新型檢測(cè)課件6液位

1、過(guò)程參數(shù)新型檢測(cè)技術(shù)授課教師: 姜 波2010年6月11日1第六章 新型液位傳感器 本次課主要內(nèi)容1 概述4 磁致伸縮液位測(cè)量3 雷達(dá)式液位測(cè)量5 新型液位儀國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)情況 磁致伸縮液位儀研究與開(kāi)發(fā) 雷達(dá)液位儀研究與開(kāi)發(fā) 磁致伸縮效應(yīng) 結(jié)構(gòu)及工作原理 功能特點(diǎn) 雷達(dá)式液位測(cè)量基本原理 測(cè)量方法與結(jié)構(gòu) 應(yīng)用特點(diǎn)2 超聲波物位測(cè)量 物位測(cè)量的基本原理及方法 應(yīng)用問(wèn)題及特點(diǎn)-液位測(cè)量方法簡(jiǎn)介2第六章 新型液位傳感器1 概述 液位測(cè)量方法很多,按測(cè)量原理有不同的分類.靜壓式：根據(jù)流體靜力學(xué)原理,測(cè)量液柱對(duì)某點(diǎn)產(chǎn)生的靜壓力, 或測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間的壓差進(jìn)行液位測(cè)量. 浮力式：利用液體對(duì)浸在其中的物體具有浮力的原

2、理.hx(位移)電容式：利用圓筒電容原理 接觸式物位測(cè)量?jī)牲c(diǎn)的壓力差為:差壓式液位測(cè)量 壓力式液位測(cè)量3第六章 新型液位傳感器1 概述 當(dāng)浮力 等于物體重力 時(shí),物體處于平衡狀態(tài). 利用平衡時(shí)物體位置移動(dòng)進(jìn)行液位測(cè)量. 放在液體中的物體所受浮力Dh恒浮力式物位測(cè)量變浮力式物位測(cè)量 液位測(cè)量方法很多,按測(cè)量原理有不同的分類.靜壓式：根據(jù)流體靜力學(xué)原理,測(cè)量液柱對(duì)某點(diǎn)產(chǎn)生的靜壓力, 或測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間的壓差進(jìn)行液位測(cè)量. 浮力式：利用液體對(duì)浸在其中的物體具有浮力的原理.hx(位移)電容式：利用圓筒電容原理 接觸式物位測(cè)量4第六章 新型液位傳感器1 概述變浮力式物位測(cè)量恒浮力式物位測(cè)量磁翻轉(zhuǎn)式 液位測(cè)量方

3、法很多,按測(cè)量原理有不同的分類.靜壓式：根據(jù)流體靜力學(xué)原理,測(cè)量液柱對(duì)某點(diǎn)產(chǎn)生的靜壓力, 或測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間的壓差進(jìn)行液位測(cè)量. 浮力式：利用液體對(duì)浸在其中的物體具有浮力的原理.hx(位移)電容式：利用圓筒電容原理 接觸式物位測(cè)量5第六章 新型液位傳感器1 概述 液位測(cè)量方法很多,按測(cè)量原理有不同的分類.靜壓式：根據(jù)流體靜力學(xué)原理,測(cè)量液柱對(duì)某點(diǎn)產(chǎn)生的靜壓力, 或測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間的壓差進(jìn)行液位測(cè)量. 浮力式：利用液體對(duì)浸在其中的物體具有浮力的原理.hx(位移)電容式：利用圓筒電容原理 接觸式物位測(cè)量導(dǎo)電介質(zhì)電容物位測(cè)量非導(dǎo)電介質(zhì)電容物位測(cè)量6 液位測(cè)量方法很多,按測(cè)量原理有不同的分類.核輻射式物位測(cè)量：基

4、于輻射線穿過(guò)介質(zhì)時(shí)會(huì)被介質(zhì)吸收的原理.超聲波式：基于聲波的傳播特性,回聲測(cè)距法.第六章 新型液位傳感器1 概述 非接觸式物位測(cè)量 射線強(qiáng)度為 ,穿過(guò)介質(zhì)后的強(qiáng)度為-介質(zhì)對(duì)射線的吸收系數(shù), -介質(zhì)層的厚度,-自然對(duì)數(shù)的底.7 液位測(cè)量方法很多,按測(cè)量原理有不同的分類.核輻射式物位測(cè)量：基于輻射線穿過(guò)介質(zhì)時(shí)會(huì)被介質(zhì)吸收的原理.超聲波式：基于聲波的傳播特性,回聲測(cè)距法.第六章 新型液位傳感器1 概述 非接觸式物位測(cè)量定點(diǎn)安裝I0跟蹤式安裝伺服電機(jī)多點(diǎn)組合式安裝8 接觸式,使用受限制,機(jī)械傳遞部分壽命短. 以上液位檢測(cè)方法的不足 受被測(cè)介質(zhì)的影響,精度不穩(wěn)定.第六章 新型液位傳感器1 概述 不能同時(shí)滿

5、足多參數(shù)(液位、界面)、高精度及寬量程 的要求. 核輻射式物位測(cè)量,核輻射線對(duì)人體有害.劑量要嚴(yán)格 控制.要有必要的、有效的防護(hù)措施及防護(hù)規(guī)定. 放射源在半衰減期后,必須進(jìn)行更換,否則不準(zhǔn)確.9第六章 新型液位傳感器1 概述 近年來(lái),國(guó)外針對(duì)液位測(cè)量中的特殊應(yīng)用-寬量程、高精度、多參數(shù)(液位、界面、溫度等)進(jìn)行著不斷地研究與開(kāi)發(fā),目前已開(kāi)發(fā)出的幾種新型液位測(cè)量?jī)x表有：超聲波液位儀、雷達(dá)液位儀、磁致伸縮液位儀、射頻導(dǎo)納液位儀等.在國(guó)外已廣泛應(yīng)用. 我國(guó)目前正在積極引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品,進(jìn)行應(yīng)用研究與國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā). 超聲波液位儀和雷達(dá)液位儀我國(guó)已有開(kāi)發(fā)試用產(chǎn)品,磁致伸縮液位儀在儲(chǔ)油罐油位、水位、溫度、儲(chǔ)

