【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 更為自動(dòng)化；而且為非接觸型液位測(cè)量，具有價(jià)格較為適中、安裝使用方便、精度較高等優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 第 2 章 超聲波液位測(cè)量的原理 超聲波 超聲波液位測(cè)量技術(shù)以超聲波作為信息采集手段。超聲波作為一 門學(xué)科已有幾十年的歷史，其應(yīng)用范圍很廣泛。超聲波不僅用來進(jìn)行各種參數(shù)的檢測(cè)，而且廣泛應(yīng)用于加工和處理技術(shù)。超聲波用于液位檢測(cè)時(shí)，主要利用了超聲波的以下性質(zhì)： （ 1）和其他聲波一樣，超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，并有各自的傳播速度。例如，在常溫下空氣中的聲速約為 334m/s，在水中的聲速約為 1440m/s，而在鋼鐵中約為 5000m/s。聲速不僅與介質(zhì)有關(guān)，還與介質(zhì)所處的狀態(tài)（如溫度）有關(guān)。超聲波在空氣中傳播是由于氣體具有反抗壓縮和擴(kuò)張的彈性模量，所以空氣分子受到振子振動(dòng)面交替的壓縮與擴(kuò)張時(shí)，氣體分子具有 恢復(fù)力，即氣體反抗壓縮變化力的作用而實(shí)現(xiàn)彈性波德傳播。因此，聲波在大氣中的傳播速度受氣體密度、濕度、分子成分等因素的影響。 RTM?? ??? （ 21） 式中 γ 是氣體定壓熱容和定容熱容的比值，對(duì)空氣是 ； R 是氣體普適常量； M 是氣體分子量。 這三者對(duì)于空氣來說都是定值，因此，理想氣體的聲速與絕對(duì)溫度 T 的平方根成正比，對(duì)于空氣來說，影響聲速的主要因素是溫度，并可用下式計(jì)算聲速 ν ： ?? （ 22） 由公式（ 22）可知，超聲波聲速隨溫度的升高而增大，一般溫度每升高 1℃ ，聲速變化約為 。而在許多固體和液體中的聲速一般隨溫度的增高而降低。 （ 2）聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)被吸收而衰減，氣體吸收最強(qiáng)而衰減最大，液體其次，固體吸收最小而衰減最小。因此，對(duì)于給定強(qiáng)度的聲波，在氣體中傳播的距離會(huì)明顯比在液體和固體中傳播的距離短。另外，聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)衰減的程度還 與聲波的頻率有關(guān)，頻率越高，聲波的衰減也越大，因此，超聲波比其他聲波在傳播時(shí)的衰減更明顯。 （ 3）聲波傳播時(shí)的方向性隨聲波的頻率的升高而變強(qiáng)，發(fā)射的聲束也越尖銳，超聲波可近似為直線傳播，具有很好的方向性。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 （ 4）當(dāng)聲波從一種介質(zhì)向另一種介質(zhì)傳播時(shí)，因?yàn)閮煞N介質(zhì)密度不同及聲波在其中傳播的速度不同，在分界面上聲波會(huì)產(chǎn)生反射和折射，其反射系數(shù) R 為 221c o s c o sc o s c o sRoI Z ZR I Z Z??????? ????? （ 23） 式中 RI 、 oI 分別是反射和入射聲波的聲強(qiáng)； ? 、 ? 分別是聲波的入射角和反射角； 1Z 、 2Z 分別是兩種介質(zhì)的聲阻抗，其值 1 1 1ZV?? ， 2 2 2ZV?? 。 聲波垂直入射時(shí)， ? =0， ? =0；則反射系數(shù) R 為 22121ZZR ZZ????????? （ 24） 由公式（ 24）可以看出， 1Z 和 2Z 相差越小， R 值也越小，說明反射越弱，當(dāng) 1Z = 2Z 時(shí)， R=0，說明這時(shí)沒有反射，聲波全部透射。當(dāng)反射介質(zhì)聲阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于入射介質(zhì)聲阻抗時(shí)，即所謂的硬邊界 。