情境五、液位的检测.ppt

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情境五液位的检测【情境描述情境描述】液体液位的检测在工业生产、野外勘测、医疗检查和船舶航行中被广泛地应用，国内外采用的电子化和数字化等自动化检测技术和手段，以提高检测的准确性，随着科技的发展，检测技术更趋向于智能化。

液位的检测有浮体式、电容式、差压式、电极式和超声波法等多种检测方法2任务一储水池的液位检测任务要求工业生产及生活中经常要用到储水池，在保持储水池水位的自动抽水系统中，通常要用到液位传感器来进行水位的测量，一般采用电容式液位传感器来测量水池液位。

知识引入电容式传感器利用了将非电量的变化转换为电容量的变化来实现对物理量的测量，它实质上是一个具有可变参数的电容器。

广泛用于位移、振动、角度、加速度以及压力、差压、液面（料位）、成分含量等方面的测量。

具有结构简单、体积小、分辨率高；动态响应好；能在高温、辐射和强振动等恶劣条件下工作；可实现非接触式测量；电容量小，功率小，输出阻抗高，负载能力差，易受外界干扰产生不稳定现象等特点。

3一、认识电容式传感器常见的电容式液位传感器如图常见的电容式液位传感器如图5-1所示，主要有所示，主要有棒式和缆式两种。

电容传感器的结构示意图如棒式和缆式两种。

电容传感器的结构示意图如图图5-2所示所示4一、认识电容式传感器1变极距型电容传感器2变面积型电容传感器3变介电常数型电容传感器5二、电容式传感器的使用电容式传感器具有温度稳定性好电容式传感器具有温度稳定性好（电容值与电极电容值与电极材料无关，本身发热极小材料无关，本身发热极小）；结构简单、适应性；结构简单、适应性强；动态响应好；可以实现非接触测量、具有强；动态响应好；可以实现非接触测量、具有平均效应等优点。

平均效应等优点。

（1）减小环境温度、湿度等变化所产生的影响，保证绝缘材料的绝缘性能。

（2）消除和减小边缘效应。

（3）消除和减小寄生电容的影响，防止和减少外界干扰。

（4）防止和减小外界干扰。

6二、电容式传感器的使用1交流桥式测量电路2二极管双T形电路7二、电容式传感器的使用3脉宽调制电路4调频电路8二、电容式传感器的使用5运算放大器式电路9任务实施一、电容传感器的选型一、电容传感器的选型在保持储水池水位的自动抽水系统中，通常采用浮标传感器或电极式传感器。

浮标传感器的缺点是有活动部件，在冬季易被冻结；电极式传感器虽然没有活动部件，但在冬季也被冰块覆盖。

利用电容式液位传感器，可克服以上缺点，且运行、保养简单。

电容式液位传感器利用储水池的金属壁和垂直放入储水池的金属探杆作为电极，传感器的总电容与水池储水的液位有关。

10二、电容传感器的实际应用11二、电容传感器的实际应用12三、测量参考电路13四、总结调试14能力拓展一、电磁式流量传感器一、电磁式流量传感器1电磁式流量传感器的工作原理及使用电磁式流量传感器的工作原理及使用2电磁式流速传感器电路15二、涡轮式流速传感器涡轮式流速传感器是利用放在流体中的叶轮的涡轮式流速传感器是利用放在流体中的叶轮的转速进行流量测试的一种传感器。

叶轮转速的转速进行流量测试的一种传感器。

叶轮转速的测量如图测量如图5-17所示所示16三、光纤传感器1光纤结构2光纤传感器的工作原理17三、光纤传感器3光纤传感器的特点

（1）抗电磁干扰，电绝缘，耐腐蚀。

（2）灵敏度高。

（3）重量轻，体积小，可弯曲。

（4）测量对象广泛。

（5）对被测介质影响小。

（6）便于复用，便于成网。

（7）成本低。

4光纤传感器涡轮流量计18四、液面传感器制作的液面报警控制电路VG4620是一种单片式液面报警控制集成电路，是一种单片式液面报警控制集成电路，双列直插双列直插8脚封装，如图脚封装，如图5-22所示，使用极为简所示，使用极为简单。

单。

19四、液面传感器制作的液面报警控制电路采用采用VG4620的液面报警控制电路如图的液面报警控制电路如图5-23所示。

所示。

20任务二密闭容器的液位检测任务要求在工业生产中，经常会使用各种密闭容器储存高温、有毒、易挥发、易燃、易爆、强腐蚀性等液体介质，对这些容器的液位检测必须使用非接触式测量，一般采用超声波液位传感器。

知识引入超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。

超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。

超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。

超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。

因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。

21一、认识超声波传感器常见的超声波传感器如图常见的超声波传感器如图5-24所示。

所示。

22一、认识超声波传感器1超声波传感器的组成2超声波的工作原理3超声波传感器的检测原理23二、超声波传感器的使用1使用超声波传感器的基本原则2超声波传感器选型要点1）范围和尺寸2）被测物3）振动4）衰减5）误判3超声波探测用耦合剂24任务实施一、超声波传感器的选型一、超声波传感器的选型小型超声波传感器（）的遥控距离约l0m，其外形如图5-27（a）所示。

遥控器的发送电路如图5-27（b）所示，这是由555时基电路组成的振荡器，调整电位器，使振荡频率为40kHz，传感器接于555定时器的3脚，接通电源，即发送出超声波，或使用单片机的P1.0脚做为40kHz的输入，并使用必要的门电路和拉电阻以提高输出功率。

