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1、物位测量,物位是指存放在容器或工业设备中物质的高度或位置。如液体介质液面的高低称为液位；液体液体或液体固体的分界面称为界位；固体粉末或颗粒状物质的堆积高度称为料位。液位、界位及料位的测量统称为物位测量。,测量液位、界位或料位的仪表称为物位计。根据测量对象的不同，可分为液位计、界位计及料位计。为了满足生产过程中各种不同条件或要求的物位测量，物位计的种类有很多，测量方法也各不相同，本章将对常用的物位测量方法及典型的物位计进行介绍。,目录,一、浮力式液位计二、静压式液位计三、电容式液位计四、非接触式物位测量,一、浮力式液位计,浮子式液位计是应用浮力原理测量液位的。它是利用漂浮于液面上的浮子升降位移反
2、映液位的变化，浮子在测量中所受浮力为恒定值，故称为恒浮力法 如图所示，将浮子由绳索经滑轮与容器外的平衡重物相连，利用浮子所受重力和浮力之差与平衡重物的重力相平衡，使浮子漂浮在液面上。则平衡关系为：,式中 W 浮子所受重力；F 浮子所受浮力；G 平衡重物的重力。一般使浮子浸没一半时，满足上述平衡关系。,测量原理,（一）浮子式液位计,当液位上升时，浮子被浸没的体积增加，因此浮子所受的浮力F增加，则WFG，使原有的平衡关系破坏，则平衡重物会使浮子向上移动。直到重新满足上式为止，浮子将停留在新的液位高度上；反之亦然。,忽略绳索的重力影响，W和G可认为是常数，因此浮子停留在任何高度的液面上时，F的值也应
3、为常数，故称此方法为恒浮力法。这种方法实质上是通过浮子把液位的变化转换为机械位移的变化。,测量原理,在这种转换方式中，绳索两端垂直长度l1和l3不等时绳重以及滑轮的摩擦力会使平衡条件受到影响，因而引起读数的误差。绳重引起的误差是有规律的，能够在刻度分度时予以修正。摩擦力引起的误差最大，且与运动方向有关，无法修正，惟有加大浮子的定位能力来减小其影响。浮子的定位能力是指浸没浮子高度的变化量H所引起的浮力变化量F，而F=gAH，则得表达式为,式中A为浮子的截面积，为液体密度，g为重力加速度。可见增加浮子的截面积能显著地增大定位能力，这是减小摩擦阻力误差的最有效的途径。,测量原理,实例一:浮球式液位计
4、 浮球1是由金属(一般为不锈钢)制成的空心球。它通过连杆2与转动轴3相连，转动轴3的另一端与容器外侧的杠杆5相连，并在杠杆5上加上平衡重物4，组成以转动轴3为支点的杠杆力矩平衡系统。一般要求浮球的一半浸没于液体之中时，系统满足力矩平衡。,当液位升高时，浮球被浸没的体积增加，所受的浮力增加，破坏了原有的力矩平衡状态，平衡重物使得杠杆5作顺时针方向转动，浮球位置抬高，直到浮球的一半浸没在液体中时，重新恢复杠杆的力矩平衡为止，浮球停留在新的平衡位置上。如果在转动轴的外侧安装一个指针，便可以由输出的角位移知道液位的高低。,应用实例,在与容器连通的非导磁(一般为不锈钢)管内，带有磁铁的浮子随管内液位的升
5、降，利用磁性的吸引，使得带有磁铁的红白两面分明的翻板或翻球产生翻转。有液体的位置红色朝外，无液体的位置白色朝外，根据红色指示的高度可以读得液位的具体数值，,实例二:磁翻转式液位计,应用实例,返回本节,（二）浮筒式液位计,测量原理,浮筒式液位计利用浸没在液体中的浮筒测量液位的变化，浮筒在测量中所受浮力随液位浸没高度而变化，因此称为变浮力法。,测量原理如图所示，将一个截面相同、重力为W的圆筒形金属浮筒悬挂在弹簧上，浮筒的重力被弹簧的弹性力所平衡。当浮筒的一部分被液体浸没时，由于受到液体的浮力作用而使浮筒向上移动，当浮力F与弹性力达到平衡时，浮筒停止移动，此时满足如下关系,式中c弹簧刚度；x弹簧压缩
