线(0.75mm0.76m)(远、中、近远、中、近)可见光可见光(0.760.39m)紫外线紫外线(0.390.005m)X射线射线(0.00510-8m)射线射线(10-8m) 超声波传感器与物位、厚度检测超声波
13、传感器与物位、厚度检测 n 超声波检测原理超声波检测原理 n一、超声波及其波型一、超声波及其波型 人耳所能听到的声波在人耳所能听到的声波在2020000Hz之间，之间，频率超过频率超过20000Hz，人耳不能听到的声波称为，人耳不能听到的声波称为超声波。超声波。 1.纵波波 2.横波横波 3.表面波表面波 n二、超声波的传播速度二、超声波的传播速度 声速不仅与介质有关，而且还与介质所处声速不仅与介质有关，而且还与介质所处的状态有关。的状态有关。 超声波传感器与物位、厚度检测超声波传感器与物位、厚度检测n三、扩散角三、扩散角 n四、反射与折射四、反射与折射 1.反射定律反射定律 2.折射定律折射
14、定律 3.反射系数反射系数 n五、声波的衰减五、声波的衰减 气体吸收最强而衰减最大，液体其次，固气体吸收最强而衰减最大，液体其次，固体吸收最小而衰减最小。另外声波在介质中传体吸收最小而衰减最小。另外声波在介质中传播时衰减的程度还与声波的频率有关，频率越播时衰减的程度还与声波的频率有关，频率越高，声波的衰减也越大。高，声波的衰减也越大。 超声波传感器与物位、厚度检测超声波传感器与物位、厚度检测n 超声波传感器超声波传感器 n超声波传感器，也称为超声波传感器，也称为超声波换能器超声波换能器，也称为，也称为超声波超声波探头探头。 超声波传感器与物位、厚度检测超声波传感器与物位、厚度检测n 超声波传感
15、器测物位超声波传感器测物位 超声波物位传感器根据使用特点可分为定点式物超声波物位传感器根据使用特点可分为定点式物位计和连续式物位计两大类。位计和连续式物位计两大类。 一、超声式物位传感器的特点一、超声式物位传感器的特点 二、定点式超声物位计二、定点式超声物位计 1. .声阻式液位计声阻式液位计 如图，声阻式如图，声阻式 液位计结构简单，使液位计结构简单，使 用方便。用方便。 超声波传感器与物位、厚度检测超声波传感器与物位、厚度检测n2. .液介穿透式超声液介穿透式超声液位计液位计 结构如图所结构如图所示，该液位计结示，该液位计结构简单，不受被构简单，不受被测介质物理性质测介质物理性质的影响，工
16、作安的影响，工作安全可靠。全可靠。 超声波传感器与物位、厚度检测超声波传感器与物位、厚度检测n3. .气介穿透式超声物位气介穿透式超声物位计计n三、连续式超声物位计三、连续式超声物位计 n1.液介超声液位计液介超声液位计 n2.气介超声物位计气介超声物位计 4.4 超声波传感器与物位、厚度检测超声波传感器与物位、厚度检测n 超声波传感器测厚度超声波传感器测厚度 超声波法测厚常用脉冲回波法。测厚的原理如图所示。超声波法测厚常用脉冲回波法。测厚的原理如图所示。 微波式传感器微波式传感器 n微波是波长为微波是波长为（0.33000GHz）（家用微波炉）（家用微波炉）电磁电磁波，既具有电磁波的性质，又
17、与普通的无线电波及光波，既具有电磁波的性质，又与普通的无线电波及光波不同。它广泛应用于液位、物位、厚度及含水量的波不同。它广泛应用于液位、物位、厚度及含水量的测量中。测量中。n 微波传感器微波传感器 n一、微波振荡器及微波天线一、微波振荡器及微波天线 微波振荡器和微波天线是微波传感器的重要组成微波振荡器和微波天线是微波传感器的重要组成部分，构成微波振荡器的器件有速调管、磁控管或某部分，构成微波振荡器的器件有速调管、磁控管或某些固体器件。些固体器件。 由微波振荡器产生的振荡信号需要用波导管由微波振荡器产生的振荡信号需要用波导管( (波波长在长在10cm以上可用同轴电缆以上可用同轴电缆) )传输，
