2.1　传感器

温度是表征物体冷热程度的物理量。许多模拟量控制内部都与温度有关。大多数生产过程都是在一定温度范围内进行的。

2.1.1　温度传感器

1.温度检测方法

温度检测方法分成接触式和非接触式两大类。接触式测温指温度传感器与被测对象直接接触，依靠传热和对流进行热交换。非接触式测温时，测温元件不与被测对象接触，而是通过热辐射进行热交换，比较适用于强腐蚀、高温等场合。目前，在一般模拟量控制中，接触式传感器用得较多。

接触式传感器分为膨胀式、压力式、热电偶式、热电阻式和其他等多种形式，在模拟量控制中用得最多的是热电偶式和热电阻式，下面就对这两种方式做进一步介绍。

2.热电偶

1）热电偶介绍

热电偶的测温原理是基于金属的热电效应，如图2-1所示。

当两种不同材料的导体或半导体 A和 B连在一起组成一个闭合回路，而且两个接点的温度不相等时，则回路内将有电流产生，其大小正比于接点温度差。这就是金属的热电效应。图2-1中，放置于被测介质中的一端称为热端或工作端，另一端常处于室温或恒定温度中，称为冷端或参比端。

在参比端温度为 0℃的条件下，热电偶的热电势与温度一一对应关系的表格称为分度表。与分度表相对应的热电偶的代号则称为分度号。人们常说的K分度、J分度热电偶就是这个意思。

根据热电偶所用金属的不同，其分度又分为S、R、B、K、N、E、T及J等，工业常用热电偶的测温范围见表2-1。

其中，K分度热电偶尤为常用。K分度热电偶为镍铬-镍硅型，是目前用量最大的廉金属热电偶，其用量为其他所有分度热电偶的总和。正极（KP）的名义化学成分为Ni：Cr=90：10，负极（KN）的名义化学成分为 Ni：Si=97：3。其使用温度为-200～1300℃。K分度热电偶具有线性度好，热电势大，灵敏度高，稳定性和均匀性都较好，抗氧化能力强，价格便宜等优点，广泛地应用在模拟量控制中。

三菱FX _2N 特殊功能模块FX _2N -4AD-TC中还可以使用J分度热电偶。J分度热电偶为铁-铜镍热电偶，又称为镍铬-康铜热电偶，也是一种廉价金属的热电偶。它的正极（JP）名义成分是纯铁，负极（JN）为铜镍合金（所谓康铜）。其测温范围为-200～1200℃，通常用于0～750℃。J分度热电偶具有与K分度热电偶类似的优点，区别在于J分度热电偶可用于真空或氧化、还原和惰性气体中，而K分度热电偶则不能。

工业常用热电偶的外形结构有螺钉型、普通型和铠装型等多种结构形式，以适应不同的安装场合。

2）补偿导线和参比端补偿

热电偶测温时，要求参比端温度恒定，实际上由于各种原因，参比端的温度很难保持恒定。解决的方法是把热电偶做得很长，使参比端远离工作端而进入恒温环境，但这样做要消耗大量贵重的电极材料，很不经济。如果使用一种专门的导线，将热电偶参比端延伸出来，这样既能解决参比端的恒温问题又能解决材料问题。这种导线就是补偿导线。

补偿导线通常用比热电偶电阻材料便宜得多的两种金属材料做成，它在 0～100℃范围内与要补偿的热电偶的热电性几乎一样。这样补偿导线好像把热电偶延长到温度较为恒定的位置。常用热电偶补偿导线见表2-2。

补偿导线只能解决参比端温度比较恒定的问题，但是没有解决温度补偿的问题。分度表是在参比端温度为 0℃时所得到的。而热电偶实际参比端温度通常不是 0℃，因此，检测得到的热电势如不经修正，则会带来测量误差。所以，必须对参比端温度进行补偿，即对热电势进行修正，这样才能使被测温度能真实地反映到控制器或显示仪表上。

热电偶补偿可采用计算法、机械调零法等方法解决，但不是使用不方便就是测量误差较大。目前在智能仪表和计算机控制系统中，是通过事先编写好的分度表和计算机软件查询程序自动进行的。

