目前，超聲波液位測量技術(shù)已經(jīng)成熟，相關(guān)的測量設(shè)備在各個工業(yè)板塊大量使用且應(yīng)用非常**，但其采用的方法和原理卻不盡相同，主要因為現(xiàn)在工業(yè)領(lǐng)域的需求不同，比如：開闊環(huán)境下的測量和密封環(huán)境下的測量和對成本的控制要求等。針對不同的需求應(yīng)采用適合的超聲波液位測量的方法，同時采用相適應(yīng)的超聲波液位計產(chǎn)品。因此，了解相關(guān)超聲波測量方法的優(yōu)缺點，掌握超聲波的基本原理顯得至關(guān)重要。
 
在現(xiàn)在工業(yè)測量領(lǐng)域，特別是在比較特殊的測量場合，比如：對一些含有酸堿性液體的測量，或者對有毒、有害的液體和危險性比較高的的場合測量時，超聲波測量的運(yùn)用就比較多，主要因為它是非接觸的測量，不會與被測的液體直接接觸，具有一定安全性，除此之外，超聲波方式很靈活，基本有三種方式：空氣介質(zhì)的測量、液體介質(zhì)的測量、固體介質(zhì)的測量。適用于各種形式的被測液體，三種方式可以根據(jù)測量的場合和要求任意選擇。依靠其具有測量方向性好、能量集中、在不同介質(zhì)面容易反射、沒有太多機(jī)械部件等特點，智能化的超聲波液位計的測量系統(tǒng)還**的運(yùn)用于河流、湖海、污水處理廠等液位的警戒報警。
 
2．1超聲波液位測量的基本原理
2．1．1超聲波的相關(guān)介紹
超聲波屬于聲波，是機(jī)械波的一種。聲波是震動的聲源體在周圍彈性介質(zhì)中引起的波動。生活中人們聽到的各種聲音，都是由于聲源的振動通過空氣介質(zhì)的傳播才到達(dá)人的耳膜，從而引起耳膜的振動刺激到人的聽覺神經(jīng)，人們才能聽到物體發(fā)出的聲音。人類對聲音的感覺有一定的頻率范圍，通常在20～20000Hz的振動才能引起人的聽覺，要是物體的振動頻率低于20Hz或者高于20000Hz，入的耳朵就基本聽不到了。通常我們把低于20Hz的聲波叫做次聲波，把高于20000Hz的聲波叫做超聲波。超聲波主要與三個物理量相關(guān)，波長九，傳播速度C還有就是其頻率f，三個物理量對應(yīng)的關(guān)系式為
C=f*λ
能夠產(chǎn)生超聲波的方法有很多，常用的有壓電效應(yīng)法、磁致伸縮效應(yīng)法、和電效應(yīng)法等，通常在工業(yè)領(lǐng)域中壓電效應(yīng)法用的zui多。超聲波為什么在液位和無損測量領(lǐng)域應(yīng)用的如此**，主要其有如下幾個優(yōu)點：
 
1)超聲波具有良好的指向性。在現(xiàn)在的工業(yè)超聲波測量中常用的頻率通常是0.5～10MHz，因為其波長短，具有良好的指向性，有利于檢測，除此之外，其發(fā)射的頻率較高的話，波束角就比較小，其傳播的方向性也就比較好。
 
2)超聲波具有的能量高。在振幅相同的條件下，研究表明一個物體振動的能量與其振動頻率的平方成正比例關(guān)系。主要是因為超聲波具有的能量相比較其他聲波較高。
 
3)超聲波的穿透力強(qiáng)。超聲波的頻率很高，波長比較短。這些特點決定了其不僅能量大而且穿透力比較強(qiáng)，在一些特殊材料中，比如在金屬材料中穿透可達(dá)數(shù)米，對于一般的罐體的厚度可以輕易地穿過，這也是其他的測量方法所不能比擬的。
 
4)超聲波在分界面上有良好的反射性。所有的波都會發(fā)生反射現(xiàn)象，超聲波也不例外。當(dāng)發(fā)射出的超聲波遇到二種介質(zhì)的分界面時，若二種介質(zhì)具有良好的特性阻抗差(0．1％)，且界面相對于超聲波的波長又比較大，超聲波就會在界面產(chǎn)生反射。
 
5)超聲波頻率對人身基本無害。因為超聲波不可見、不可聽，在測量過程中不會與人類的身體產(chǎn)生共振，所以對人身體無害，也不會給自然環(huán)境帶來傷害。
 
