物位传感器

空气的密度很小，将引起3个界面间强烈 的杂乱反射波，造成干扰，而且空气也 将对超声波造成很大的衰减。
常用的耦合剂有水、机油、甘油、水玻 璃、胶水、化学浆糊等。耦合剂的厚度 应尽量薄一些，以减小耦合损耗。
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耦合剂
超声探头与被测物体接触时，探头与被测物 体表面间存在一层空气薄层，空气将引起三个界面 间强烈的杂乱反射波，造成干扰，并造成很大的衰 减。为此，必须将接触面之间的空气排挤掉，使超 声波能顺利地入射到被测介质中。在工业中，经常 使用一种称为耦合剂的液体物质，使之充满在接触 层中，起到传递超声波的作用。常用的耦合剂有自 来水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆糊等。
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主要章节
9.1超声波及其物理性质 9.2超声波探头及耦合技术 9.3超声波传感器的应用
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9.1超声波及其物理性质
9.1.1 超声波的基本概念
1．超声波的概念和波形 机械振动在弹性介质内的传播称为波动，简称
为波。人能听见声音的频率为20Hz～20kHz， 即为声波，超出此频率范围的声音，即20Hz 以下的声音称为次声波，20kHz以上的声音称 为超声波，一般说话的频率范围为100Hz～ 8kHz。 超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力 越弱，但反射能力越强
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1.单晶直探头
用于固体介质的单晶直探头（俗称直探 头），压电晶片采用PZT压电陶瓷材料 制作，外壳用金属制作，保护膜用于防 止压电晶片磨损。保护膜可以用三氧化 二铝（钢玉）、碳化硼等硬度很高的耐 磨材料制作。阻尼吸收块用于吸收压电 晶片背面的超声脉冲能量，防止杂乱反 射波产生，提高分辨力。阻尼吸收块用 钨粉、环氧树脂等浇注。
根据发射和接收换能器的功能，传感器又可分 为单换能器和双换能器。单换能器的传感器发 射和接收超声波均使用一个换能器，而双换能 器的传感器发射和接收各由一个换能器担任。

响（ 如冷凝和其他恶劣条件等 ） 的特
性，从而保证产 品的长期稳 定性 。 传感器经 过完全标 定 ，提供 Ｉ ２ Ｃ 数字接 口， 便于客户使用 ，也可按客 户要求提供模拟输 出模 式 （ ＷＭ）。 Ｐ 数字通信可大大 降低功 耗： 正常工作 状态 ， 功耗可在３ ｗ以内，如延长测 雎 量间隔，功耗还可进 一步 降低 。 传感 器 典 型湿 度 精度 ± ％Ｒ （ ０ ８ ％ ２ Ｈ ２￣ ０
ｅｉ ｅ穰Ｓｅ
ｌ
内， 也可作为客户定制系统 的附加选
项。
度传感器
出 了 一 款 尺 寸 超 小 的数字湿 度 和温度 传感 器一一 Ｒ ｃｎ ｒ ｅｈ ｅ 高性 能 电 容 物 位 计 的传
ＸＲ系 列 光 谱 仪 的光 学分 辨 率 为
～
２０ ｍ （ ＷＨＭ）。把 ＸＲ系列光 栅 ． ｎ Ｆ
接 ，且不影响产 品性 能。 传感器提供 卷带封装 ， 可进行标准化 生产 。 有 所
上 述 特 点 使 得 Ｓ ２ 成 为 大 批 量 生 ＨＴ １
。
ｉＭｓ
系
仪。
Ｔ４４系列 机毒 ７ ２Ｔ ４ 瞄 。０ 、 ． 。 ｉｔ
ｌ ０≥ ◇ ｌ
ＭＴ ４ ４ 系列人机 界面 是上海 ４２Ｔቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
同 时 需 要 测 量 ＵＶ． Ｓ 及 ＶＩ． Ｉ ＶＩ ＳＮ Ｒ
中。 不但适用 于普 通的液体 、 固体颗
粒 的容 器 、 、简他 或 料 斗 的远 距 离 槽 连 量 料 位 测 量 。 且 此 电容 物 位 计 以 而
采用包塑成型工艺 。通过这 种方式，
元 件 尺 寸 缩 小 至 ３ ３ ， 高 度 为 ｘ ｍｍ １１ ． ｍｍ。此 外 ，包 塑 成 型 工 艺 具 有优