3）热电偶的使用

一般情况下，热电偶用于 500℃以上较高温度的情况，当温度低于 500℃（特别是低于300℃）时热电偶测温就很不准确。这是因为低温时热电偶输出热电势很小，极易受到干扰，而且在低温时参比端温度不易得到完全补偿，相对误差就很突出。

热电偶在安装时，测温元件要有足够的深度。测量流体介质温度时，应迎着流动方向插入，至少与被测介质正交。

热电偶在使用时，要正确选择补偿导线，正、负极性不能接反，热电偶的分度号应与配接的变送器、显示仪表分度号一致。

3.热电阻

测温热电阻有两种：半导体热敏电阻和金属热电阻。

1）半导体热敏电阻

半导体热敏电阻是利用半导体材料制成的，它是利用某些半导体材料的电阻值随温度变化而变化的特性制成的。具有负温度系数的热敏电阻称为 NTC型热敏电阻，大多数热敏电阻都属于此类。具有正温度系数的热敏电阻称为 PTC型热敏电阻。PTC热敏电阻在某个温度段内电阻值会急剧上升。

半导体热敏电阻结构简单、电阻值大、灵敏度高、体积小、热惯性小，但是非线性严重、互换性差、测温范围窄。因此它常用作位式检测元件，大量用于家电及汽车等工业产品的检测和控制。

2）金属热电阻

金属热电阻测温原理基于导体的电阻会随温度变化而变化的特性。因此，只要测出其阻值的变化，就可以得到被测温度。工业上常用的热电阻有铜电阻和铂电阻两种，见表2-3。

工业用热电阻的结构形式有普通型、铠装型和专用型等。电阻体的外形长短不等，适用于不同的场合。在实际应用时，为了消除连接导线阻值变化对测量结果的影响，除要求固定每根导线的阻值外，还必须采用三导线法。

三导线法是指从现场的金属热电阻引出三根材质、长度、粗细完全相同的连接导线，如图2-2所示。

图中，R _t 为热电阻，r为三线电阻。因为热电阻是接入变频器的桥路中，三导线法是指热电阻 R _t 的两根线分别接入桥臂中，而第三根线则与电源负极相连。由于流过两桥臂电流相等，所以当环境温度变化时，两根连接导线因阻值变化而引起的压降变化相互抵消，不影响测量桥路输出电压 U 的大小。

在实际应用中，常有人不明白三导线法的作用，总认为第三根线可有可无，而在接入模块或变送器及测温仪表时再分出第三根线。实际上，这种接法一定会产生误差，所测量温度会不准确，所以使用金属热电阻传感器必须坚持三导线法。

2.1.2　压力传感器

压力传感器是使用最广泛的一种传感器，在工业自动化控制的各个领域，以及水利水电、铁路交通、航空航天、机械电力、船舶航运、医疗器械等众多行业得到广泛的应用。

1.压力检测方法

压力检测的方法主要有如下4种：

（1）基于弹性元件受力变形原理并利用机械结构将变形量放大的弹性式压力传感器。根据这个原理制成的压力表有弹簧管式、膜片式、波纹管式压力计等。其输出信号一般为位移、转角或力，结构简单，测压范围广，大多用于直接显示或生产过程低压的测控。

（2）以液体静力学原理为基础制成的液压式压力传感器。其典型产品有 U形管压力计、自动液柱式压力计等，多用于检测基准仪器，工业上应用很少。

（3）以静力学平衡原理为基础的压力传感器。其原理是将被测压力变换成一个集中力，用外力与之平衡，通过测量平衡时的外力来得到平衡压力。其精度较高，但结构复杂。

（4）物性测量方法，基于在作用压力下某些材料的物理特性发生变化原理的传感器。它可以把被测压力转换成电阻、电感、电容、频率的变化，经过变送后可输出电流、电压等电量，如电气式、振频式、霍尔式等，这也是模拟量控制用得最多的压力传感器。

2.应变式压力传感器

应变式压力传感器是基于电阻应变片元件原理而制成的应用比较广泛的一种压力传感器。电阻式应变片是一种将被测件上的应变变化转换成电信号的敏感元件，它是应变式传感器的主要组成部分。电阻式应变片有金属电阻应变片和半导体电阻应变片两种。使用时应变片可以比较理想地通过黏合剂紧密地黏合在被测试元件的各个部位。当被测试件发生应力变化时，电阻应变片也一起发生形变，使应变片的阻值发生变化，从而使加在电阻上的电压发生变化而达到测试压力的目的。