2．1．2超聲波脈沖回波測量的基本原理在超聲波測量技術(shù)的運(yùn)用中，主要是利用了超聲波特有的反射、折射等物理的特性進(jìn)行的測量，現(xiàn)在超聲波液位測量的方法比較多，常見的有超聲波脈沖回波測量、衰減法還有頻差法等，運(yùn)用比較**和成熟的便是脈沖回波測量法。脈沖回波測量法的基本工作原理如圖2．1所示，由超聲波發(fā)射電路發(fā)射激勵脈沖，經(jīng)過變壓器升壓后產(chǎn)生高壓脈沖，高壓脈沖驅(qū)動超聲波換能器工作，這時的高壓脈沖的頻率必須要接近于超聲波換能器工作的中心頻率，只有這樣超聲波換能器才能具有良好的靈敏度，當(dāng)發(fā)射出去的脈沖遇到介質(zhì)分界面時開始返回，回波脈沖達(dá)到超聲波傳感器后轉(zhuǎn)換成電信號，回到接收電路進(jìn)行處理，由微控制器計算超聲波脈沖發(fā)出到接收的時間，在知道超聲波在被測介質(zhì)中的傳播速度后，在軟件中寫入相關(guān)公式，zui后計算求得液位高度值。
 
圖2．1超聲波脈沖測距示意圖

由圖可知脈沖從發(fā)射到接收的時間為T，超聲波在空氣中的傳播速度為V，則液位的高度求解公式就為：

H=T*V/2

超聲波在空氣中還要受到溫度的影響，要想得到較準(zhǔn)確的測量值，還要對其進(jìn)行溫度的補(bǔ)償，通常情況下空氣介質(zhì)中的補(bǔ)償公式為

V=331.5+0.607*T

由以上公式求出的液位高度，就是利用脈沖回波法求到的液位高度值。
 
2.2超聲波液位計的換能器的工作原理
在超聲波液位計（變送器）測量中，超聲波換能器屬于整個測量系統(tǒng)前端的重要部分。一旦設(shè)備中換能器的參數(shù)和制作工藝選定，后面的電路設(shè)計和軟算法部分也就基本定型，都要圍繞換能器的工作參數(shù)來設(shè)計，所以，了解和研究換能器的工作原理、主要的工作性能及其結(jié)構(gòu)，對于了解整個液位測量的原理具有重要的意義。前面提到過，超聲波產(chǎn)生的方法有很多，工業(yè)中常用到的就是通過壓電陶瓷的壓電效應(yīng)的方法來實現(xiàn)，而壓電效應(yīng)又可分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)，也就是說其可以通過施加在換能器上的機(jī)械變形讓其產(chǎn)生電場，也可以通過施加電場讓其產(chǎn)生機(jī)械變形130-311。所謂的正壓電效應(yīng)指的是在一些晶體的材料上沿著一定方向施加外力的作用使其發(fā)生變形，在晶體材料上出現(xiàn)帶有正負(fù)的電荷。而當(dāng)外力去掉后，晶體材料又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱之為正壓電效應(yīng)，相反當(dāng)在晶體的材料上施加一定的電場，使其產(chǎn)生伸縮變形，電場消去后變形也消失，這種現(xiàn)象稱之為逆壓電效應(yīng)。這二種效應(yīng)是可逆的物理效應(yīng)，統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)。
 
如圖2．2所示的換能器，當(dāng)超聲波液位計發(fā)射電路中的電壓脈沖信號通過引線端子傳遞到共振板時，脈沖信號的頻率和壓電晶體的聲匹配層固有中心接近或者重合時，二者就會產(chǎn)生共振，從而使其由機(jī)械形變產(chǎn)生超聲波，反之，當(dāng)回波脈沖信號反射回超聲輻射面時，共振效應(yīng)又會使得壓電晶體的機(jī)械信號轉(zhuǎn)換成電信號。整個超聲的收發(fā)過程變完成了。

