《傳感器與檢測(cè)技術(shù)》課件 項(xiàng)目4 物位檢測(cè)

項(xiàng)目4物位檢測(cè)任務(wù)4.1基于電容傳感器的汽車油量表改造

任務(wù)4.2基于超聲波傳感器的城市排水管道液位檢測(cè)項(xiàng)目4物位檢測(cè)項(xiàng)目背景物位——液位、料位、界位。

液位——容器中的液體介質(zhì)的高低。

料位——容器中固體或顆粒狀物質(zhì)的堆積高度。

界位——兩種互不相溶的液體介質(zhì)的分界面的高低。

物位傳感器——液位傳感器、料位傳感器及界位傳感器。物位、液位、料位檢測(cè)中，液位的檢測(cè)使用的最廣泛，本項(xiàng)目主要介紹液位的檢測(cè)。液位檢測(cè)根據(jù)檢測(cè)儀表是否與液位接觸分為兩類。一類為接觸式，包括單法蘭靜壓/雙法蘭差壓液位變送器，浮球式液位變送器，磁性液位變送器，投入式液位變送器，電動(dòng)內(nèi)浮球液位變送器，電動(dòng)浮筒液位變送器，電容式液位變送器，磁致伸縮液位變送器，伺服液位變送器等。第二類為非接觸式，分為超聲波液位變送器，雷達(dá)液位變送器等。項(xiàng)目背景液位計(jì)類型液位測(cè)量范圍/m允許溫度/℃允許壓力/MPa特點(diǎn)玻璃管式1.5100-150常壓讀數(shù)直觀，價(jià)格便宜，易破碎。差壓式3020015可適合黏性介質(zhì)浮筒式58016讀數(shù)直觀，價(jià)格便宜，無源電容式201203讀數(shù)精確,溫漂小超聲波式601000.8受溫度影響較大，不適合霧氣或粉塵場(chǎng)合以及有泡沫的液體。音叉式2802不能用于連續(xù)測(cè)量雷達(dá)式3512010準(zhǔn)確度高，不受蒸氣、霧的影響，可在灰塵等惡劣環(huán)境工作。核輻射式6060020量程大，適合高溫高壓等惡劣環(huán)境。表4-1液位傳感器分類及主要特征任務(wù)4.1基于電容傳感器的汽車油量表改造

任務(wù)導(dǎo)入：最初的汽車油量計(jì)采用傳統(tǒng)的機(jī)械式油量計(jì)，存在精度低，穩(wěn)定性不高，使用環(huán)境存在局限等問題，已經(jīng)被淘汰。隨著技術(shù)的進(jìn)步，出現(xiàn)了使用滑動(dòng)變阻器為基本檢測(cè)元件的油量計(jì)（電阻式液位計(jì)），工作原理是由浮子帶動(dòng)電位器，再用歐姆表檢測(cè)其阻值，從而達(dá)到顯示油位的目的，但當(dāng)油垢覆蓋電位器后，其阻值會(huì)發(fā)生變化，造成誤差太大，甚至不能使用，使此類油箱傳感器成為壽命很短的易損件。另一類是用電感線圈為基本檢測(cè)元件。它是用浮子帶動(dòng)電感線圈（電感式液位計(jì)），改變震蕩電路的震蕩頻率，再通過頻率計(jì)檢測(cè)其頻率來測(cè)定油位。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)試麻煩，成本高，價(jià)格貴，不能被廣泛使用?，F(xiàn)很多大型客車、重卡等采用電阻式液位計(jì)，容易損壞，本任務(wù)將電容液位傳感器用于東風(fēng)卡車汽車油量表的改造中，具有精度高、壽命長、穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)。相關(guān)知識(shí)4.1.1電容式傳感器的基本原理

電容式傳感器是將被測(cè)非電量的變化轉(zhuǎn)化成為電容量變化的一種傳感器。電容式傳感器采用的是平行板電容器，如圖所示。我們知道，當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)的時(shí)候，平行板電容器的電容C可用下式表示：

ε——電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；ε0——真空介電常數(shù)，其值為8.854×10-12F/m；εr——極板間介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)；A——兩平行板互相遮蓋的有效面積，單位為m2；d——極距，兩平行板之間的距離，單位為m.相關(guān)知識(shí)4.1.1電容式傳感器的基本原理由式可知，當(dāng)A、d或者εr發(fā)生變化時(shí)，電容量C也會(huì)隨之發(fā)生變化。如果保持上述三個(gè)參數(shù)中的兩個(gè)參數(shù)不變，改變另外一個(gè)參數(shù)，就可以將該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換成電容量的變化，再通過測(cè)量電路將電容量的變化轉(zhuǎn)換為電壓、電流或者頻率輸出并顯示，這就是電容傳感器的工作原理。電容式傳感器具有如下優(yōu)點(diǎn)1、相對(duì)變化量可達(dá)到200%以上；2、能在高溫和強(qiáng)輻射等惡劣環(huán)境中工作；3、所需激勵(lì)源功率較小；4、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。4.1.2電容式傳感器的分類及其特性

根據(jù)上述電容傳感器的工作原理，按照變化的參數(shù)分類，電容傳感器可分為變極距式、變面積式及變介質(zhì)式三種類型。1、變極距型電容傳感器變極距式電容傳感器如圖所示。圖中極板1固定不動(dòng)，極板2為可動(dòng)電極（動(dòng)片），當(dāng)動(dòng)片隨被測(cè)量變化而移動(dòng)時(shí)，使兩極板間距變化，從而使電容量產(chǎn)生變化。圖4-2（b）為電容與距離的關(guān)系曲線。當(dāng)傳感器的A和ε為定值，初始極距為d0時(shí)，初始電容的值可表示為：