這時(shí)，入射波的介質(zhì)速度在碰到分界面時(shí)好像彈性碰撞一樣，變成一個(gè)反向速度，反射波質(zhì)點(diǎn)速度與入射波質(zhì)點(diǎn)速度相位改變 180? ，反射聲壓與入射聲壓同相位。比如，當(dāng)聲波從水傳播到空氣，在常溫下，它們的聲阻抗約為 61 10Z ??， 22 4 10Z ?? ，代入公式（ 24）可得，R=。這說明聲波從液體傳播到氣體或相反的情況下，由于兩種介質(zhì)的聲阻抗相差懸殊，聲波幾乎全部被反射。表 21 給出了幾種常見介質(zhì)的反射系數(shù)。 表 2l 幾種常見介質(zhì)的反射系數(shù) 第一介質(zhì) 第二介質(zhì) 聲阻抗（ Z） 鋁 鋼 銅 水銀 玻璃 水 空氣 鋁 0 1 鋼 0 1 銅 0 1 水銀 0 1 玻璃 0 1 水 0 1 空氣 0 超聲波液位測(cè)量就是 利用了上述聲波的這種特性，通過測(cè)量聲波從發(fā)射至接收到被液面所反射的回波的時(shí)間間隔來確定液位高度。另外由表 21 可以看出，氣介式測(cè)量環(huán)境最理想，液介式次之。而且對(duì)于超聲波液位計(jì)來說，氣介式測(cè)量更能發(fā)揮非接觸測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，因此，在沒有特定要求時(shí)，超聲波液位計(jì)首選氣介東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 式測(cè)量。 應(yīng)用超聲波進(jìn)行測(cè)量，首先要解決的問題是如何發(fā)射和接收超聲波，這就要用到超聲波換能器。超聲波換能器是整個(gè)電路中最關(guān)鍵的器件，又稱為超聲波探頭。它的作用是完成電能與聲能的相互轉(zhuǎn)換。發(fā)射換能器將其他形式的能量轉(zhuǎn)換成超聲能量，接收換能器將超聲能量轉(zhuǎn)換 成其他易于檢測(cè)的能量。超聲波探頭使用最多的是由壓電晶片（或壓電陶瓷）制成的換能器。超聲波的接收和反射是基于壓電晶片的壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。其工作原理是：當(dāng)壓電晶片受發(fā)射脈沖激勵(lì)后產(chǎn)生振動(dòng)，即可發(fā)射聲脈沖，此即逆壓電效應(yīng)。當(dāng)超聲波作用于晶片時(shí)，晶片受迫振動(dòng)引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，此為正壓電效應(yīng)。前者是超聲波的發(fā)射，后者為超聲波的接收 。壓 電晶片的振動(dòng)頻率即探頭的工作頻率，主要取決于晶片的厚度和超聲波在晶片材料中的傳播速度，為得到較高的頻率，要使晶片在共振狀態(tài)下工作，此時(shí)晶片厚度為 1/2 波長(zhǎng)。其中， PVDF 壓電薄膜材料除了具有良好的物理性能外，在厚度、面積上有很大的選擇余地，易于加工且頻率范圍寬，常用來制成 40kHz~300kHz 的超聲換能器。 壓電晶片的材料通常有：鋯鈦酸鉛陶瓷 (P)、鈦酸鋇陶瓷 (B)、鈦酸鉛陶瓷 (T)、鈮酸鋰單晶 (L)、碘酸鋰單晶 (I)、石英單晶 (Q)以及其他壓電材料 (N)。 以石英晶體作為壓電材料的超聲波換能器，利用壓電晶片的壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)超聲波的接收和反射。逆壓電效應(yīng)是指：當(dāng)壓電晶片受發(fā)射脈沖激勵(lì)后產(chǎn)生振動(dòng)，即可發(fā)射聲脈沖，此為超聲波的發(fā)射。正壓電效應(yīng)是指：當(dāng)超聲波作用于 晶片時(shí)，晶片受迫振動(dòng)引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，此為超聲波的接收。 