6、位移；A浮筒的截面积 H浮筒被液体浸没的高度 被测液体密度；g重力加速度。,测量原理,当液位变化时，由于浮筒所受的浮力发生变化，浮筒的位置也要发生变化。例如液位升高H，则浮筒要向上移动x，此时的平衡关系为,又因为,所以有,如果在浮筒的连杆上安装一个位移-电气转换装置，便可输出相应的电信号，实现液位的信号的远传和标准化处理。,浮筒产生的位移x与液位变化H成比例。,变浮力液位计实例轴封膜片式浮筒液位计,轴封膜片式浮筒液位计是的结构如图所示，它也是由测量和转换两部分组成。测量部分包括浮筒、主杠杆；转换部分包括主杠杆、矢量机构、副杠杆、反馈机构、差动变压器及放大器等，其作用是将测量部分产生的力矩转换为
7、相应的电信号。,当液位升高时，作用于浮筒上的浮力随之增大，此力作为输入力F1作用在主杠杆的一端，使主杠杆以轴封膜片为支点产生顺时针方向的转动。转换部分结构原理与电动差压变送器的转换部分相同，此处不再详述。,返回本节,二、静压式液位计,（一）静压法液位测量的原理,测量原理,静压式液位的测量方法是通过测得液柱高度产生的静压实现液位测量的。其原理如图所示，pA为密闭容器中A点的静压(气相压力)，pB为B点的静压，H为液柱高度，为液体密度。根据流体静力学的原理可知，,式中 pB B点的表压力。,如果图中的容器为敞口容器，则pA为大气压，则上式可写为,A、B两点的压力差为,测量原理,由前式可知，液体任何
8、一点的压力等于其表面压力加上液体密度与重力加速度及液柱高度的乘积。液体的静压力是液位高度和液体密度的函数，当液体的密度为常数时，A、B两点的压力或压差仅与液位高度有关。因此可以通过测量p或p来实现液位高度的测量。,同时还可以看出，根据上述原理还可以直接求得容器内所储存液体的质量。因为p或p代表了单位面积上一段高度为H的液柱所具有的质量。所以测得p或p再乘以容器的截面积，即可得到容器中全部液体的质量。,返回本节,（二）压力式液位计,用测压仪表测量,压力式液位计是基于测压仪表所测压力高低来测量液位的原理，主要用于敞口容器的液位测量。,必须指出，只有测压仪表的测压基准点与最低液位一致时，液位和压力的
9、函数关系才能成立。如果测压仪表的测压基准点与最低液位不一致，必须要考虑附加液柱的影响，要对其进行修正。这种方式适用于粘度较小、洁净液体的液位测量。当测量粘稠、易结晶或含有颗粒液体的液位时，由于引压导管易堵塞，不能从导管引出液位信号，可以采用如图(b)所示的法兰式压力变送器测量液位的方式。,如图所示。测压仪表（压力表或压力变送器）通过引压导管与容器底部相连，由测压仪表的指示便可知道液位的高度。若需要信号远传则可以采用传感器或变送器进行压力-电气信号转换。,(a)(b),用吹气法测量,对于测量有腐蚀性、高粘度或含有悬浮颗粒液体的液位，也可以采用吹气法进行测量，如图4-2-3所示。在敞口容器中插入一
10、根导管，压缩空气经过滤器、减压阀、节流元件、转子流量计，最后由导管下端敞口处逸出。,压缩空气p1的压力根据被测液位的范围，由减压阀2控制在某一数值上；p2的压力是通过调整节流元件3保证液位上升至最高点时，仍有微量气泡从导管下端敞口处逸出。,当液位上升或下降时，液封压力会升高或降低，致使从导管下端逸出的气量也要随之减少或增加。导管内的压力几乎与液封静压相等，因此，由压力仪表5所显示的压力值即可反映出液位的高度H。,1 过滤器；2 减压阀；3 节流元件；4 转子流量计；5 测压仪表,返回本节,（三）差压式液位计,零点迁移问题,差压式液位计主要用于密闭有压容器的液位测量。由测量原理可知，凡是能够测量