當(dāng)動(dòng)極板2移動(dòng)x值后，電容值可表示為：4.1.2電容式傳感器的分類及其特性由式可知，變極距式電容傳感器電容值C與極距的變化量x不是線性關(guān)系。由上式可知，此時(shí)電容值C與動(dòng)極距x為線性關(guān)系。即當(dāng)極距的變化量相對(duì)初始極距值較小時(shí)，才有線性關(guān)系。這樣導(dǎo)致這種傳感器應(yīng)用在線性范圍的量程較小。變極距式電容傳感器的靈敏度K為：所以當(dāng)d0較小時(shí)，該類型傳感器靈敏度較高，動(dòng)極板的微小位移變化可產(chǎn)生較大的電容變化量。一般電容式傳感器的其實(shí)電容量在20~300nF之間，極板距離在25~200μm的范圍，最大位移應(yīng)小于極板間距的10%，所以電容傳感器經(jīng)常應(yīng)用于微小位移的測(cè)量。相反，當(dāng)d0過小時(shí)，電容器容易短路或被擊穿，所以，極板間可采用高介電常數(shù)的材料，例如云母、塑料膜等。4.1.2電容式傳感器的分類及其特性2、變面積式電容傳感器變面積式電容傳感器分為平板形、圓柱形及角位移式三種類型，分別如圖所示(1)平行板型變面積電容傳感器如圖4-3（a），動(dòng)極板移動(dòng)引起兩極板有效覆蓋面積A改變，使電容量發(fā)生變化。當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于定極板沿長度方向平移x時(shí)，電容量C也隨之變?yōu)椋涸黾訕O板長度b，減小極板間距d均可以提高傳感器的靈敏度。但是當(dāng)d太小時(shí)，容易發(fā)生短路。4.1.2電容式傳感器的分類及其特性(2)圓柱型變面積電容傳感器平板形結(jié)構(gòu)對(duì)極距變化特別敏感，對(duì)精度影響較大。但是圓柱形結(jié)構(gòu)受極板徑向變化的影響很小，成為實(shí)際中最常采用的結(jié)構(gòu)。圓柱形電容式傳感器如圖4-3(b)所示忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，電容量C為：式中：l——外圓筒與內(nèi)圓柱覆蓋部分的長度；r2——圓筒內(nèi)半徑；r1——內(nèi)圓柱外半徑。當(dāng)兩圓筒相對(duì)移動(dòng)Δl時(shí)，電容變C為：4.1.2電容式傳感器的分類及其特性(3)角位移式電容傳感器如圖4-3（c），當(dāng)動(dòng)極板有一個(gè)角位移θ時(shí)，與定極板間的有效覆蓋面積就發(fā)生改變，從而改變了兩極板間的電容量。初始狀態(tài)，當(dāng)θ=0時(shí)，則初始電容為：當(dāng)動(dòng)極板轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ時(shí)，電容值變?yōu)椋?/p>

4.1.2電容式傳感器的分類及其特性從以上分析可知,變面積電容傳感器在理論上均為線性關(guān)系,但實(shí)際上只在中間一小段是線性的（如圖4-5所示），與變極距型相比，靈敏度較低。多用于檢測(cè)直線位移、角位移、尺寸等參量。4.1.2電容式傳感器的分類及其特性3、變介電常數(shù)型電容式傳感器介質(zhì)的介電常數(shù)也是影響電容傳感器電容量的一個(gè)因素。由于各種介質(zhì)的介電常數(shù)不同，故在電容器兩極板間加以不同介電常數(shù)的介質(zhì)時(shí)，電容器的電容量會(huì)隨之發(fā)生變化。利用這種原理制成的傳感器在檢測(cè)容器中液面高度、片狀材料厚度等方面得到普遍應(yīng)用。介質(zhì)名稱相對(duì)介電常數(shù)介質(zhì)名稱相對(duì)介電常數(shù)介質(zhì)名稱相對(duì)介電常數(shù)真空1玻璃釉3-5聚苯乙烯2.4-2.6空氣略大于1二氧化硅38變壓器油2-4其他氣體1-1.2云母5-8環(huán)氧樹脂3-10硅油2-3.5干紙2-4高頻陶瓷10-160聚丙烯2-2.2干谷子3-5純凈水80聚四氟乙烯2壓電陶瓷1000-10000聚偏二氟乙烯3-54.1.2電容式傳感器的分類及其特性變介電常數(shù)電容式傳感器測(cè)量原理如下圖4-6所示，設(shè)被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)為ε1，液面高度為h，變換器總高度為H，外筒內(nèi)徑為D，內(nèi)筒外徑為d，此時(shí)變換器電容值為：式中：ε——空氣介電常數(shù)；

C0——初始電容量。由式4-15可知，電容的變化量ΔC為：電容的變化量與被測(cè)液位的高度h成線性關(guān)系。4.1.2電容式傳感器的分類及其特性4、差動(dòng)電容傳感器在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高靈敏度，減小非線性誤差，大都采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。如圖4-7所示：其中圖(a)為變極距的差動(dòng)式電容器，中間的極板為動(dòng)極板，上下兩塊為定極板。當(dāng)動(dòng)極板向上移動(dòng)Δd距離后，上面的電容器極距減小為d0－Δd，相應(yīng)下面的電容器極距增大為C1和C2。電容C1和C2呈差動(dòng)變化，C1增大，C2減小。將C1和C2差接后，能使靈敏度提高一倍，外界的影響諸如溫度、激勵(lì)源電壓、頻率變化等也基本能相互抵消。圖(b)、圖(c)同理，請(qǐng)讀者自行分析。4.1.3電容傳感器的測(cè)量電路

電容傳感器輸出的電容變化量非常微小，很難精確的顯示、記錄及傳輸，電容傳感器的測(cè)量電路就是將微小的電容變化量轉(zhuǎn)換成與其正比的電壓、電流或者頻率信號(hào)，才能進(jìn)行精確的顯示、記錄和傳輸。

電容傳感器的測(cè)量電路很多，常見的有交流橋式電路、調(diào)頻電路、脈寬調(diào)制電路和運(yùn)算放大電路等。(1)單臂橋式電路。電路中，電容構(gòu)成電橋的四臂，C1、C2、C3、Cx為固定電容，Cx為電容式物位傳感器的轉(zhuǎn)換元件，由高頻電源經(jīng)變壓器接到電容橋的一個(gè)對(duì)角線上，另一個(gè)對(duì)角線上接有交流電壓表。跟電阻橋類似的是，交流電橋平衡時(shí)有：C1/C2=C3/Cx，電壓表電壓值UO為零。當(dāng)Cx改變時(shí)，UO不等0,電壓表有反應(yīng)電容變化的輸出電壓值.由于Cx值隨著被測(cè)物理量變化而變化，所以輸出電壓也就反映了被測(cè)物理量的變化值。(2)差動(dòng)橋式電路。如圖4-9所示，其中Cx1

