传感器应用技术41

第4章物位及厚度检测物位检测方法：物位检测总体上可分为直接检测和间接检测两种方法，由于测量状况及条件复杂多样，因而往往采用间接测量，即将物位信号转化为其它相关信号进行测量。第4章物位及厚度检测直接测量法：直接测量是一种最为简单、直观的测量方法。其中液位检测常会用到直接测量，它是利用连通器的原理，将容器中的液体引入带有标尺的观察管中，通过标尺读出液位高度。第4章物位及厚度检测常用的间接检测方法有：浮力法和静压法；电学法（电容法）；微波法；超声波法；核辐射法等。4.3微波式传感器电磁波（又称：电磁辐射、电子烟雾）是能量的一种，凡是高于绝对零度的物体，都会释出电磁波。电磁波频率低时，主要借由有形的导电体才能传递；电磁波频率高时即可以在自由空间内传递，也可以束缚在有形的导电体内传递。电磁波谱无线电波3000米～0.3毫米（微波0.1~100厘米）；红外线0.3毫米～0.75微米；（其中：近红外为0.76~3微米，中红外为3~6微米，远红外为6~15微米，超远红外为15~300微米）可见光0.7微米～0.4微米；紫外线0.4微米～10毫微米;X射线10毫微米～0.1毫微米；γ射线0.1毫微米～0.001毫微米；高能射线小于0.001毫微米。4.3微波式传感器微波的特点是:1.在各种障碍物上能产生良好的反射，具有良好的定向辐射性能；2.在传输过程中受到粉尘、烟雾、火焰及强光的影响小，具有很强的环境适应能力。3.微波碰到金属就发生反射，金属根本没有办法吸收或传导它；微波可以穿过玻璃、陶瓷、塑料等绝缘材料，但不会消耗能量；而水（蒸汽）会对微波产生强烈吸收。一、微波传感器的组成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、磁控管或某些固体器件。由微波振荡器产生的振荡信号需要用波导管(波长在10cm以上可用同轴电缆)传输，并通过天线发射出去，常用的天线有喇叭形天线、抛物面天线和介质线等。4.3微波式传感器4.3微波式传感器(a)(b)(c)(d)常用的微波天线(a)扇形喇叭天线;(b)圆锥形喇叭天线;(c)旋转抛物面天线;(d)抛物柱面天线二、微波传感器工作原理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，如图所示。Microwavesourse4.3微波式传感器MS与T合二为一称为有源微波传感器；MS与R合二为一称为自振荡式微波传感器。1.反射式微波传感器反射式微波传感器是通过检测被测物体反射回来的微波功率或经过的时间间隔来测量被测位置、厚度等参数。2.遮断式微波传感器遮断式微波传感器是通过检测接受天线接收到的微波功率大小，来判断发射天线和接收天线之间有无被测物或被测物体的位置与含水量等参数。4.3微波式传感器4.3微波式传感器三、微波物位计微波物位计原理如图所示。当被测物位低于设定物位时，接收天线接收的功率为:rttGGPSP20)4(当被测物位升高到天线所在高度时，接收天线接收的功率为0PPrη——由被测物形状、材料性质、电磁性能及高度所决定的系数----发射天线的发射功率；----发射天线的增益；----接收天线的增益。tPtGrG4.3微波式传感器四、微波液位计微波液位计原理如图所示，接收天线接收到的功率Pr为:2224)4(dSGGPPrttr微波发射天线Sd微波接收天线----发射天线的发射功率；----发射天线的增益；----接收天线的增益。tPtGrG4.3微波式传感器图中所示是目前在工程应用较多的调频连续波式微波物位（液位和料位）计。4.3微波式传感器通常只需将发射、接收天线装在被测料仓（罐）上方，即可对物位进行连续测量。这种调频连续波式微波物位计抗机械噪声、电磁噪声能力强，在高温、高压、高粘度情况下，可连续、快速而准确地测出目标物体的物位值。4.4超声波物位及厚度检测4.4.1超声波检测原理一、超声波人耳所能听到的声波频率在20～20000Hz之间，频率超过20000Hz，人耳不能听到的声波称为超声波(由逆压电效应产生)。