液位传感器（共7篇）
液位传感器 篇1
摘要：分析了谐振液位测量的工作原理及技术优势,通过机电机构优化以及传感器线性度的改进,有效地解决了传统液位测量精度低、不能实现无级测量等方面的问题;通过专业测试装置,对液位及输出频率进行测试统计,结果表明二者之间相关系数为0.985,达到了谐振液位测试系统的需求,具有重要的应用推广价值。
关键词：谐振式,液位传感器,液位检测,相关性研究
0 引言
在工农业生产过程中,大型喷雾机等工作机械的液位检测对工作过程中有效控制及药液的合理配置具有重要意义,例如在药液即将耗近的情况下,控制系统及时发出指令,防止抽水泵空转,可以有效提高设备的使用寿命。目前对液位的检测有差压法、超声波、接触电极法等多种方案,但是普遍存在着测量精度较低、测量设备价格较高的缺点。基于谐振液位传感器装置可以为喷雾等工作领域提供准确、可靠、价格低廉的液位测量方案。谐振式液位传感器已在洗衣机等家电中获得了部分应用,液位的高低可以通过输出频率表征,因此可以实现在全量程范围内无级高精度测量。在工农业等液位检测应用中,根据作业机械液位装置的使用特点,对液位传感器进行检测电路设计及结构优化,实现了对液位的高精度检测。
1 谐振式液位传感器的工作原理
1.1 谐振式液位传感器的结构
液位传感器通过导管将液箱中的液体液位转换为在气室中的不同气压,在密闭的情况下,气体压力与液位H成正比关系,当液位上升时,气压升高,导板在导向轴以及支撑限位点的作用下平行上移。同时,固定在导板上的磁性元件发生平行上移,使得磁性元件与线圈之间的相对位置发生了变化,最终引起了线圈电感值的变化,线圈与电容构成三点式振荡电路,因此当液位发生变化时,振荡电路的输出频率发生相应的改变。谐振液位传感测量装置结构如图1所示。
1.2 液位与频率关系的建立
当液位发生变化时,定义ρ为液体的密度,H为液位高度,则液箱底部压强P为:
气压在导板地面的薄膜上产生压力为F1,并驱动磁性元件在线圈中产生Δlc的相对位移,同时磁性元件收到连接弹簧的反作用力为F2。设S为薄膜有效接触面积,K为弹簧弹性系数,则F1,F2的计算公式为:
式中:K,ρ,S都为常数,F1=F2,则得出液位与磁性之间的线性关系为:
根据线圈电感参数计算公式,可以得出当磁体元件位移为Δlc时,线圈的电感变化值ΔL为:
从式(5)可以得出,Δlc与ΔL之间存在线性关系,同时也与液位高度H之间存在线性关系。
最终可以得出在三点式振荡电路的输出频率与液位之间存在惟一的反向关系。
2 液位与频率之间关系的测试与优化
2.1 测试方案的制定与数据记录
式(5)表明液位变化量H与电感量变化值ΔL之间存在良好的线性关系,电容三点式振荡电路的输出频率如式(6)所示,其中CΣ为振荡回路中的总电容。
在谐振回路电容不变的前提下,电感量与输出频率之间呈现一定的反向关系,但是为非线性关系,因此在测试中采用了多点测试的方案,并在较小的变化范围进行了f与液位H之间的线性回归分析,建立了两者之间的一次线性回归模型。
在保证气室的密闭性,光滑无杂质后测试了不同尺寸传感器在不同水位下的输出频率,测试结果见表1。
2.2 液位与频率数学模型的构建
根据以上测试数据,对液位以及频率进行变量相关性分析,为数学模型的建立奠定基础,设输出频率为因变量x,液位为自变量y,二者之间的相关性通过式(7)计算其相关系数:
代入表1中的测试数据,计算得相关系数为0.985,结果表明传感器的输出频率与液位之间的高度相关,存在确定的反向关系,根据设计的需要,采用简单的一元线性回归分析得出二者之间的关系方程为:
3 传感器结构改进、频率测量的软硬件设计
3.1 传感器结构的改进