、Cx2均可變化，其輸出電壓UO為：2、調(diào)頻測(cè)量電路振蕩器輸出的高頻電壓是一個(gè)電容Cx控制的調(diào)頻波，其頻率的變化在鑒頻器中轉(zhuǎn)換成電壓幅度變化的輸出。經(jīng)過放大器放大后，可用電壓表指示電容Cx的變化數(shù)值。這種轉(zhuǎn)換電路抗干擾能力強(qiáng)，能取得高電平直流信號(hào)，但振蕩頻率容易受到電纜電容的影響。3、脈沖寬度調(diào)制電路本電路的原理是將變化電容的大小轉(zhuǎn)換成脈沖的寬度（脈沖幅值不變）。如圖4-11所示，當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的Q端輸出為高電平時(shí)，A點(diǎn)通過R1對(duì)C1充電，F(xiàn)點(diǎn)電位逐漸升高。在Q端為高電平期間，Q端為低電平，電容C2通過低內(nèi)阻的二極管VD2迅速放電，G點(diǎn)電位被鉗制在低電平。當(dāng)F點(diǎn)電位升高超過參考電壓UR時(shí)，比較器A1產(chǎn)生一個(gè)“置零脈沖”，觸發(fā)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，A點(diǎn)跳變?yōu)榈碗娢?，B點(diǎn)跳變?yōu)楦唠娢?。此時(shí)C1經(jīng)二極管VD1迅速放電，F(xiàn)點(diǎn)被鉗制在低電平，而同時(shí)B點(diǎn)高電位經(jīng)R2向C2充電。當(dāng)G點(diǎn)電位超過UR時(shí)，比較器A2產(chǎn)生一個(gè)“置1脈沖”，使觸發(fā)器再次翻轉(zhuǎn)，A點(diǎn)恢復(fù)為高電位，B點(diǎn)恢復(fù)為低電位。如此周而復(fù)始，在雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的兩輸出端各自產(chǎn)生一個(gè)寬度受C1、C2調(diào)制的脈沖波形。當(dāng)C1>C2時(shí)，t1>t2，經(jīng)低通濾波器后，獲得的輸出電壓平均值Uo為正值。4、運(yùn)算式測(cè)量電路圖4-13所示是運(yùn)算式測(cè)量電路。根據(jù)集成運(yùn)算比例放大器的工作原理，當(dāng)放大器的開環(huán)增益和輸入阻抗足夠大時(shí)，輸出電壓與轉(zhuǎn)換元件的電容變化呈線性關(guān)系，即:從上式可以看出，如果傳感器是變極距電容傳感器，則放大器的輸出電壓與極板間距為線性關(guān)系。運(yùn)算放大器電路解決非差動(dòng)式電容傳感器的線性問題，但要求運(yùn)算放大器輸入阻抗和放大倍數(shù)足夠大。4.1.4電容傳感器應(yīng)用1、電容傳感器選用的基本原則由于被測(cè)介質(zhì)的不同，電容式物位傳感器有不同的形式。（1）測(cè)量非導(dǎo)電液體的電容物位傳感器，當(dāng)用于較稀的非導(dǎo)電液體（如輕油等）時(shí)，可采用一金屬電極，外部同軸套上一金屬管，相互絕緣固定，以被測(cè)介質(zhì)為中間絕緣物質(zhì)構(gòu)成同軸套筒形電容器；（2）測(cè)量導(dǎo)電液體的電容物位傳感器，容器（規(guī)則）和液體作為電容器的一個(gè)電極，插入的金屬電極作為另一電極，絕緣套管作為中間介質(zhì)，三者組成圓筒形電容器。當(dāng)容器為非導(dǎo)電體時(shí)，需另加一個(gè)接地極，其下端浸至被測(cè)容器底部，上端與安裝法蘭有可靠的導(dǎo)電連接，以使兩電極中有一個(gè)與大地及儀表地線相連，保證儀表正常測(cè)量；（3）當(dāng)測(cè)量粉狀非導(dǎo)電固體料位和粘滯性非導(dǎo)電液體液位時(shí)，可采用金屬電極直接插入圓筒形容器的中央，將儀表地線與容器相連，以容器作為外電極，料或液體作為絕緣介質(zhì)構(gòu)成圓筒形電容器。所以應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，即被測(cè)介質(zhì)的性質(zhì)（導(dǎo)電特性、粘滯性）、容器類型（規(guī)則/非規(guī)則金屬罐、規(guī)則/非規(guī)則非金屬罐），選擇合適的電容式物位傳感器。2、電容傳感器安裝注意事項(xiàng)安裝物位傳感器時(shí)應(yīng)注意選取合適的安裝點(diǎn)，避開下料口；注意信號(hào)線的屏蔽和接地,防止干擾。注意物料溫度、濕度、運(yùn)動(dòng)速度的變化以及物料粘掛容器壁和電極等因素的影響，引起電容介電常數(shù)的變化。3、電容傳感器的特點(diǎn)（1）電容式傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，易于生產(chǎn)，精度高。電容式傳感器一般用金屬作電極，用無機(jī)材料作絕緣支承，因此在高低溫、強(qiáng)輻射及強(qiáng)磁場(chǎng)等惡劣的環(huán)境中工作時(shí)，它能承受很大的溫度變化，能承受高壓力、高沖擊、過載等，而且能測(cè)量超高壓。（2）由于傳感器極板間的靜電引力很小，需要的輸入能量小，所以特別適合用來解決輸入能量低的問題，如測(cè)量極小的力、壓力和微小的位移等，由于其靈敏度很高，所以分辨率非常高，能測(cè)量0.001μm甚至更小的位移。（3）電容式傳感器的可動(dòng)部分可以做得小而薄，質(zhì)量輕，因此固有頻率高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，能在幾兆赫的頻率下工作，非常適合用于動(dòng)態(tài)測(cè)量；也可以用較高頻率的電壓供電，因此系統(tǒng)工作頻率高，可用于測(cè)量高速變化的參數(shù)，如振動(dòng)等。（4）電容式傳感器的電容值一般與電極材料無關(guān)，故有利于選擇溫度系數(shù)低的材料，又由于傳感器本身發(fā)熱量極小，因此溫度穩(wěn)定性好。（5）電容式傳感器在測(cè)量回轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)或偏心、小型滾珠軸承的徑向間隙等時(shí)，可以采用非接觸式測(cè)量方法，具有平均效應(yīng)，能夠減小工件表面粗糙度等對(duì)測(cè)量的影響。任務(wù)實(shí)施