11、差压的仪表都可以用于密闭容器液位的测量。采用差压式液位计测量液位时，由于安装位置不同，一般情况下均会存在零点迁移的问题。,(1)无迁移,当液位由H=0变化到最高液位H=Hmax时，p由零变化到最大差压pmax，变送器对应的输出电流为IminImax。变送器的测量范围不需要调整，称为无迁移。,如图所示，变送器安装高度与容器下部取压位置在同一高度。将差压变送器的正、负压室分别与容器下部和上部的取压点p1、p2相连接，如果被测液体的密度为，则作用于差压变送器正、负压室的差压为,零点迁移问题,当H=0时，p=hg0，并且为常数项，作用于变送器使其输出电流大于Imin；当H=Hmax时，最大压差p=Hm
12、axg+hg，使变送器输出电流大于Imax。这时可以通过调整变送器的零位迁移弹簧，使变送器在H=0，p=hg时，其输出为Imin；当H=Hmax，最大压差p=Hmaxg+hg时，变送器的输出为Imax，从而实现变送器输出与液位之间的正常对应关系，此时变送器的测量范围发生变化，但量程仍然为Hmaxg。由于调整的压差p是大于零(作用于正压室)的附加静压，所以称为正迁移。,（2）正迁移 实际测量中，变送器的安装位置有时低于容器下部的取压位置，如图所示，变送器安装高度低于测量下限的距离为h。这时液位高度H与压差p之间的关系式为,零点迁移问题,（3）负迁移 有些介质对仪表会产生腐蚀作用。这些情况下，往往
13、采用在正、负压室与取压点之间分别安装隔离罐的方法。因此，负压侧引压导管也有一个附加的静压作用于变送器，使得被测液位H=0时，压差不等于零。如图所示，负压导管充满高度为h的被测液体，则此时液位高度H与压差p之间的关系式为,由上式可知，当H=0时，p=hg0，作用于变送器会使其输出小于Imin；当H=Hmax时，最大压差p=Hmaxghg，使变送器输出小于Imax。这时可以通过调整变送器的零位迁移弹簧，使变送器在H=0时，p=hg0时，其输出为Imin;当H=Hmax、最大压差p=Hmaxghg时，变送器的输出为Imax；变送器的测量范围发生变化，实现了变送器输出与液位之间的正常对应关系，但量程仍
14、然为Hmaxg。由于调整的压差p是小于零(作用于负压室)的附加静压，则称为负迁移。,特殊介质的液位、料位测量,当测量具有腐蚀性或含有结晶颗粒，以及粘度大、易凝固等介质的液位时，为解决引压管线腐蚀或堵塞的问题，可以采用法兰式差压变送器。如图所示，变送器的法兰直接与容器上的法兰连接，作为敏感元件的测量头1(金属膜盒)经毛细管2与变送器的测量室相连通，在膜盒、毛细管和测量室所组成的封闭系统内充有硅油，作为传压介质，起到变送器与被测介质隔离的作用。,法兰式差压变送器有单法兰、双法兰、插入式或平法兰等结构形式，可根据被测介质的不同情况进行选用。法兰式差压变送器测量液位时，同样存在零点“迁移”问题，迁移量
15、的计算方法与前述差压式相同。,（1）腐蚀性、易结晶或高粘介质,特殊介质的液位、料位测量,（2）流态化粉末状、颗粒状固态介质,在石油化工生产中，常遇到流态化粉末状催化剂在反应器内流化床床层高度的测量。因为流态化的粉末状或颗粒状催化剂具有一般流体的性质，所以在测量它们的床层高度或藏量时，可以把它们看作流体对待。测量的原理也是将测量床层高度的问题变成测差压的问题。但是，在进行上述测量时，由于有固体粉末或颗粒的存在，测压点和引压管线很容易被堵塞，因此必须采用反吹风系统，即采用吹气法用差压变送器进行测量。,流化床内测压点的反吹风方式如图所示，在有反吹风存在的条件下，设被测压力为p，测量管线引至变送器的压