6、油量的測(cè)量及控制中,具有很好的應(yīng)用前景,我國(guó)也在積極的研發(fā)中.102 超聲波物位測(cè)量 超聲波物位測(cè)量必須有超聲波的發(fā)射和接收裝置. 超聲波-頻率高于20KHz的聲波. 高頻聲波在介質(zhì)中傳播,方向性好、擴(kuò)散性小. 第六章 新型液位傳感器11 當(dāng)晶體兩個(gè)面上施加交變電壓時(shí),晶體片將產(chǎn)生沿厚度方向伸長(zhǎng)和壓縮的交替變化(振蕩),振動(dòng)頻率與所加交流電的頻率相同.該振動(dòng)在周圍媒介中發(fā)射同頻率的聲波.1.超聲波物位測(cè)量的基本原理晶體的逆壓電效應(yīng) -可使電能轉(zhuǎn)換成聲能的效應(yīng).ff交流輸入逆壓電效應(yīng) 超聲換能器: 所加交流電的頻率為超聲頻率,晶體將向周圍發(fā)射超聲波.晶體的這一物理現(xiàn)象-逆壓電效應(yīng).2 超聲波物位

7、測(cè)量超聲波的發(fā)射和接收裝置,實(shí)現(xiàn)電能與超聲能的轉(zhuǎn)換.第六章 新型液位傳感器12 當(dāng)晶體兩個(gè)面上施加一脈動(dòng)的外力,使之變形,將有一定的電流產(chǎn)生.晶體的這一物理現(xiàn)象-壓電效應(yīng).晶體的壓電效應(yīng) -可使聲能轉(zhuǎn)換成電能的效應(yīng). 超聲換能器利用晶體的 逆壓電效應(yīng):用于超聲波的發(fā)射. 壓電效應(yīng):用于超聲波的接收.ff交流輸出壓電效應(yīng)2 超聲波物位測(cè)量1.超聲波物位測(cè)量的基本原理第六章 新型液位傳感器13 聲波在兩種密度不同的介質(zhì)中傳播速度不同,聲波傳播碰到兩種介質(zhì)的相界面時(shí),傳播的方向?qū)l(fā)生變化,一部分被反射、一部分折射入相鄰介質(zhì)中. 測(cè)量原理反射率:設(shè):兩種介質(zhì)密度分別為 ，聲波在其中傳播 速度分別為 ,

8、入射聲強(qiáng) ,反射聲強(qiáng) .-入射角,反射角-聲阻抗2 超聲波物位測(cè)量第六章 新型液位傳感器1.超聲波物位測(cè)量的基本原理142.測(cè)量方法2 超聲波物位測(cè)量反射率: 采用垂直入射:當(dāng) 相差懸殊時(shí) 測(cè)量方法-回聲測(cè)距法超聲換能器可安裝在容器的底部或頂部. 可用兩個(gè)換能器分別擔(dān)負(fù)超聲波的發(fā)射和接收， 也可用一個(gè)換能器交替進(jìn)行發(fā)射和接收.第六章 新型液位傳感器153.應(yīng)用問(wèn)題垂直安裝、要穩(wěn)定 .(2)存在問(wèn)題:(3) 的修正方法-校正具修正法 測(cè)量與聲速無(wú)關(guān), 為已知， 只需測(cè)得兩個(gè)時(shí)間量求比值. 校正具:(1)應(yīng)用要求:一套固定距離的超聲波參比裝置.直接影響測(cè)量.2 超聲波物位測(cè)量第六章 新型液位傳感器

9、16 計(jì)算機(jī)采集液位信號(hào)的同時(shí)采集溫度、壓力信號(hào) 通過(guò)模型進(jìn)行修正. 測(cè)繪不同溫度、壓力時(shí)儀表輸入輸出特性,建立 數(shù)學(xué)模型. 計(jì)算機(jī)軟修正法 如果介質(zhì)存在密度梯度， 速度梯度. 可采用活動(dòng)校正具，一端 裝一浮球隨液升降.2 超聲波物位測(cè)量3.應(yīng)用問(wèn)題(3) 的修正方法第六章 新型液位傳感器172 超聲波物位測(cè)量 實(shí)際應(yīng)用-非接觸式物位測(cè)量第六章 新型液位傳感器空高： 物位儀LH被測(cè)液位：v-超聲波傳播速度t時(shí)間 要注意垂直安裝及 的影響.184.超聲波物位測(cè)量特點(diǎn)2 超聲波物位測(cè)量?jī)?yōu) 點(diǎn) 物位測(cè)量沒(méi)有可動(dòng)部件,使用壽命長(zhǎng).(可測(cè)量高粘度、高腐蝕及有毒介質(zhì)，液體、 粉末、塊體等) 可做到非接觸測(cè)

10、量,應(yīng)用范圍廣. 測(cè)量范圍寬.缺 點(diǎn) 探頭本身不能承受高溫. 不能用于對(duì)聲波吸收能力很強(qiáng)的介質(zhì). 電路部分較復(fù)雜、造價(jià)高. 要考慮聲速對(duì)測(cè)量的影響.第六章 新型液位傳感器19 一種特殊形式的電磁波,其物理特性 與可見(jiàn)光相似.根據(jù)量子理論,雷達(dá)信號(hào) 可穿透空間,傳播速度相當(dāng)于光速.一、基本原理-基于雷達(dá)信號(hào)的傳播特性. 雷達(dá)信號(hào) 二、方法與結(jié)構(gòu)方法:時(shí)域反射(回聲測(cè)距)與超聲波方法相同. 雷達(dá)信號(hào)(電磁波)的發(fā)射反射接收.結(jié)構(gòu):按天線的不同分兩種普通雷達(dá)液位儀導(dǎo)波雷達(dá)液位儀第六章 新型液位傳感器3 雷達(dá)物位儀20(1)普通雷達(dá)液位儀-喇叭口天線 儀表電路部分,每隔278ns發(fā)射一束雷達(dá)脈沖信號(hào),

11、脈沖波速的頻率為3.6MHz.每束脈沖頻率f最低為5.8GHz. 發(fā)射間隔天線系統(tǒng)作為接收裝置, 儀表在極短的一瞬間分析處理回波圖.第六章 新型液位傳感器3 雷達(dá)物位儀21(1)導(dǎo)波雷達(dá)液位儀導(dǎo)波體-導(dǎo)波體(管)天線 采用導(dǎo)波體或?qū)Рü茏鎏炀€,雷達(dá)信號(hào)集中沿導(dǎo)波體(管)傳播,不受霧氣、液面泡沫等影響,因此,應(yīng)用更廣泛. 導(dǎo)波雷達(dá)液位儀由于信號(hào)集中沿導(dǎo)波體(管)傳播,信號(hào)能量衰減小,約為普通雷達(dá)液位儀發(fā)射能量的10%,故可降低制造難度和造價(jià). 第六章 新型液位傳感器3 雷達(dá)物位儀22 目前國(guó)外已做成智能型(德國(guó)產(chǎn)品,中國(guó)代理) 測(cè)量分辨率高,可達(dá)1mm .量程寬,可達(dá)35M .的液體或固體介質(zhì)均

