液位傳感器是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域的裝置，用于測量液體或固體物質(zhì)的液位高低。隨著科技的進(jìn)步，液位傳感器在設(shè)計和功能上不斷創(chuàng)新，提高了測量精度和可靠性。本文將從液位傳感器的定義、特點、結(jié)構(gòu)、類型、工作原理、應(yīng)用領(lǐng)域以及未來發(fā)展趨勢等方面進(jìn)行詳細(xì)介紹。

一、液位傳感器的定義

液位傳感器是一種能夠?qū)崟r監(jiān)測物體液位高低的裝置。它通過測量液體與傳感器之間的物理量差異，將感知到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號，進(jìn)而實現(xiàn)對液位狀態(tài)的精確控制和監(jiān)測。液位傳感器在工業(yè)自動化控制、環(huán)境監(jiān)測、能源管理等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，確保了生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性和安全性。

二、液位傳感器的特點

1. 高度精確的測量能力 ：液位傳感器能夠?qū)崟r精確地感知液位的變化，確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。這對于需要精確控制液位的工業(yè)過程尤為重要，如化工生產(chǎn)、制藥行業(yè)等。
2. 高度可靠的工作性能 ：液位傳感器采用先進(jìn)的技術(shù)和材料制造，具備良好的抗壓、抗腐蝕能力，能夠在各種惡劣環(huán)境下穩(wěn)定工作。其固態(tài)結(jié)構(gòu)和高可靠性設(shè)計，延長了設(shè)備的使用壽命。
3. 便捷的安裝和維護(hù) ：液位傳感器體積小巧，安裝方便，可以在各種容器中靈活布置。同時，其結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，維護(hù)成本低，降低了企業(yè)的運營成本。
4. 多樣化的輸出方式 ：液位傳感器可根據(jù)用戶需求提供多種輸出方式，如4～20mA電流信號、0～5V電壓信號等，方便與控制系統(tǒng)或顯示設(shè)備連接。
5. 廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域 ：液位傳感器不僅適用于工業(yè)自動化控制領(lǐng)域，還廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、石油、化工、冶金、食品加工等多個行業(yè)，為不同領(lǐng)域提供了精確的液位測量解決方案。

三、液位傳感器的結(jié)構(gòu)

液位傳感器的基本結(jié)構(gòu)通常包括傳感元件、信號處理電路和輸出裝置三個部分。

1. 傳感元件 ：傳感元件是測量液體高度的核心部件，根據(jù)測量原理的不同，可以是浮子、壓力傳感器、電容傳感器、超聲波傳感器等。浮子式傳感器通過浮子隨液位變化而上下移動來測量液位；壓力式傳感器則利用液體靜壓與液位高度成比例的原理進(jìn)行測量；電容式傳感器通過測量液體與電容器之間的電容值變化來確定液位；超聲波傳感器則通過發(fā)射和接收超聲波信號來測量液位。
2. 信號處理電路 ：信號處理電路負(fù)責(zé)將傳感元件采集到的信號進(jìn)行放大、濾波等處理，轉(zhuǎn)換為可使用的電信號。這一步驟對于提高測量精度和穩(wěn)定性至關(guān)重要。
3. 輸出裝置 ：輸出裝置將處理后的電信號轉(zhuǎn)換為可視化的液位顯示或其他形式的輸出。常見的輸出方式包括液晶顯示屏、LED指示燈、模擬信號輸出等。

四、液位傳感器的類型

液位傳感器根據(jù)其測量原理和結(jié)構(gòu)特點，可以分為多種類型，包括浮子式傳感器、壓力式傳感器、電容式傳感器、超聲波傳感器、雷達(dá)傳感器等。

1. 浮子式傳感器 ：浮子式傳感器利用浮子在液面上升或下降時引起機械裝置運動的原理來測量液位。浮子隨液位變化而上下移動，通過傳感器將運動轉(zhuǎn)化為電信號輸出。浮子式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、適用范圍廣等優(yōu)點。
2. 壓力式傳感器 ：壓力式傳感器利用液體靜壓與液位高度成比例的原理進(jìn)行測量。傳感器將液體靜壓轉(zhuǎn)換為電信號輸出，通過測量電信號的變化來判斷液位的高低。壓力式傳感器具有測量精度高、穩(wěn)定性好等特點，廣泛應(yīng)用于石油、化工等領(lǐng)域。
3. 電容式傳感器 ：電容式傳感器通過測量液體與傳感器之間的電容差異來判斷液位高低。當(dāng)液位變化時，液體與傳感器之間的電容值也會發(fā)生變化，通過測量電容值的變化來確定液位的高低。電容式傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，適用于對液位變化要求較高的場合。
4. 超聲波傳感器 ：超聲波傳感器通過發(fā)射和接收超聲波信號來測量液位。傳感器發(fā)射超聲波信號后，超聲波在液體中傳播并反射回來，通過測量超聲波的傳播時間來確定液位的高度。超聲波傳感器具有非接觸式測量、測量范圍廣等優(yōu)點，特別適用于高溫、高壓、腐蝕性強的介質(zhì)測量。
5. 雷達(dá)傳感器 ：雷達(dá)傳感器利用電磁波進(jìn)行液位測量。傳感器發(fā)射電磁波后，電磁波在液體表面反射并返回傳感器，通過測量電磁波的往返時間來確定液位的高度。雷達(dá)傳感器具有測量精度高、抗干擾能力強等優(yōu)點，適用于復(fù)雜環(huán)境下的液位測量。