16、力为p2（即限流孔板后的反吹风压力），反吹管线压降为p，则有p2=p+p，看起来仪表显示压力p2较被测压力高p，在一定条件下，反吹风气量可以很小，因而p可以忽略不计，即p2p。,返回本节,三、电容式液位计,测量原理,电容式物位传感器是根据圆筒形电容器原理进行工作的，结构如图所示。它由两个长度为L，半径分别为R和r的圆筒形金属导体组成内、外电极，中间隔以绝缘物质构成圆筒形电容器。电容的表达式为,由上式可见，改变R、r、L其中任意一个参数时，均会引起电容C的变化。实际物位测量中，一般是R和r固定，采用改变或L的方式进行测量。电容式物位传感器实际上是一种可变电容器，随着物位的变化，必然引起电容量的变
17、化，且与被测物位高度成正比，从而可以测得物位。由于所测介质的性质不同，采用的方式也不同，下面分别介绍测量不同性质介质的方法。,式中 内、外电极之间的介电常数。,（一）非导电介质的液位测量,当测量石油类制品、某些有机液体等非导电介质时，电容传感器可以采用如图所示方法。它用一个光电极1作为内电极，用与它绝缘的同轴金属圆筒2作为外电极，外电极上开有孔和槽，以便被测液体自由地流进或流出。内、外电极之间采用绝缘材料3进行绝缘固定。-当被测液位H=0时，电容器内、外电极之间气体（最常见的是空气）的介电常数为o，电容器的电容量为,非导电液位测量,式中 H 电极被液体浸没的高度；x 被测液体的介电常数；0 气
18、体的介电常数。,当液位为某一高度H时，电容器可以视为两部分电容的并联组合，即,非导电液位测量,当液位变化时，引起电容的变化量为C=Cx-C0，由前式可得,由此可见，当介质介电常数与空气介电常数的差值越大，或内外电极的半径R和r越接近，传感器的灵敏度越高，所以测量非导电液体的液位时，传感器一般不采用容器壁做外电极，而是采用直径较小的竖管做外电极，或将内电极安装在接近容器壁的位置，以提高测量灵敏度。,由此可见，C与被测液位H成正比，因此测得电容的变化量便可以得到被测液位的高度。为了提高灵敏度，希望H前的系数尽可能大。,因为,式中,为转换的灵敏系数。,返回本节,（二）导电介质的液位测量,如果被测介质
19、为导电液体，内电极要采用绝缘材料覆盖，右图所示是测量导电介质液位的电容式液位计原理图。直径为2r的紫铜或不锈钢内电极，外套聚四氟乙烯塑料套管或涂以搪瓷作为电介质和绝缘层，内电极外径为2R。直径为2R0的容器是用金属制作的，则当容器中没有液体时，介电层为空气加塑料或搪瓷，电极覆盖长度为整个L如果导电液体液位高度为H时，则导电液体就是电容的另一极板的一部分。在高度范围內，作为电容器外电极的液体部分的内径为R，内电极直径为r。因此整个电容量为,式中 H 电极被液体浸没的高度；x 绝缘套管或涂层的介电常数；o 电极绝缘层和容器内气体共同组成的电容器的的等效介电常数。,当容器空时，即H=0，上面公式的第
20、二项就成为电极与容器组成的电容器，其电容量为,式中 为传感器的灵敏系数。,当液位发生变化时,由于容器半径R0金属电极内径r，且ox,所以有,由上式可见，由于x、R和r均为常数，测得C即可获得被测液位H。但此种方法不能适用于粘滞性介质，因为当液位变化时，粘滞性介质会粘附在内电极绝缘套管表面上，造成虚假的液位信号。,所以传感器的灵敏系数,电容的变化可近似表示为,返回本节,（三）固体料位的测量,对于非导电固体物料的料位测量，通常采用一根不锈钢金属棒与金属容器器壁构成电容器的两个电极，如右图所示，金属棒1作为内电极，容器壁作为外电极。将金属电极棒插入容器内的被测物料中，电容变化量C与被测料位H的函数关
21、系仍可用非导电液位的函数关系来表述，只是式中的x代表固体物料的介电常数，R代表容器器壁的内径，其他参数相同。如果测量导电的固体料位，则需要对图中的金属棒内电极加上绝缘套管，测量原理同导电液位测量，也可用相同的函数表述。,返回本节,四、非接触式物位测量,（一）辐射式物位计,传感器测量原理,放射性同位素能放射出、和射线。它们都是高速运动的粒子流，粒子流能穿过物质使沿途的原子产生电离。当这些射线通过一定厚度的物体（例如固体或液体）时，由于粒子的碰撞和克服阻力，粒子的动能就要消耗，最后动能等于零，粒子就留在物体中，即射线被物体所吸收掉了。如果动能不等于零，则射线粒子就会穿透这个厚度的物体。它们在物质中