 
2．3換能器探頭的種類和選擇
超聲波液位計換能器探頭的種類有很多，主要產(chǎn)生波形不同，大致分為縱波、表面波、橫波、爬波等探頭，其中有的根據(jù)耦合的不同又可分為接觸式的探頭和液浸探頭。根據(jù)其波束和晶片數(shù)又可分為聚焦、非聚焦、單晶、雙晶等探頭。其中每個探頭根據(jù)其特性有著其固有的用途，比如：直探頭主要用于探測平行的缺陷，應(yīng)用在無損領(lǐng)域的板材探傷較多；還有斜探頭，因為具有一定的傾斜角度，主要用來探測與測量面成一定角度的測量，應(yīng)用在特殊的測量場合。多類型的探頭使超聲波探頭的測量更加多元化，其他還有如雙晶探頭等的測量探頭用途各異，就不在此一一贅述。選擇時多從四個方面考慮，探頭的類型是*先要考慮的，根據(jù)所需測量部位的可達(dá)性，對超聲波衰減性進(jìn)行考慮選擇合適的探頭。其次就是探測頻率，常見到的探頭的探測頻率基本在0．5～10MHz之間。對液位測量時并不是其測量頻率越大越好，頻率高其波長就短，聲波的擴(kuò)散角度小，方向性就好，但其近場區(qū)長度加大，聲波的衰減也同時加大，頻率的高低對超聲波液位的測量既有好的一面也有不利的一面，實際的測量中應(yīng)綜合考慮，合理選擇探測的頻率，在保證靈敏度的情況下盡量選擇較低的超聲探測頻率。此外，晶片的選擇也很重要，晶片的尺寸的大小對于聲束的指向性、近場區(qū)的長度有重要的影響，測量時也是盡量的選擇小品片，這樣使其體積較小，測量方便。橫波的斜探頭K值，、其主要影響聲波柬進(jìn)入測量物體的方向、聲程和靈敏度。所以在探頭的選擇上要綜合以上四點，選擇一個適合于測量所需的探頭。
 
2．4超聲波液位計換能器的測量盲區(qū)
當(dāng)脈沖激發(fā)電路產(chǎn)生的激發(fā)脈沖頻率與換能器中的壓電晶體本身頻率相同或相近時，換能器內(nèi)的壓電晶體會產(chǎn)生共振，在換能器產(chǎn)生振動的時間內(nèi)如果超聲波到達(dá)分界面反射回的回波達(dá)到換能器時，此時的回波信號會淹沒在振動信號中，導(dǎo)致測量產(chǎn)生誤差，這部分不可測量的距離就是盲區(qū)。而在本文中罐體油位的測量還要穿透比較厚的罐體，罐體一般都是由鋼制材料制成，罐體的厚度本身就會對超聲波的傳遞造成一‘定的衰減和消耗，導(dǎo)致不斷衰減后的信號消失或無效，另一方面也會導(dǎo)致在罐體中無用的反射信號增加，從而加大測量的盲區(qū)。
通常測量的量程與盲區(qū)是相互制約的。當(dāng)換能器選定時，換能器本身的一些基本參數(shù)也就確定，要想增大測量量程可以適當(dāng)增大其功率，這會使得壓電晶體的余震時間變長，盲區(qū)變得更大，反之，適當(dāng)?shù)臏p小盲區(qū)可以減小功率，這又會使得測量量程變小。
 
盲區(qū)相對于超聲波液位計換能器而言是不可避免的，雖然超聲波液位測量有很多的優(yōu)點，但是由于材料和本身特性決定了盲區(qū)無法消除，但是可以采用一些措施有效的減小盲區(qū)給測量帶點來的誤差。可以從以下幾點：
 
1)可以通過改進(jìn)超聲波液位計換能器的材料和制作工藝，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)。相比較而言，雙探頭的超聲波液位測量系統(tǒng)比收發(fā)一體的測量系統(tǒng)盲區(qū)要小，若能減小其余振帶來的影響就可以減小盲區(qū)。
 
2)提高液位計發(fā)射的超聲波在介質(zhì)中的透射率。研究分析所需測量系統(tǒng)的特點，根據(jù)測量需求改善超聲波在介質(zhì)中的透射環(huán)境，減小聲波在傳播過程中的無謂損耗和無效的反射。
 
3)改善接收電路。反射回的聲波都是經(jīng)過衰減的，根據(jù)聲波的衰減幅度特點，改善接收信號放大電路，把衰減的微弱信號通過帶增益的放大器對信號進(jìn)行補(bǔ)償，使得不同程度的衰減信號都可以放大到理想幅值，減小拖尾的信號盲區(qū)。
 
2．5本章小結(jié)
本章對超聲波液位計液位測量應(yīng)用中的相關(guān)原理和方法進(jìn)行了介紹，對超聲波的概念進(jìn)行闡述。了解了非接觸性是超聲波在液位測量中的優(yōu)勢體現(xiàn)，對超聲波的產(chǎn)生機(jī)理和本身傳播過程中的特點進(jìn)行了分析。zui后對超聲波液位計換能器的工作原理、探頭的種類和選擇以及對盲區(qū)的介紹和改善也進(jìn)行了相關(guān)的說明。在以上的論述中可以發(fā)現(xiàn)非接觸測量優(yōu)點及其良好的應(yīng)用前景，在總結(jié)分析了液位測量中的基本原理和換能器中要注意和掌握的關(guān)鍵點后，對后文的總體設(shè)計中要注意的事項起到很好參考價值。


上一條：國內(nèi)液位計應(yīng)用現(xiàn)狀及未來液位測量技術(shù)的發(fā)展前景
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