作为基本要求，精确的液位监测对于科学研究、工业生产、环境控制等领域至关重要。例如，在食品工业过程控制中，精确测量储罐中的液位有助于监控食品安全和质量，防止微生物的生长和腐败[1]。根据预算、可获取性、数据收集方法和维护需求等因素，已经开发并应用了多种类型的液位传感器，包括电容式、光学式、电阻式和压电式传感器。
电容式传感器是一种广泛应用的液位测量技术，由于其可靠性、高分辨率、低成本和良好的稳定性而有多种变体。液位的变化会导致电极板之间的参数（距离、有效面积和介电常数）发生变化，从而导致总电容的变化[2]。不锈钢[3]、金属棒[4]、印刷电路板[5]、屏蔽电缆[6]等已被用作电容式传感器的传感元件。常见的设计包括将固定板与可移动浮子结合的浮子型[7]、平行板[8]、平行指拓扑[9]、梳状电极[10]和指间电极[11]。然而，电容式液位传感器的缺点是寄生电容干扰和传感器材料的长期性能问题[12]。
另一种常用的液位传感器是光学传感器，其工作原理取决于具体的光学传感器类型。由于光学传感器材料不受被测液体的影响，因此可以用于测量化学或腐蚀性液体[13]。许多光纤液位传感器基于液体对光传输的影响设计为液位开关[14][15]。在[16]中提到的光纤模态干涉仪使用宽带光源通过固定在液体容器中的光纤。通过分析光谱来确定液位；然而，温度很容易影响测量结果。光纤布拉格光栅（FBG）传感器常用于连续液位监测。Sohn等人设计了一种具有良好线性和重复性的液位传感器，利用了带有嵌入式FBG的悬臂梁的弯曲[17]，但这种方法会受到液体比重的影响。[18]中提出的Fabry–Pérot和FBG压力传感器可以同时根据双压力传感器系统确定比重和未知液位。FBG液位传感器的测量范围有限，更适合低液位测量。
电阻式液位传感器（也称为电位差位移传感器）通常基于液位变化引起的电阻变化[19]。Popa等人提出了一种基于浸入水中的电阻器短路的电阻式阶梯式传感器，这部分电阻器占总电阻的一部分，因此电阻的变化反映了液位[20]。在[21]中介绍的电阻式传感器基于一个单独的电阻元件和中间有空气的滑块，滑块的位移会改变输出电压。对于大规模液位测量，电阻式液位传感器的数据采集使用了可编程增益放大器（PGA）[22]。非线性和累积的滞后限制了电阻式传感器的应用[23]。
另一种类型的液位传感器是压电传感器，它基于液位变化引起的压电元件的谐振频率变化。这种类型的设计通常用于低液位、高精度的液位监测。在[24]中，Campbell等人设计了一种毫米级的复合压电悬臂梁来监测液体蒸发。类似地，Ju等人提出了一种夹层结构的压电悬臂梁来监测酒精液位并确定蒸发率[25]。Ryu等人开发了一种小型非接触式液体体积传感器，使用柔性PVDF材料放置在圆柱形塑料容器的外表面，从而可以计算液位[26]。与其他类型相比，基于压力的压电液位传感器的研究较少，包括应变计[27]和低温共烧陶瓷（LTCC）[28][29]。Sreejith等人提出了压电表面声波（SAW）[30][35]和基于音叉的压力式液位传感器[31]。所设计的868 MHz石英SAW谐振器能够实现532 Hz/mm的灵敏度和1 mm的最小检测分辨率。单音叉配置的灵敏度为0.28 Hz/mm，分辨率为0.7 mm；双音叉配置的灵敏度为0.07 Hz/mm。
在本研究中，基于先前的工作[31]设计并制造了一种改进的双端固定石英音叉（QTF）压力传感器，并在高温下进行了液位测量测试。双端QTF的两个端点分别固定在两个铝柱上，这两个铝柱同心地连接到一个0.2毫米厚的圆形不锈钢膜片上。液位引起的膜片表面变形会导致QTF弯曲，从而产生频率变化。通过COMSOL仿真验证了QTF的谐振频率。进行了高温性能测试，结果表明，如果应用先进的数据后处理，最大工作温度约为500°C。压力传感器在23°C至83°C的温度范围内，以20°C为间隔，对5毫米至25毫米的液位进行了测试。另一个单端固定在铝柱上的相同QTF用于差分温度补偿[33][36]。实验结果显示，在所有温度下，该传感器的室温灵敏度提高了3.13 Hz/mm，比先前设计灵敏度高约11倍。所提出的传感器可以进一步开发成适用于高沸点液体（如熔盐）的无线高温液位传感器。