22、所经过路程的长短叫射程。射程主要由电离能力的大小决定，电离作用越强，则穿过物质时所损失的能量越大，因此射程就越短。射线穿透物质的能力最低，射程最短，射线次之，射线受物质吸收较少，穿透能力强，射程远，因此物位检测主要采用射线。射线的透射强度随着通过介质厚度的增加而减弱，入射强度为I0的放射源，随介质厚度增加射线强度按指数规律衰减，其关系为,式中 介质对射线的吸收系数；H 介质层的厚度；I 穿过介质后的射线强度。,传感器测量原理,不同介质吸收射线的能力是不一样的。一般来说，固体吸收能力最强，液体次之，气体最弱。当放射源已经选定，被测介质不变时，则I0与都是常数。根据式，可得,式中 介质对射线的吸收
23、系数；H 介质层的厚度；I 穿过介质后的射线强度。,应用放射性同位素测量物位的原理如下图所示。由放射源放射出的射线，穿过设备和被测介质后，被探测器所接收，并把射线强度转换成电信号，经放大器放大后送入显示仪表进行显示。只要测定通过介质后的射线强度，就可知被测介质的厚度H，即液位或料位的高度。,辐射式物位测量方法,根据测量原理，只要在容器外部的某一位置相对两侧安装放射源和接收器，由放射源发出的射线，通过容器中的介质使接收器所接收的射线能量强度随着物位的升高而降低。,图(b)为自动跟踪的测量方法。通过电机带动放射源和接收器沿导轨升降，始终保持放射源和接收器在同一高度，并对液位进行自动跟踪。因此，它既
24、保持了定点方式的优点，又可以实现连续测量，并且测量范围可以很宽。,图(a)所示为定点测量方法。将放射源与接收器安装在同一平面上，由于液体(或固体颗粒)吸收射线的能力远比气体强，因而当液位超过或低于此平面时，接收器接收到的射线强度发生急剧变化，将其输出信号放大后，带动继电器工作，便可以实现定点控制。此种方法的特点是准确性高，工作稳定可靠。,辐射式物位测量方法,图(d)所示为放射源多点组合的物位测量方法，图(e)所示为接收器多点组合的物位测量方法，图(f)则表示两者并用的方法。对于测量范围比较大的液位，可以采用这三种方式之一，可以改善线性关系，但安装和维护较困难。,图(c)是在容器外部相对应的位置
25、安装放射源和接收器，射线通过容器中的液体时，部分被吸收，并且液位越高被吸收的越多。因此，由接收器接收到的射线强弱，便可表达出液位的高低。此种方法便于安装、维护和调整。但测量范围较窄，一般为300500mm。,辐射式物位测量的特点,由于放射源的辐射强度不受温度、压力的影响，并且它的测量元件与被测介质不接触，测量范围为03000mm，可以用在高温、低温、高压容器的高粘度、剧毒、强腐蚀或易燃易爆介质的物位测量。它不仅可以测量液位，也可以测量颗粒状、粉末状介质的料位。另外，它还可以测量不同密度的液体分界面、液体与固体的分界面。其缺点是射线对人体有较大的危害，使用时必须采取严格的防范措施。但只要正确选择
26、放射源的强度，并且保证防护条件符合国家规定，可以确保安全，放心使用。,返回本节,（二）超声波物位计,测量原理,所谓超声波一般是指频率高于可听频率极限(20kHz以上频段)的弹性振动，这种振动以波动的形式在介质中的传播过程就形成超声波。超声波可以在气体、液体、固体中传播，并具有一定的传播速度。超声波在穿过介质时会被吸收而产生衰减，气体吸收最强则衰减最大，液体次之，固体吸收最少则衰减最小。超声波在穿过不同介质的分界面时会产生反射，反射波的强弱决定于分界面两边介质的声阻抗，两介质的声阻抗差别越大，反射波越强。声阻抗即介质的密度与声速的乘积。根据超声波从发射至接收到反射回波的时间间隔与物位高度之间的关