机械振动在介质中的传播称为机械波。机械波与电磁波既有相似之处又有不同之处，机械波由机械振动产生，电磁波由电磁振荡产生；机械波的传播需要特定的介质，在不同介质中的传播速度也不同，在真空中根本不能传播，而电磁波（例如光波）可以在真空中传播；机械波可以是横波和纵波，但电磁波只能是横波；机械波与电磁波的许多物理性质，如：折射、反射等是一致的，描述它们的物理量也是相同的。常见的机械波有：水波、声波、地震波。机械波在介质中的传播速率是由介质本身的固有性质决定的。在不同介质中，波速是不同的。次声波的特点及应用次声波是指频率低于人们的听觉下限(20Hz)的声波．例如，火山爆发、地震、海啸、台风等所含能量巨大的自然现象及核爆中都会产生次声波．次声波传播的特点是，能量衰减小，易受重力影响；在空气中传播易引起空气分子的振动，使部分声能转化为空气的内能．次声波由于受重力影响，主要是沿地面传播，因而次声波可以传播很远的距离。次声波常用于探测波源(如爆炸点)的位置、预测火山爆发、雷暴及异常的气象变化等．超声波的特点及应用频率高于人们的听觉上限(20000Hz)不能再激起听觉的声波叫超声波。由于超声波的波长很短，所以只能是近似地做直线传播．超声波与一切波一样会发生反射、折射、干涉、衍射等现象．超声波在介质中传播时，超声波与介质间因相互作用而发生一系列的物理或化学变化。超声波引起的效应很多，主要表现是，介质中的质点在超声波的作用下做受迫振动，产生机械效应，会使悬浮粒子凝聚；强度很大的超声波能引起物体破碎；超声波可用做清洗、乳化，以促进化学反应，以及在此基础上发展起来的超声探伤、测距，医学上广泛应用的超声波诊断成像(B超)等等。现在，超声波与电磁辐射、粒子轰击已成为研究物质微观结构的三大重要手段．二、超声波的物理特性1.定向传播2.穿透能力强3.反射特性12111222121212221212212112,coscos[]coscos0[]R1zvzvvvzzzzRzzzzRzz、为两种介质的密度；、为超声波在两种介质中传播的速度；、为超声波在介质中传播的声阻抗；反射系数：当＝＝时：如果相差较大，则，即全反射6212121.44104100.999zzzzR、为水、空气，，，则三、超声波的衰减声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减。其声压和声强的衰减规律满足以下函数关系：xxeII20xxePP0式中:xP、xI——声波在距声源x处的声压和声强；0P、0I——声波在声源处的声压和声强；x——声波与声源间的距离；——衰减系数。三、超声波的衰减声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减。在不同介质中衰减的幅度关系如下：固体液体气体声波在介质中传播时衰减的程度还与声波的频率有关，频率越高，声波的衰减也越大。4.4.2超声波传感器超声传感器是基于回声测距原理设计的，利用超声波发射探头发出超声脉冲，发射波在料位或液位表面反射形成回波，由接收探头将信号接收下来，测出超声脉冲从发射到接受所需时间，根据已知介质中的波速就能计算出探头到物位或液位表面的距离，从而确定物位的高度。H为传播速度vvtH,214.4.2超声波传感器超声波换能器：能将（交流）电信号转换成机械振动而向介质中辐射（发射）超声波，或将超声场中的机械振动转换成相应的电信号的装置称为超声波换能器（或称为探测器、传感器、探头）。超声波传感器一般都是可逆的，既能发射也能接收发射超声波。超声换能器按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等。最常用的是压电式探头。根据换能器结构不同分：直探头式、斜探头式和多探头式等。压电式超声波传感器结构图4.4.3超声传感器测物位超声波液位计按传声介质不同，可分为气介式、液介式和固介式三种；按探头的工作方式可分为自发自收的单探头方式和收发分开的双探头方式。