8、各类传感器原理与应用解析

各类传感器原理与应用解析

1. 液位传感器

1.1 电容式液位传感器

为抑制外部干扰影响，电容式传感器通常会增设额外的屏蔽电极，该电极与容器的金属外壳电连接。因此，电容式传感器使用具有双重屏蔽的三轴电缆连接到评估电路，同时采用有源屏蔽来抑制感应电极与屏蔽电极之间电容的影响。

传感器的灵敏度 $\Delta C_{12}/Dl_x$ 取决于液体介电常数与外部环境介电常数的比值 $\epsilon_k/\epsilon_v$。例如，对于柴油和其他液态烃，在 20°C 时该比值范围为 2.15 至 2.50，其温度变化约为 $1.8\times10^{-3}/°C$。这种温度依赖性可通过位于容器底部的另一个补偿平板电容器部分补偿，此外，它还可用于确定容器内液位的最小高度 $l_{min}$。

若液体具有导电性，则使用聚四氟乙烯或玻璃涂层来绝缘感应电极，由于其厚度仅为十分之几毫米，实际上不会影响传感器的金属 - 电极电容。

1.2 超声波液位传感器

超声波液位传感器由超声波发射器和接收器组成。发射器产生几十到几百 kHz 频率范围的超声波脉冲，这些脉冲从液体表面反射后被接收器检测到。

假设超声波在液体或散装材料表面上方的环境中以速度 $c_u$ 传播，那么超声波发射器和接收器 UVZ 发射和反射的超声波脉冲之间的时间延迟 $\Delta T_x$ 决定了被测介质的液位高度：
[l_x = l_{max} - \frac{c_u\cdot\Delta T_x}{2}]

超声波在气态环境中的传播速度为：
[c_u = \sqrt{k_a\cdot R\cdot\Th