盛怡華 顧友壯 儲開慧 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，對主流液位傳感器技術(shù)未來的發(fā)展趨勢進行了展望。

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)的升級一直是人們不斷探索與研究的方向，旨在形成一個更加便捷、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、測量精度、外界干擾等因素，使得大部分傳感器依舊停留在實驗室理論或研究階段，無法進入實際大規(guī)模生產(chǎn)與使用，比如在液位傳感器的實際運用中，由于液位的波動而產(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，使得傳感器所測得的結(jié)果與實際真值有較大的偏差，類似問題在高精尖科研探究項目中尤為突出。

液位控制是工業(yè)過控系統(tǒng)中常見的控制問題之一，要實現(xiàn)精確的液位控制目標(biāo)，往往需要選用精度等級和靈敏度都較高的用于測量液位的傳感器，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量原理和特點。本文主要圍繞不同液位傳感器的測量原理及方式、技術(shù)現(xiàn)狀、存在弊端、發(fā)展方向等方面進行綜述。

2?液位傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

液位檢測傳感技術(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)確檢測出液位信息，并將其轉(zhuǎn)化成電信號或數(shù)字信號傳輸?shù)奖O(jiān)視器或控制器中。

液位傳感器在我國的發(fā)展起步較晚，因此國內(nèi)企業(yè)綜合實力遠不如國外企業(yè)，最主要的是在技術(shù)方面，我國核心技術(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電極接組成，并將施加的壓力刺激轉(zhuǎn)換成電阻信號的變化。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算公式如式（1）所示：

其中，ρ為電阻率，L為長度，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)變元件，而是集成電路工藝直接在硅平膜片上按照一定晶向制成擴散壓敏電阻。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：