1、傳感器的選型在自動(dòng)化生產(chǎn)的今天，各種液位傳感器數(shù)不勝數(shù)。在液位測(cè)量中如何選擇最佳的液位測(cè)量方式，是擺在每個(gè)設(shè)計(jì)人員面前的首要問題。那么，液位測(cè)量如何選擇最佳的測(cè)量方式呢？首先，必須對(duì)傳感器的應(yīng)用工況有較為清楚的了解。比如要了解被測(cè)液體屬性，其中包括狀態(tài)、顏色、腐蝕性、粘稠度、是否含雜質(zhì)，是否需要符合食品衛(wèi)生認(rèn)證等，根據(jù)這些具體的工況要求，選用合適的傳感器。比如：在日化用品乳霜的灌裝過程中，需要監(jiān)控儲(chǔ)液罐高、低液位。就需要先對(duì)乳霜的物理屬性有大致的了解：乳霜為流體狀態(tài)，較粘稠，顏色為半透明乳白色，非腐蝕性，無需食品衛(wèi)生認(rèn)證。本任務(wù)要測(cè)量的是汽油，一般為淡黃色的粘稠液體，容器（油箱）一般為異形、非標(biāo)準(zhǔn)的。其次，了解不同測(cè)量方式的優(yōu)缺點(diǎn)和其具有的功能。先清楚我們需要傳感器達(dá)到哪些功能、是屬于開關(guān)量輸出還是模擬量輸出，通常開關(guān)量/數(shù)字量輸出用于報(bào)警或者保護(hù)作用，例如灌裝時(shí)防溢報(bào)警、低液位防泵空轉(zhuǎn)保護(hù)等；模擬量輸出主要用于過程控制，包括灌裝容量、液位顯示、加料速度控制等。本任務(wù)需要模擬量輸出。最后，對(duì)擬選用的測(cè)量方式是否為與工況相匹配的最佳測(cè)量方式做最終評(píng)估。具體包括產(chǎn)品的安裝調(diào)試、應(yīng)用溫度、壓力范圍、價(jià)格等。根據(jù)以上分析，結(jié)合實(shí)際情況，我們選用CR-606電容式傳感器。傳感器如圖4-14所示。任務(wù)實(shí)施下面介紹型號(hào)CR-606系列電容液位計(jì)適用范圍及特點(diǎn)、主要技術(shù)參數(shù)、型號(hào)及說明等。CR-606系列電容式液位計(jì)的傳感部分是一個(gè)同軸的容器，當(dāng)油進(jìn)入容器后引起傳感器殼體和感應(yīng)電極

之間電容量的變化，這個(gè)變化量通過電路的轉(zhuǎn)換并進(jìn)行精確的線性和溫度補(bǔ)償，輸出4~20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)供給顯示儀表。產(chǎn)品核心部件采用先進(jìn)的射頻電容檢測(cè)電路經(jīng)過16位單片機(jī)經(jīng)過精確的溫度補(bǔ)償和線性修正，轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)（4~20mA）?？蛇xHART、CANBUS、485通訊協(xié)議進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)。全系列變送器都具有自校準(zhǔn)功能，用戶可通過按鍵或引線進(jìn)行“零點(diǎn)”、“量程”自動(dòng)校準(zhǔn)，以適應(yīng)各種復(fù)雜場(chǎng)所的不同要求。

CR-606是為鐵路機(jī)車、汽車油箱、油罐車、油庫等油位的精確測(cè)量而量身定做的專門儀表，整機(jī)無任何可動(dòng)或彈性部件，耐沖擊、安裝方便、可靠性高、精度高、性能價(jià)格比好?？砂惭b在各種場(chǎng)合對(duì)汽油、柴油、液壓油等油位進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)控，也適用于各種非導(dǎo)電液體的測(cè)量。在現(xiàn)場(chǎng)條件特別惡劣，電磁干擾特別嚴(yán)重、攪拌特別厲害情況下測(cè)量導(dǎo)電介質(zhì)也可以采用此類產(chǎn)品。

任務(wù)實(shí)施CR-606系列電容油位傳感器的傳感部分是一個(gè)同軸的容器，油進(jìn)入容器后導(dǎo)致傳感器殼體與感應(yīng)電極之間電容量的變化，通過測(cè)量轉(zhuǎn)換電路后得到標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)進(jìn)行顯示。圖4-15為測(cè)量電路原理，當(dāng)油箱中無油時(shí)，電容傳感器的電容Cx0為最小值。此時(shí)應(yīng)使電橋輸出為零。油量表調(diào)零過程如下：首先斷開減速箱與RP的機(jī)械連接，將RP人為地調(diào)到零，即：電位器RP的滑動(dòng)臂位于0點(diǎn)。此時(shí)R3=R4。再調(diào)節(jié)半可變電容C0，使C0=Cx0，此時(shí)，電橋滿足：任務(wù)實(shí)施當(dāng)油箱中注入油，液位上升至h處，Cx=Cx0+ΔCx，ΔCx與h成正比。此時(shí)電橋失去平衡，電橋的輸出電壓Ubdo經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)，再由減速箱減速后，帶動(dòng)指針順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，同時(shí)帶動(dòng)RP的滑動(dòng)臂向c點(diǎn)移動(dòng)，從而使RP的阻值增大，Rcd

=R3+RRP也隨之增大。當(dāng)RP阻值達(dá)到一定值時(shí)，(Cx0+ΔCx)/C0=(R3+RRP)/R4，電橋又達(dá)到新的平衡狀態(tài)，Ubdo再次等于零，于是伺服電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，指針停留在轉(zhuǎn)角為θmax處。

當(dāng)油位降低時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，指針逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，同時(shí)帶動(dòng)RP的滑動(dòng)臂移動(dòng),使RP阻值減小。當(dāng)RP阻值達(dá)到某一數(shù)值時(shí),電橋又達(dá)到新的平衡狀態(tài)，Uo=0，于是伺服電動(dòng)機(jī)再次停轉(zhuǎn),指針停留在與該液位相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角θ處。該裝置采用了閉環(huán)零位式測(cè)量方法。任務(wù)實(shí)施如圖4-16所示為油量表改造原理圖，由于傳感器已考慮到現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的需求環(huán)境，是參考原車傳感器的功能、外觀、安裝方式的產(chǎn)品。所以在使用時(shí)可直接替換掉原車傳感器，無需打孔，不破壞原車線路。配套使用的調(diào)制解調(diào)器支持多種輸出信息，不但可以驅(qū)動(dòng)原車儀表，還可以將數(shù)字信息實(shí)時(shí)傳輸至衛(wèi)星定位車載終端等設(shè)備。任務(wù)實(shí)施4、傳感器的安裝及注意事項(xiàng)（1）安裝前檢查附件：法蘭、橡膠墊、O型圈、螺絲等是否齊備。（2）將O型圈套在傳感器根部。（3）將橡膠墊的兩面涂抹上耐油密封膠，然后和法蘭盤與油箱法蘭對(duì)好孔位，并用螺絲固定好，擰緊時(shí)應(yīng)對(duì)稱輪流加力，以保證各方向受力均勻，避免漏油。（4）將傳感器插入用扳手?jǐn)Q緊完成傳感器的安裝。（5）接好電源和通訊線，檢查線路。（6）傳感器的安裝位置應(yīng)盡量靠近油箱中心，從而減小汽車在上下坡時(shí)造成的油面傾斜寄油面波動(dòng)對(duì)其的影響。（7）由于車上環(huán)境惡劣，供電應(yīng)采用隔離電源供電。信號(hào)傳輸線纜采用屏蔽線纜。（8）校準(zhǔn)流程：在通電情況下將傳感器緩慢放入被測(cè)介質(zhì)中。使也為從傳感器的下空出開始緩慢上升超過傳感器測(cè)量部分的三分之一處，傳感器的上孔處于較好校準(zhǔn)位置，則完成校準(zhǔn)。為防止校準(zhǔn)失敗，此過程應(yīng)操作兩次以上。知識(shí)拓展1、電容濕度傳感器變介電常數(shù)式電容傳感器當(dāng)介質(zhì)厚度δ保持不變、而相對(duì)介電常數(shù)εr改變時(shí)，該電容器可作為相對(duì)介電常數(shù)εr的測(cè)試儀器。又如，當(dāng)空氣濕度變化，介質(zhì)吸入潮氣（εr水=80）時(shí)，電容將發(fā)生較大的變化。因此該電容器又可作為空氣相對(duì)濕度傳感器。反之，若εr不變，則可作為檢測(cè)介質(zhì)厚度的傳感器。知識(shí)拓展2、電容加速度傳感器電容加速度傳感器的架構(gòu)如圖所示，加速度傳感器殼體隨被測(cè)對(duì)象沿垂直方向作直線加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊在慣性空間中相對(duì)靜止，兩個(gè)固定電極將相對(duì)于質(zhì)量塊在垂直方向產(chǎn)生大小正比于被測(cè)加速度的位移。此位移使兩電容的間隙發(fā)生變化，一個(gè)增加，一個(gè)減小，從而使C1、C2產(chǎn)生大小相等、符號(hào)相反的增量，此增量正比于被測(cè)加速度。加速度傳感器應(yīng)用的一個(gè)典型案例就是汽車的主動(dòng)安全系統(tǒng),當(dāng)測(cè)得的負(fù)加速度值超過設(shè)定值時(shí)，氣囊電控單元據(jù)此判斷發(fā)生了碰撞，就啟動(dòng)轎車前部的折疊式安全氣囊迅速充氣而膨脹，托住駕駛員及前排乘員的胸部和頭部。如果碰撞傳感器安裝在側(cè)面，則在側(cè)面碰撞時(shí)，側(cè)面氣囊膨脹。知識(shí)拓展3、電容式荷重傳感器