传感器结构中膜的有效接触面积等对于传感器的频率输出都具有较大影响,如果液位传感器应用于移动工作设备中,可能导致测量产生较大的误差。因此在结构设计方面,根据实际情况采用不同弹性系数的弹簧进行测试。同时在导管处安装薄膜型减压阀或者波纹管,采用波纹管一般要求采用介质流通性能较好的先导式,以保证测量的准确性。实际应用中一般都采用金属储气罐以增加密闭气室空气的体积,可以在液位快速变化时起到缓冲的作用以保护传感器及相应电路。经过实际应用检测,改进后的传感器结构能够保证气室无液体渗入,在复杂的应用环境下测量精确度较高。
3.2 传感器液位频率输出电路
液位传感器频率输出电路主要是将振荡电路的输出信号进行调理,设计中传感器的内部线圈为580匝,电感量在3.30~5.40 m H之间连续变化,输出电路中设计电容三点式振荡电路的电容C1=C2=0.022μF,电阻R1=1 kΩ,R2=4.7kΩ,采用CD4069UB数字反向器作为信号输出耦合电路,当被测液位发生变化时,输出端输出频率呈近似线性关系的方波信号。输出电路如图2所示。
3.3 频率测试软件设计
对于频率的测试,主要功能是要能够完成输出频率的实时检测,同时要能够完成液位的换算与显示。运算中涉及到浮点数的计算较多,因此采用了AVR系列的微控制器进行编程,编程过程中采用了内部的定时器T0进行液位传感器的输出脉冲检测,设TCNT0为T0的当前计数值,液位高度由数码管或者LCD进行扫描显示。在程序设计中传感器输出频率的计算如下:
4 结论
本文采用高精度的谐振式液位传感器替代了传统的液位测量,液位测量的有效范围由原来的600 mm增加到1 200 mm以上,经过结构以及电路优化过的传感器测量液位时,液位与输出频率之间的相关系数达到了0.985,呈现出良好的线性度。采用弹簧以及机电机构进行优化,可以实现对液位的高精度测量,同时无级的测量方案在液位测量系统工作时,有效提升了用水效率以及水泵等部件的使用寿命,高精度的谐振式液位传感器在工农业等方面具有重要的应用推广价值。
参考文献
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多界面液位传感器综述 篇2
1 电容式传感器原理
电容式多界面液位传感器是有由多个电容并联组成, 假设电容的极板宽为a, 极板长为b, 极板间的距离为d, 而极板与极板间相连的缝隙比较小, 故可忽略不计。电容的计算公式为:
(其中代表真空的介电系数, 为介质的相对的介电系数, d为电容两个极板之间的距离, S为电容极板的正对面积)
假设有两种互不相溶的液体混合在一起, 设总的液位高度为L, 密度大的液体的高度为h, 密度大的液体的相对介电系数为ε1, 密度小的液体的相对介电系数为ε2, 则可以计算:
下层液体的电容值:
上层液体的电容值:
由于两种液体相连, 因此电容器组相当于并联。根据电容的并联规律得:
化简得:
由于, L为常数, 所以上式子呈线性规律。把式子改写得:
故
可得
对于确定的溶液, 其介电系数通过查表可以得到, 即可得C1, C2的值。然后通过电容检测电路就可以检测出Cx, 即可以得到所需计算的高度。综上所述, 利用多界面液位传感器可以通过把高度的测量转化成电容值的测量。
2 研究状况
虽然我国对传感器领域的研究有了比较长的时间, 对于单界面的液位传感器研究比较深入, 超声式、电阻式、热电式、微波式、激光式、光电式、电感式、电容式、压电式、电磁式、光纤式等单界面液位传感器已经运用到日常生产生活领域当中;但是对于多界面液位传感器的研究就相对较少, 特别是智能型的传感器, 现在虽然在电容式多界面液位传感器有了一定的研究, 但是其精度、智能程度仍然不够, 还需要继续研究。
3 运用实例
