液体密度传感器
计测技术综述与热点
1
液体密度传感器
张欲晓,樊尚春
(北京航空航天大学仪器学院测控系,北京100083)
摘
要:介绍了几种典型的液体密度传感器的基本结构~工作原理与应用特点O
文献标识码:A
文章编号:1002-6061(2006)01-0001-03
关键词:液体;密度;传感器中图分类号:TH715-2
Liguiddensitysensors
ZHANGYu-xiao,FANShang-chun
(Instrumentschool,BUAA,Beijing100083,China)
abstract:Thestructure,operationalprincipleofseveraltypicalliguiddensitysensorsandtheirapplicationfeaturesaredescribedandanalyzed.
Keywords:liguid;density;sensor
引言
密度是表征物质物理特性的物理量,在科学技术
测量系统的固有频率的变化,确定待测液体的密度O
大力发展的今天,对它的测量几乎涉及到每一个生产部门,应用相当广泛O随着测量技术数字化~自动化,对密度的在线测量要求越来越迫切O
根据测量原理,有关密度的测量方式可分成两大类:一是源于密度基本公式的直接测量,二是利用密度量与某些物理量关系的间接测量O在工业生产中更多使用间接测量的方法,间接测量具有快速~直接~便于计算机实时监控的优点O本文对国内外设计研制的几种液体密度传感器的特点~原理与应用做一简单介绍O
1-1
图1
系统等效图
振动管式液体密度传感器
振动管式密度传感器的敏感元件是振动长管,其
1
谐振式液体密度传感器
谐振式测量原理是通过谐振子的振动特性来实现
长度近似于管径的20倍O通过合理地安排驱动部件,可以使管在一个平面内振动,测得的密度为流经管内液体的平均质量密度O当振动管内有被测液体时,被测液体将随着振动管一起振动,使振动系统的总质量发生变化,从而改变了系统的固有振动频率O经适当校准,谐振频率与被测液体密度之间将有确定的对应关系,通过测定振动管的自激振动频率,即可确定待测液体的密度值O
振动管式密度传感器根据所用管的情况分为单管和双管两种O单管密度传感器又有直管和弯管(如U型管)之分O弯管对流动液体的阻力比直管的大,所以弯管的压力损失比直管的损失大O双直管的尺寸比单管的要小,并且双管相向振动,可以很好地实现动态平衡O
振动管密度传感器设计时的主要问题是如何减少
的O谐振子在工作过程中,可以等效为一个单自由度系统,以系统的固有频率振动,系统的固有频率只与系统其公式为中的等效质量me和等效弹性系数 e有关Of=(1)
2T
如图1所示,谐振式密度传感器的测量原理是通过系统中的弹性敏感元件和液体相接触,从而改变了系
统的等效质量,使得系统的固有频率发生了变化O通过
收稿日期:2005-09-19;收修改稿日期:2005-12-16
作者简介:张欲晓(1970-),博士研究生,主要从事新型传感器研究O
-Z-
综述与热点
ZOOG年第ZG卷第1期
末端负载~压力等因素的影响,所以在振管的两端都有波纹管将传感器和外部元件隔开,这样由于管线安装应力等因素造成的不均匀变形而产生的末端负载效应就可以降低[1-3]
对于微量液体密度的测量,如生物医学研究中对小动物血液密度的测量,上述的密度传感器就不适合 用于微量液体密度测量的硅微管式液体密度传感器[4]如图Z所示 利用现代硅微加工技术,在硅片上蚀刻出很小的小槽,将两块刻有相同小槽的硅片粘合在一起,形成硅微管 用静电激励硅微管系统使其振动,用光学方式检测出谐振频率的变化,即可得微量液体的密度 利用单晶硅制造的硅微管比用不锈钢或玻璃制品的振动管@值都要大,因此分辨力高~灵敏度高~体积小~受温度的影响也小
图Z
硅微管密度传感器
振动式液体密度传感器的主要优点:可以直接在线测量液体密度;测量精度比较高,作为频域仪器,输出本身为数字量 主要缺点:对液体的流动有一定限制,即液体流动不能太快;由于机械惯性作用,得到谐振需要一定的时间,因此有一定的响应延时;测量多相流体有困难 l~2
科氏质量流量计
