液位传感器技术综述

盛怡华 顾友壮 储开慧 王昊 吴勇

摘 要：液位控制是日常生活和工业过控系统中常见的控制问题之一，要实现精确的液位控制目标，需要选择合适的液位传感器。本文主要围绕不同液位传感器的测量原理及方式，分析了不同类型液位传感器的研究现状。通过分析各类主流液位传感器研究和使用中出现的普遍性问题，对主流液位传感器技术未来的发展趋势进行了展望。

关键词：光纤;压阻式;电容式;液位传感器

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 绪论

随着社会的高速发展和工业技术的革新，传感器技术渗透到工业生产、科技研发、医疗设施乃至日常生活中，成为不可或缺的一部分。从第一代的用于工业生产的结构型传感器，如电阻应变式传感器，发展到尚不成熟的高精尖的集成化、系統化的智能精密传感器，传感器材料的替换和技术的升级一直是人们不断探索与研究的方向，旨在形成一个更加便捷、精密、协调的生活生产新局面。但目前的生活生产当中依旧存在着一些受制于生产成本、测量精度、外界干扰等因素，使得大部分传感器依旧停留在实验室理论或研究阶段，无法进入实际大规模生产与使用，比如在液位传感器的实际运用中，由于液位的波动而产生的不稳定性、温度变换而带来的热胀冷缩现象、部分容易沉降的溶质影响等因素，使得传感器所测得的结果与实际真值有较大的偏差，类似问题在高精尖科研探究项目中尤为突出。

液位控制是工业过控系统中常见的控制问题之一，要实现精确的液位控制目标，往往需要选用精度等级和灵敏度都较高的用于测量液位的传感器，要正确选择合适的液位传感器，除了要结合过控工艺流程需要，还要考虑液位传感器的测量原理和特点。本文主要围绕不同液位传感器的测量原理及方式、技术现状、存在弊端、发展方向等方面进行综述。

2 液位传感器的发展现状与趋势

液位检测传感技术在日常生活或工业生产控制中具有重要的作用，其主要功能是准确检测出液位信息，并将其转化成电信号或数字信号传输到监视器或控制器中。

液位传感器在我国的发展起步较晚，因此国内企业综合实力远不如国外企业，最主要的是在技术方面，我国核心技术和基础能力不足导致液位传感器技术发展缓慢。近年来有国家政策的扶持，液位传感器技术得到大力发展。目前，液位传感器的研究的热点主要涉及压阻式液位传感器、电容式液位传感器、光纤液位传感器等，每种类型的液位传感器都有其独特的工作方式和应用背景，在工业生产与日常生活中发挥着重大的应用。

2.1 压阻式液位传感器

压阻式传感器基于半导体的压阻效应，是由弹性导体层或半导体层组成的活性层与两个电极接组成，并将施加的压力刺激转换成电阻信号的变化。传感器的总电阻由电极电阻和活性层电阻两部分组成，针对某一确定的电阻型压力传感器，电极电阻一般为固定值，传感器电阻信号的变化主要取决于活性层电阻值的变化。压阻式压力传感器电阻的计算公式如式（1）所示：

其中，ρ为电阻率，L为长度，A为横截面积。一般而言，电阻型压力传感器电阻的变化由外部刺激触发的宏观几何参数变化而引起，它不同于应变式压力传感器所用的体型应变元件，而是集成电路工艺直接在硅平膜片上按照一定晶向制成扩散压敏电阻。硅平膜片在微小变形是有良好的弹性特性，当硅片受压后，膜片的变形使扩散电阻的阻值发生变化[1]。其电阻的变化公式如式（2）所示：