随着世界经济的不断发展, 石油现在已经成为了一种非常重要的能源和生产原料, 同时也是各个国家重要的军事战略储备。在当今世界各国的石油进出口, 大部分基本是采取水路运输。而同时, 在浩瀚的大海中也蕴涵着大量的石油。石油在开采、勘探、运输过程中都存在泄露的较大风险。每年, 全球都会发生一些石油泄露问题。由于水与油互不相溶, 漂浮在水面的石油不但对生态环境产生严重的影响, 同时还会导致经济的巨大损失。对于传统的处理办法, 如点火燃烧法, 添加乳化剂方法, 这些都无疑会对环境造成第二次的污染, 迫使我们还需要回收油污。在回收油污过程中, 我们可以把油污收集起来, 通过液位传感器测量油层的厚度, 用计算机来控制油污回收仓的出油量和吸水量, 从而提高油的回收效率。其次, 在生活方面, 多界面液位传感器可以用于污水处理厂进行污水处理工作;在工业生产中, 多界面液位传感器可以用于工业生产, 提高企业的自动化水平和工作效率。多界面液位传感器具有成本低, 敏感度高, 适用于各种场合的实际需要。因此多界面液位传感器运用前景广阔, 具有较大的发展空间。
4 存在的问题
4.1 输出阻抗高, 负载能力差
电容式传感器受其电极几何尺寸等限制, 一般做得比较, 使传感器的输出阻抗较高。因此电容式传感器负载能力差, 易受外界干扰影响而产生一定的不稳定现象, 严重时可能无法工作, 必须采取屏蔽措施。容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高 (几十兆欧以上) , 否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响传感器的性能 (如灵敏度降低) , 为此还要特别注意周围环境 (如温湿度、清洁度等) 对绝缘性能的影响。
4.2 寄生电容影响大
电容式传感器的初始电容最很小, 而其引线电缆电容、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大, 这不仅降低了传感器的灵敏度, 而且这些电容常常是随机变化的, 将使传感器的工作很不稳定, 影响测量精度, 其变化量甚至超过被测量引起的电容变化量, 致使传感器无法工作。
4.3 输出特性非线性
电容传感器的输出特性是非线性的, 虽可采用差动结构来改善, 但不可能完全消除。电容传感器只有忽略了电场的边缘效应时, 输出特性才呈线性;否则边缘效应所产生的附加电容址将与传感器电容址直接处加, 使输出特性非线性。
5 发展趋势
当今社会, 物联网成为了社会发展的主流和一个巨大的潜在市场。而多界面液位传感器应该也是物联网家族中必不可少的环节, 因此对多界面液位传感器的研究具有十分重要且可行的意义。未来的多界面液位传感器要侧重于智能化、网络化、具有远程接入能力等方面的研究, 这样可以使推出的新款多界面液位传感器更易在工业生产、日常生活中得到推广应用。
参考文献
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利用液位传感器的盲人水杯设计 篇3
关键词：水杯设计,液位传感器,提醒装置设计
日常生活中, 盲人由于自身条件的限制, 有诸多方面的不便, 尤其在喝水时容易遇上因无法判断杯子中水是否满溢、杯中水量多少导致烫伤等问题。虽然近年来不断有适合盲人使用的杯子的设计出现, 但是结构简单、绿色、环保、低成本的设计少之又少, 在推广使用上遇上很大阻力。为了帮助盲人解决这类问题, 并且达到结构简单、免维护、绿色、环保、低成本的目的, 作者利用大学生创新实验的机会平台, 提出基于液位传感器的带提醒装置盲人水杯设计方案, 以期方便盲人的生活。
一、设计构思