圖4-20所示為電容式荷重傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。它是在鎳鉻鉬鋼塊上加工出一排尺寸相同、距離相等的圓孔，在圓孔內(nèi)壁上黏結(jié)有帶絕緣支架的平板電容器，然后將每個(gè)圓孔內(nèi)的電容器并聯(lián)。當(dāng)鋼塊端面承受重力W作用時(shí)，圓孔將產(chǎn)生變形，從而使每個(gè)電容器的極板間距變小，電容量增大。電容量的增值正比于被測(cè)載荷F。這種傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是，由于受接觸面的影響小，測(cè)量精度較高。另外，電容器位于鋼板的孔內(nèi)提高了抗干擾能力。它在地球物理、表面狀態(tài)檢測(cè)及自動(dòng)檢驗(yàn)和控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。知識(shí)拓展4、電容式接近開關(guān)接近開關(guān)又稱無觸點(diǎn)行程開關(guān)。它能在一定的距離（幾毫米至幾十毫米）內(nèi)檢測(cè)有無物體靠近。當(dāng)物體與其接近到設(shè)定距離時(shí)，就可以發(fā)出“動(dòng)作”信號(hào)。接近開關(guān)的核心部分是“感辨頭”，也稱探頭，它對(duì)正在接近的物體有很高的感辨能力。

常用的接近開關(guān)有電渦流式、電容式、超聲波式、霍爾式、光電式、磁性干簧開關(guān)、微波式等。知識(shí)拓展電容觸摸屏幕的原理如圖4-24所示，電容式觸摸屏的構(gòu)造主要是在玻璃屏幕上鍍一層透明的薄膜體層，再在導(dǎo)體層外上一塊保護(hù)玻璃，雙玻璃設(shè)計(jì)能徹底保護(hù)導(dǎo)體層及感應(yīng)器。此外，在附加的觸摸屏四邊均鍍上狹長的電極，在導(dǎo)電體內(nèi)形成一個(gè)低電壓交流電場(chǎng)。用戶觸摸屏幕時(shí)，由于人體電場(chǎng)、手指與導(dǎo)體層間會(huì)形成一個(gè)耦合電容，四邊電極發(fā)出的電流會(huì)流向觸點(diǎn)，而其強(qiáng)弱與手指及電極的距離成正比，位于觸摸屏幕后的控制器便會(huì)計(jì)算電流的比例及強(qiáng)弱，準(zhǔn)確算出觸摸點(diǎn)的位置。然后將位置信息傳遞至CPU,CPU發(fā)出控制信息。電容觸摸屏的雙玻璃不但能保護(hù)導(dǎo)體及感應(yīng)器，更有效地防止外在環(huán)境因素給觸摸屏造成影響，就算屏幕沾有污穢、塵?；蛴蜐n，電容式觸摸屏依然能準(zhǔn)確算出觸摸位置。指紋，是指人手指末端正面皮膚上產(chǎn)生的凹凸不平的紋線。指紋的紋路并不是連續(xù)、平滑、筆直的，而是經(jīng)常出現(xiàn)中斷、分叉、轉(zhuǎn)折。這些斷點(diǎn)、分叉點(diǎn)和轉(zhuǎn)折點(diǎn)就稱為"特征點(diǎn)"。特征點(diǎn)為指紋提供了唯一性信息，也就是說，每個(gè)人都擁有獨(dú)一無二的指紋，就像“人體身份證”一樣。我們通過比較不同指紋的“特征點(diǎn)”就可以進(jìn)行身份鑒定，這也就是所謂的“指紋識(shí)別技術(shù)”。

知識(shí)拓展電容式觸摸屏與電容式指紋識(shí)別如圖4-25位電容式指紋傳感器工作原理圖，電容式指紋傳感器上有無數(shù)面積相同的小的電容器極板，當(dāng)你的手指貼上傳感器，皮膚表面與傳感器上的電容器極板一一匹配。無數(shù)的平板電容器出現(xiàn)了，他們各有各的電容值，量級(jí)在幾百pF。而這個(gè)電容值僅僅取決于傳感器上的極板到指紋表明的距離。貼在指紋嵴上的電容距離小而電容大，貼在溝上的電容器距離大而電容小。此時(shí)，傳感器將給所有的電容充電，所有的電容都被充到一個(gè)預(yù)先設(shè)計(jì)好的電壓值。然后開始用標(biāo)準(zhǔn)放電電流進(jìn)行放電。處于指紋的嵴下的像素(電容量高)放電較慢，而處于指紋的溝下的像素(電容量低)放電較快。這種不同的放電率可通過采樣保持電路檢測(cè)并轉(zhuǎn)換成輸出，這種檢測(cè)方法對(duì)指紋嵴和溝具有較高的敏感性，并可形成非常好的指紋圖像。任務(wù)4.1

基于電容傳感器的汽車油量表改造

任務(wù)4.2基于超聲波傳感器的城市排水管道液位檢測(cè)任務(wù)4.2基于超聲波傳感器的城市排水管道液位檢測(cè)