金属电阻应变片结构示意如图2-3所示。

当金属承受外力作用时，其长度和截面积都会产生变化，从而引起其电阻值变化。例如，当金属承受外力作用而伸长时，其长度会增加，而截面积会减少。根据导线的电阻公式 R = ρ · L / S ，可知电阻值会增加。而受外力作用压缩时，阻值会减小。

应用电阻应变片进行测量时，必须和电桥电路一起使用，因为应变片电桥电路的输出信号微弱，采用直流放大器又容易产生零点漂移，故多采用交流放大器对信号进行放大处理。所以应变电桥电路一般都采用交流电源供电，组成交流电桥。在实际的应变检测中，可根据情况在电桥电路中使用单应变片法、双应变片法、四应变片法。

应变片也常和弹性元件结合在一起使用，组成专用的传感器使用。应变片式压力传感器测量精度较高，测量范围可达几百MPa。

3.压电式压力传感器

压电式压力传感器是利用某些压电材料的压电效应制成的，被广泛应用在压力、加速度等物理量的检测中。

压电效应是指某些物质（如石英、铣钛酸铝等）在特定条件下受到外力作用时，不仅几何尺寸发生变化，而且内部会产生极化现象，同时在相应的两表面上产生正、负两种电荷而形成电场；当外力去掉时，又会重新恢复到原来不带电的状态。

压电式压力传感器可以等效为一个具有一定电容的电荷源。但其输出信号是一个很微弱的电荷，而且传感器本身具有很高的内阻，所以输出能力很弱。为此，通常把传感器信号先输到高输入阻抗的前置运算放大器，经过阻抗变换后，才通过一般的放大等电路将信号送到控制器或显示器、记录仪等。

压电式压力传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用的电荷，只有在回路具有无限大的阻抗时才能保存，而这是做不到的。所以压电式压力传感器只能够测量动态应力。

压电式压力传感器在军事工业、生物医学检测及机械工业等方面应用非常广泛。

4.压阻式压力传感器

压阻式压力传感器是用集成电路工艺技术，在硅片上制造出4个等值的薄膜电阻，并组成电桥电路。当不受压力时，电桥处于平衡状态，无电压输出；而当受到压力作用时，电桥失去平衡，有电压输出。这是因为，这种薄膜电阻在受压时，其电阻值会发生改变，即所谓的压阻效应，如图2-4所示。

压阻式压力传感器的主要优点是体积小、结构简单、性能稳定可靠、寿命长、精度高，灵敏度比金属应变式压力传感器大500～1000倍，而且压力分辨率高。它可以检测出像血压那么小的微压；频率响应好，可测量几十千赫的脉动压力。其主要缺点是测压元件容易受到温度的影响而改变阻值。为克服这一缺点，在加工制造时，利用集成电路的制造工艺，将温度补偿电路、放大电路甚至电源变换电路都做在一块硅片上，从而大大提高传感器的性能。这种传感器也称为固态压力传感器。

压力传感器品种繁多，除了上面介绍的 3种常用压力传感器外，还有电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器、陶瓷压力传感器、扩散硅压力传感器、蓝宝石压力传感器、霍尔式压力传感器等，可以参考相关资料做进一步了解。

2.1.3　流量传感器

流量是指单位时间内流过管道某一截面的流体的数量，即瞬时流量。在某一段时间内流过流体的总和，即瞬时流量在某一时段的累积量为累积流量（总流量，积算流量）。

流量是工业生产中一个重要的过程参数，在工业生产中很多原料、半成品、成品是以流体状态出现的。流体的质量就成为决定产品成分和质量的关键，也是生产成本核算和合理使用能源的重要依据。因此，流量检测就成为生产过程自动化的重要环节。

1.流量的检测方法

由于流量检测的复杂性和多样性，流量检测的方法非常多，常用于工业生产中的就有十多种，但大致分成如下两大类。

1）测体积流量

测体积流量的方法又分为两大类：容积法和速度法。

（1）容积法：在单位时间里以标准的固定体积对流体连续不断地进行度量，以排出流体的固体容积数来计算流量。

（2）速度法：先测出管道内流体的平均流速，再乘以管道截面积求得流体的体积流量。速度法可以用于各种工况下的流体的检测，但其精度受管路条件影响较大。这是目前用得较多的测量方法。