27、系，就可以进行物位的测量。,利用超声波的物理性质可以制成超声波式物位计，根据安装方式的不同，可分为声波阻断型和声波反射型两种类型,测量原理,(1)声波阻断型 它是利用超声波在气体、液体和固体介质中被吸收而衰减的情况的不同，来探测在超声波探头前方是否有液体或固体物料存在。当液体或固体物料在储罐、料仓中积存高度达到预定高度位置时，超声波即被阻断，即可发出报警信号或进行限位控制。这种探头安装方式主要用于超声波物位控制器中，也可用于运动体(人员、车辆)以及生产流水线上工件流转等的计数和自动开门控制中。(2)声波反射型 它是利用超声波回波测距的原理，可以对液位进行连续测量。实际应用中可以采用多种方法。根
28、据传声介质的不同，有气介式、液介式和固介式；根据探头的工作方式，又有自发自收的单探头方式和收、发分开的双探头方式。它们相互组合就可得到不同的测量方案。,测量方法,（1）液介式测量方法 如图(a)所示，探头固定安装在液体中最低液位处，探头发出的超声脉冲在液体中由探头传至液面，反射后再从液面返回到同一探头而被接收。液位高度与从发到收所用时间之间的关系可表示为,式中 H 探头到液面的垂直距离 v 超声波在介质中的传播速度 t 超声波由发射到接收经历的时间,测量方法,（2）气介式测量方式如图(b)所示，探头安装在最高液位之上的气体中，液位和时间的函数关系同前式，只是v代表气体中的声速。（3）固介式测量
29、方式图(c)所示是固介式测量方法，将一根传声的固体棒或管插入液体中，上端要高出最高液位，探头安装在传声固体的上端，液位和时间的函数关系同前式，但v代表固体中的声速。,测量方法,（4）双探头液介式测量方法如图(d)所示，若两探头中心间距为2a，声波从探头到液位的斜向路径为S，探头至液位的垂直高度为H，则,而,（5）双探头气介式方式 如图(e)所示，只要将v理解为气体中的声速，则上面关于双探头液介式的讨论完全可以适用。,测量方法,（6）双探头固介式方式 如图(f)所示，它需要采用两根传声固体，超声波从发射探头经第一根固体传至液面，再在液体中将声波传至第二根固体，然后沿第二根固体传至接收探头。超声波
30、在固体中经过2H距离所需的时间，将比从发到收的时间略短，所缩短的时间就是超声波在液体中经过距离d所需的时间，所以,式中 v 固体中的声速；vH 液体中的声速；d 两根传声固体之间的距离。当固体和液体中的声速v、vH已知，两根传声固体之间的距离d固定时，则可根据测得的t求得H。,测量方法,（7）液液相界面的测量,利用超声波反射时间差法也可以检测液一液相界面位置。如图4-4-4所示，两种不同的液体A、B的相界面在h处，液面总高度为h1，超声波在A、B两液体中的传播速度分别为v1和v2。采用单探头液介式方式进行测量。,超声波在液体A、B中传播并被液面反射回来的往返时间为,由上两式可得：,或,由以上两
31、式可知，检测t1、v1即可求得界面位置h，或者检测出t1、t2和v2亦可求出h。超声波界面传感器的精度可达1，检测范围为数米时的分辨率达1mm。,超声波在液体A中传播并被A、B液体相界面反射回来的往返时间为,声速的校正,声速v值准确与否对于采用回波法测量液位来说是至关重要的。声速与介质的密度有关，而密度又随温度和压力而改变，因此，实际声速是一个变化值。为了排除声速变化对测量的影响，应对声速进行校正。,声速校正装置是在传声介质中取相距S0固定距离的两端安装一个超声探头(校正探头)和反射板组成的测量装置。对液介式液位计而言，校正具应安装在液体介质最底处以避免水面反射声波的影响，同理对气介式液位计而