任務(wù)導(dǎo)入：城市排水系統(tǒng)是處理和排除城市污水和雨水的工程設(shè)施系統(tǒng)，是城市公用設(shè)施的組成部分。城市排水系統(tǒng)規(guī)劃是城市總體規(guī)劃非常重要的組成部分。城市排水系統(tǒng)通常由排水管網(wǎng)、污水泵站及污水處理廠組成。

城市排水管網(wǎng)是城市建設(shè)、防洪排澇的城市基礎(chǔ)設(shè)施。近年來，每到夏天暴雨季節(jié)，我國部分大中型城市經(jīng)常遭遇水浸街，不同程度地發(fā)生城市內(nèi)澇，頻頻上演“看海”、“觀瀑”、“水簾洞”、“威尼斯”等情景，嚴(yán)重影響人們的正常生活和工作。為此，本任務(wù)提出城市排水管網(wǎng)液位在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過超聲波液位計(jì)獲取管網(wǎng)液位數(shù)據(jù)（城建標(biāo)高），并通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)上傳到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，運(yùn)維人員根據(jù)得到的城市地下管網(wǎng)排水液位的數(shù)據(jù)，進(jìn)行排水管網(wǎng)的水力分析，從而能夠評(píng)估管網(wǎng)維護(hù)效果,提高排水管網(wǎng)的運(yùn)行管理水平，對(duì)內(nèi)澇進(jìn)行安全預(yù)警，優(yōu)化排水系統(tǒng)管理決策，保障人民生活和生產(chǎn)安全。聲波的分類和物理特性1、聲波的分類介質(zhì)振動(dòng)的方向與波在介質(zhì)中傳播方向的不同，波可以分為通常有以下三種類型：縱波——質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波；橫波——質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波；表面波——質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于橫波與縱波之間，沿著表面?zhèn)鞑ァ⒛芰考杏诒砻娓浇?。橫波只能在固體中傳播，縱波能在固體、液體和氣體中傳播，表面波隨深度增加衰減很快。為了測(cè)量各種狀態(tài)下的物理量，多釆用縱波。發(fā)聲體的振動(dòng)在空氣或其他物質(zhì)中的傳播叫做聲波。聲波按頻率分類可分為以下三類：次聲波——頻率低于20Hz的聲波；可聞聲波——頻率在20Hz到20KHz的聲波；超聲波——頻率高于20KHz的聲波。聲波的頻率界限圖如圖4-26所示：聲波的分類和物理特性2、聲波的物理特性（1）聲速縱波、橫波及表面波的傳播速度取決于介質(zhì)的彈性系數(shù)、介質(zhì)的密度以及聲阻抗。這里，聲阻抗是描述介質(zhì)傳播聲波特性的一個(gè)物理量。介質(zhì)的聲阻抗Z等于介質(zhì)的密度ρ和聲速c的乘積，即：材料密度聲阻抗縱波聲速橫波聲速鋼7.74605.93.23鋁2.71706.323.08銅8.9424.72.05有機(jī)玻璃1.18322.731.43甘油1.26241.92-水(20℃)114.81.48-油0.912.81.4-空氣0.00120.00040.34-聲波的分類和物理特性（2）波長聲波波長λ等于聲速c除以頻率f，即：超聲波聲源發(fā)出的超聲波束以一定的角度逐漸向外擴(kuò)散，聲場(chǎng)指向性及指向角如圖所示。在聲束橫截面的中心軸線上，超聲波最強(qiáng)，且隨著擴(kuò)散角度的增大而減小。指向角θ（單位為rad）與超聲源的直徑D以及波長λ之間的關(guān)系為:設(shè)超聲波直徑D=20mm,射入射入鋼板的超聲波(縱波)頻率為5MHz,則根據(jù)式可得。可見該超聲波集中性很好，這一點(diǎn)與激光類似。人聲的頻率(約為幾百赫茲)比超聲波低得多，波長很長，指向角就非常大，也就是發(fā)散程度太大，所以可聞聲波不太適用于檢測(cè)領(lǐng)域。聲波的分類和物理特性（4）超聲波的反射與折射跟光的反射和折射類似，超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一介質(zhì)，在兩個(gè)介質(zhì)的分界面上，一部分能量被反射回原介質(zhì)，叫做反射，另一部分透射過界面，在另一種介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播，則叫做折射。超聲波的反射定律——超聲波入射角α的正弦與反射角α′的正弦之比，等于入射波所處介質(zhì)的聲速c1與反射波所處介質(zhì)的聲速cr之比，即超聲波的折射定律——當(dāng)入射波和反射波處于同一介質(zhì)時(shí)波速相等，則。入射角α的正弦與折射角β的正弦之比，等于超聲波在入射波所處介質(zhì)1的聲速c1與折射波所處介質(zhì)2中的傳播速度之比，即：

。聲波的分類和物理特性(5)聲波的衰減以固體介質(zhì)為例，設(shè)超聲波進(jìn)入介質(zhì)時(shí)的聲強(qiáng)為Ii，通過一定距離x的介質(zhì)后的聲強(qiáng)衰減為Ix，衰減系數(shù)為K，則有：4.2.2超聲波傳感器工作原理及其分類

1、超聲波傳感器的工作原理超聲波傳感器是利用超聲波的特性，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)的測(cè)量元件。以超聲波作為檢測(cè)手段，必須能產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，又稱超聲波探頭。超聲波傳感器按其工作原理，可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等，下面介紹最為常用的壓電式超聲波傳感器及磁致伸縮超聲波傳感器。（1）壓電式超聲波傳感器壓電式超聲波傳感器是利用壓電材料的壓電效應(yīng)工作的。壓電效應(yīng)分為逆壓電效應(yīng)和壓電效應(yīng)。天然結(jié)構(gòu)的石英晶體呈六角形晶柱，用金剛石刀具切割出一片正方形薄片。當(dāng)晶體薄片受到壓力時(shí)，晶格產(chǎn)生變形，表面產(chǎn)生電荷，電荷Q與所施加的力F成正比，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。若在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電壓，它就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。當(dāng)去掉外加電場(chǎng)時(shí)，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）。4.2.2超聲波傳感器工作原理及其分類根據(jù)正、逆壓電效應(yīng)的不同，壓電式超聲波傳感器分為發(fā)生器（發(fā)射探頭）和接收器（接收探頭）兩種。利用逆壓電效應(yīng)將數(shù)百伏特的高頻電脈沖加到壓電晶片上，則使晶片發(fā)射出持續(xù)時(shí)間很短的超聲波，作為發(fā)射探頭。而利用壓電效應(yīng)則將接收的超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成壓電信號(hào)，作為接收探頭。（2）磁致伸縮超聲波傳感器磁致伸縮超聲波傳感器是利用鐵磁體材料的磁致伸縮效應(yīng)工作的。磁致伸縮效應(yīng)，是指鐵磁體在被外磁場(chǎng)磁化時(shí)，其體積和長度將發(fā)生變化的現(xiàn)象。磁致伸縮效應(yīng)引起的體積和長度變化雖是微小的，但其長度的變化比體積變化大得多，又稱為線磁致伸縮，線磁致伸縮的變化量級(jí)為10-5~10-8，它是焦耳在1842年發(fā)現(xiàn)的，其逆效應(yīng)是壓磁效應(yīng)。磁致伸縮有加大磁場(chǎng)后伸長或縮短兩種，與磁場(chǎng)方向無關(guān)，只與磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，所以改變電流方向，即改變磁場(chǎng)方向，不會(huì)使伸長變?yōu)榭s短（或反之）。應(yīng)用磁致伸縮效應(yīng)可以制成超聲波傳感器，與壓電陶瓷片一樣，磁致伸縮振子可以進(jìn)行超聲波的發(fā)送和接收。4.2.2超聲波傳感器工作原理及其分類2、超聲波傳感器的分類

