傳感器應(yīng)用技術(shù)

1、第4章 物位及厚度檢測,物位的基本概念：物位-----液位、料位和相界面的總稱。液位-----液體介質(zhì)液面的高低；料位-----固體粉狀或顆粒狀物質(zhì)堆積的高度；相界面-----兩種不同液體介質(zhì)的分界面。,,第4章 物位及厚度檢測,物位檢測方法：物位檢測總體上可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(fù)雜多樣，因而往往采用間接測量，即將物位信號轉(zhuǎn)化為其它相關(guān)信號進行測量。,,第4章 物位及厚度檢測,直接測量法：

2、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(biāo)尺的觀察管中，通過標(biāo)尺讀出液位高度。,,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(xué)法（電容法）； 微波法；超聲波法；核輻射法等。,,4.3 微波式傳感器,電磁波（又稱：電磁輻射、電子煙霧）是能量的一種，凡是高于絕對零度的物體，都會釋出電磁波。 電磁波頻率低時，主要借由有形的導(dǎo)電體才能傳

3、遞；電磁波頻率高時即可以在自由空間內(nèi)傳遞，也可以束縛在有形的導(dǎo)電體內(nèi)傳遞。 電磁波譜 無線電波 3000米～0.3毫米（微波 0.1~100厘米）； 紅外線 0.3毫米～0.75微米；（其中：近紅外為0.76~3微米，中紅外為3~6微米，遠(yuǎn)紅外為6~15微米，超遠(yuǎn)紅外為15~300微米） 可見光 0.7微米～0.4微米； 紫外線 0.4微米～10毫微米; X射線

4、 10毫微米～0.1毫微米 ； γ射線 0.1毫微米～0.001毫微米； 高能射線小于0.001毫微米 。,,4.3 微波式傳感器,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(yīng)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(dǎo)它；微波可以穿過玻璃、陶瓷、塑料等絕緣材料，但不會消耗

5、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(gòu)成微波振蕩器的器件有速調(diào)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(dǎo)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(zhì)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;

6、 (c) 旋轉(zhuǎn)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(rèn)為是一個微波場。其它部分可視為一個轉(zhuǎn)換器和接收器，如圖所示。,,Microwave sourse,4.3 微波式傳感器,,MS與T合二為一稱為有源微波傳感器；MS與R合二為一稱為自振蕩式微波傳感器。,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

7、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(dāng)被測物位低于設(shè)定物位時，接收天線接收的功率為:,,,,當(dāng)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(zhì)、電磁性能及高度所

8、決定的系數(shù),----發(fā)射天線的發(fā)射功率； ----發(fā)射天線的增益； ----接收天線的增益。,4.3 微波式傳感器,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:,,,,,----發(fā)射天線的發(fā)射功率； ----發(fā)射天線的增益； ----接收天線的增益。,4.3 微波式傳感器,圖中所示是目前

9、在工程應(yīng)用較多的調(diào)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(diào)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(zhǔn)確地測出目標(biāo)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頻率在20～20000Hz之間，頻率超過20000Hz，人耳

10、不能聽到的聲波稱為超聲波(由逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生)。機械振動在介質(zhì)中的傳播稱為機械波。機械波與電磁波既有相似之處又有不同之處，機械波由機械振動產(chǎn)生，電磁波由電磁振蕩產(chǎn)生；機械波的傳播需要特定的介質(zhì)，在不同介質(zhì)中的傳播速度也不同，在真空中根本不能傳播，而電磁波（例如光波）可以在真空中傳播；機械波可以是橫波和縱波，但電磁波只能是橫波；機械波與電磁波的許多物理性質(zhì)，如：折射、反射等是一致的，描述它們的物理量也是相同的。常見的機械波有：水波、聲波、

11、地震波。機械波在介質(zhì)中的傳播速率是由介質(zhì)本身的固有性質(zhì)決定的。在不同介質(zhì)中，波速是不同的。,,次聲波的特點及應(yīng)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(fēng)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(zhuǎn)化為空氣的內(nèi)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(yuǎn)的距離。次聲波常用于