相互组合可以得到六种液位计的方案。在容器底部或顶部安装超声波发射器和接收器，发射出的超声波在相界面被反射。由图中可看出，超声波传播距离为H，波的传播速度为v，传播时间为Δt，则：H的测量一般是用接收到的信号触发门电路对振荡器的脉冲进行计数来实现。12Hvt02nvHf4.4.3超声传感器测物位超声波法测厚常用脉冲回波法，测厚原理如图所示：vtd214.4.4超声传感器测厚度超声波测厚仪AR850测量范围：1.2~225.0mm精度：+-(1%+-0.1)mm基于89C2051的超声波测距仪的设计P1.0端口输出一个40kHz的脉冲信号，经过三极管T放大，驱动超声波发射头UCM40T，发出40kHz的脉冲超声波；右侧和左侧测距电路的输入端分别接P1.1和P1.2端口，工作原理与前方测距电路相同。接收头采用与发射头配对的UCM40R，将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经运算放大器IC1A和IC1B两极放大后加至IC2。LM567输入信号大于25mV，输出端8脚由高电平跃变为低电平，作为中断请求信号，送至单片机处理。核辐射传感器是根据被测物质对射线的吸收、反散射或射线对被测物质的电离激发作用而进行工作，核辐射传感器是核辐射式检测仪表的重要组成部分，它是利用放射性同位素来进行测量的。核辐射传感器一般由放射源、探测器以及电信号转换电路所组成。它可以检测厚度、液位、物位等参数。4.5核辐射物位与厚度检测4.5.1放射源和探测器原子如果不是由于外界的原因，而是由于自发的结构性的变化，称为核衰变，核衰变是放射性同位素的本征特性。放射性同位素在衰变的过程中释放出一种特殊的，带有一定能量的粒子或者射线，这种现象成为核辐射或者放射性。放射性同位素能放出α射线、β射线和γ射线。一、射线的种类及衰变规律(1)α粒子：一般具有4～10MeV能量，其电离能力较强，主要用于气体分析，用来测量气体压力、流量等参数。α射线由于贯穿本领强，可以用来检查金属内部有没有沙眼或裂纹，所用的设备叫α射线探伤仪；α射线的电离作用很强，可以用来消除机器在运转中因摩擦而产生的有害静电；生物体内的DNA(脱氧核糖核酸)承载着物种的遗传密码，但是DNA在射线作用下可能发生突变，所以通过射线照射可以使种子发生变异，培养出新的优良品种；射线辐射还能抑制农作物害虫的生长，甚至直接消灭害虫．人体内的癌细胞比正常细胞对射线更敏感，因此用射线照射可以治疗恶性肿瘤，这就是医生们说的“放疗”。0tIIe4.5核辐射物位与厚度检测(2)β粒子：实际上是高速运动的电子，它在气体中的射程可达20m，主要测量材料的厚度、密度或重量；根据辐射的反散射来测量覆盖层的厚度，利用β粒子很大的电离能力来测量气体流。(3)γ射线：是一种从原子核内发射出来的电磁辐射，在物质中的穿透能力比较强，在气体中的射程为数百米，能穿过几十厘米厚的固体物质。主要用于金属探伤、厚度检测以及物体密度检测等。4.5核辐射物位与厚度检测二、射线与物质的相互作用1.带电粒子和物质的相互作用。2.γ射线和物质的相互作用/heII00hIIeI—穿过厚度为h的吸收层后的辐射通量强度I0—入射到吸收体的辐射通量的强度μ—线性吸收系数—质量吸收系数kkh光电吸收系数康普顿散射吸收系数电子对生成吸收系数设质量厚度=0IIe1.电离室2.闪烁计数器4.5核辐射物位与厚度检测三、常用探测器探测器就是核辐射的接收器，它是核辐射传感器的重要组成部分。其用途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。用于检测仪表的主要有电离室、闪烁计数器和盖格计数等。1收集极2高压极3保护环4镀铝薄膜6外壳闪烁体的原子受激发光，光透过闪烁体射到光阴极上打出光电子，经过倍增在阳极上形成电流脉冲。4.5.2测量电路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