液位傳感器技術綜述

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過控系統中常見的控制問題之一，要實現精確的液位控制目標，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狀。通過分析各類主流液位傳感器研究和使用中出現的普遍性問題，對主流液位傳感器技術未來的發展趨勢進行了展望。

關鍵詞：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

隨著社會的高速發展和工業技術的革新，傳感器技術滲透到工業生產、科技研發、醫療設施乃至日常生活中，成為不可或缺的一部分。從第一代的用于工業生產的結構型傳感器，如電阻應變式傳感器，發展到尚不成熟的高精尖的集成化、系統化的智能精密傳感器，傳感器材料的替換和技術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、協調的生活生產新局面。但目前的生活生產當中依舊存在著一些受制于生產成本、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，無法進入實際大規模生產與使用，比如在液位傳感器的實際運用中，由于液位的波動而產生的不穩定性、溫度變換而帶來的熱脹冷縮現象、部分容易沉降的溶質影響等因素，使得傳感器所測得的結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。

液位控制是工業過控系統中常見的控制問題之一，要實現精確的液位控制目標，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、技術現狀、存在弊端、發展方向等方面進行綜述。

2?液位傳感器的發展現狀與趨勢

液位檢測傳感技術在日常生活或工業生產控制中具有重要的作用，其主要功能是準確檢測出液位信息，并將其轉化成電信號或數字信號傳輸到監視器或控制器中。

液位傳感器在我國的發展起步較晚，因此國內企業綜合實力遠不如國外企業，最主要的是在技術方面，我國核心技術和基礎能力不足導致液位傳感器技術發展緩慢。近年來有國家政策的扶持，液位傳感器技術得到大力發展。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用背景，在工業生產與日常生活中發揮著重大的應用。

2.1?壓阻式液位傳感器

壓阻式傳感器基于半導體的壓阻效應，是由彈性導體層或半導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的宏觀幾何參數變化而引起，它不同于應變式壓力傳感器所用的體型應變元件，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，當硅片受壓后，膜片的變形使擴散電阻的阻值發生變化[1]。其電阻的變化公式如式（2）所示：