12、可測(cè)量.三、特點(diǎn) 不受溫度、壓力影響. 溫度影響幾乎為0. (500時(shí)為0.018%,壓力P=50bar時(shí),0.8%)現(xiàn)場(chǎng)顯示液位 幾種輸出形式420mA模擬輸出,數(shù)字通訊(任意聯(lián)網(wǎng))數(shù)字輸出(一根雙芯線可連接15個(gè)儀表,用手操器進(jìn)行遠(yuǎn)距離調(diào)試、校準(zhǔn)等)(遼河油田、勝利油田應(yīng)用)第六章 新型液位傳感器3 雷達(dá)物位儀23第六章 新型液位傳感器 近年來(lái),美國(guó)及一些歐洲國(guó)家研制出磁致伸縮液位儀, 能同時(shí)滿足高精度、多參數(shù)及寬量程的要求.4 磁致伸縮液位測(cè)量 美國(guó)MTS公司的一產(chǎn)品 測(cè)量范圍：0.127m18.28m,精度：0.508mm, 分辨率：0.025mm,溫度范圍：-301490C. 可同時(shí)

13、測(cè)液位、界面.已智能化,內(nèi)部具有溫度補(bǔ)償, 量程自校準(zhǔn)等,無(wú)故障23年. 24第六章 新型液位傳感器4 磁致伸縮液位測(cè)量 主要基于磁致伸縮效應(yīng),結(jié)合浮力原理、電磁感應(yīng)及電子技術(shù)等多種技術(shù)的綜合應(yīng)用.一、磁致伸縮效應(yīng) 機(jī)理 在外磁場(chǎng)作用下,材料內(nèi)部隨機(jī)取向的磁疇 發(fā)生旋轉(zhuǎn)至與外磁場(chǎng)方向一致, 使之在外形 幾何尺寸出現(xiàn)沿磁場(chǎng)方向伸長(zhǎng)或縮短的現(xiàn)象. 基本原理-鐵磁材料(鐵、鎳等)在磁場(chǎng)作用下發(fā)生形變的物理現(xiàn)象.25 主要基于磁致伸縮效應(yīng),結(jié)合浮力原理、電磁感應(yīng)及電子技術(shù)等多種技術(shù)的綜合應(yīng)用.第六章 新型液位傳感器 1842年美國(guó)科學(xué)家(James Prescott Joule)發(fā)現(xiàn)了磁致伸縮效應(yīng).由

14、于材料的磁致伸縮效應(yīng)非常細(xì)微,如鎳鐵合金只有30PPM,沒(méi)有應(yīng)用價(jià)值.隨著新材料的開(kāi)發(fā),稀土技術(shù)的應(yīng)用,使磁致伸縮效應(yīng)提升至1500PPM. 1940年磁致伸縮效應(yīng)首次應(yīng)用于潛艇聲納探測(cè)距離系統(tǒng)上.4 磁致伸縮液位測(cè)量 基本原理一、磁致伸縮效應(yīng)26 70年代磁致伸縮效應(yīng)被迅速開(kāi)發(fā)應(yīng)用于位移、液位、速度等測(cè)量. 廣泛應(yīng)用于機(jī)械自動(dòng)化、鋼鐵廠、生化、石化、木材加工等各個(gè)領(lǐng)域.一、磁致伸縮效應(yīng) 目前磁致伸縮液位傳感器市場(chǎng)占有率逐年增加,以美國(guó)MTS系統(tǒng)公司和Veeder root公司代表的生產(chǎn)廠家達(dá)幾十家,在國(guó)外各控制領(lǐng)域應(yīng)用超過(guò)10萬(wàn)臺(tái). 進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)較晚,近年我國(guó)才由國(guó)內(nèi)代理國(guó)外產(chǎn)品進(jìn)入應(yīng)用研究

15、階段.國(guó)內(nèi)幾家儀表廠初步開(kāi)發(fā)出自已的試用產(chǎn)品.第六章 新型液位傳感器4 磁致伸縮液位測(cè)量27二、結(jié)構(gòu)及工作原理 結(jié)構(gòu)磁環(huán)：隨液面升降的磁性浮子(內(nèi)存磁鋼).產(chǎn)生軸向磁場(chǎng).保護(hù)管：(外管)保護(hù)波導(dǎo)管不受化學(xué)及機(jī)械損壞.處理電路：智能信號(hào)處理(包括發(fā)射、接收、計(jì)數(shù)、控制等) 磁致伸縮材料制成的薄壁毛細(xì)管. 波導(dǎo)管 在波導(dǎo)管內(nèi)具有一定張力的銅線,通電流后可在波導(dǎo)管徑向感應(yīng)出垂直于銅線的環(huán)形磁場(chǎng). 銅線第六章 新型液位傳感器4 磁致伸縮液位測(cè)量28v-應(yīng)變波運(yùn)行速度,約3000M/s 當(dāng)兩磁場(chǎng)相交時(shí),產(chǎn)生一螺旋磁場(chǎng)使波導(dǎo)管應(yīng)變(扭轉(zhuǎn)變形), 并以超聲波速度運(yùn)行到電子部件的感應(yīng)線圈. (應(yīng)變波向兩端運(yùn)行

16、,沿管傳到底部側(cè),被底部的阻尼裝置吸收,運(yùn)行到上部在感應(yīng)線圈中產(chǎn)生電勢(shì)). 測(cè)量從發(fā)出脈沖到反回應(yīng)變脈沖的時(shí)間,即可得到液位. 電路部分向波導(dǎo)管內(nèi)的銅線發(fā)出一詢問(wèn)脈沖,此脈沖電流同時(shí)產(chǎn)生一垂直于銅線(沿波導(dǎo)管徑向)的環(huán)形磁場(chǎng)；沿外管隨液位升降的磁浮子產(chǎn)生一軸向磁場(chǎng). 工作原理第六章 新型液位傳感器4 磁致伸縮液位測(cè)量二、結(jié)構(gòu)及工作原理29 與浮子接觸式不同,能量轉(zhuǎn)換與信號(hào)處理非接觸、無(wú)機(jī)械傳動(dòng)部件.1.非接觸測(cè)量三、功能特點(diǎn) 測(cè)液位的浮子密度 應(yīng)稍小于液體密度 .若兩種液體 ,增加一磁浮子其密度為 ,只要滿足 ,浮子浮在兩液體界面處.2.很方便地實(shí)現(xiàn)液位、界面測(cè)量第六章 新型液位傳感器4 磁致