2）测质量流量

以测量流体的质量为依据的测量方法，具有精度不受流体的温度、压力、密度、黏度等变化影响的优点，目前还处于发展阶段，用得还不像速度法那么普及。

2.差压式流量计

差压式流量计是根据安装于管道中流量检测件产生的差压、已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来计算流量的仪表。差压式流量计由一次装置（检测件）和二次装置（差压转换和流量显示仪表）组成。

检测件又可按其标准化程度分为两大类：标准的和非标准的。所谓标准的，是指检测件完全按标准文件设计、制造、安装和使用，无须经实验校准即可确定其流量值并估算流量测量误差的检测件；非标准检测件是指尚未列入标准文件中的检测件。

二次装置为各种机械、电子、机电一体式差压计，差压变送器以及流量显示仪表。

差压式流量计的检测件按其作用原理可分为节流装置、水力阻力式、离心式、动压头式、动压头增益式及射流式几大类。目前，差压式流量计中用得最广泛的检测元件是节流装置。节流装置的结构简单、使用寿命长、适应性较广，能测量各种工况下的流体流量，且已标准化而无须单独标定，但是量程比较小，最大流量与最小流量之比为 3：1，压力损耗大，刻度为非线性。节流装置包括孔板、喷嘴和文丘里管等。这里以孔板为例，说明差压式流量计的工作原理。

在流体的流动管道上装有一个节流装置，其内装有一个孔板，中心开有一个圆孔，其孔径比管道内径小。在孔板前流体稳定地向前流动，流过孔板时由于孔径变小，截面积收缩，使稳定流动状态被打乱，所以流速将发生变化，速度加快，流体的静压随之降低，于是在孔板前后产生压力降落，即差压（孔板前截面大的地方压力大，通过孔板截面小的地方压力小）。差压的大小和流体流量有确定的数值关系，即流量大时，差压就大；流量小时，差压就小。流量与差压的平方根成正比。

差压式流量计是应用最广泛的流量计，在各类流量仪表中使用量居于首位。即使各种新型流量计不断出现，它仍是目前最重要的一类流量计。它在封闭管道的流量测量中都有应用，如单相、混相、洁净、脏污、黏性流等流体方面，常压、高压、真空、常温、高温、低温等工作状态方面，从几 mm到几 m管径方面，以及亚音速、音速、脉动流等流动条件方面。它在各工业部门的用量约占流量计全部用量的

3.涡轮流量计

涡轮流量计是一种精密流量测量仪表，与相应的流量计算仪表配套可用于测量液体的流量和总量。它广泛用于石油、化工、冶金、科研等领域的计量、控制系统。配备有卫生接头的涡轮流量传感器可以应用于制药行业。

涡轮流量计类似于叶轮式水表，在管道中安装一个可以自由转动的叶轮，流体流过叶轮使叶轮旋转，流量越大，流速越高，则动力越大，叶轮转速越高。

涡轮流量计具有安装方便、精度高、反应快、刻度线性和量程宽等特点，信号易远传，且便于数字显示，可直接与计算机配合进行流量的计算和控制。它广泛应用于石油、化工、电力等领域，在气象仪器和水文仪器中也常用于测风速和水速。

由于叶轮的叶片与流向有一定的角度，流体的冲力使叶片具有转动力矩，克服摩擦力矩和流体阻力之后叶片旋转，在力矩平衡后转速稳定，在一定的条件下，转速与流速成正比。由于叶片有导磁性，它处于信号检测器（由永久磁钢和线圈组成）的磁场中，旋转的叶片切割磁力线，周期性地改变着线圈的磁通量，从而使线圈两端感应出电脉冲信号，此信号经过放大器的放大整形，形成有一定幅度的、连续的矩形脉冲波，可远传至显示仪表，显示出流体的瞬时流量和累计量。在一定的流量范围内，脉冲频率 f 与流经传感器的流体的瞬时流量 Q 成正比。

流量计可水平或垂直安装，垂直安装时流体流动方向应从下向上，液体必须充满管道，不得有气泡；液体流动方向要与传感器外壳上指示流向的箭头方向一致；传感器应远离外界电场、磁场，必要时应采取有效的屏蔽措施，以避免外来干扰。为了检修时不致影响液体的正常输送，建议在传感器的安装处安装旁通管道。