科氏质量流量计是一个新型直接式质量流量计[5] 如图3所示 它是基于运动物体在旋转参考坐标系中具有科氏加速度并承受科氏力这一原理而工作的 将流体流经的某一管段两端固定,中间施以周期性激振力使其受迫振动,管段上各微元段将具有方向垂直于其中心轴线的周期性旋转角速度,管中流动的流体因为科氏效应将在管壁上施加一个正比于其质量流量的科氏反作用力,该力使得管段上各点的振动状态发生变化,检测该振动状态的变化量,即可以得出流体的质量流量,从而可以求出液体的密度 它具有许多优良性能,测量出的质量结果不受被测流体温度~压力~粘度~密度等参数的影响;可以解算出体积流量,并且可以解算出两相流液体各自所占的比例 虽然科氏质量流量计具有众多的优点,但是制造工艺复杂,目前不适合用于航空领域
图3
科氏质量流量计
l~3
音叉式液体密度传感器
音叉式液体密度传感器[G,7]是利用小质量的音叉
在液体中振动时其固有频率的变化来测量液体的密度的,如图4所示 一般有两种方式:一是将音叉置于测量腔体内,液体流经腔体,用电磁方式驱动音叉振动;另一种方式是将音叉直接安装在管线上 通常用微处理器来控制音叉的振动频率~检验谐振频率,并将频率量
转换成密度值 为了满足高精度测量的要求,需检测谐振频率的微小变化,因此应合理地设计振动单元,使振动单元有一个比较高的机械品质因数(@值D 一般音叉常用不锈钢或玻璃制成,这种传感器的测量精度一般为O~O5%,结构比振动管式简单
图4
音叉式密度传感器
2
射线式液体密度传感器
放射性同位素在衰减时会以粒子或波的形式辐射
出射线,当射线穿过介质时,射线强度的变化受介质密度的影响 假设射线穿过液体前后的强度分别为JO和J,射线在液体中穿过的路径为c,液体密度为p,质量吸收系数为A,则存在关系:
J:JOeAcp(ZD
使用光电倍增管,测量射线经过液体后的接收率,即可得到液体的密度,常用的射线为Y射线 射线式液体密度传感器的主要优点:传感器不接触待测液体,可实现非接触测量;对液体流动不会产生阻力,对流量大
计测技术
小也没有限制;可以测量多相液体密度G主要的缺点:需要放射性射线源;有一个较长的时间稳定性;分辨力不高 8 9]G
综述与热点
3
激励 产生沿基片表面传播的声表面波(SAW)和向基片体内传播的声体波(BAW)G只有声板波能够到达压电基片和液体接触的界面 在界面上由于液体的声阻抗比压电基片的声阻抗要大得多 声板波要发生反射 且反射的传播频率~相位等均受界面上液体密度的影响G所以 测量输出叉指电极(IDTZ)上的接收声波的频图5
射线式密度传感器
3
超声波液体密度传感器
超声波是频率高于ZOk~Z的一种机械波 超声波在液体介质中只能以纵波的形式传播G其传播的速度~频率~相位及衰减度等均受到介质性质的影响G因此 可以利用液体密度和超声波的某些传播性质之间的关系来测量液体的密度G根据所使用的方式不同 大致可以分为阻抗法~速度法和声体波法几种G
阻抗法是以测量介质的声阻抗 为基础 声阻抗 和液体密度P成单值关系G在大多数情况下 对平面声波 其声阻抗和密度存在关系:
=cP(3)
其中:c为超声波在液体中的传播速度 且它也是液体密度的函数 即c=f(P) 所以有 =F(P)G属于阻抗法的测量方式很多 但大多是通过测量声压差来测量声阻抗G
速度法是以直接或间接的方式测量超声波在被测介质中的传播速度为基础的G平面超声波在液体中传播时 其传播速度U和密度P存在关系:
U=(4)
其中:K为液体的体积弹性模量G可见超声波传播速度和液体介质密度具有一种单值关系G在速度法中常用
的是以测量超声波在被测介质中的传播时间的变化为基础的 该时间的变化正比于被测介质密度的变化G在声程L一定时 超声波的传播速度U=z z为声传播时
间 将此式代入式U=
化简即得P=ZzZ
L
(5)
可见密度测量精度取决于声时测量精度G
声板波是声体波在固体物质中的来回反射G原理如图6所示G一般用叉指换能器(IDT1)向压电基片体内
率或相位的变化即可得到液体密度的变化 1O-1Z]G
图6
声板波传感器原理
超声波液体密度传感器的主要优点:可以实现非接触测量;响应快 测量精度高;无放射性 对人体无害;没有运动部件 测量稳定性好G主要缺点:液体介质中的杂质 如气泡等可引起超声波信号的严重衰减 使测量有时不稳定;对粘性介质 精密测量时必须考虑介质粘度的影响G
电容式液体密度传感器
电容式液体密度传感器 13]的原理是利用标准物体在不同待测液体中的浮力不同 从而引起与标准物体相联的电容两个极板间的距离不同 导致电容发生变化G根据阿基米德定律 用一个已知体积V和质量M的浮子挂在和弹性导轨刚性连接的挂钩上 如图7所示G浮子的重力使弹性导轨在弹性范围内向下产生初变形hO=KMg=KPOVg(6)