超聲波液位傳感器根據(jù)使用特點(diǎn)可分為定點(diǎn)式液位傳感器和連續(xù)式液位傳感器兩大類；根據(jù)超聲波的傳播介質(zhì)，超聲波物位傳感器可分為氣介式、液介式和固介式三類；由于其結(jié)構(gòu)不同，又分為直探頭（分為單晶和雙晶）、斜探頭、表面波探頭、聚焦探頭、沖水探頭、水侵探頭、空氣傳導(dǎo)探頭等。根據(jù)超聲波探頭在所測(cè)物體的不同側(cè)和相同測(cè)，分為投射型和反射型，如圖4-29所示。超聲波探頭分為單晶直探頭、雙晶直探頭、斜探頭。（1）單晶直探頭單晶直探頭壓電晶片采用PZT壓電陶瓷材料制作，外殼用金屬制作，保護(hù)膜用于防止壓電晶片磨損。保護(hù)膜可以用三氧化二鋁、碳化硼等硬度很高的耐磨材料制作。阻尼吸收塊用于吸收壓電晶片背面的超聲脈沖能量，防止雜亂反射波產(chǎn)生，提高分辨力。阻尼吸收塊用鴇粉、環(huán)氧樹脂等澆注。超聲波的發(fā)射和接收雖然均是利用同一塊晶片，但時(shí)間上有先后之分，所以單晶直探頭是處于分時(shí)工作狀態(tài)，必須用電子開關(guān)來切換這兩種不同的狀態(tài)。4.2.2超聲波傳感器工作原理及其分類（2）雙晶直探頭由兩個(gè)單晶探頭組合而成，裝配在同一殼體內(nèi)。其中一片晶片發(fā)射超聲波，另一片晶片接收超聲波。兩晶片之間用一片吸聲性能強(qiáng)、絕緣性能好的薄片加以隔離，使超聲波的發(fā)射和接收互不干擾。略有傾斜的晶片下方還設(shè)置延遲塊，它用有機(jī)玻璃或環(huán)氧樹脂制作，能使超聲波延遲一段時(shí)間后才入射到試件中，可減小試件接近表面處的盲區(qū)，提高分辨能力。雙晶探頭的結(jié)構(gòu)雖然復(fù)雜些，但檢測(cè)精度比單晶直探頭高，且超聲波信號(hào)的反射和接收的控制電路較單晶直探頭簡單。（3）斜探頭壓電晶片粘貼在與底面成一定角度（如30°、45°等）的有機(jī)玻璃斜楔塊上，壓電晶片的上方用吸聲性強(qiáng)的阻尼吸收塊覆蓋。當(dāng)斜楔塊與不同材料的被測(cè)介質(zhì)（試件）接觸時(shí)，超聲波產(chǎn)生一定角度的折射，傾斜入射到試件中去，折射角可通過計(jì)算求得，可產(chǎn)生多次反射，而傳播到較遠(yuǎn)處去。4.2.3超聲波傳感器的液位測(cè)量原理

根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)合所使用的傳聲媒介不同，可分為液體、氣體兩種測(cè)量方式。分別稱為液介超聲波液位傳感器和氣介超聲波液位傳感器。1、液介超聲波液位傳感器液介超聲波液位傳感器是以被測(cè)液體為導(dǎo)聲介質(zhì)，利用回波測(cè)距方法來測(cè)量液面高度。裝置由超聲波換能器和電子裝置組成，用高頻電纜連接,如圖4-31所示。時(shí)鐘定時(shí)觸發(fā)發(fā)射電路發(fā)出電脈沖，激勵(lì)換能器發(fā)射超聲脈沖。脈沖穿過外殼和容器壁進(jìn)入被測(cè)液體，在被測(cè)液體表面上反射回來再由換能器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送回電子裝置。液面高度與液體中聲速及被測(cè)液體中來回傳播時(shí)間成正比。這種液面?zhèn)鞲衅鬟m用于測(cè)量油罐、液化石油氣罐之類容器的液位，具有安裝方便、可多點(diǎn)檢測(cè)、精確度高、直接數(shù)字顯示液面高度等優(yōu)點(diǎn)。但當(dāng)被測(cè)介質(zhì)溫度、成分經(jīng)常變動(dòng)時(shí),由于聲速隨之變化，測(cè)量精度較低。液體傳導(dǎo)超聲波式液位變計(jì)安裝于硬質(zhì)材料（例如金屬）制成的容器下方的外表面，不與容器內(nèi)的液體及氣體接觸，屬于非接觸測(cè)量，也稱為外置式液位計(jì)，需要在液位計(jì)初始化時(shí)進(jìn)行壁厚的遷移。液介式超聲液位計(jì)安裝時(shí)無需對(duì)被測(cè)容器開孔。與空氣傳導(dǎo)液位計(jì)相比，安裝簡單，不需要停止生產(chǎn)，不易損壞，可實(shí)現(xiàn)對(duì)高溫、高壓密閉容器內(nèi)的各種有毒物質(zhì)、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿及各種超純凈液體的液位測(cè)量，廣泛使用于防爆場(chǎng)合。4.2.3超聲波傳感器的液位測(cè)量原理液介式超聲波式液位變送器的液位與發(fā)射—接收的時(shí)間間隔的關(guān)系可以用下式求得：式中c1-——液體中的聲速；h1——容器壁的厚度。2、氣介超聲波液位傳感器它以被測(cè)介質(zhì)上方的氣體為異聲介質(zhì)，利用回波測(cè)距測(cè)量物位。原理與液介超聲波物位傳感器相似，利用被測(cè)介質(zhì)上方的氣體導(dǎo)聲，被測(cè)介質(zhì)不受限制，有懸浮物的液體、高粘度液體與粉體、塊體都可測(cè)量，使用維護(hù)方便。如圖4-32超聲脈沖經(jīng)短暫的時(shí)間到達(dá)液面，被液面反射回來反射波經(jīng)液面上方的空氣，回到探頭。基于壓電效應(yīng)，探頭將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成脈動(dòng)的電荷，再由電荷放大器轉(zhuǎn)換為電壓脈沖，傳送到超聲液位傳感器中的微處理器。微處理器計(jì)算出從發(fā)射超聲波脈沖群到接收到液面所反射的超聲波脈沖群所需的時(shí)間t，再乘以被測(cè)體的聲速常數(shù)c,就得到超聲脈沖從發(fā)射到接收所經(jīng)歷的往返距離，它是傳感器發(fā)射面與液面距離h的2倍，可得到高度h為：4.2.3超聲波傳感器的液位測(cè)量原理例4-1：超聲波液位計(jì)原理如圖4-33所示，從顯示屏上測(cè)得t0=1.5ms，th1=6.0ms。已知水底與超聲探頭的間距h2為10m，反射小板與探頭的間距h0為1.25m，求液位h。