传感器露天安装时，请做好放大器及表头的防水处理。当流体中含有杂质时，应加装过滤器，过滤器网目根据流量杂质情况而定，一般为 20～60目。当流体中混有游离气体时，应加装消气器。整个管道系统都应良好密封。用户应充分了解被测介质的腐蚀情况，严防传感器受腐蚀。

在传感器安装前，用嘴吹或用手拨动叶轮，使其快速旋转观察有无显示，当有显示时再安装传感器。若无显示，应检查有关各部分，排除故障。传感器在开始使用时，应先将传感器内缓慢地充满液体，然后再开启出口阀门（阀门应安装在流量计后端），严禁传感器处于无液体状态时受到高速流体的冲击。使用时，应保持被测液体清洁，不含纤维和颗粒等杂质。

4.电磁流量计

电磁流量计（Eletromagnetic Flowmeters，EMF）是20世纪50～60年代随着电子技术的发展而迅速发展起来的新型流量测量仪表。电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律制成的、用于测量导电液体体积流量的仪表。

在结构上，电磁流量计由电磁流量传感器和转换器两部分组成。传感器安装在工业过程管道上，它的作用是将流进管道内的液体体积流量值线性地变换成感生电势信号，并通过传输线将此信号送到转换器。转换器安装在离传感器不太远的地方，它将传感器送来的流量信号进行放大，并转换成与流量信号成正比的标准电信号输出，以进行显示、累积和调节控制。

根据法拉第电磁感应定律，当一导体在磁场中运动切割磁力线时，在导体的两端即产生感生电势 e ，其方向由右手定则确定，大小与磁场的磁感应强度 B 、导体在磁场内的长度 L 及导体的运动速度 v 成正比，如果 B 、 L 、 v 三者互相垂直，则 e = Blv 。与此相仿，在磁感应强度为 B 的均匀磁场中，垂直于磁场方向放一个内径为 D 的不导磁管道，当导电液体在管道中以流速 v 流动时，导电流体就切割磁力线。如果在管道截面上垂直于磁场的直径两端安装一对电极，则可以证明，只要管道内流速分布为轴对称分布，两电极之间也会产生感生电动势： e = BD 。体积流量 qv 与感应电动势 e 和测量管内径 D 呈线性关系，与磁场的磁感应强度B成反比，与其他物理参数无关。这就是电磁流量计的测量原理。

目前，工业上使用的电磁流量计，大都采用工频（50Hz）电源交流励磁方式，即它的磁场是正弦交变电流产生的，所以产生的磁场也是一个交变磁场。交流励磁器的主要优点是消除了电极表面的极化干扰。另外，由于磁场是交变的，所以输出信号也是交变信号，放大和转换低电平的交流信号要比直流信号容易得多。

值得注意的是，用交流磁场会带来一系列的电磁干扰问题，如正交干扰、同相干扰等，这些干扰信号会与有用的流量信号混杂在一起。因此，如何正确区分流量信号与干扰信号，并有效地抑制和排除各种干扰信号，就成为交流励磁电磁流量计研制的重要课题。

除了交流励磁外，还可采用直流励磁和低频方波励磁。低频方波励磁充分发挥了直流励磁方式和交流励磁方式各自的优点，尽量避免它们的缺点。因此，低频方波励磁是一种比较好的励磁方式。20世纪 70年代以来，人们开始采用低频方波励磁方式，目前已在电磁流量计上广泛地应用。

电磁流量计只能测量导电介质的流体，最低导电率大于 20μs/cm，适用于各种腐蚀性酸、碱、盐溶液，固体颗粒悬浮物、黏性介质（如泥浆、纸浆、化学纤维、矿浆）等溶液，也可以用于各种有卫生要求的医学、食品等部门的流量测量（如血浆、牛奶、果汁、酒等），还可用于大型管道自来水和污水处理厂的流量测量及脉动流量测量等，但不能测量石油制品和有机溶液，不能测量气体、蒸汽和含有较多、较大气泡的液体。通用型电磁流量计由于衬里材料和电气绝缘材料限制，也不能用于较高温度的液体。