运用液位传感器作为水位判断装置, 采用低压直流电源供电, 为盲人提供需求水量的帮助, 方便盲人根据自身实际需水量倒水。同时采用电子讯响器如蜂鸣器作为水位提醒装置, 为盲人进行水位提示, 防止溢出烫伤或用手指等第三方物体判断水位造成水的二次污染。
二、设计方案
主要由以下几部分组成:定位装置、液位传感器、电源模块、提醒装置。如1图所示, 首先根据需水量将定位装置固定在杯体某一高度a上, 而后接通电源模块使液位传感器和提醒装置工作。当杯中的水量到达a时, 液位传感器发出信号使提醒装置 (蜂鸣器) 工作。
(一) 定位装置。
采取可与液位传感器相固定的可沿杯体上下滑动的机械式结构, 并与供电电源开关结合, 方便使用。
(二) 液位传感器。
采用非接触式液位感应器, 直接贴合在杯体外部就可以侦测某点水位, 当水位到达时就有一个信号输出。
三、硬件设计及工作流程
以液位传感器 (型号FJY-001) 为核心, 选用5V直流电源供电, 配以小型蜂鸣器作为提醒装置。
四、使用方法
(一) 使用。
首先根据需水量通过定位装置固定液位传感器在杯体某一高度上, 接通电源模块使液位传感器和蜂鸣器工作。用水杯接水时, 在杯内水即将超过预定水位时, 蜂鸣器工作发出声响提醒盲人水位已到达预定高度。
(二) 充电。
电源模块选用充电电池, 持续使用一段时间后需要对其充电, 充电时 (该项目过程应请视觉正常者进行) 将电池卸下, 用专用充电器接通220V电源进行充电。
五、结语
霍尔液位测量传感器的设计与应用 篇4
关键词：霍尔,液位,传感器
0前言
一般的液位传感器部件是采用“浮子杠杆机械+电刷接触+厚膜印刷电阻”的解决方案,其等效作用是一个可调电阻,它的阻值变化对应液位状况,为保证电阻的精度,在制作工艺上要从严控制;为保证接触的有效性,电极材料的选取,机械电刷材质及与电极磨擦压力,燃油等对触点、电极的腐蚀,机械接触寿命等有众多考量。鉴于传统液位传感器采用机械接触的方案,往往造成在现实环境中使用一段时间后,液位传感总存在失效个案(接触失效:电极,触头腐蚀或接触压力降低)。基于这种情况,以非接触器件取代机械电阻将是必然的趋势,采用霍尔效应进行非接触测量的霍耳传感器比现在颇具竞争力的光电技术更能较好地适用于一些较恶劣的环境,如:在受灰尘、温度、振动及其它与环境相关因素影响的场合。而霍尔式液位传感器是利用霍尔效应实现液位的测量。将液位的下降位移转化为磁场的变化,变化的磁场作用与霍尔元件,产生霍尔电压输出。霍尔传感器的无接触测量弥补了机械接触测量的摩擦失效,实现无寿命,高精度和可靠性,耐恶劣环境等优势。
1 霍尔元器件的选择
我们采用austriamicrosystems公司的AS5040霍尔集成片上系统。它能提供0～360度的角度输出,能提供绝对角度输出模式,采用10位编码,达到每步0.35度的精度,采用3.3V或5V供电,能工作在-40℃～125℃的工作范围内。整个芯片尺寸为5.3mm×6.2mm。由于测量精确,可靠性高,并能在恶劣环境下工作,AS5040在汽车工业市场也得到认可,被应用于方向盘角度探测、变速箱位置传感
2 磁铁选取与安装
使用直径为6mm,高为3mm的永磁铁,最大磁感应强度在45mT到75mT之间。磁铁的旋转轴与浮子杠杆机械的输出轴相连接。为提高输出的线性度,转轴中心落在芯片中心附近半径为0.25mm的圆内。磁铁与芯片间距为0.5mm到1mm。
3霍尔传感器的工作原理
液位霍尔传感器的原理图如图3所示,整个传感器是一个曲柄滑块机构,机构在同一平面(x-y平面)内,
其中:
(1)1为浮子杠杆机械,随着油位作升降运动。
(2) a、b、c、d及霍尔元件组成曲柄滑块机构,其中a、b和c组成曲柄机构,d与霍尔元件组成滑块机构。机构间的连接副为:a与浮子杠杆机械1为转动副连接;a与b为一体结构且相互垂直,在拐角处有一转动副,转动副将整个机构固定;b与c、c与d均采用转动副连接且b=c,d与霍尔元件连接为一体。