18、并通过天线发射传输，并通过天线发射出去，常用的天线有喇叭形天线、抛物面天线和介质出去，常用的天线有喇叭形天线、抛物面天线和介质线等。线等。 微波式传感器微波式传感器n二、微波传感器二、微波传感器 n微波传感器的敏感元件可认为是一个微波场。其它微波传感器的敏感元件可认为是一个微波场。其它部分可视为一个转换器和接收器，如图示。部分可视为一个转换器和接收器，如图示。n微波传感器可分为反射式与遮断式两种。微波传感器可分为反射式与遮断式两种。 反射式微波传感器反射式微波传感器 遮断式微波传感器遮断式微波传感器 微波式传感器微波式传感器n 微波传感器测物位与液位微波传感器测物位与液位 n一、一、微波物位计
19、微波物位计 n微波物位计原理如图示。当被测物位低于设定微波物位计原理如图示。当被测物位低于设定物位时，接收天线接收的功率为物位时，接收天线接收的功率为 微波式传感器微波式传感器n当被测物位升高到天线所在高度时，接收天线当被测物位升高到天线所在高度时，接收天线 接收接收的功率为的功率为n二、微波液位计二、微波液位计n微波液位计原理如图示，接收天线接收到的功微波液位计原理如图示，接收天线接收到的功率率Pr为为 核辐射物位与厚度检测核辐射物位与厚度检测 n核辐射传感器核辐射传感器的测量原理是利用射线（核辐射粒子流）的测量原理是利用射线（核辐射粒子流）的电离作用、穿透能力、物质对射线的吸收、散射的电离
20、作用、穿透能力、物质对射线的吸收、散射（反射（反射/ /反散射）等核辐射规律，常用于气体成分、反散射）等核辐射规律，常用于气体成分、材料厚度、物质密度、物位、材料内伤等检测。核辐材料厚度、物质密度、物位、材料内伤等检测。核辐射传感器一般由放射源（放射性同位素）、探测器、射传感器一般由放射源（放射性同位素）、探测器、电信号转换电路等电信号转换电路等构成构成。n 放射源和探测器放射源和探测器 n一、射线的种类及衰变规律一、射线的种类及衰变规律 粒子：粒子：即氦核，带正电，质量大，速度高，即氦核，带正电，质量大，速度高，能能量大（一般量大（一般410Mev），电离作用强，在气体和固，电离作用强，在气
21、体和固体中的射程都短（几厘米和几十微米）。体中的射程都短（几厘米和几十微米）。 核辐射物位与厚度检测核辐射物位与厚度检测 粒子：电子，带负电，速度更高，电离能力较粒子：电子，带负电，速度更高，电离能力较弱，弱，射程射程较较长（长（在气体中的射程可达在气体中的射程可达20 m），易散射和），易散射和改改变变运运动动方向。方向。 射射线：光子，不带电，光速，线：光子，不带电，光速，电离能力电离能力弱，穿透弱，穿透能力强（能穿过几十厘米厚的固体物质），在气体中能力强（能穿过几十厘米厚的固体物质），在气体中的射程长（数百米）。的射程长（数百米）。 核辐射物位与厚度检测核辐射物位与厚度检测n二、射线与物
22、质的相互作用二、射线与物质的相互作用 1. .带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用 2. .射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 n三、常用探测器三、常用探测器 探测器就是核辐射的探测器就是核辐射的接收器接收器，它是核辐射传感，它是核辐射传感器的重要组成部分。其器的重要组成部分。其用途用途就是将核辐射信号转换就是将核辐射信号转换 成电信号，从而探测出射线的强弱和变化，主要有成电信号，从而探测出射线的强弱和变化，主要有 电离室电离室、闪烁计数器闪烁计数器和和盖格计数盖格计数等。等。 核辐射物位与厚度检测核辐射物位与厚度检测n1. 电离室电离室n2. 闪闪烁计数器烁计数器 核辐射物
23、位与厚度检测核辐射物位与厚度检测n4.6.2 测量电路测量电路 n常用的测量电路有电离室前置放大电路和闪烁常用的测量电路有电离室前置放大电路和闪烁计数器的前置放大电路。电离室前置放大电路计数器的前置放大电路。电离室前置放大电路如图示。如图示。 核辐射物位与厚度检测核辐射物位与厚度检测n 核辐射厚度计核辐射厚度计n 核辐射液位计核辐射液位计 电涡流传感器及厚度检测电涡流传感器及厚度检测 电涡流式传感器是基于电涡流效应制成的传感器。电涡流式传感器是基于电涡流效应制成的传感器。特点与用途？（）特点与用途？（） n 4.7.1 涡流效应涡流效应 金属导体置于交变磁场中，导体内会产生感应电流，金属导体置