2.1.4　物位传感器

物位检测是生产过程中经常需要的。其主要目的是监控生产的正常和安全运行，保证物料供需平衡。

物位检测包括3个方面：①液位，指设备或容器中气相和液相的液体界面的检测；②料位，指设备或容器中块状、颗粒状或粉末状固体界面的检测；③界面，指设备或容器中两种液体（或液体与固体）的分界面的检测。

1.物位的检测方法

物位检测的对象不同，检测条件和检测环境也不相同，因而检测方法较多，归纳起来大致有以下几种方法。

（1）直读式：简单常见，如旁通玻璃管液位计。它虽准确可靠，但只能就地指示，容器压力不能太高。

（2）静压式：通过压差来测量液体的液位高度，如差压式液位计。

（3）浮力式：利用浮子高度随液位变化而变化，或液体对沉浸于液体中的沉筒的浮力随液位高度而变化的原理而工作。前者称为恒浮力法，后者称为变浮力法。例如浮子式、浮筒式液位计。

（4）机械接触式：通过测量物位探头与物料面接触时的机械力实现物位的测量，如音叉式、重垂式。

（5）电气式：将敏感元件置于被测介质中，当物位变化时，通过其电气性质如电阻、电容等发生相应变化来检测液面或料位，如电容式、电接点式等。

（6）声学式：利用超声波在介质中的传播速度及在不同相界面之间的反射特性来检测物位，可检测液位和料位。

（7）射线式：放射线同位素所放出的射线（如γ射线等）穿过被测介质时会被介质吸收而减弱，吸收程序与物位有关。

（8）光学式：利用物位对光波的遮断和反射原理工作，光源有激光等。

（9）微波式：利用高频脉冲电磁波反射原理进行测量，如雷达液位计等。

物位传感器可分两类：一类是连续测量物位变化的连续式物位传感器；另一类是以点测为目的的开关式物位传感器，即物位开关。目前，开关式物位传感器比连续式物位传感器应用得广。它主要用于过程自动控制的门限、溢流和空转防止等。连续式物位传感器主要用于连续控制和仓库管理等方面，有时也可用于多点报警系统中。

下面介绍几种实用的物位传感器及应用。

2.浮力式液位传感器

1）浮子自动平衡式液位传感器

这种传感器通过检测平衡浮子浮力的变化来进行液位的测量。

如图2-5所示，浮子挂在滑轮上，绳索的另一端挂有平衡重物件及指针，利用浮子所受重力和浮力之差与平衡重物相平衡，使浮子永远漂浮在液面上。当液体上升时浮子所受浮力增加，原有平衡破坏，浮子向上移动，浮子上移同时浮力又下降，直到达到新的平衡，浮子将停在新的液位上，反之亦然。浮子多为金属或塑料空心体，可做成多种形状。指针随浮子升降而上下移动，可以指示液位的高低。

2）干簧管式浮球液位传感器

上述浮子自动平衡式液位传感器可以对液位的变化进行连续的检测。如果仅需要对液面进行限位控制，生产控制中用得最多的是干簧管式液位传感器。干簧管是干式舌簧管的简称，又叫磁簧管，是一种有触点的无源电子开关元件，具有结构简单、体积小便于控制等优点。其外壳一般是一根密封的玻璃管，管中装有两个铁质的弹性簧片电板，还灌有一种惰性气体。平时，玻璃管中的两个由特殊材料制成的簧片是分开的。当有磁性物质靠近玻璃管时，在磁场磁力线的作用下，管内的两个簧片被磁化而互相吸引接触，簧片就会吸合在一起，使节点所接的电路连通。外磁力消失后，两个簧片由于本身的弹性而分开，线路也就断开了。因此，作为一种利用磁场信号来控制的线路开关器件，干簧管可以作为传感器用于计数、限位等。

浮球液位开关的工作原理直接、简单。通常在密封的非磁性金属或塑胶管内根据需要设置一点或多点干簧管开关，再将中空而内部有环形永久磁铁的浮球固定在杆径内干簧管开关相关位置上，使浮球在一定范围内上下浮动，利用浮球内的磁铁去吸引干簧开关的闭合，产生开关动作，从而达到控制液位的目的，如图2-6（a）所示。

图2-1-6（b）所示为可以水平安装的干簧管液位开关。浮球内装有大功率干簧管，可直接作负载触点使用。当磁钢随液面滚动时，吸引干簧管开关动作，达到控制目的。它常用于液面控制变化不大的地方。