4.2.4超聲波傳感器的應(yīng)用

1、超聲波液位傳感器的誤差分析（1）溫度引起的測(cè)量誤差在氣介超聲波式液位變送器中，影響測(cè)量結(jié)果的最主要因素是溫度。溫度嚴(yán)重影響超聲波在氣體中的聲速。在正常壓力下，溫度的變化引起聲速的變化約為0.17%/℃。例如：20℃聲波在空氣中的傳播速度為343m/s,在10m間距的往返傳播時(shí)間為58.3ms；50℃時(shí)，在10m間距的往返傳播時(shí)間為55.6ms。如果仍以343m/s計(jì)算距離，結(jié)果是9.44m,測(cè)量誤差為5.6%。（2）容器表面粗糙引起的誤差在液介式超聲波傳感器測(cè)量中，無論是直探頭還是斜探頭，一般不能直接將其放在被測(cè)介質(zhì)(特別是粗糙金屬)表面來回移動(dòng)，以防磨損。更重要的是，由于超聲探頭與被測(cè)物體接觸時(shí)，在工件表面不平整的情況下，探頭與被測(cè)物體表面間必然存在一層空氣薄層?？諝獾拿芏群苄?，將引起三個(gè)界面間強(qiáng)烈的雜亂反射波，造成干擾，而且空氣也將對(duì)超聲波造成很大的衰減。為此，必須將接觸面之間的空氣排擠掉，使超聲波能順利地入射到被測(cè)介質(zhì)中。在工業(yè)中，經(jīng)常使用一種稱為耦合劑的液體物質(zhì)，使之充滿在接觸層中，起到傳遞超聲波的作用。常用的耦合劑有水、機(jī)油、甘油、水玻璃、膠水、化學(xué)漿糊等。耦合劑的厚度應(yīng)盡量薄一些，以減小耦合損耗。4.2.4超聲波傳感器的應(yīng)用實(shí)際上，耦合劑在超聲檢查時(shí)就經(jīng)常使用。如圖4-34所示，超聲檢查時(shí)，探頭與病人皮膚之間的空氣將阻礙超聲波傳入人體，為獲得高質(zhì)量的清晰圖像，需要使用液性傳導(dǎo)介質(zhì)來連接探頭與病人體表，這種介質(zhì)就是常用的超聲耦合劑。醫(yī)用耦合劑是一種由新一代水性高分子凝膠組成的醫(yī)用產(chǎn)品。它的PH值為中性，對(duì)人體無毒無害，不易干燥，不易酸敗，超聲顯像清晰，粘稠性適宜，無油膩性，探頭易于滑動(dòng)，可濕潤皮膚，消除皮膚表面空氣，潤滑性能好，易于展開；對(duì)超聲探頭無腐蝕、無損傷；市面上出現(xiàn)了具有殺菌消毒功能的超聲耦合劑，相對(duì)于傳統(tǒng)的普通型耦合劑，對(duì)于生產(chǎn)環(huán)境的更加嚴(yán)格，適用的范圍也更廣泛。

圖4-34超聲波檢查及耦合劑任務(wù)實(shí)施

1、排水管網(wǎng)液位在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)城市排水管網(wǎng)內(nèi)往往包含硫化氫、氨氣等有毒易爆氣體，濕度非常大，內(nèi)澇點(diǎn)檢查井常常溢流，污水或雨水雜物多，水波干擾大。這種環(huán)境下需要液位計(jì)具有最高的工業(yè)防護(hù)等級(jí)，本質(zhì)性防爆和消除水面異物誤差的功能。此外，檢查井常常位于城市道路的中間，高速車輛多，如果采用市電，需要聯(lián)系當(dāng)?shù)毓╇娋趾吐氛沂┕r(shí)需要開挖路面，維護(hù)時(shí)又需要多部門配合，所耗的時(shí)間與成本都偏高。所以監(jiān)測(cè)液位的設(shè)備最好能夠自供電，又具有極高的穩(wěn)定性，在檢查井密閉的環(huán)境中，設(shè)備的通信能力和抗干擾能力應(yīng)該要強(qiáng)。根據(jù)以上分析，本系統(tǒng)采用針對(duì)排水行業(yè)特性而設(shè)計(jì)的超聲波液位監(jiān)測(cè)儀?，F(xiàn)場(chǎng)液位采集系統(tǒng)主要由液位計(jì)、記錄儀、外置電池和天線組成。外置電池負(fù)責(zé)對(duì)整套采集系統(tǒng)進(jìn)行供電。整套系統(tǒng)具有高強(qiáng)度工程塑料外殼(IP68)，模塊之間的連接通過軍用接口，具有良好的防水防腐性。液位計(jì)集成4G通訊模塊，將采集到的數(shù)據(jù)存貯并通過4G或者短信發(fā)送到數(shù)據(jù)中心。任務(wù)實(shí)施系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要分為以下三層：系統(tǒng)應(yīng)用層、通訊設(shè)備層以及數(shù)據(jù)采集層。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4-35所示。系統(tǒng)利用超聲波液位計(jì)將數(shù)據(jù)采集并保存，通過專用電纜傳輸?shù)?G記錄儀或SMS記錄儀，按照一定的發(fā)送頻率，經(jīng)過天線以4G或SMS方式發(fā)送到指定的FTP站或SMS調(diào)制解調(diào)器，系統(tǒng)服務(wù)器通過下載FTP站或接收SMS調(diào)制解調(diào)器中的數(shù)據(jù)，從而獲取管道中的在線液位數(shù)據(jù)。在共享服務(wù)器中的數(shù)據(jù)文件夾后，