将浮子置于被测液体中 在浮力的作用下 浮子及弹性导轨向下产生的位移量是
h=KV(PO-P)g
(7)其中:PO为浮子的密度 P为液体的密度G将弹性导轨和电容器的一个极板刚性连接 由于弹性导轨的上下移动 使得电容的容量发生变化 引起电容电压也发生变化G利用一个负反馈放大器 将变化的电压输出 利用电压和密度的关系 求解出密度G
图7
导轨位移图
(下转第ZO页)
20
理论与实践
2006年第26卷第l期
灰度值组合代替 即rgl rg t lf l 参数 是 的一个函数 随着 的改变而不断改变 可以根据拼接的灰度图的实际情况设定 和 的关系 本文根据两幅图像的灰度直方图 设定 roW 图像rgl roW :roW l:col 的部分保持不 l l l
变 然后连接lfl与调整后的rgl得到理想的拼接全景图 本文方法的实验法效果如图4 d 所示 用同样的方法可以实现对七幅视频图像的拼接
4
结束语
本文设计了一个运动目标的仿生复眼测量跟踪系
统 与传统的测量系统相比 该系统具有更宽的视场和更高的运动灵敏度 且可以测量出三维运动目标的动静态参数 可以更快更准确地跟踪运动目标 本文用改进的灰度相关算法实现特征区域匹配 并提出用两幅图像灰度值融合来代替部分重叠图像的灰度值 得到了效果很好的全景图
参考文献
[l]吴梅英 PeterdMcIntyre.北京萤火虫复眼的梯度折射率光学和光线追迹[J].生物物理学报 l994 l0 2 :269-273.
[2]曹炬 陶文兵 田金文.运用多个光学成像探测器估计目标距离[J].仪表技术与传感器 2004 3 :50-52.
[3]杨莉 张弘 李玉山.视频运动对象的自动分割[J].计算机辅助设计与图形学学报 2004 l6 3 :30l-306.
[4]Shaoyichien.Efficientmovingobjectsegmentationalgorithmusingbackgroundregistrationtechnigue[J].IEEETransactionsonCircuitandSystemforvideoTechnology 2002 l2 7 :577-586.
[5]解凯 郭恒业 张田文.图像Mosaics技术综述[J].电子学报 2004 4 :630-634.
[6]曹俊杰 封靖波 苏志勋.全景图拼接算法[J].大连理工大学学报 2003 43 增刊 :l80-l82.
[7]谢凤英 姜志国.基于互相关的显微医学图像配准[J].中国体视与图像分析 200l 6 3 :l75-l79.
图4
两幅图的拼接
[5]胡燕祝 王仰东 林振锋.科里奥利质量流量计在线连续测量流 上接第3页
5
小结
由于不同液体密度传感器所适于使用的场合不
体密度的理论分析[J].中国机械工程 2002 l3 6 :467-470.
[6]林德秋.一种新型测量液体密度的方法[J].石油化工自动化 l998 2 :52-55.
[7]Atsushiokajima.FloW-InducedIn-LineoscillationofaCircularCylinderinawaterTunnel[J].JournalofPressurevesselTechnology February2002 l24:89-96.
[8]蒋正雄 肖凝.放射性燃油密度测量技术的应用[J].航空计测技术 2003 23 l :l2-l4.
[9]佘新平 刘传清.Y射线密度传感器[J].传感器技术 l998 l7 4 :47-48.
[l0]吕霞付 张崇军 王武 蔡绍皙 邓明晰.一种声表面波液体密度传感器的实验研究[J].传感器技术 l999 l8 5 :44-49.
[ll]吕霞付 舒红宇 蔡绍皙.一种高精度微量体液密度声传感器的研制[J].传感器技术 l998 l7 l2 :l-3.
[l2]施文康 马伟方 侯毅.基于兰姆波技术的液体密度声传感器[J].上海交通大学学报 200l 35 9 :l340-l342.
[l3]冯正鸣 赵学红 王永洪.浮子电容式石油密度传感器的研究[J].天津大学学报 l998 3l 5 :694-700.
[l4]PMason.Fluiddensity[J].MeasurementgControl l992 93 25:297-302.