干簧管式浮球液位传感器广泛用于民用建筑中水池、水塔、水箱，以及石油化工、造纸、食品、污水处理等行业内开口或密闭储罐、地下池槽中各种液体的液位测量，被检测的介质可为水、油、酸、碱、工业污水等各种导电及非导电液体。干簧管式浮球液位传感器已开发出多种型号的产品供用户选择。

3.电气式物位传感器

1）电容式物位传感器

电容式物位传感器是将物位的变化转换成电容量的变化，通过测量电容量的大小来间接测量物位的测量仪表。由于介质不同，电容式物位计有多种不同的形式。

电容式物位传感器有两个导体电极（通常把容器壁作为一个电极），如图2-7所示。由于电极间是气体、流体或固体而导致静电容的变化，所以可以检测物位。它的内电极有三种形式，即棒状、线状和板状，其工作温度、压力主要受绝缘材料的限制。

电容式物位计可以检测液位、料位和界位，但是电容变化量较小，准确测量电容量就成为物位检测的关键。另外电容式物位计要求介质介电常数保持稳定，介质中没有气泡。电容式物位传感器可以采用微机控制，实现自动调节灵敏度，并且具有自诊断的功能，同时能够检测敏感元件的破损、绝缘性的降低、电缆和电路的故障等，并可以自动报警，实现高可靠性的信息传递。由于电容式物位传感器无机械可动部分，且敏感元件简单，形状和结构的自由度大，操作方便，所以是应用最广的一种物位传感器。

2）电阻式三电极液位传感器

电容式物位计可对物位进行连续检测。但是在许多场合下，仅需要对液位的高低位进行控制。如果液体是导电介质，则生产控制中经常采用三电极法液位控制仪进行液位控制，如图2-8所示。

图中，三根长短不等的电极（一般用不锈钢制作）插入液体中，分别为高、中、低三个位置。开始，a、b、c三点互不相连，晶体管处于截止状态，中间继电器不动作，其常闭触点供水泵电动机运转，向池中泵入液体。当液位上升至a点时，a、c通过导电液体而接通。晶体管获得基极电压而导通，继电器也流过电流而动作，其常闭触点断开使水泵电机失电停止运转，停止向池中泵入液体，而其常开触点则闭合。当液位下降至a点以下时，c、b仍然接通，晶体管仍然处于导通状态，水泵电动机继续失电。但当液位降至b点以下时，b、c两点断开，晶体管又处于截止状态。水泵电动机又开始运转。上述过程不断重复进行，供水池液位始终控制在a、b之间，调整a、b两个电极的位置，就可控制液面的稳定范围。

这种三电极液位传感控制在食品、日化、医学等充填机械设备上获得广泛的应用，已有多种型号的产品供用户选择。

4.压力式物位传感器

利用压力或差压可以很方便地测量液位，其测量原理简介如下：对于上端大气相同的敞口容器，可以直接利用压力变送器测量底部压力，根据静力学原理，Δ P = h · ρ · g ，由于液体密度 ρ 一定，故压差与液位高度 h 呈一一对应关系，知道了压差就可求液位高度。对于密封容器，则必须使用差压式液位计的正压测与容器底部相通，负压侧则连接容器上面部分的空间，如图2-9所示。在工业生产中，这种液位检测方法已得到普遍使用。

目前，利用固态压力传感器代替压力表或差压试液位计应用在液位检测上已获得很大的进展。固态压力传感器一般采用半导体膜盒结构，利用金属片承受液体压力，通过封入的硅油导压传递给半导体应变片进行液位的测量。由于固态压力传感器（压阻电桥式）性能的提高和微处理技术的发展，压力式物位传感器的应用越来越广。近年来，已经研制出了体积小、温度范围宽、可靠性好、精度高的压力式物位传感器；同时，其应用范围也在不断地拓宽。