(3)磁铁3和6的N、S极相反,置于两边固定,用磁导率优良的电工纯铁制成磁路2和4。在气隙中形成左右两半方向相反的强磁场。
(4)霍尔元件5置入气隙中间,元件呈长方片形,再其四个边上有四个电极,其中一对电极上通以直流电流,另一对电极为输出端。
4霍尔传感器的工作过程
被测位移作用在霍尔元件上,初始位置时霍尔元件处于气隙的几何中心,左右两半边的磁场方向相反且对霍尔元件的作用面积相等,输出端的电势为零。当发生位移Δx后,输出的电动势EH与位移x之间在距起始位置左右约2mm的范围内有很好的线性关系。在此范围内一般可以有大于3×10-2T/mm的磁感应强度梯度,因此,位移产生的霍尔电势可达30mV/mm上。我们在实际操作中可以将位移控制在0.5mm到1.5mm之间。
5结论
液位传感器在缆道测深上的应用 篇5
在水文行业中，水文缆道是流量测验的主要测验设备，与其它测验设施设备相比，在抢测洪峰、安全保障、节省人力、操作方便、改善劳动条件等方面有突出的优点。但是水文缆道测深一直是缆道流量测验中的技术瓶颈。目前，水文缆道测深基本采用湿绳测绳法，利用水面信号和铅鱼河底托盘、干簧管及磁钢装置产生的河底信号作为计算起始，其受缆道主索弹跳、悬索偏角等影响测深误差大。缆道主索垂度调整、悬索更换后及偏角改变时等都应进行比测率定，工作量大。当河底淤泥较深时，容易导致河底信号失灵影响工作效率，错失测流时机。
利用液位传感器测深具有许多优点，如：（1）精度高；（2）不受缆道主索弹跳及悬索偏角影响；（3）体积小，功耗低；（4）抗干扰能力强等等；文章提出一种新型的缆道测深方法，利用液位传感器压力测深原理，应用到水文缆道测深中，从根本上解决水文缆道测深技术难题，提高了测深精度和工作效率。
1 总体设计
系统分上位机（岸上）和液位传感器（水下）两部分，上位机通过I/O端口和DAC控制铅鱼前进、后退、上、下四个方向及速度，与液位传感器之间通过短波无线通信。当铅鱼向下运行时，上位机实时发送命令采集液位传感器数据，当到达河底时得到水深H(h1+h2,h1为压力水深，h2为传感器安装位置到铅鱼底部的距离）。
2 系统主要器件
2.1 液位传感器
MPM4700型智能液位传感器是一款全不锈钢设计全密封潜入式智能化液位测量仪表。该产品选用高稳定、高可靠性压阻式OEM压力传感器及高精度的智能化变送器处理电路，采用精密数字化温度补偿技术及非线性修正技术，是一款高精度水位测量产品。防水电缆与外壳密封连接，通气管在电缆内，可长期投入液体中使用。一体化的结构和标准化的输出信号，为现场使用和自动化控制提供了方便。该产品以两线制方式工作，体积小巧、重量轻、易安装，使用方便。综合精度±0.075%FS，补偿温度-10℃～70℃，工作温度-10℃～80℃。
电气连接：
2.2 上位机
上位机主件采用C8051F020,C8051F020是美国Cygnal公司推出的C8051F系列单片机，是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，单周期指令运行速度是8051的12倍，全指令集运行速度是原来的9.5倍，使得以8051为内核的单片机上了一个新的台阶。具有与8051兼容的CIP-51微控制器内核，两个具有可编程数据更新方式的12位DAC,64K字节可在系统编程的FLASH存储器，两个UART串行接口（方便与PC机接口），片内看门狗定时器。通过交叉开关配置寄存器XBR0、XBR1、XBR2方便对I/O端口进行配置，大量减少了外部连线和器件扩展，有利于提高可靠性和抗干扰能力。
3 软件设计
