盛怡華 顧友壯 儲(chǔ)開慧 王昊 吳勇

摘?要：液位控制是日常生活和工業(yè)過控系統(tǒng)中常見的控制問題之一，要實(shí)現(xiàn)精確的液位控制目標(biāo)，需要選擇合適的液位傳感器。本文主要圍繞不同液位傳感器的測(cè)量原理及方式，分析了不同類型液位傳感器的研究現(xiàn)狀。通過分析各類主流液位傳感器研究和使用中出現(xiàn)的普遍性問題，對(duì)主流液位傳感器技術(shù)未來的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：光纖;壓阻式;電容式;液位傳感器

Abstract：Liquid?level?control?is?one?of?the?common?control?problems?in?daily?life?and?industrial?over?control?system.In?order?to?achieve?accurate?liquid?level?control?goal，it?is?necessary?to?select?the?appropriate?liquid?level?sensor.This?paper?focuses?on?the?measurement?principles?and?methods?of?different?liquid?level?sensors，and?analyzes?the?research?status?of?different?types?of?liquid?level?sensors.By?analyzing?the?common?problems?in?the?research?and?application?of?various?mainstream?liquid?level?sensors，the?future?development?trend?of?mainstream?liquid?level?sensor?technology?is?prospected.

Keywords：Opticalfiber;Piezoresistive;Capacitive;Liquidlevelsensor

1?緒論

隨著社會(huì)的高速發(fā)展和工業(yè)技術(shù)的革新，傳感器技術(shù)滲透到工業(yè)生產(chǎn)、科技研發(fā)、醫(yī)療設(shè)施乃至日常生活中，成為不可或缺的一部分。從第一代的用于工業(yè)生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)型傳感器，如電阻應(yīng)變式傳感器，發(fā)展到尚不成熟的高精尖的集成化、系統(tǒng)化的智能精密傳感器，傳感器材料的替換和技術(shù)的升級(jí)一直是人們不斷探索與研究的方向，旨在形成一個(gè)更加便捷、精密、協(xié)調(diào)的生活生產(chǎn)新局面。但目前的生活生產(chǎn)當(dāng)中依舊存在著一些受制于生產(chǎn)成本、測(cè)量精度、外界干擾等因素，使得大部分傳感器依舊停留在實(shí)驗(yàn)室理論或研究階段，無法進(jìn)入實(shí)際大規(guī)模生產(chǎn)與使用，比如在液位傳感器的實(shí)際運(yùn)用中，由于液位的波動(dòng)而產(chǎn)生的不穩(wěn)定性、溫度變換而帶來的熱脹冷縮現(xiàn)象、部分容易沉降的溶質(zhì)影響等因素，使得傳感器所測(cè)得的結(jié)果與實(shí)際真值有較大的偏差，類似問題在高精尖科研探究項(xiàng)目中尤為突出。

液位控制是工業(yè)過控系統(tǒng)中常見的控制問題之一，要實(shí)現(xiàn)精確的液位控制目標(biāo)，往往需要選用精度等級(jí)和靈敏度都較高的用于測(cè)量液位的傳感器，要正確選擇合適的液位傳感器，除了要結(jié)合過控工藝流程需要，還要考慮液位傳感器的測(cè)量原理和特點(diǎn)。本文主要圍繞不同液位傳感器的測(cè)量原理及方式、技術(shù)現(xiàn)狀、存在弊端、發(fā)展方向等方面進(jìn)行綜述。

2?液位傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

液位檢測(cè)傳感技術(shù)在日常生活或工業(yè)生產(chǎn)控制中具有重要的作用，其主要功能是準(zhǔn)確檢測(cè)出液位信息，并將其轉(zhuǎn)化成電信號(hào)或數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)奖O(jiān)視器或控制器中。

液位傳感器在我國(guó)的發(fā)展起步較晚，因此國(guó)內(nèi)企業(yè)綜合實(shí)力遠(yuǎn)不如國(guó)外企業(yè)，最主要的是在技術(shù)方面，我國(guó)核心技術(shù)和基礎(chǔ)能力不足導(dǎo)致液位傳感器技術(shù)發(fā)展緩慢。近年來有國(guó)家政策的扶持，液位傳感器技術(shù)得到大力發(fā)展。目前，液位傳感器的研究的熱點(diǎn)主要涉及壓阻式液位傳感器、電容式液位傳感器、光纖液位傳感器等，每種類型的液位傳感器都有其獨(dú)特的工作方式和應(yīng)用背景，在工業(yè)生產(chǎn)與日常生活中發(fā)揮著重大的應(yīng)用。

2.1?壓阻式液位傳感器

壓阻式傳感器基于半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)，是由彈性導(dǎo)體層或半導(dǎo)體層組成的活性層與兩個(gè)電極接組成，并將施加的壓力刺激轉(zhuǎn)換成電阻信號(hào)的變化。傳感器的總電阻由電極電阻和活性層電阻兩部分組成，針對(duì)某一確定的電阻型壓力傳感器，電極電阻一般為固定值，傳感器電阻信號(hào)的變化主要取決于活性層電阻值的變化。壓阻式壓力傳感器電阻的計(jì)算公式如式（1）所示：

其中，ρ為電阻率，L為長(zhǎng)度，A為橫截面積。一般而言，電阻型壓力傳感器電阻的變化由外部刺激觸發(fā)的宏觀幾何參數(shù)變化而引起，它不同于應(yīng)變式壓力傳感器所用的體型應(yīng)變?cè)羌呻娐饭に囍苯釉诠杵侥て习凑找欢ň蛑瞥蓴U(kuò)散壓敏電阻。硅平膜片在微小變形是有良好的彈性特性，當(dāng)硅片受壓后，膜片的變形使擴(kuò)散電阻的阻值發(fā)生變化[1]。其電阻的變化公式如式（2）所示：