雷达式液位传感器的工作原理基于电磁波反射测距技术，通过计算发射波与反射波的时间差或频率变化来确定液位高度。以下是其详细工作流程和原理分析：

1. 基本物理原理

  • 电磁波传播：传感器向被测介质表面发射高频电磁波（微波），波速在空气中接近光速（约3×10⁸ m/s）。

  • 反射条件：当电磁波遇到介电常数（εᵣ）与空气差异较大的介质（如液体、固体）时，会发生反射。

2. 两种核心测量技术

（1）时域反射法（TDR，脉冲雷达）

  • 发射脉冲信号：传感器天线发射短脉冲微波（持续时间纳秒级）。

  • 接收反射信号：记录发射波与反射波的时间差（Δt）。

  • 距离计算：

    距离(�)=�⋅Δ�2

    （c为光速，除以2是因波往返传播）

  • 液位换算：

    液位高度(�)=罐高(�)−�

（2）调频连续波（FMCW）

  • 发射变频信号：连续发射频率线性变化的微波（如26GHz→26.1GHz）。

  • 混频分析：反射波与发射波混合后产生差频信号（Δf），其频率与距离成正比。

  • 距离计算：

    �=�⋅Δ�2⋅Δ�⋅�

    （ΔF为频率变化范围，T为调制周期）

3. 信号处理关键步骤

  1. 回波识别：

    • 通过算法过滤干扰信号（如罐壁反射、噪声）。

    • 识别真实液面回波（通常为最强或首个回波）。

  2. 时间/频率解析：

    • 脉冲雷达：高精度计时电路（皮秒级分辨率）。

    • FMCW雷达：快速傅里叶变换（FFT）提取差频。

  3. 温度补偿：

    • 环境温度影响波速，内置温度传感器校准计算。

4. 介质特性影响

  • 介电常数（εᵣ）：

    • 越高（如水εᵣ≈80），反射信号越强，测量更稳定。

    • 过低（如液化气εᵣ≈1.5）需导波雷达增强信号。

  • 表面状态：

    • 平静液面：反射集中，测量精准。

    • 湍流/泡沫：高频雷达（78GHz）可穿透轻微泡沫。

5. 典型工作流程

  1. 传感器发射微波脉冲或连续波。

  2. 电磁波经液面反射后返回天线。

  3. 接收器捕获反射信号并计算时间差/频率差。

  4. 微处理器换算为液位值，输出4-20mA、RS485等信号。

6. 技术优势解析

  • 非接触测量：避免介质污染或腐蚀传感器。

  • 抗干扰能力：

    • 不受压力、温度、粉尘、蒸汽影响（与超声波相比）。

    • 可忽略介质密度变化（与静压式相比）。

  • 高精度：

    • 脉冲雷达：±3mm~±10mm。

    • FMCW雷达：±1mm（如78GHz型号）。

7. 应用示例

  • 油罐储液测量：
    脉冲雷达（6GHz）测量30米高油罐，精度±5mm，耐受油气环境。

  • 化工反应釜：
    导波雷达（26GHz）测量腐蚀性液体，法兰安装避免泄漏。

  • 食品级液位：
    卫生型雷达（PTFE天线）测量牛奶罐，符合FDA标准。

8. 常见误区澄清

  • 误区1：雷达波会被金属容器吸收。
    → 实际：金属罐壁反射微波，但需避免直接照射焊缝/障碍物。

  • 误区2：所有雷达都能测泡沫液位。
    → 实际：严重泡沫需导波雷达或高频雷达（78GHz）。

通过上述原理分析，雷达液位传感器在复杂工业环境中展现出极高的可靠性和适应性，尤其适合高温、高压或腐蚀性介质的连续监测。