软件采用Keil C51编程，Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，C51语言结构清晰，语言简洁，易学易用，兼备高级语言与低级语言的优点，在功能上、结构性、可读性、可维护性上比汇编更有明显的优势，同时具有汇编语言的硬件操作能力。软件主要功能：（1）通过无线模块与传感器通信；（2）参数设置，包括水平系数、加常数等；（3）控制铅鱼前进、后退、上、下、停止及运行速度；（4）实时显示水平、水深数据。
4 结束语
该应用在多个水文站得到推广，实用性强、性能稳定、测验精度高。2014年7月28日，江西省水文局组织水文专家和代表在赣州召开了《液位传感器在缆道测深上的应用》项目评审会，形成如下评审意见：（1）该项技术利用MPM4700型智能液位传感器测得水面至河底的垂直水深，通过缆道测流系统软件和数据通讯模块，对所测数据进行自动接收、抗干扰处理、数据解码、数据合理化检查、完成显示并传输到计算机。（2）该项技术克服了传统测深时缆道主索垂度、弹跳、偏角改正、河底开关托板灵敏度等影响测深精度的系列因素。测验精度高、重复性好，符合流量测验规范要求。（3）该项技术应用具有劳动强度小、工作效率高、使用维护简单等特点。（4）在坝上、麻州、汾坑等七个水文站缆道测验中得到应用，性能稳定、可靠，解决了实际生产问题。创造性地解决了长期困扰水文缆道测深难的问题，填补了缆道测深技术空白，具有很好的推广价值。
摘要：文章简述了液位传感器在水文行业中的应用,主要介绍了应用在水文缆道上的优点,希望为相关工作人员提供帮助。
关键词：液位传感器,缆道测深,应用
参考文献
[1]C51单片机及应用系统设计[M].电子工业出版社.
液位传感器 篇6
一、电容式传感器的工作原理
两个面对面放置的金属板构成一个平板电容器,若不考虑电容的边缘效应,其电容量为C=€Α/d。式中:A———两极板相互遮盖的有效面积;d———两极板间的距离,也称为极距;ε———极板间物质介电常数。分析得出结论:当A、d、ε中的某一项发生变化,就改变了电容量C。即电容量C是A、d、ε的函数,固定三个参量中的两个,可以做成三种类型的电容传感器:变面积式、变极距式、变介电常数式。
①变间隙型电容传感器。被测量通过动极板移动引起两极板有效距离改变,从而得到电容量的变化,如图1. ②变面积式电容传感器。被测量通过动极板移动引起两极板有效覆盖面积S改变,从而得到电容量的变化,如图2. ③变介电常数式,如图3。参见表1:几种常见物质的相对介电常数。
二、电容式物位计的工作原理
电容式物位计由电容式物位传感器和测量转换电路两部分构成。其基本工作原理是电容式物位传感器先把物体的位置变化转换为电量的变化,然后再测量电量,最后通过测量转换电路显示出物位的数值。
三、电容式物位传感器的结构特点
电容式物位传感器由两个导体电极(通常把被测物的容器壁作为一个电极)构成,由于电极间是介质(气体、流体或固体)而引起初始电容的改变,因此可以测量物料的物位。它的敏感元件有三种,线状、棒状和板状,最常用的为棒状。它工作温度、压力受中间介质的限制。电容式物位传感器一般采用微机控制,能够实现自动调整灵敏度,并且具有自诊断的功能,还能够检测一些敏感元件的破损和绝缘程度的降低以及电缆和电路的故障等等,并可实现自动报警和高可靠性的信息传递功能。由于电容传感器结构简单,灵敏度高,过载能力强,因此是一种用途广泛,很具发展潜力的传感器。
四、电容式物位传感器的测量电路
(1)脉冲宽度调制电路。这种电路的频率输出为数字信号的输出,不需要模数转换;灵敏度比较高;输出能消除温度和电缆电容的影响。但其输出非线性大,需误差补偿。