五、 液位傳感器電路圖

1、液位傳感器電路圖

這是一個液位傳感器電路，當(dāng)液體達(dá)到一定液位時會發(fā)出警報。它可以使用單個 IC L4620 和很少的外部元件輕松構(gòu)建，并且具有振蕩頻率。 1.6kHz。

該信號被分為 32 份，產(chǎn)生的 50 Hz 時鐘信號通過引腳 2 饋送到傳感器。該傳感器是一個簡單的濕度相關(guān)電阻。它通常由液體中的 2 根電線組成，可將引腳 3 短接到地或不短接。

傳感器接口接收 200 Hz 信號，并將引腳 3 處的電壓與取決于引腳 2 的參考電壓進(jìn)行比較。當(dāng)引腳 2 為低電平時，參考電壓在 0.2 和引腳 2 的電壓范圍內(nèi)。當(dāng)引腳2為高電平時，它與引腳2的電壓在0.4伏以內(nèi)。一旦超過這些閾值，傳感器接口就會將信息傳遞到電路的其余部分。

當(dāng)超過閾值時液位傳感器電路將發(fā)出警報，引腳8必須為高電平。另一方面，當(dāng)引腳 8 為低電平時，報警輸出有效。警報不會立即觸發(fā)，只有當(dāng)警報情況（達(dá)到液位）在傳感器處保持恒定 10 秒（引腳 7 為低電平）或 20 秒（引腳 7 為高電平）時才會觸發(fā)。

該液位報警項目在報警期間可消耗高達(dá) 300 mA 的電流，但電流取決于電源電壓。電源電壓為 5 伏時，電流約為 6 mA。

2、光電液位傳感器電路圖

光電液位傳感器是通過光學(xué)反射原理，根據(jù)內(nèi)部接收到的反射光線情況來檢測液位高低的。工作原理:光電液位開關(guān)內(nèi)置紅外發(fā)光二極管和光敏接收器，頭部是棱鏡結(jié)構(gòu)。

當(dāng)水箱無水狀態(tài)時，發(fā)光二極管所發(fā)出的光經(jīng)過透明棱鏡后會折射回接收管，傳感器會立即給出信號提示，設(shè)備接收到信號則立刻控制電路警示燈亮起；當(dāng)水箱有水狀態(tài)時，則光折射到液體中，從而使接收器收不到或只能收到少量光線。

六、帶 Arduino 的 SST 液位傳感器設(shè)計

通過使用 SST 液位傳感器，我們可以通過 TTL 兼容的推挽輸出來檢測液位。該傳感器部分覆蓋有堅固的材料，它允許我們安裝在有限的傳感區(qū)域。帶 Arduino 的 SST 液位傳感器，無需任何接口組件即可工作。 SST 液位傳感器設(shè)計用于精確測量容器、儲罐或水庫中的液位。它們對于監(jiān)測涉及液體的系統(tǒng)（例如工業(yè)流程、汽車應(yīng)用、水管理等）中的液位至關(guān)重要。

液位開關(guān)/傳感器

光學(xué)液位傳感器使用精確定位在傳感器尖端底部的紅外LED和光電晶體管。當(dāng)尖端為空氣時，紅外光圍繞尖端內(nèi)部反射到光電晶體管，在兩者之間提供良好的光學(xué)耦合。當(dāng)傳感器的尖端浸入液體中時，紅外光從尖端逸出，導(dǎo)致光電晶體管處的光量發(fā)生變化，從而使輸出狀態(tài)發(fā)生變化。它可以在 4.5VDC 至 15.4VDC 偏置下工作，這里我們使用 Arduino 5V 引腳，沒有衰減電阻。當(dāng)我們提供 15VDC 偏置時，它的輸出電流高達(dá) 100mA，并且 Arduino Uno 使用 ATMEGA328 微控制器，每個 GPIO 的絕對最大額定電流為 40 mA。因此，如果您要提供超過 5V 的直流電壓，請考慮在數(shù)字輸入引腳中使用限流電阻。

傳感器位置

Arduino SST 液體傳感器接口

將傳感器的Vcc和Gnd引腳連接到arduino的電源引腳，并將傳感器的輸出引腳連接到arduino數(shù)字引腳7。確保傳感器的位置感測液位。

Arduino代碼

// Liquid level detection using an SST sensor
//
// When a liquid touches the tip of the sensor,
// an LED at pin 13 turns on.
// 
// Hardware:
//     Sensor    | Arduino
//  -------------|---------
//    Vs (RED)   |    5V
//   Out (GREEN) |   pin 7
//   GND (BLUE)  |    GND

// Pins
const int LIQUID_SENSOR_PIN = 7;
const int LED_PIN = 13;

void setup() { 
  pinMode(LIQUID_SENSOR_PIN, INPUT);
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
  digitalWrite(LED_PIN, LOW);
}

void loop() {

  // Read sensor. If liquid touches the tip, the sensor will 
  // read 0V. Turn on LED if liquid is present.
  int isDry = digitalRead(LIQUID_SENSOR_PIN);
  if ( isDry ) {
    digitalWrite(LED_PIN, LOW);
  } else {
    digitalWrite(LED_PIN, HIGH);
  }

  delay(200);
}