三、电容式物位传感器
1.测量原理★ 2.液位的测量★ 3.料位的测量
1.测量原理
【引】电容式物位传感器是利用圆筒形电容器的电容值随物位 变化而变化的原理而工作的。
1.测量原理：在电容器的极板之间充以不同的介质时，由于 介电系数的不同，电容量的大小也会不同。测出电容量的 变化即可检测物位的高低。 H→△C
⇒ 此时，仪表的输出I0不能正确反映出液位的数值H。
⇒ 需要对差压变送器进行零点迁移，使得：
H = 0时，差压变送器输出I0 = 4mA； H = Hmax时，差压变送器输出I0 = 20mA。 即使液位的零值和满量程能与变送器输出的上下限相对应。
2.零点迁移问题
（3）差压变送器零点迁移的方法：可调节变送器上的迁移 弹簧，使得当液位H=0时，尽管差压变送器的输入信号Δ p≠0，但变送器的输出为最小值（对DDZ Ⅲ型，即 I0=4mA）。 H=0时， 尽管Δp≠0，但仍使I0=4mA
习题
Ex50.思考：
若 H = 2 m， 被 测 液 体 的 密 度 ρ min = 1.0 × 10 3 kg / m 3 , ρ max = 1 .5 × 1 0 3 kg / m 3。 求 差 压 变 送 器 的 差 压 变 化 范 围 。 （ g取 9.8N/kg）
解 ： ∆p min =Hgρ min = 2 × 9.8 × 1.0 × 103 N/m 2 = 19600 Pa ∆p max =Hgρ max = 2 × 9.8 ×1.5 ×103 N/m 2 = 29400 Pa
⇒ 范 围 ：19600 P a ~ 29400 P a。
（6）声波式物位仪表：由于物位的变化引起声阻抗的变化、 声波的遮断和声波反射距离的不同，测出这些变化即可测 出物位。

超声波探头结构如图10 - 3所示, 主要由压电晶片、 吸收 块（阻尼块）、 保护膜组成。压电晶片多为圆板形, 厚度为δ。 超声波频率f与其厚度δ成反比。压电晶片的两面镀有银层, 作 导电的极板。阻尼块的作用是降低晶片的机械品质, 吸收声能 量。如果没有阻尼块, 当激励的电脉冲信号停止时, 晶片将会 继续振荡, 加长超声波的脉冲宽度, 使分辨率变差。
10.3 超声波传感器的应用
一、 超声波物位传感器
超声波物位传感器是利用超声波在两种介质的分界面上 的反射特性而制成的。 如果从发射超声脉冲开始, 到接收换 能器接收到反射波为止的这个时间间隔为已知, 就可以求出分 界面的位置, 利用这种方法可以对物位进行测量。根据发射和 接收换能器的功能, 传感器又可分为单换能器和双换能器。 单换能器的传感器发射和接收超声波均使用一个换能器, 而双 换能器的传感器发射和接收各由一个换能器担任。
方向的传输时间为t2, 流体静Fra bibliotek时的超声波传输速度为c, 流体
流动速度为v,
L
t1 = c v
（10 - 8）
t2 = L
（10 - 9）
cv
一般来说, 流体的流速远小于超声波在流体中的传播速 度, 那么超声波传播时间差为
2 Lv Δt=t2-t1= c 2 v 2
（10 - 10）
由于c v, 从上式便可得到流体的流速,
当纵波以某一角度入射到第二介质（固体）的界面上 时, 除有纵波的反射、 折射外, 还发生横波的反射和折射, 在 某种情况下, 还能产生表面波。
二、
声波从一种介质传播到另一种介质, 在两个介质的分界 面上一部分声波被反射， 另一部分透射过界面, 在另一种介 质内部继续传播。这样的两种情况称之为声波的反射和折 射, 如图10 - 2所示。