(2)变压器交流电桥电路。这种电路灵敏度和稳定性较高,比较适合做精密电容的测量;但电桥输出电压幅值比较小,输出的阻抗高,其后必须接高输入阻抗放大器才能工作,而且电路不具备自动平衡措施,构成较复杂。这种电路没有消除杂散电容的影响,因此要采取屏蔽等措施,但效果不一定理想。
五、电容传感器的应用———非导电介质的液位测量
此电路,采用了自动电桥平衡电路。
①当油箱中没有油时,电容传感器的电容量为Cx=Cx 0,调节可调电容C0,使C0=Cx0。由于R4=R3,并使电位器RP的滑动臂位于0点,即可调电阻RP的阻值为0。此时,电桥满足Cx/C0=R4/R3的平衡条件,电桥输出U0=0,电动机不转动,油量表指针偏转角θ为零。如图4(因篇幅所限,图略。)
②当往油箱中注油时,液位上升为Cx=Cx0+△Cx,而△Cx与液位h成正比,此时电桥失去平衡,电桥的输出电压Uo经放大后驱动电动机,电动机正转,带动指针顺时针偏转,同时带动可调电阻RP 的滑动臂向c点移动,从而使RP阻值增大,d、c两点的电阻也随之增大。当可调电阻RP阻值达到一定值时,电桥又处于平衡状态,输出电压Uo=0。于是电动机停转,指针则停在转角为θm处。
③由于油表的指针及可变电阻RP的滑动臂同时被电动机带动,所以,θ正比于RP的阻值,而RP的阻值又与液位高度h成正比,因此可直接读得液位高度h。
④当油位下降时,电动机反转,指针逆时针偏转(示值减小), 同时带动可调电阻RP的滑动臂向0点移动,RP阻值减小。当RP 阻值达到一定值时,电桥达到平衡状态,输出电压Uo为零。于是电动机停转,指针停留在与液位高度相对应的转角θ处。
⑤从以上分析得到涉及“闭环控制”的结论:放大器的非线性及温漂对测量精度影响不大。
液位传感器 篇7
在工业生产中经常需要对液位进行测量,传统的检测方法有人工法、浮子法、电学法等,但这些方法在自动化、精密度、安全性等方面存在固有缺陷。光纤传感器本质安全、精密度高的特点,正好克服了传统方法的缺陷。在众多的光纤液位传感器中,以光强度调制型的为主,有泄露模式的[1]、基于全内反射的[2]等。但这些光纤液位传感器也有明显不足,有的受所测液体的理化性质严重限制、有的量程小、有的精度不高、有的可靠性不够干涉型的光纤传感器具有更高的精度,近来出现了一些基于光纤光栅的液位传感器[3,4]。
近年来,光纤迈克耳逊干涉传感被研究用来监测应力[5]或折射率[6,7,8,9]等。在单模光纤中实现干涉的一种办法是利用LPG[5],另一种办法是将光从单孔光纤耦合到多孔光纤[6],还有一种办法利用了光纤拉锥[7,8]。最近,一篇文章提出了一种新颖的基于纤芯偏移衰耗的单模马赫曾德和迈克尔逊干涉折射率传感仪[9],干涉条纹中的最大衰耗波长偏移与被测液体的折射率变化成线性关系。
本文报道了一种新型全光纤液位传感器。利用干涉条纹的条纹对比度对液位进行测量,这种传感器工艺简单,只需要切割和熔接,不需要腐蚀光纤,因此和以报道的光纤液位传感器相比有着更好的重复性和鲁棒性,并且结构简单,成本低。
1 传感器结构与原理
如图1所示,纤芯偏移衰耗单模光纤干涉仪由两根单模光纤纤芯偏置几个微米熔接构成,其中接收光纤为去掉涂覆层的裸纤,并且在距熔接点十几厘米处被切割并镀上50 nm的银以增加反射。传输光纤中的光在熔接点被分成两路,一路仍然在接收光纤的纤芯中传输,不受外界变化的影响,而另一路光进入接收光纤的包层,以包层模传播。两路光在接收光纤的末端被反射回来,包层中的光被耦合回传输光纤的纤芯中,与纤芯中传输的光发生干涉,如图2所示。在外界折射率满足光波在包层-环境界面全反射条件的情况下,纤芯模不受外界环境的影响,而外界折射率的改变会改变包层的等效折射率从而改变包层模的传播路径,使芯模和包层模的相位差发生改变,干涉条纹会发生偏移;而当外界折射率大于或接近包层折射率(如油液),纤芯模同样不受外界