17、伸縮液位測(cè)量30總線傳輸(遠(yuǎn)距離手操器調(diào)試、設(shè)定等) 時(shí)間量測(cè)量,采用數(shù)字接口, 高頻計(jì)數(shù)脈沖源實(shí)現(xiàn)高分辨力.3.高精度 底部放一磁浮子進(jìn)行自校正: 總長(zhǎng)為L(zhǎng),對(duì)應(yīng)時(shí)間T. 溫度補(bǔ)償,在波導(dǎo)管與外管之間 均勻放置5個(gè)溫敏元件.4.智能化第六章 新型液位傳感器4 磁致伸縮液位測(cè)量三、功能特點(diǎn)315 新型液位儀國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)情況 我國(guó)目前正在積極引進(jìn)國(guó)外產(chǎn)品,進(jìn)行應(yīng)用研究與國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)階段,磁致伸縮液位儀在儲(chǔ)油罐油位、水位、溫度、儲(chǔ)油量的測(cè)量及控制中,具有很好的應(yīng)用前景.科研簡(jiǎn)介：北京空軍油料研究所與我校聯(lián)合開(kāi)發(fā) -油料儲(chǔ)運(yùn)自動(dòng)化系統(tǒng)要求：對(duì)國(guó)外磁致伸縮式、雷達(dá)式液位傳感器產(chǎn)品進(jìn)行 機(jī)理分析與研究,國(guó)產(chǎn)

18、化開(kāi)發(fā)研制. 第六章 新型液位傳感器32第六章 5 新型液位儀國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)情況2000級(jí)研究生趙芳、任波的研究課題 趙芳,姜波,陳祥光等.磁致伸縮效應(yīng)在高精度液位測(cè)量中的應(yīng)用研究. 儀表技術(shù)與傳感器,2003(8). 任波,陳祥光,姜波等.磁致伸縮液位傳感器機(jī)理研究. 傳感器技術(shù),2003(1).2001級(jí)研究生齊榮的研究課題 齊榮,姜波,陳祥光等.磁致伸縮液位傳感器中高分辨力時(shí)間量檢測(cè). 傳感器技術(shù),2004(4).一、磁致伸縮液位儀研究與開(kāi)發(fā)33一、磁致伸縮液位儀研究與開(kāi)發(fā)1 傳感器機(jī)理研究傳感器的總體結(jié)構(gòu)及工作原理 波導(dǎo)管磁浮子測(cè)量頭液面罐體界面第六章 5 新型液位儀國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)情況 磁致伸

19、縮液位傳感器是由測(cè)量頭(包括脈沖發(fā)生、回波接收、信號(hào)檢測(cè)與處理電路)、波導(dǎo)管和磁浮子組成. 其中測(cè)量頭裝置在罐體之外,波導(dǎo)管外有不銹鋼或鋁合金的保護(hù)套管,插入液體中直達(dá)罐底,底部固定在罐底,磁浮子可以有兩個(gè),一個(gè)測(cè)量液位,一個(gè)測(cè)量界位.總體結(jié)構(gòu)34一、磁致伸縮液位儀研究與開(kāi)發(fā) 該傳感器是綜合利用浮力效應(yīng)、磁致伸縮效應(yīng)、電磁效應(yīng)、磁機(jī)械(超聲)效應(yīng)等原理進(jìn)行工作,通過(guò)檢測(cè)從發(fā)生電脈沖至接收到磁浮子的返回脈沖之間的時(shí)間間隔來(lái)計(jì)算液面和界面的位置. 由于時(shí)間量檢測(cè)可以達(dá)到很高的精度,而且還可采用溫度補(bǔ)償?shù)却胧?所以磁致伸縮傳感器能夠達(dá)到很高的精度.第六章 5 新型液位儀國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)情況1 傳感器機(jī)理研

20、究傳感器的總體結(jié)構(gòu)及工作原理 波導(dǎo)管磁浮子測(cè)量頭液面罐體界面35傳感器的工作原理 移動(dòng)的磁浮子在波導(dǎo)管中產(chǎn)生一軸向磁場(chǎng),脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生電脈沖,沿著銅絲傳播,在銅絲周圍產(chǎn)生一環(huán)形磁場(chǎng)隨著電脈沖一道以光速傳播,當(dāng)遇到磁浮子的軸向磁場(chǎng)時(shí)合成一個(gè)瞬間的傾斜磁場(chǎng),根據(jù)威德曼(Wiedemann)效應(yīng),將在波導(dǎo)管中產(chǎn)生一個(gè)扭轉(zhuǎn)彈性波,彈性波以恒定的超聲速向波導(dǎo)管兩端傳播,在測(cè)量頭一端被回波接收器接收轉(zhuǎn)換為電脈沖,通過(guò)檢測(cè)兩個(gè)電脈沖的時(shí)間差,即可計(jì)算出液位. 脈沖發(fā)生彈性回波接收器信號(hào)處理電路石英晶振顯示 波導(dǎo)管 磁浮子第六章 5 新型液位儀國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)情況一、磁致伸縮液位儀研究與開(kāi)發(fā)1 傳感器機(jī)理研究傳感

21、器的總體結(jié)構(gòu)及工作原理 波導(dǎo)管磁浮子測(cè)量頭液面罐體界面36傳感器機(jī)理分析 磁致伸縮原理 鐵磁材料或亞鐵磁材料在居里點(diǎn)溫度以下,在磁場(chǎng)中被磁化時(shí),會(huì)沿磁化方向發(fā)生微量伸長(zhǎng)和縮短,稱之為磁致伸縮效應(yīng),又稱焦耳(Joule)效應(yīng). 磁致伸縮的產(chǎn)生是由于鐵磁材料在居里點(diǎn)溫度以下發(fā)生自發(fā)磁化,形成大量磁疇.在每個(gè)磁疇內(nèi),晶格發(fā)生形變.在未加外磁場(chǎng)時(shí),磁疇的磁化方向是隨機(jī)取向的,不顯示宏觀效應(yīng)；在外磁場(chǎng)中,大量磁疇的磁化方向轉(zhuǎn)向外場(chǎng),其宏觀效應(yīng)即是材料在磁力線方向的伸長(zhǎng)或縮短.長(zhǎng)度為 的磁性體外加磁場(chǎng)時(shí),相對(duì)伸縮的值 ,即為磁致伸縮常數(shù). 相反,由于形狀變化,致使磁化強(qiáng)度發(fā)生變化的現(xiàn)象,稱為磁致伸縮逆效應(yīng)