25二、超声波传感器的实际应用由于超声波在空气中有一定的衰减，则发送到液面及由于超声波在空气中有一定的衰减，则发送到液面及从液面反射回来的信号大小与液位有关，液面位置越从液面反射回来的信号大小与液位有关，液面位置越高，信号越大；液面越低，则信号就小。

超声波接收高，信号越大；液面越低，则信号就小。

超声波接收及液位指示与控制电路如图及液位指示与控制电路如图5-27（c）（d）所示。

所示。

当没有发射超声波信号时，当没有发射超声波信号时，A点的电位是点的电位是0，B点的电点的电位是位是0，C点的电位也为点的电位也为0，而，而D点的电位是点的电位是1。

当接收。

当接收到超声波信号时，经过到超声波信号时，经过LM386放大，通过电感电容滤放大，通过电感电容滤波，使其只有波，使其只有40kHz的信号通过，再经过的信号通过，再经过LM386进行进行二次放大，当测量距离远时，二次放大后的信号仍然二次放大，当测量距离远时，二次放大后的信号仍然太弱，所以还得进行三次放大；当测量距离较近时，太弱，所以还得进行三次放大；当测量距离较近时，二次放大后的信号就很强了，但由于第三级的输入电二次放大后的信号就很强了，但由于第三级的输入电压不能太高，所以需用二极管做限幅。

收到第一个信压不能太高，所以需用二极管做限幅。

收到第一个信号的上升沿时号的上升沿时（C点为上升沿点为上升沿），经过非门变成下降沿，经过非门变成下降沿（D点点），送给单片机的中断，送给单片机的中断（P3.2）进行处理。

进行处理。

26三、测量参考电路27四、总结调试

（1）被测液体中不能充满密集气泡，不能悬浮大量固体，如结晶物等。

被测液体中不能充满密集气泡，不能悬浮大量固体，如结晶物等。

（2）在测量有黏度的液体时需要注意液体的温度影响。

在测量有黏度的液体时需要注意液体的温度影响。

（3）安装测量探头的容器壁要求用能够良好传递信号的硬质材料制成，安装测量探头的容器壁要求用能够良好传递信号的硬质材料制成，例如碳钢、不锈钢、各种硬金属、玻璃钢、硬质塑料、陶瓷、玻璃、例如碳钢、不锈钢、各种硬金属、玻璃钢、硬质塑料、陶瓷、玻璃、硬橡胶等材料或其复合材料。

硬橡胶等材料或其复合材料。

（4）由于超声波也是声信号的一种，所以使用专用的声音芯片由于超声波也是声信号的一种，所以使用专用的声音芯片LM386进行信号放大。

接收到的超声波信号在进行信号放大。

接收到的超声波信号在530mV之间，之间，LM386运放足可以胜任，而且价格低，其运放足可以胜任，而且价格低，其1脚和脚和8脚之间的电阻电容脚之间的电阻电容能够提高放大增益。

能够提高放大增益。

（5）由于对小信号放大时存在的杂波比较大，所以级和级之间需加个由于对小信号放大时存在的杂波比较大，所以级和级之间需加个带通滤波器，让带通滤波器，让40kHz的信号通过，其他的信号全都截止，图的信号通过，其他的信号全都截止，图5-27（d）中中R2（）的阻值不能太大，否则带通太宽，达不到滤波效果。

的阻值不能太大，否则带通太宽，达不到滤波效果。

（6）C8是个隔直电容，可以把直流成分去掉。

这个电容最好不使用电是个隔直电容，可以把直流成分去掉。

这个电容最好不使用电解电容，因为这类电容漏电比较大，会夹杂直流成分。

解电容，因为这类电容漏电比较大，会夹杂直流成分。

（7）VD1、VD2两个二极管的作用是限幅，因为当两个二极管的作用是限幅，因为当CA3140（高输入阻高输入阻抗运算放大器抗运算放大器）的输入大于的输入大于2.5V时，时，CA3140工作将异常，所以需要工作将异常，所以需要进行输入限幅。

进行输入限幅。

28能力拓展一、超声波探伤一、超声波探伤1纵波探伤纵波探伤2横波探伤横波探伤29一、超声波探伤3表面波探伤30二、超声波流量计流量的检测对于实现生产过程中的自动化，提高生产流量的检测对于实现生产过程中的自动化，提高生产效率，保证产品质量，保障安全生产，促进科学技术效率，保证产品质量，保障安全生产，促进科学技术的进步，都具有十分重要的意义。

流量是指流体在单的进步，都具有十分重要的意义。

流量是指流体在单位时间内通过某一截面的体积数或质量数，分别称为位时间内通过某一截面的体积数或质量数，分别称为体积流量和质量流量。

超声波流量计可以做成非接触体积流量和质量流量。

超声波流量计可以做成非接触式传感器，常用于强腐蚀性、非导电性、放射性及易式传感器，常用于强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量。

燃易爆介质的流量测量。

超声波流量计检测原理如图超声波流量计检测原理如图5-31所示。

所示。

31二、超声波流量计使用频率差法测流量，则可克服温度的影响。

使用频率差法测流量，则可克服温度的影响。

频率差法测流量的原理如图频率差法测流量的原理如图5-32所示。

所示。

32思考与练习题参见教材参见教材P12333