[科普中国]-液体密度传感器

密度是表征物质特性的物理量，在科学技术大力发展的今天，对它的测量几乎涉及到每一个生产的部门。应用相当的广泛，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。

根据测量原理，有关密度的测量方式可分为两大类：

一时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。在工业生产中更多的使用间接测量，间接测量具有快速、直接、便于计算机实时监控的优点。液体密度传感器分为很多种。

简介密度作为各种物质的重要物性参数之一，世界上许多科技先进的国家，如英国、美国、德国、日本等，对于密度测量和应用都进行了深入的研究，并开发出一系列密度测量产品。密度测量广泛地应用于现代国防、科技、工业、农业和日常生活等领域，是体现一个国家计量水平的重要方面。

常用的在线式液体密度计种类很多，有振动式液体密度计、电容式液体密度计、射线式液体密度计和超声式液体密度计。这几种液体密度计在测量现场中都有各自的特点：振动式和电容式成本低，在测量中应用较多。但测量准确度不高，维护较为麻烦；射线式可进行非接触的测量，但存在射线的辐射危害，因此，使用较少；超声式液体密度计的应用范围很广，维护方便，测量准确度高，对人体没有危害，是实现液体密度动态测量的最具前途的一种传感器。

分类1.谐振式液体密度传感器

2.超声波密度传感器

3.振动管式液体密度传感器

4.音叉式液体密度传感器

5.射线式液体密度传感器

6.电容式液体密度传感器

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的。谐振子在工作过程中，可以等效的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中的等效质量和等效弹性系数有关。

谐振式液体密度传感器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变化。通过测量系统的固定频率变化，确定待测液体的密度。

振动管式液体密度传感器振动管式液体密度传感器的敏感元件是振动长管，其长度近似于管径的20倍。通过合理的安排驱动部件，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。振动管式液体密度传感器根据所用管的情况分为单管和双管两种。单管传感器又有直管和弯管之分。 弯管对流动液体的阻力比直管大。所以弯管的压力损失比直管的损失大。 双直管的尺寸要比单直管的小，并且双管相向振动，可以很好的实现动态平衡。

振动管式液体密度计是一种用途广泛的计量仪表。振动式密度传感器是基于振动管的固有频率随流经的液体密度变化而变化的原理研制的。在工业现场直接应用的单管振动式液体密度计，具有使用方便、性能稳定、测量精度高且样品种类广等优点，可广泛用于各类高精度密度测量。振动管式密度计已经应用到石油化工领域，主要技术指标基本满足用户要求，部分地取代了进口产品。但在测量精度和长期工作稳定性等技术指标上，与国外产品还有很大差距1。

音叉式液体密度传感器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。

一般分为两种方式：一是将音叉测量置入测量腔体内，液体流进腔体，用电磁方式驱动音叉振动；另一个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，并将频率量转化成密度值。为了满足高精度测量的要求，需要检测谐振频率的微小变化，因此应合理的设计振动单元，使振动单元有一个比较高的机械品质因数。一般音叉常用不锈钢或玻璃制成。

射线式液体密度传感器射线式液体密度传感器的有点：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，对流量大小也没有限制，可以测量多相液体密度。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。

超声波密度传感器超声波频率高于20kHz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。其传播的频率、相位、速度及衰减度均受到介质性质的影响，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。主要优点有：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。 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。使测量有些不稳定；对粘性介质，精密测量时必须要考虑介质粘度的影响。

探头选择

超声波密度传感器又叫做超声波换能器。发射或接收超声的器件叫超声换能器。压电换能器是目前最常用的超声波换能器，它在发射和接收都占有独特的地位。压电换能器的核心是压电晶体。压电晶体主要是根据压电效应来工作的。

压电晶片的选择

压电晶片有很多种类型，综合各项指标考虑，首选压电陶瓷 PTZ5。大部分组成接近于富钛四方相和富锆三方相的相界，已进行前呈极化并有最佳压电性能。采用压电陶瓷的理由如下：电声转换效率高；易于电路匹配；材料性能稳定；价廉，易于加工；具有非水溶性，耐湿、防潮、机械强度较大。

压电晶片频率的选择

在液体中超声波是以纵波形式进行传播，液体中的粒子和气泡会对超声波造成散射衰减。若超声波的频率太低，则衰减特性不明显，不能保证测量的准确性；若频率选择过高，一是晶片制作较为麻烦；二是衰减太大，有可能接收不到信号或是接收到的信号很弱，不利于测量。通常所选择的频率在1 ~ 10 MHZ 之间。考虑到接收的效果和后续处理电路的复杂程度，通常选择2 MHZ 左右的频率。

探头的制作

探头的制作工艺要求严格，通常要求在无尘的环境中进行，有必要的温度、湿度控制设备，必要的工装夹具。

电容式液体密度传感器电容式液体密度传感器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连的电容两个极板间的距离不同，导致电容发生变化。

由于不同液体密度传感器所适于的场合不同，实际使用时，应根据所测量液体的性质和对测量精度的要求等选择合适的传感器。

本词条内容贡献者为:

方正 - 副教授 - 江南大学