同 实际使用时 应根据所测量液体的性质 如粘性~均匀性~腐蚀性~密度范围~流动性等 和对测量精度的要
求等选择合适的传感器 目前 振动式密度传感器和科氏质量流量计在精度上要求较高的液体密度动态测量中用得较多G射线式密度传感器由于对人体具有潜在的危害作用 现在已经基本不用G超声波式密度传感器可以实现非接触高精度密度动态测量 是较有前途的一种传感器
参考文献
[l]王国文 李长海 田晓飞 孙光亚.振动管式液体密度计的原理~电路组成及应用[J].电测与仪表 l998 35 390 :l6-l8.
[2]谭宝海 鞠晓东.振动管式流体密度传感器研究[J].测井技术 2004 28 4 :34l-343.
[3]刘文滨 梁玉红.高精度振动式密度传感器[J].计量测试 2003 5 :37-38.
[4]PEnoksson etal.Fluiddensitysensorbasedonresonancevibration[J].SensorgActuators.l995 A46-47:327-333.
液体密度传感器
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
张欲晓， 樊尚春， ZHANG Yu-xiao， FAN Shang-chun北京航空航天大学,仪器学院测控系,北京,100083计测技术
METROLOGY & MEASUREMENT TECHNOLOGY2006,26(1)1次
1.王国文;李长海;田晓飞;孙光亚 振动管式液体密度计的原理、电路组成及应用 1998(390)2.谭宝海;鞠晓东 振动管式流体密度传感器研究[期刊论文]-测井技术 2004(04)3.刘文滨;梁玉红 高精度振动式密度传感器[期刊论文]-计量测试 2003(05)4.P Enoksson Fluid Density sensor based on resonance vibration 1995
5.胡燕祝;王仰东;林振锋 科里奥利质量流量计在线连续测量流体密度的理论分析[期刊论文]-中国机械工程 2002(06)6.林德秋 一种新型测量液体密度的方法 1998(02)
7.Atsushi Okajima Flow-Induced In-Line Oscillation of a Circular Cylinder in a Water Tunnel 20028.蒋正雄;肖凝 放射性燃油密度测量技术的应用[期刊论文]-航空计测技术 2003(01)9.佘新平;刘传清 γ射线密度传感器 1998(04)
10.吕霞付;张崇军;王武;蔡绍皙 邓明晰 一种声表面波液体密度传感器的实验研究[期刊论文]-传感器技术 1999(05)11.吕霞付;舒红宇;蔡绍皙 一种高精度微量体液密度声传感器的研制 1998(12)
12.施文康;马伟方;侯毅 基于兰姆波技术的液体密度声传感器[期刊论文]-上海交通大学学报 2001(09)13.冯正鸣;赵学红;王永洪 浮子电容式石油密度传感器的研究 1998(05)14.P Mason Fluid Density 1992(25)
1. 李文鹏.赵新生.张鹏.申大忠 双通道压电式密度传感器的研究[期刊论文]-传感器技术2001,20(8)2. 刘文滨.梁玉红 高精度振动式密度传感器[期刊论文]-工业计量2003,13(5)
3. 陈卫东.樊玉铭.任俊峰.姚伟.Chen Weidong.Fan Yuming.Ren Junfeng.Yao Wei 谐振式液体密度传感器的结构设计[期刊论文]-电子测量技术2006,29(3)
4. 任新成.王玉清.杨德甫.REN Xin-cheng.WANG Yu-qing.YANG De-fu 液体密度传感器的设计[期刊论文]-延安大学学报（自然科学版）2005,24(2)
5. 施文康.韩韬.马伟方.侯毅 一种新型Lamb波微量液体密度传感器的研制[会议论文]-2001
6. 施文康.韩韬.马伟方.侯毅 一种新型Lamb波微量液体密度传感器的研制[期刊论文]-光学精密工程2001,9(6)7. 马伟方 微量液体密度兰姆波声传感器研究[学位论文]2001
8. 许广宾.刘海英.崔博.XU GUANGBIN.LIU HAIYING.CUI BO 磁介质密度传感器与测量系统[期刊论文]-微计算机信息2008,24(1)
9. 李勇.闫明 振动管式液体密度传感器的原理及电路组成[期刊论文]-信息技术2002(5)
10. 周世圆.岑雪青.徐春广.肖定国 基于磁致伸缩传感器的液体密度测量的研究[期刊论文]-航空精密制造技术2005,41(1)
1.蔡朝鹏.于瀛蛟.张蕊.沈建国.詹保平 用声波方法测量液体密度的实验研究[期刊论文]-石油仪器 2008(6)
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