5.超声波物位传感器

这是一种非接触式的物位传感器，应用领域十分广泛。其工作原理是：工作时向液面或粉体表面发射一束超声波，被其反射后，传感器再接收此反射波。设声速一定，根据声波往返的时间就可以计算出传感器到液面（粉体表面）的距离，即测量出液面（粉体表面）位置。其敏感元件有两种：一种由线圈、磁铁和膜构成；另一种由压电式磁制伸缩材料构成。前者产生的是 10kHz的超声波，后者产生的是 20～40kHz的超声波。超声波的频率越低，随着距离的衰减越小，但是反射效率也小。因此，应根据测量范围、物位表面状况和周围环境条件来决定所使用的超声波传感器。高性能的超声波物位传感器由微机控制，以紧凑的硬件进行特性调整和功能检测。它可以准确地区别信号波和噪声，因此，可以在搅拌器工作的状况下测量物位。此外，在高温或吹风时也可检测物位，特别是可以检测高黏度液体和粉状体的物位。

6.光电式液位传感器

光电式液位传感器是一种结构简单、使用方便、安全可靠的液位传感器，使用红外线探测，可避免阳光或灯光的干扰而引起误动作。它体积小、安装容易，有杂质或带黏性的液体时均可使用，外壳材质耐油、耐水、耐酸碱。它在净水/污水处理、造纸、印刷、发电机设备、石油化工、食品、饮料、电工、染料工业、油压机械等方面都得到了广泛的应用。光电式液位传感器的工作原理是：利用光线的折射及反射原理，光线在两种不同介质的分界面将产生反射或折射现象。当被测液体处于高位时则被测液体与光电开关形成一种分界面，当被测液体处于低位时，则空气与光电开关形成另一种分界面，这两种分界面使光电开关内部光接收晶体所接收的反射光强度不同，即对应两种不同的开关状态。

7.激光式物位传感器

这是一种性能优良的非接触式高精度物位传感器。其工作原理与超声波物位传感器相同，只是把超声波换成光波。激光束很细，作为物位传感器时，即使物位表面极其粗糙，其反射波束也不过加宽到 20mm，但这仍在激光式物位传感器可以接收的范围内。激光式物位传感器一般采用近红外光，它是把光流发射出的激光利用半透射反射镜进行处理，一部分作为基准参考信号输入时间变送器，另一部分通过半透射反射镜的激光经过光学系统处理成为具有一定宽度的平行光束照射在物体面上。反射波到达传感器接收部再转换成电信号。因为从照射到接收的时间很短，所以利用取样电路扩大成毫微秒数量级，便于信号处理，进行时间的测量。利用微机进行数据处理，变为数字显示物位值的模拟输出信号，再利用软件检测信号的可靠性，如果测定系统出现故障则报警。这种传感器可应用于钢铁工业连续铸造装置的砂型铁水液位高度测量。同时，它还可以应用于狭窄开口容器以及高温、高精度的液面检测。

此外，近年来随着高科技的发展，出现了数字式智能化物位传感器。这是一种先进的数字式物位测量系统，将测量部件技术与微处理器的计算功能结合为一体，使得物位测量仪表至控制仪表成为全数字化系统。数字式智能化物位传感器的综合性能指标、实际测量准确度比传统的模拟式物位传感器提高了 3～5倍。总之，随着传感器技术的发展。物位传感器的形式将会变得多种多样，其形式应以非接触式为研制重点。其发展方向是通过广泛应用微机等高新电子技术来获得全面性能的进一步提高，同时还要向着小型化、智能化、多功能化的方向发展。

2.1.5　传感器的性能指标

1.传感器的静态特性

传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有的相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作为横坐标，把与其对应的输出量作为纵坐标而画出特性曲线来进行描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。

2.传感器的动态特性

所谓动态特性，是指传感器在输入变化时的输出特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。

3.传感器的线性度

通常情况下，传感器的实际静态特性输出是一条曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线，线性度（非线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标。

拟合直线的选取有多种方法，如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线；或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。

4.传感器的灵敏度

灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化Δ y 对输入量变化Δ x 的比值。它是输出-输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间呈线性关系，则灵敏度 S 是一个常数。否则，它将随输入量的变化而变化。

灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。例如，某位移传感器在位移变化 1mm时，输出电压变化为 200mV，则其灵敏度应表示为 200mV/mm。当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。

提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度越高，测量范围越窄，稳定性也往往越差。

5.传感器的分辨力

分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化。当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨力时，其输出才会发生变化。

通常传感器在满量程范围内各点的分辨力并不相同，因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨力的指标。上述指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨率。 nieUSzncj/JgjcD0QstjZFUW+SdnYZPBOzTQmrXHiHKoNUHKAXJXwuEaLfSj0msT