22、(Villary效應(yīng)).第六章 5 新型液位儀國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)情況一、磁致伸縮液位儀研究與開(kāi)發(fā)1 傳感器機(jī)理研究37對(duì)于Villary效應(yīng),磁化量的變化量可表示為:對(duì)于Joule效應(yīng),磁場(chǎng)變化 ,磁致伸縮的變化有:-飽和磁致伸縮；-飽和磁化強(qiáng)度；-單軸磁各向異性常數(shù)；-磁場(chǎng)與易磁化軸間的角度.-周向扭曲應(yīng)力變化. 第六章 5 新型液位儀國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)情況一、磁致伸縮液位儀研究與開(kāi)發(fā)1 傳感器機(jī)理研究38 磁致伸縮位移傳感原理 磁致伸縮效應(yīng)在位移檢測(cè)中已得到廣泛應(yīng)用.其工作原理是,利用兩個(gè)不同的磁場(chǎng)相交使波導(dǎo)管發(fā)生波導(dǎo)扭曲,產(chǎn)生一個(gè)超聲波信號(hào),然后計(jì)算這個(gè)信號(hào)被探測(cè)所需的時(shí)間,便能換算出動(dòng)磁鐵的準(zhǔn)確位置.

23、第六章 5 新型液位儀國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)情況一、磁致伸縮液位儀研究與開(kāi)發(fā)1 傳感器機(jī)理研究39 在波導(dǎo)管的軸向方向配置非接觸移動(dòng)的磁體, 給磁致伸縮波導(dǎo)管產(chǎn)生軸向磁場(chǎng). 當(dāng)在金屬線上有一個(gè)軸向的電流脈沖時(shí),在波導(dǎo)管上則產(chǎn)生周向磁場(chǎng),周向和軸向磁場(chǎng)矢量合成傾斜磁場(chǎng),因周向磁場(chǎng)產(chǎn)生于瞬間,所以,傾斜磁場(chǎng)也瞬間產(chǎn)生. 波導(dǎo)管中的磁場(chǎng)瞬間變化時(shí),根據(jù)威德曼效應(yīng),金屬隨其瞬間變形產(chǎn)生波導(dǎo)扭曲,同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)變脈沖的超聲波信號(hào),在波導(dǎo)管中以固定的速度向兩端傳播.第六章 5 新型液位儀國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)情況一、磁致伸縮液位儀研究與開(kāi)發(fā)1 傳感器機(jī)理研究40應(yīng)變脈沖的超聲波信號(hào)在波導(dǎo)管的傳播速度為:-波導(dǎo)管的剪切彈性模量-波

24、導(dǎo)管密度第六章 5 新型液位儀國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)情況一、磁致伸縮液位儀研究與開(kāi)發(fā)1 傳感器機(jī)理研究 、均是恒定(對(duì)于一定的波導(dǎo)管來(lái)說(shuō))的,所以傳播速度也恒定，約為3km/s.當(dāng)超聲波沿波導(dǎo)管傳到控制器一端時(shí),超聲波被固連在波導(dǎo)管上的回波接受裝置接收轉(zhuǎn)換為電脈沖,經(jīng)放大送到主要由計(jì)數(shù)器所組成的測(cè)量電路中.因?yàn)槌暡ㄔ诓▽?dǎo)管中是以恒速傳播的,所以只要測(cè)出脈沖發(fā)射與脈沖接收兩者之間的時(shí)間間隔,乘以這個(gè)固定速度,即可得到磁鐵的位置,實(shí)現(xiàn)位置檢測(cè).這個(gè)過(guò)程是連續(xù)不斷的,所以,每當(dāng)磁鐵移動(dòng)時(shí),新的位置就被感測(cè)出來(lái). 磁鐵位置=時(shí)差 傳送速度零點(diǎn)位置 磁鐵離傳感器的電子檢測(cè)裝置越遠(yuǎn),聲波傳播所需的時(shí)間就越長(zhǎng),所以傳

25、感器的更新時(shí)間與距離成正比. 最長(zhǎng)更新時(shí)間=(量程+零點(diǎn)位置)/傳送速度 41 磁致伸縮液位測(cè)量原理 在位移傳感器中,若將磁環(huán)裝置在浮子中,而將波導(dǎo)管垂直安裝在罐中,則磁環(huán)(磁浮子)隨著液面(界面)的變化上下滑動(dòng),與位移傳感原理相同,即可測(cè)得磁浮子的位置從而得出液面(界面)高度. 波導(dǎo)管是一根外徑為0.55mm,壁厚0.05 mm的細(xì)長(zhǎng)管子,管子里面裝有一根絕緣銅絲,為了保護(hù)和屏蔽,在波導(dǎo)管外套一個(gè)屏蔽管,屏蔽管可以是不銹鋼或鋁合金等,波導(dǎo)管材料的成分主要是鐵鎳合金.第六章 5 新型液位儀國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)情況一、磁致伸縮液位儀研究與開(kāi)發(fā)1 傳感器機(jī)理研究42第六章 5 新型液位儀國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)情況一、磁

26、致伸縮液位儀研究與開(kāi)發(fā) 采用管狀傳遞超聲波機(jī)理分析 Wiedemann效應(yīng)既可發(fā)生在波導(dǎo)線中,也可發(fā)生在波導(dǎo)管中,采用波導(dǎo)管和銅線的結(jié)構(gòu)是因?yàn)椴▽?dǎo)管和銅線功能分離,互不干擾.波導(dǎo)管只需傳遞扭轉(zhuǎn)波, 因此只需考慮其磁導(dǎo)率；銅導(dǎo)線用來(lái)傳遞電脈沖.若僅采用波導(dǎo)線, 除了要考慮它的磁導(dǎo)率外,還得考慮它的電導(dǎo)率,無(wú)疑給波導(dǎo)管材料的選擇帶來(lái)困難.1 傳感器機(jī)理研究43第六章 5 新型液位儀國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)情況一、磁致伸縮液位儀研究與開(kāi)發(fā) 相同外徑的波導(dǎo)管和波導(dǎo)線在同樣大小的扭轉(zhuǎn)波作用下,波導(dǎo)管的材料變形量大,也就是說(shuō)波導(dǎo)管的信號(hào)更容易被回波接收裝置轉(zhuǎn)變成電脈沖信號(hào)加以接收. 由于趨膚效應(yīng), 電流脈沖在固體鐵磁波