32、言，校正具应放在容器顶端的容器中。如果超声脉冲从探头发射经时间t0后返回探头，行程为2S0，则得实际声速为,将上式代入,中(即v0=v),从上式中显然可见，被测液位高度H变为时间t、t0的函数,则可得,返回本节,（三）光电式物位计,光学式物位最简单的模式是：发光光源(如灯泡)放在容器的一侧，另一侧相对光源处装置光敏元件，当物位升高至物料遮挡光源时，光敏元件输出信号突变，仪表发出开关信号，进行报警或控制。目前常用的光源发射器有激光器、发光二极管、普通灯光等，光源的接收可由光敏电阻、光电二极管、光电池、光电倍增管等多种光电元件来实现。在选定某种光源器件后，再据此来选择接收元件，并与合适的线路配合，
33、组成物位计。,传感器测量原理,光接收器件是光电式测量系统的关键部件，起着将光转换为电信号的作用。基于光电效应原理工作的光电转换元件称为光电器件或光敏器件，按其转换原理可分为光电发射型、光导型和光伏型。在此简要介绍一下光导型和光伏型光电元件的原理。（1）光导效应和光导型传感器 大多数半导体的电阻率，受到光照吸收光子的能量后，会发生改变，使半导体的电阻值下降而易于导电，这种现象称为光导效应。其原因是半导体内部的带电粒子吸收了光的能量后，使材料内部的带电粒子增加，从而使导电性增强，光线越强，阻值越低。基于这一原理制造的半导体光电器件有光敏电阻、光电二极管和光电晶体管。,传感器测量原理,光敏电阻 光敏
34、电阻是用具有光导效应的半导体材料制成的电阻器件。当受到光照时，其电阻值下降，光线越强，阻值也变得越低；光照停止，阻值又恢复原值。把光敏电阻连接到外电路中，如图4-4-7所示，在外加电压(直流偏压或交流电压)作用下，电路中的电流及其在负载电阻上的压降将随光线强光照度变化而变化，这样就将光信号转换为电信号。,光敏电阻在不受光照时的电阻值称为暗电阻，受光照时的电阻值称为亮电阻。暗阻越大越好，亮阻越小越好，这样光敏电阻的灵敏度就高。实际光敏电阻的暗阻一般在兆欧数量级，亮阻在几千欧以下，暗阻和亮阻之比一般为102106。,传感器测量原理,光敏电阻 一块安装在绝缘衬底上的带有两个欧姆接触电极的光电导体，半
35、导体吸收光子而产生的光电效应，仅限于光照的表面薄层。虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但深入厚度有限，因此光电导体一般都做成薄层。为了获得很高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳状，如下图所示。这种梳状电极，由于在间距很近的电极之间有可能采用大的极板面积，所以提高了光敏电阻的灵敏度。,传感器测量原理,光敏二极管 其结构与一般二极管相似，但装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管顶，便于接受光的照射。光敏二极管在电路中工作时，一般加上反向电压，如图4-4-9所示。光敏二极管在电路中处于反向偏置，在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，称为暗电流；当光照射在PN结上，光子打在PN结附近时，PN结附
36、近产生光生电子和光生空穴对，使少数载流子的浓度大大增加，因此通过PN结的反向电流也随之增加。,如果入射光照度变化，光生电子空穴对的浓度也相应变化，通过外电路的光电流强度也随之变化。可见光敏二极管能将光信号转换为电信号输出。光敏二极管不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。,传感器测量原理,光敏晶体管 光敏晶体管又称光敏三极管，结构与般晶体管很相似，具有两个PN结。它在把光信号转换为电信号的同时，又将信号电流加以放大。图示为NPN型光敏晶体管的基本简化电路。,当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时，基极集电极结就是反向偏压。当光照射在基极集电极结上时，就会在结附近产生电子空穴对