环境的影响,而光波在包层-环境界面将同时发生折射和反射,一部分能量泄漏出光纤,再次耦合回传输光纤的光强减小,从而使得干涉条纹对比度发生变化。在处于空气中的一部分接收光纤的包层中传播的光满足全反射条件,短距离内我们可以认为是无损耗传输;而由于油的折射率要大于光纤包层的折射率,在油中的一部分接收光纤包层中传输的光不满足全反射条件,部分能量折射出光纤,造成损耗。定义干涉条纹相邻波峰和波谷相差的最大值为ΔP,油的液位越高,包层中损耗的光也越多,ΔP就越小。后面的理论和实验都将证明,液位与最大差值ΔP呈线性关系。
干涉强度I由公式(1)给出:
其中
公式(4)中损耗最大差值ΔP与I2/I1的关系如图3,可以看出当取I2/I1在0.2~0.6范围内变化时ΔP与I2/I1近似为线性关系。因此在这个范围内,I2/I1将线性减小,ΔP也将随液位升高而线性减小。公式(4)中我们可以看出,这种解调方法可以补偿传感器光网中和波长无关的变动引起的误差,系统不受光路扰动和光源波动的影响。
2 实 验
实验系统如图1(a)所示:其中,传感分析仪采用MOI SI720,传感分析仪输出光进入环行器1脚,经过环行器2脚进入纤芯偏移衰耗干涉仪,反射的干涉光通过环行器3脚回到传感分析仪显示出干涉光谱。纤芯偏移衰耗干涉仪用光纤熔接机(古河FITEL S176)3 dB衰减模式熔接,使得进入接收光纤纤芯和包层时的光强相等。探头端面镀有50 nm厚的银层以增加反射光强,测量用的液体为食用色拉油,折射率为1.47。
如图1(a)所示,传感器由光纤夹持器固定,浸在油中的干涉臂长度由步进电机控制。当干涉臂长为30 mm,四种不同液位高度的测量干涉光谱见图4。虚线、点划线、点线和实线分别是探头浸入油中0.25 mm,4.5 mm,14.5 mm以及20 mm时测得的传感器传输光谱。正如公式4所显示的,损耗最大差值ΔP随着液位的升高明显降低。
图5是当干涉臂20 mm时,ΔP与液位关系图。可以看出,随着在液体中探头长度的增加ΔP线性减小,图中的点是测量数值,线性拟和度96.5%,灵
敏度0.8 dB/mm。根据传感分析仪的条纹对比度分辨率为0.001 dB,液位测量分辨率约为1.2 μm。
从图6中可以看出,温度的变化只使干涉谱的相位发生偏移,而对其对比度几乎无影响。本文提出的光纤液位传感器利用损耗最大差值ΔP作为传感参数,也几乎不随温度变化。在未加任何温度补偿的情况下,当温度从30°C变化到80°C,测得的液位波动仅为1%。所以本文提出的液位传感器对温度不敏感。如果同时测量损耗最大差值ΔP和波长偏移,
该传感器还可以同时测量液位和温度。
3 结 论
本文提出了一种基于纤芯偏移衰耗的对温度不敏感的全光纤液位传感器。干涉谱的损耗最大差值受到液位的调制。理论和实验证明系统不受光路扰动和光源波动的影响。实验表明该液位传感器在液位测量线性区域分辨率达到1.2 μm,灵敏度为0.8 dB/mm且不易受温度变化的影响。
摘要：提出了一种基于纤芯偏移衰耗的全光纤迈克耳逊干涉型液位传感器。理论和实验结果表明,传感器的反射谱的条纹对比度受浸在被测液体中的干涉臂臂长影响,当液位变化0～30mm,干涉条纹对比度变化约3dB,在线性区其液位灵敏度约为0.84dB/mm。此外该传感器对温度不敏感,在30°C～80°C范围内,且没有任何温度补偿情况下,被测液位误差小于1%。该液位传感器有很好的鲁棒性和重复性,制作工艺简单,成本低,在实际工业应用中具有广泛的应用前景。
关键词：纤芯偏移衰耗,迈克耳逊干涉仪,液位传感
参考文献
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