27、導(dǎo)線中傳播時(shí), 電脈沖沿波導(dǎo)線最外層傳播,因而不能得到完全的磁感應(yīng).當(dāng)銅導(dǎo)線在波導(dǎo)管內(nèi)傳遞電脈沖時(shí), 管中得到完全的磁感應(yīng),可得到更強(qiáng)感應(yīng)的應(yīng)力脈沖,該脈沖寬度較窄,可得到高頻響應(yīng),使測(cè)量信號(hào)更好.1 傳感器機(jī)理研究44第六章 5 新型液位儀國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)情況一、磁致伸縮液位儀研究與開(kāi)發(fā) 彈性回波的接收 波導(dǎo)管上焊接著繞有線圈的兩條窄金屬帶,線圈處在由小磁鐵產(chǎn)生的旁路磁場(chǎng)中,當(dāng)彈性扭轉(zhuǎn)回波傳到這里時(shí),轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)這兩條金屬帶的推力和拉力,金屬帶和波導(dǎo)管是用相同的磁致伸縮材料制成的,由于Villary效應(yīng),兩條金屬帶在拉力和推力的作用下,發(fā)生伸縮,而引起線圈內(nèi)磁感應(yīng)量的變化,在永久磁鐵磁場(chǎng)作用下,線圈中

28、感應(yīng)出電脈沖.1 傳感器機(jī)理研究45第六章 5 新型液位儀國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)情況一、磁致伸縮液位儀研究與開(kāi)發(fā) 采用差動(dòng)方式,兩條金屬帶完全相同,一伸一縮,從而線圈中的感應(yīng)電勢(shì)大小相同,方向相反, 將兩個(gè)脈沖迭加,則一方面可以得到增大一倍的信號(hào),同時(shí)可以消除共模干擾. 該機(jī)電轉(zhuǎn)換是先將扭轉(zhuǎn)波脈沖轉(zhuǎn)換成兩金屬帶的縱波脈沖,然后再根據(jù)縱向Villary效應(yīng)進(jìn)行接收. 也可直接采用Villary效應(yīng),利用波導(dǎo)管內(nèi)的銅線或在波導(dǎo)管上繞有線圈,將波導(dǎo)管扭轉(zhuǎn)波直接轉(zhuǎn)換成電脈沖.1 傳感器機(jī)理研究46第六章 5 新型液位儀國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)情況一、磁致伸縮液位儀研究與開(kāi)發(fā) 時(shí)間量的測(cè)量 傳感器通過(guò)測(cè)量脈沖發(fā)射和回波接收之間的

29、時(shí)間間隔來(lái)確定液位的位置,所以時(shí)間量的測(cè)量直接決定著液位測(cè)量的精度. 時(shí)間量的測(cè)量有多種方法,脈沖記數(shù)法可達(dá)到很高的精度,還可以直接輸出數(shù)字信號(hào).tdTT t t t tITUR發(fā)送脈沖接收脈沖計(jì)數(shù)脈沖源計(jì)數(shù)脈沖1 傳感器機(jī)理研究47第六章 5 新型液位儀國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)情況一、磁致伸縮液位儀研究與開(kāi)發(fā)如 V=3000m/s,計(jì)數(shù)頻率為150MHz,則分辨率為： 可見(jiàn),只要計(jì)數(shù)脈沖源的頻率足夠高,磁致伸縮液位傳感器的理論分辨率可以達(dá)到無(wú)窮小,傳感器可以達(dá)到非常高的精度。1 傳感器機(jī)理研究tdTT t t t tITUR發(fā)送脈沖接收脈沖計(jì)數(shù)脈沖源計(jì)數(shù)脈沖 發(fā)射的電流脈沖IT以光速傳播,所以其傳播時(shí)間可

30、以忽略.脈沖電流發(fā)射時(shí)觸發(fā)測(cè)量電路的計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù),回波接收裝置轉(zhuǎn)換的電脈沖UR ,經(jīng)整形放大后對(duì)計(jì)數(shù)器復(fù)位,使其停止計(jì)數(shù),則計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值正比于時(shí)間間隔td ,知道計(jì)數(shù)脈沖頻率即可求出td . 在電流脈沖頻率f適當(dāng)?shù)那闆r下,回波脈沖具有相同的頻率,UR較IT延遲td .計(jì)數(shù)脈沖源的頻率越高,時(shí)間td內(nèi)所計(jì)脈沖數(shù)越多,一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖表示的當(dāng)量距離越小,即分辨率越高.48 溫度補(bǔ)償 磁致伸縮傳感器是采用浮子作為液位感應(yīng)元件,當(dāng)介質(zhì)密度變化時(shí),將給測(cè)量精度帶來(lái)影響.溫度變化將引起介質(zhì)的密度變化,使浮子浸在介質(zhì)中的高度發(fā)生變化給測(cè)量帶來(lái)誤差.第六章 5 新型液位儀國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)情況一、磁致伸縮液位儀研究與

31、開(kāi)發(fā) 以油料為例,油料的相對(duì)密度為油料密度與4同體積蒸餾水密度之比,用 表示,油料相對(duì)密度與溫度的關(guān)系為:1 傳感器機(jī)理研究-油料相對(duì)密度的溫度修正系數(shù).-20油料的相對(duì)密度,稱標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)密度.49第六章 5 新型液位儀國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)情況一、磁致伸縮液位儀研究與開(kāi)發(fā) 在高精度磁致伸縮液位測(cè)量中,溫度的影響是不可忽視的.目前美國(guó)磁致伸縮傳感器產(chǎn)品,沿傳感器波導(dǎo)管安裝多個(gè)溫敏元件,檢測(cè)液體的溫度變化,采用單片機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償. 另外減小浮子的密度,使浮子浸入液體的高度減小,也可以減小溫度變化引起的密度變化對(duì)測(cè)量的影響.1 傳感器機(jī)理研究 以油料為例,油料的相對(duì)密度為油料密度與4同體積蒸餾水密度之比

32、,用 表示,油料相對(duì)密度與溫度的關(guān)系為:-油料相對(duì)密度的溫度修正系數(shù).-20油料的相對(duì)密度,稱標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)密度.50第六章 5 新型液位儀國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)情況一、磁致伸縮液位儀研究與開(kāi)發(fā)抗干擾措施 在測(cè)量過(guò)程中,傳感器內(nèi)的發(fā)射電流脈沖和應(yīng)變脈沖不可避免地會(huì)對(duì)測(cè)量信號(hào)產(chǎn)生一定的干擾.為了提高采樣的可靠性,減小虛假信息的影響,采用數(shù)字濾波,具有硬件濾波器的功效,卻不需要硬件投資. 數(shù)字濾波即進(jìn)行連續(xù)多次測(cè)量,然后求其平均值作為有效采樣值.采樣次數(shù)越大,效果越好,但系統(tǒng)靈敏度下降. 也可采用滑動(dòng)平均濾波算法,這種算法只采樣一次,將這一次采樣值和過(guò)去若干次采樣值一起求平均,得到有效的采樣值.如果取n個(gè)采樣值求平