37、，从而形成光电流，输入到晶体管的基极。由于基极电流增加，因此集电极电流是光生电流的倍，即光敏晶体管有放大作用。,传感器测量原理,（2）光生伏特效应及光伏传感器 光照射引起PN结两端产生电动势的现象称为光生伏特效应。当PN结两端没有外加电压时，在PN结势垒区仍然存在着结电场，其方向是从N区指向P区，如下图所示；当光照射到PN结上时，若光子的能量大于半导体材料的禁带宽度，则在PN结内产生电子空穴对，在结电场作用下，空穴移向P区，电子移向N区，电子在N区积累和空穴在P区积累使PN结两边的电位发生变化，PN结两端出现一个因光照射而产生的电动势。用导线将PN结两端连接起来，电路中就有电流流过，电流的方向
38、由P区流经外电路至N区。若将电路断开，就可以测出光生电动势。光电池就是基于光生伏特效应，直接将光能转变为电动势的光电器件，属于有源传感器。,光电式物位计,(1)光电式传感器的基本组成光电式传感器是以光为媒介、以光电效应为基础的传感器，主要由光源、光学通路、光电器件及测量电路等组成，如下图所示。,光电式传感器中的光源可采用白炽灯、气体放电灯、激光器、发光二极管及能发射可见光谱、紫外线光谱和红外线光谱的其他器件。此外还可采用X辐射及同位素放射源，这时一般需要实现辐射形式能量到可见光形式能量转换的转换器。,被测信号可通过两种作用途径转换成光电器件的入射光通量2的变化，其一是被测量（X1）直接对光源作
39、用，使光通量1的某一参数发生变化；其二是被测量（X2）作用于光学通路中，对传播过程中的光通量进行调制。,光电式物位计,光电器件的作用是检测照射其上的光通量。选用何种形式的光电器件取决于被测参数、所需的灵敏度、反应的速度、光源的特性及测量环境、条件等。大多数情况下，光电器件的输出电信号较小，需设置放大器。对于变化的被测信号，在光路系统中常采用光调制，因而放大器中有时包含相敏检波及其他运算电路，对信号进行必要的加工和处理。测量电路的功能是把光电器件输出电信号变换成后续电路可用的信号。完成光电测试需要制定一定形式的光路图，光路由光学元件组成。通过光学元件实现光参数的选择、调制和处理。在测量其他物理量
40、时，还需配以光源和调制件。常用的光源有白炽灯、发光二极管和半导体激光器等，用以提供恒定的光照条件；调制件是用来将光源提供的光量转换成与被测量相对应变化光量的器件，调制件的结构依被测量及测量原理而定,光电式物位计,（2）半导体激光料位计 下图所示为半导体激光料位计原理示意图。,用于控制固体加料料位的半导体激光料位计的工作方式为遮断方式，当物料遮断激光束时，在接收器上形成突变从而发出信号。激光器采用砷化镓半导体为工作介质，经电流激发，调制发出红外光束，光束经过透镜后到达接收器，接收器由硅光敏三极管组成当接收到激光照射时，光敏元件产生光电流；有物料挡住光束时，线路终端输出脉冲信号，可控硅导通，继电器工作，发出信号。,光电式物位计,（3）光电式液位计 光电式液位计利用光的全反射原理实现液位测量。如右图所示，发光二极管作为发射光源，当液位传感器的直角三棱镜与空气接触时，由于入射角大于临射角，光在棱镜内产生全反射，大部分光被光敏二极管接收，此时液位传感器的输出便保持在高水平状态；而当液体的液位到达传感器的敏感面时，光线则发生折射，光敏二极管接收的光强明显减弱，传感器从高电平状态变为低电平，由此实现液位的检测。,返回本节,谢谢大家！,