12、探測波源(如爆炸點)的位置、預(yù)測火山爆發(fā)、雷暴及異常的氣象變化等．超聲波的特點及應(yīng)用頻率高于人們的聽覺上限(20000 Hz)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(zhì)中傳播時，超聲波與介質(zhì)間因相互作用而發(fā)生一系列的物理或化學(xué)變化。超聲波引起的效應(yīng)很多，主要表現(xiàn)是，介質(zhì)中的質(zhì)點在超聲波的作用下做受迫振動，產(chǎn)生機械效應(yīng)，會使懸浮粒子

13、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(xué)反應(yīng)，以及在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的超聲探傷、測距，醫(yī)學(xué)上廣泛應(yīng)用的超聲波診斷成像(B超)等等?，F(xiàn)在，超聲波與電磁輻射、粒子轟擊已成為研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)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,,三、超聲波的衰減,聲波在介質(zhì)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(guān)系：,,,式中:,,、,

14、,—— 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)。,,,三、超聲波的衰減,,,,,,,,,,聲波在介質(zhì)中傳播時，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減。在不同介質(zhì)中衰減的幅度關(guān)系如下： 固體<液體<氣體 聲波在介質(zhì)中傳播時衰減的程度還與聲波的頻率有關(guān)，頻率越高，聲波的衰減也越大。,4.4.

15、2 超聲波傳感器,超聲傳感器是基于回聲測距原理設(shè)計的，利用超聲波發(fā)射探頭發(fā)出超聲脈沖，發(fā)射波在料位或液位表面反射形成回波，由接收探頭將信號接收下來，測出超聲脈沖從發(fā)射到接受所需時間，根據(jù)已知介質(zhì)中的波速就能計算出探頭到物位或液位表面的距離，從而確定物位的高度。,,4.4.2 超聲波傳感器,超聲波換能器：能將（交流）電信號轉(zhuǎn)換成機械振動而向介質(zhì)中輻射（發(fā)射）超聲波，或?qū)⒊晥鲋械臋C械振動轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號的裝置稱為超聲波換能器（或稱為探測

16、器、傳感器、探頭）。超聲波傳感器一般都是可逆的，既能發(fā)射也能接收發(fā)射超聲波。超聲換能器按其工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等。最常用的是壓電式探頭。根據(jù)換能器結(jié)構(gòu)不同分： 直探頭式、斜探頭式和 多探頭式等。,,,壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖,4.4.3 超聲傳感器測物位,,超聲波液位計按傳聲介質(zhì)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

17、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H，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,,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%

18、+-0.1)mm,基于89C2051的超聲波測距儀的設(shè)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(qū)動超聲波發(fā)射頭UCM40T，發(fā)出40kHz的脈沖超聲波 ；右側(cè)和左側(cè)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(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘枺?jīng)運算放大器IC1A和IC1B兩極放大后加至IC2。LM567輸入信號大于25mV，輸出端8腳由高電平

19、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(zhì)對射線的吸收、反散射或射線對被測物質(zhì)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)性的變化，稱為核衰

20、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(lǐng)強，可以用來檢查金屬內(nèi)部有沒有沙眼或裂紋，所用的設(shè)備

21、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(zhuǎn)中因摩擦而產(chǎn)生的有害靜電；生物體內(nèi)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(nèi)的癌細(xì)胞比正常細(xì)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

22、運動的電子，它在氣體中的射程可達20 m，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(nèi)發(fā)射出來的電磁輻射，在物質(zhì)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(zhì)。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(zhì)的相互作用 1.帶電粒子和物質(zhì)的相

23、互作用。 2.γ射線和物質(zhì)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(zhì)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(zhuǎn)換成電信號，從而探測出射線的強弱和變化。用于

24、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)過倍增在陽極上形成電流脈沖。,4.5.2 測量電路 常用的測量電路有電離室前置放大電路和閃爍計數(shù)器的前置放大電路，電離室前置放大電路如圖所示。,,R1>>R2,4.5 核輻射物位與厚度檢測,,4.5.3 核輻射厚度計,,,4.5 核輻射物位與厚