33、均,RAM中必須開(kāi)辟n個(gè)數(shù)據(jù)暫存區(qū).每新采集一個(gè)數(shù)據(jù)便存入暫存區(qū),同時(shí)去掉一個(gè)最老的數(shù)據(jù), 保持這n個(gè)數(shù)據(jù)始終是最近的數(shù)據(jù),然后將這n個(gè)采樣值求平均即可得到有效采樣值.1 傳感器機(jī)理研究51第六章 5 新型液位儀國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)情況一、磁致伸縮液位儀研究與開(kāi)發(fā) 分析研究可知, 磁致伸縮液位儀能夠?qū)崿F(xiàn)高精度測(cè)量,主要是綜合了磁致伸縮效應(yīng)、浮力原理、電磁感應(yīng)、電子技術(shù)等構(gòu)成的先進(jìn)的測(cè)量技術(shù),同時(shí)考慮了高分辯率的時(shí)間量檢測(cè)、液體密度變化以及應(yīng)變波速變化對(duì)測(cè)量的影響.1 傳感器機(jī)理研究任波,陳祥光,姜波等.磁致伸縮液位傳感器機(jī)理研究.傳感器技術(shù),2003(1). 52高分辯力的時(shí)間量檢測(cè)(接口) 被測(cè)液位L

34、是通過(guò)儀表對(duì)時(shí)間量t的測(cè)量來(lái)確定的. 假定應(yīng)變波的運(yùn)行速度V恒定,L=tV.液位測(cè)量的高精度主要取決于對(duì)時(shí)間量的精確計(jì)量.為此,數(shù)字接口應(yīng)是最佳選擇,由高時(shí)鐘頻率得到時(shí)間計(jì)量的高分辨力從而實(shí)現(xiàn)液位測(cè)量的高精度. 第六章 5 新型液位儀國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)情況一、磁致伸縮液位儀研究與開(kāi)發(fā)2 高精度液位測(cè)量的研究 tdTT t t t tITUR發(fā)送脈沖接收脈沖計(jì)數(shù)脈沖源計(jì)數(shù)脈沖 接口部件給液位測(cè)量帶來(lái)的誤差為時(shí)間分辨力與速度V的乘積：測(cè)量誤差=時(shí)間分辨力 V,則要求：時(shí)間分辨力 儀表允許誤差/V.假如數(shù)字接口誤差限定在0.1mm,波導(dǎo)管應(yīng)變波運(yùn)行速度為3000m/s,則要求時(shí)間分辨力0.03s,時(shí)鐘頻率=

35、1/時(shí)間分辨力,對(duì)于0.1mm的誤差,要有33MHz的時(shí)鐘頻率來(lái)保證.53 從而看出,要保證液位測(cè)量的高精度,首先要考慮選擇時(shí)間接口的高時(shí)鐘頻率來(lái)得到時(shí)間量檢測(cè)的高分辨力. 要進(jìn)一步提高分辨力,則要求更高的時(shí)鐘頻率,同時(shí)計(jì)數(shù)器的電路功能也需要同步提升.第六章 5 新型液位儀國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)情況一、磁致伸縮液位儀研究與開(kāi)發(fā)高分辯力的時(shí)間量檢測(cè)(接口) MTS公司新產(chǎn)品中的電子板,采用了該公司的專利ASIS電路,該電路工作時(shí)猶如內(nèi)置360MHz的時(shí)鐘,可以達(dá)到0.003s的時(shí)間分辨力.2 高精度液位測(cè)量的研究 tdTT t t t tITUR發(fā)送脈沖接收脈沖計(jì)數(shù)脈沖源計(jì)數(shù)脈沖 接口部件給液位測(cè)量帶來(lái)的誤

36、差為時(shí)間分辨力與速度V的乘積：測(cè)量誤差=時(shí)間分辨力 V,則要求：時(shí)間分辨力 儀表允許誤差/V.假如數(shù)字接口誤差限定在0.1mm,波導(dǎo)管應(yīng)變波運(yùn)行速度為3000m/s,則要求時(shí)間分辨力0.03s,時(shí)鐘頻率=1/時(shí)間分辨力,對(duì)于0.1mm的誤差,要有33MHz的時(shí)鐘頻率來(lái)保證.54第六章 5 新型液位儀國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)情況一、磁致伸縮液位儀研究與開(kāi)發(fā) 實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量,除了從理論上要對(duì)時(shí)間量t進(jìn)行高分辨力檢測(cè)之外,介質(zhì)密度隨溫度變化也是影響儀表精度的一個(gè)很重要的因素.介質(zhì)密度隨溫度變化導(dǎo)致磁浮子浸入液體的深度發(fā)生變化將直接影響測(cè)量精度.特別是對(duì)于露天儲(chǔ)油罐的液位測(cè)量,冬天、夏天溫度變化幾十度,對(duì)測(cè)量帶來(lái)的

37、影響不可忽視,必修采取措施. 對(duì)介質(zhì)密度的變化進(jìn)行溫度補(bǔ)償對(duì)于典型的柱狀浮子,利用阿基米德浮力定律可得浮子浸入介質(zhì)深度h與相對(duì)密度、溫度的關(guān)系：油料相對(duì)密度與溫度的關(guān)系為:-油料相對(duì)密度的溫度修正系數(shù).負(fù)號(hào)表示浮子浸入介質(zhì)深度隨密度的增加而減小. 2 高精度液位測(cè)量的研究 55 可以看出,減小介質(zhì)密度隨溫度變化對(duì)測(cè)量的影響可從兩方面考慮.一方面,從浮子材質(zhì)及結(jié)構(gòu)尺寸考慮,盡量減小浮子密度,使浮子浸入介質(zhì)的深度h小.若不是柱狀浮子(球狀),減小其外徑R,也可減小密度變化對(duì)測(cè)量的影響.另一方面,應(yīng)考慮對(duì)溫度影響進(jìn)行補(bǔ)償. 目前美國(guó)產(chǎn)品是沿波導(dǎo)管均勻放置幾個(gè)溫度傳感器RTD,檢測(cè)介質(zhì)的平均溫度,由信

