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1、传感器应用技术第1页，共35页，编辑于2022年，星期四第4章 物位及厚度检测物位检测方法：物位检测方法：n物位检测总体上可分为物位检测总体上可分为直接检测直接检测和和间接检测间接检测两两种方法，由于测量状况及条件复杂多样，因而种方法，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。相关信号进行测量。第2页，共35页，编辑于2022年，星期四第4章 物位及厚度检测直接测量法：直接测量法：n直接测量是一种最为简单、直观的测量方法。其中液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，它是位检测
2、常会用到直接测量，它是利用连通器的原理，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。读出液位高度。第3页，共35页，编辑于2022年，星期四第4章 物位及厚度检测常用的间接检测方法有：常用的间接检测方法有：n浮力法和静压法；浮力法和静压法；n电学法（电容法）；电学法（电容法）；n微波法；微波法；n超声波法；超声波法；n核辐射法等。核辐射法等。第4页，共35页，编辑于2022年，星期四4.3 微波式传感器n电磁波（又称：电磁辐射、电子烟雾）是能量的一种，凡电磁波（又称：电磁辐射、电子烟雾）是能量的一种，凡是高于绝对零
3、度的物体，都会释出电磁波。是高于绝对零度的物体，都会释出电磁波。n电磁波频率低时，主要借由有形的导电体才能传递；电磁电磁波频率低时，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波频率高时即可以在自由空间自由空间内传递，也可以束缚在有形的导内传递，也可以束缚在有形的导电体内传递。电体内传递。n电磁波谱电磁波谱 无线电波无线电波 3000米米0.3毫米（毫米（微波微波 0.1100厘米）；厘米）；红外线红外线 0.3毫米毫米0.75微米；（其中：微米；（其中：近红外近红外为为0.763微米，中微米，中红外为红外为36微米，远红外为微米，远红外为615微米，超远红外为微米，超远红外为1530
4、0微米）微米）可见光可见光 0.7微米微米0.4微米；微米；紫外线紫外线 0.4微米微米10毫微米毫微米;X射线射线 10毫微米毫微米0.1毫微米毫微米；射线射线 0.1毫微米毫微米0.001毫微米；毫微米；高能射线小于高能射线小于0.001毫微米毫微米。第5页，共35页，编辑于2022年，星期四4.3 微波式传感器n微波的特点是微波的特点是: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；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。的影响小，具有很强的环境
5、适应能力。3.微波碰到金属就发生反射，金属根本没有办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、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。（蒸汽）会对微波产生强烈吸收。第6页，共35页，编辑于2022年，星期四一、微波传感器的组成一、微波传感器的组成 n微波振荡器微波振荡器和和微波天线微波天线是微波传感器的重要组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、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。磁控管或某些固体器件。n由微波振荡
6、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(波长在波长在10cm10cm以上可用同轴电缆以上可用同轴电缆)传输，并通传输，并通过天线发射出去，常用的天线有喇叭形天线、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。抛物面天线和介质线等。4.3 微波式传感器第7页，共35页，编辑于2022年，星期四4.3 微波式传感器 常用的微波天线常用的微波天线(a)扇形喇叭天线扇形喇叭天线;(b)圆锥形喇叭天线圆锥形喇叭天线;(c)旋转抛物面天线旋转抛物面天线;(d)抛物柱面天线抛物柱面天线 第8页，共35页，编辑于2022年，星期四二、微波传感器工作原理二、微波传感器
7、工作原理 n微波传感器的敏感元件可认为是一个微波场。其它部分可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。视为一个转换器和接收器，如图所示。Microwave sourse4.3 微波式传感器MS与与T合二为一称为有源微波传感器；合二为一称为有源微波传感器；MS与与R合二为一称为自振荡式微波传感器。合二为一称为自振荡式微波传感器。第9页，共35页，编辑于2022年，星期四 1.1.反射式微波传感器反射式微波传感器 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
8、。功率或经过的时间间隔来测量被测位置、厚度等参数。2.2.遮断式微波传感器遮断式微波传感器 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。体的位置与含水量等参数。4.3 微波式传感器第10页，共35页，编辑于2022年，星期四4.3 微波式传感器三、微波物位计三、微波物位计 n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收的功率为