24、于交变磁场中，导体内会产生感应电流，这种电流像水中旋涡那样在导体内转圈，所以称之为这种电流像水中旋涡那样在导体内转圈，所以称之为电涡流电涡流或或涡流涡流。这种现象就称为。这种现象就称为涡流效应涡流效应。 形成涡流必须具备下列两个条件：形成涡流必须具备下列两个条件： 存在交变磁场存在交变磁场 导电体处于交变磁场中导电体处于交变磁场中 涡流的大小与哪些因素有关涡流的大小与哪些因素有关？（）？（） 电涡流传感器及厚度检测电涡流传感器及厚度检测n 高频反射式涡流传感器高频反射式涡流传感器 一、工作原理一、工作原理 Z、L、Q均均变变化，可化，可选选其一其一转转化化为电为电量，例如量，例如 二、结构形式
25、二、结构形式 x 电涡流传感器及厚度检测电涡流传感器及厚度检测高频反射式涡流传感器高频反射式涡流传感器高频反射式涡流位移传感器高频反射式涡流位移传感器 电涡流传感器及厚度检测电涡流传感器及厚度检测n三、测量电路三、测量电路 1. 电桥电路电桥电路 L1、L2可以是差可以是差动传感器的两个动传感器的两个线圈，也可一个线圈，也可一个是传感器线圈，是传感器线圈，另一个是平衡用另一个是平衡用的固定线圈。的固定线圈。 L1L2调制？调制？同步检波？同步检波？ 电涡流传感器及厚度检测电涡流传感器及厚度检测2. 谐振调幅电路谐振调幅电路 相当于恒流源，稳相当于恒流源，稳流、稳频。流、稳频。R用于降低传感器用
26、于降低传感器对振荡器的影响对振荡器的影响i04.7 电涡流传感器及厚度检测电涡流传感器及厚度检测 软磁材料软磁材料非磁性材料非磁性材料非磁性材料非磁性材料电涡流传感器及厚度检测电涡流传感器及厚度检测电容三点式振荡器电容三点式振荡器电压跟随器电压跟随器 3.调频式测量电路调频式测量电路VCCUO4.7 电涡流传感器及厚度检测电涡流传感器及厚度检测n四、应用举例（测量厚度）四、应用举例（测量厚度） 涡流传感器可涡流传感器可非接触非接触地测量金属板厚度和非金属地测量金属板厚度和非金属板的镀层厚度如图所示。板的镀层厚度如图所示。抖动抖动比较方法测量。比较方法测量。 无损探伤？无损探伤？ 电涡流传感器及
27、厚度检测电涡流传感器及厚度检测n 低频透射式涡流传感器低频透射式涡流传感器 n一、低频透射式涡流传感器一、低频透射式涡流传感器测厚原理测厚原理 两线圈之间不存在被测材两线圈之间不存在被测材料料M， E由由u的幅值、频率及的幅值、频率及L1、L2的结构和相对位置决的结构和相对位置决定，为定，为定值。定值。 两线圈之间存在被测材料两线圈之间存在被测材料M， E随随h变化，故可变化，故可测测h。h 电涡流传感器及厚度检测电涡流传感器及厚度检测 低频透射式低频透射式电涡流测厚电涡流测厚传感器传感器4.7 电涡流传感器及厚度检测电涡流传感器及厚度检测n 二、注意的问题二、注意的问题 n1. M中的涡流中
28、的涡流i的大小不仅取决于的大小不仅取决于h，且与金属板，且与金属板M的电的电阻率阻率 有关，于是引起相应的测试误差，并限制了测有关，于是引起相应的测试误差，并限制了测厚范围。厚范围。 n2. 为使交变电势为使交变电势E与厚度与厚度h得到较好的线性关系，应选得到较好的线性关系，应选用较低的测试频率用较低的测试频率f，通常选，通常选 1 KHz。此时灵敏度较低。此时灵敏度较低。（见下图）（见下图） n 3. 频率频率f一定，当被测材料的电阻率一定，当被测材料的电阻率 不同时，引起了不同时，引起了E =f()曲线形状的变化。曲线形状的变化。 不同频率下的不同频率下的e=f(h)曲线曲线 电涡流传感器及厚度检测电涡流传感器及厚度检测习题习题: :1.在轧制钢板的过程中，在轧制钢板的过程中，测量测量和和控制控制钢板钢板的厚度很重要。请选用电涡流传感器设的厚度很重要。请选用电涡流传感器设计一钢板厚度测量与控制系统。计一钢板厚度测量与控制系统。要求：要求：画出原理框图；画出原理框图；简要说明测控原理；简要说明测控原理；给出一种具体的传感器信号调理电路给出一种具体的传感器信号调理电路（转换电路）。（转换电路）。