38、號(hào)轉(zhuǎn)換部分進(jìn)行修正.第六章 5 新型液位儀國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)情況一、磁致伸縮液位儀研究與開(kāi)發(fā)2 高精度液位測(cè)量的研究 對(duì)介質(zhì)密度的變化進(jìn)行溫度補(bǔ)償油料相對(duì)密度與溫度的關(guān)系為:-油料相對(duì)密度的溫度修正系數(shù).對(duì)于典型的柱狀浮子,利用阿基米德浮力定律可得浮子浸入介質(zhì)深度h與相對(duì)密度、溫度的關(guān)系：負(fù)號(hào)表示浮子浸入介質(zhì)深度隨密度的增加而減小. 56第六章 5 新型液位儀國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)情況一、磁致伸縮液位儀研究與開(kāi)發(fā) 對(duì)應(yīng)變波速的變化進(jìn)行校正 機(jī)械波在波導(dǎo)管上的傳播速度受溫度影響是很微小的,有資料介紹,在常溫-10+45時(shí),彈性波在固體中的傳播速度基本為一定值.但是對(duì)于高精度液位測(cè)量來(lái)說(shuō),其影響也應(yīng)該引起重視. 高精

39、度測(cè)量,可在波導(dǎo)管底部安裝固定磁鐵,使波導(dǎo)管在此處也發(fā)生磁致伸縮.此處離電子部件的距離L底是固定的,可以作為校正依據(jù). L/ L底=T/T底 L= L底T/ T底 可看出安裝固定校正磁鐵消除了溫度對(duì)應(yīng)變波傳播速度的影響.但是對(duì)于較高的油罐,內(nèi)有水、油、氣使之具有溫度梯度的情況,這只是一種平均溫度的校正,不能得到完全校正.趙芳,姜波,陳祥光等.磁致伸縮效應(yīng)在高精度液位測(cè)量中的應(yīng)用研究. 儀表技術(shù)與傳感器,2003(8).2 高精度液位測(cè)量的研究 57一定 時(shí)間間隔內(nèi),計(jì)數(shù)N多少,取決于 計(jì)數(shù)脈沖源頻率f. 可通過(guò)提高計(jì)數(shù)脈沖源的頻率f 實(shí)現(xiàn)高分辨率.對(duì)應(yīng)的距離分辨率: 時(shí)間量檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)傳感器高準(zhǔn)

40、確度的關(guān)鍵.時(shí)間量檢測(cè)方法很多,脈沖計(jì)數(shù)法可獲得較高準(zhǔn)確度. 在發(fā)射電流脈沖的同時(shí)觸發(fā)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù),接受到回波脈沖時(shí),對(duì)計(jì)數(shù)器復(fù)位,使其停止計(jì)數(shù).時(shí)間分辨率:第六章 5 新型液位儀國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)情況一、磁致伸縮液位儀研究與開(kāi)發(fā)3 高分辨力時(shí)間量檢測(cè) 58 在CPLD內(nèi)部開(kāi)發(fā)出3個(gè)計(jì)數(shù)器、譯碼電路和計(jì)數(shù)啟閉門(mén)的時(shí)間量檢測(cè)電路.具有一個(gè)起始端口START,停止計(jì)數(shù)端口STOP,清零CLR和時(shí)鐘CLK,數(shù)據(jù)選擇端口A、B、C、D,及數(shù)據(jù)輸出端A70. 由關(guān)系式可得時(shí)間分辨力及對(duì)應(yīng)的距離.根據(jù)分給時(shí)間量檢測(cè)電路給液位帶來(lái)的誤差0.1mm, 計(jì)算計(jì)數(shù)脈沖源的頻率f要在30MHz以上,計(jì)數(shù)器的位數(shù)至少要18

41、位.如要同時(shí)測(cè)量油位、水位及自校準(zhǔn),則需要3個(gè)18位計(jì)數(shù)器來(lái)滿足3個(gè)時(shí)間量檢測(cè). 采用CPLD進(jìn)行時(shí)間量檢測(cè)第六章 5 新型液位儀國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)情況一、磁致伸縮液位儀研究與開(kāi)發(fā)3 高分辨力時(shí)間量檢測(cè) 59 譯碼電路在單片機(jī)的控制下通過(guò)A、B、C、D端口選擇對(duì)計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀入, 使每個(gè)計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)分低8位、中8位、高2位依次被計(jì)算機(jī)讀入. 第六章 5 新型液位儀國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)情況一、磁致伸縮液位儀研究與開(kāi)發(fā)3 高分辨力時(shí)間量檢測(cè) 60 單片機(jī)發(fā)出詢問(wèn)脈沖的同時(shí),通過(guò)其P1口使START端口出現(xiàn)高電平, 通過(guò)計(jì)數(shù)門(mén)使3個(gè)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù),反回脈沖使STOP端口依次出現(xiàn)3個(gè)由低到高的電平跳變,分別使3個(gè)計(jì)

42、數(shù)器停止計(jì)數(shù),并觸發(fā)單片機(jī)中斷.通過(guò)單片機(jī)換算出對(duì)應(yīng)的油位、水位信號(hào)輸出. 第六章 5 新型液位儀國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)情況一、磁致伸縮液位儀研究與開(kāi)發(fā)齊榮,姜波,陳祥光等.磁致伸縮液位傳感器中高分辨力時(shí)間量檢測(cè). 傳感器技術(shù),2004(4).3 高分辨力時(shí)間量檢測(cè) 61 國(guó)內(nèi)有關(guān)儀表廠家及研究部門(mén)都在積極投入人力、資金進(jìn)行 國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā),北京空軍油料所與我們聯(lián)合開(kāi)發(fā). 技術(shù)難點(diǎn)：高分辨力時(shí)間量檢測(cè).(02級(jí)研究生陰麗娟的課題) 理論上可通過(guò)提高計(jì)數(shù)脈沖 源的頻率f實(shí)現(xiàn)高分辨率.對(duì)應(yīng)的距離分辨率:一定 時(shí)間間隔內(nèi),計(jì)數(shù)N多少, 取決于計(jì)數(shù)脈沖源頻率f.時(shí)間分辨率: 雷達(dá)信號(hào)光速v,用 代入,則f=100GHz, 如此高的振蕩頻率很難實(shí)現(xiàn),此方法不可行.第六章 5 新型液位儀國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)情況二、雷達(dá)物位儀研究與開(kāi)發(fā)62 對(duì)周期為T(mén)的重復(fù)信號(hào),采用采樣脈沖周期為: 結(jié)果與周期為 的采樣等效,相當(dāng)于將原信號(hào)在時(shí)間軸上放大 倍.這樣降低了器件實(shí)現(xiàn)的難度.姜波,陰麗娟,陳祥光等.等效時(shí)間采樣在雷達(dá)液位儀中的應(yīng)用 儀表技術(shù)與傳感器,