9、:n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 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；发射天线的发射功率；-发射天线的增益；发射天线的增益；-接收天线的增益。接收天线的增益。第11页，共35页，编辑于2022年，星期四4.3 微波式传感器四、微波液位计四、微波液位计 n微波液位计原理如图所示，接收天线接收到的功率微波液位计原理如图所示，接收天线接收到的功率Pr为为:-发射天线的发射功率；发射天线的发射功率；-发射天线的增益；发射天线的增益；-接收天线的增益。接收天线的增益。第12页，共35页，编辑
10、于2022年，星期四4.3 微波式传感器n图中所示是目前在工程应用较多的调频连续波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。式微波物位（液位和料位）计。第13页，共35页，编辑于2022年，星期四4.3 微波式传感器n通常只需将发射、接收天通常只需将发射、接收天线装在被测料仓（罐）上线装在被测料仓（罐）上方，即可对物位进行连续方，即可对物位进行连续测量。这种调频连续波式测量。这种调频连续波式微波物位计抗机械噪声、微波物位计抗机械噪声、电磁噪声能力强，在高温、电磁噪声能力强，在高温、高压、高粘度情况下，可高压、高粘度情况下，可连续、快速而准确地测出连续、快速而准确地测出
11、目标物体的物位值。目标物体的物位值。第14页，共35页，编辑于2022年，星期四4.4 4.4 超声波物位及厚度检测超声波物位及厚度检测 4.4.1 4.4.1 超声波检测原理超声波检测原理 一、超声波一、超声波人耳所能听到的声波频率在人耳所能听到的声波频率在202020000Hz20000Hz之间，频率超过之间，频率超过20000Hz20000Hz，人耳不能听到的声波称为超声波，人耳不能听到的声波称为超声波(由逆压电效应产由逆压电效应产生生)。机械振动机械振动在介质中的传播称为机械波。机械波与在介质中的传播称为机械波。机械波与电磁波电磁波既有相既有相似之处又有不同之处，机械波由机械振动产生，
12、电磁波由似之处又有不同之处，机械波由机械振动产生，电磁波由电磁振电磁振荡荡产生；机械波的传播需要特定的介质，在不同介质中的产生；机械波的传播需要特定的介质，在不同介质中的传传播速度播速度也不同，在也不同，在真空真空中根本不能传播，而电磁波（例如中根本不能传播，而电磁波（例如光波光波）可以在真空中传播；机械波可以是横波和可以在真空中传播；机械波可以是横波和纵波纵波，但电磁波只能，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：是一致的，描述它们的物理量也是相同的。常见的机
13、械波有：水波水波、声波声波、地震波地震波。机械波在介质中的机械波在介质中的传播速率传播速率是由介质本身的固有性质决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。定的。在不同介质中，波速是不同的。第15页，共35页，编辑于2022年，星期四次声波的特点及应用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、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
14、起空气分子的播的特点是，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。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次声波常用于探测波源(如爆炸点如爆炸点)的位置、预测火山爆发、雷暴及异常的气的位置、预测火山爆发、雷暴及异常的气象变化等象变化等超声波的特点及应用超声波的特点及应用频率高于人们的听觉上限频率高于人们的听觉上限(20000 Hz)不能再激起听觉的声波叫超声波。由于超不能再激起听觉的声波叫超声波。由于
15、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，产生机械效应机械效应，会使，会使悬浮粒子凝聚；强度很大的超声波能引起悬浮粒子凝聚；强度很大的超声波能引起物
16、体破碎物体破碎；超声波可用做清洗、乳化，；超声波可用做清洗、乳化，以以促进化学反应促进化学反应，以及在此基础上发展起来的超声探伤、测距，医学上广泛，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应用的超声波诊断成像(B超超)等等。现在，超声波与电磁辐射、粒子轰击已成等等。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为研究物质微观结构的三大重要手段第16页，共35页，编辑于2022年，星期四二、超声波的物理特性二、超声波的物理特性1.定向传播2.穿透能力强3.反射特性12第17页，共35页，编辑于2022年，星期四三、超声波的衰减三、超声波的衰减
17、声声波波在在介介质质中中传传播播时时，随随着着传传播播距距离离的的增增加加，能能量量逐逐渐衰减。其声压和声强的衰减规律满足以下函数关系：渐衰减。其声压和声强的衰减规律满足以下函数关系：式中式中:、声波在距声源声波在距声源x x处的声压和声强；处的声压和声强；、声波在声源处的声压和声强；声波在声源处的声压和声强；声波与声源间的距离；声波与声源间的距离；衰减系数。衰减系数。第18页，共35页，编辑于2022年，星期四三、超声波的衰减三、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：量逐渐衰减。在不同介质中衰减的幅度关系如下：固体固体液体液体R24.5 核辐射物位与厚度检测第33页，共35页，编辑于2022年，星期四n4.5.34.5.3 核辐射厚度计核辐射厚度计4.5 核辐射物位与厚度检测探测器为电离室第34页，共35页，编辑于2022年，星期四n 4.6.4 4.6.4 核辐射液位计核辐射液位计4.5 核辐射物位与厚度检测 基于物质基于物质对射线的吸收对射线的吸收程度的变化进程度的变化进行液位测量的行液位测量的物位计。物位计。第35页，共35页，编辑于2022年，星期四