表 22 幾種常用壓電晶片材料的主要參數(shù) 材料 居里點(diǎn) /℃ 介電常數(shù) 聲阻抗特性（ 2/kg ms ） 壓電應(yīng)變常數(shù) 33d（ mv） 壓電電壓常數(shù) 33g（ mv/N） 石英 570 106 1012 50103 鈦酸鋇系 115 1700 30106 1601012 13103 鋯鈦酸鉛 190~300 1500 28106 3201012 103 偏鈮酸鋰 400 300 106 851012 32103 鋯鈦鉛 120 1000 270106 125~1901012 14~21103 注：壓電材料的居里點(diǎn)是指壓電材料完全喪失壓電效應(yīng)的溫度；介電常數(shù)反映材料的介電性質(zhì)，在制造探頭考慮阻抗匹配時(shí)起作用；壓電應(yīng)變常數(shù)是指當(dāng)壓東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 電體處于應(yīng)力恒定的狀態(tài)時(shí)，由于電場(chǎng)強(qiáng)度變化所產(chǎn)生的應(yīng)變變化與電場(chǎng)強(qiáng)度變化之比，它關(guān)系著晶片發(fā)射性能的好壞； 壓電電壓常數(shù)是指壓電體在電位移恒定時(shí)，由于應(yīng)力變化所產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度變化與應(yīng)力變化之比，它關(guān)系著晶片接收性能的好壞。 壓電片的振動(dòng)方式有很多種，如：薄片的厚度振動(dòng)，縱片的長(zhǎng)度振動(dòng)，橫片的長(zhǎng)度振動(dòng)，圓片的徑向振動(dòng)，圓管的厚度、長(zhǎng)度、徑向和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，彎曲振動(dòng)等。其中，以薄片厚度振動(dòng)用的最多。由于壓電晶片本身較脆，并因各種絕緣、密封、防腐蝕、阻抗匹配以及防護(hù)不良環(huán)境要求，壓電元件往往裝在殼體內(nèi)構(gòu)成探頭。 壓電晶片的振動(dòng)頻率即探頭的工作頻率，主要取決于晶片的厚度和超聲波在晶片材料中的傳播速度。壓電陶瓷晶片有一個(gè)固有的 諧振頻率，即中心頻率 0f ，為得到較高的頻率，要使晶片在共振狀態(tài)下工作。發(fā)射超聲波時(shí)，加在其上面的交變電壓的頻率要與它的固有諧振頻率 0f 一致；接收超聲波時(shí)，作用在其上面的超聲機(jī)械波的頻率也要與它的固有頻率一致。這樣，超聲傳感器才有較高靈敏度。在所用壓電材料不變時(shí)，改變壓電陶瓷晶片的幾何尺寸，就可非常方便的改變其固有諧振頻率。利用這一特性可制成各種頻率的超聲傳感器。用于超聲測(cè)距的超聲換能器的中心頻率一般為 40kHz。 超聲波 換能器有一個(gè)特定的機(jī)械共振頻率，即壓電晶片的諧振頻率，只有在相當(dāng)接近這個(gè)共振頻率時(shí)，才能有效地工作。所以必須用一個(gè)接近共振頻率的交流頻率信號(hào)施加到發(fā)射換能器上，以便使它發(fā)射適當(dāng)強(qiáng)度的超聲波，而當(dāng)反射回?fù)Q能器的超聲波偏離共振頻率較遠(yuǎn)時(shí)，則接收換能器產(chǎn)生的響應(yīng)就小 [1516]。 超聲波換能器的參數(shù)主要有： （ 1）中心頻率：是指超聲波發(fā)射換能器的諧振頻率 （ 2）靈敏度：接收換能器靈敏度為施加 聲壓時(shí)，所產(chǎn)生的電壓相對(duì)于1V/ 的分貝數(shù)；發(fā)射換能器靈敏度為施加 lV 電壓所產(chǎn)生的聲壓相對(duì)于 。 （ 3）帶寬：中心頻率處靈敏度最高。當(dāng)離開中心頻率，靈敏度下降，當(dāng)下降到一定值 (dB 數(shù) )時(shí)，兩頻率之間隔為帶寬。 （ 4）發(fā)射角：發(fā)射超聲波具有一定的指向性。 （ 5）電容：壓電陶瓷片兩極間的等效電容。 （ 6）電阻：壓電陶瓷片兩極間的電阻值。 另外，還有一些極限參數(shù)，如允許輸入電壓、溫度范圍、耐濕性等。 本設(shè)計(jì)中選用 T/R4016 型超聲波換能器。 T發(fā)射， R接收， 40中心頻率，16外殼直徑（ mm）。超聲換能器由壓電晶片、錐形喇叭、底座、引線、金屬外殼及屏蔽網(wǎng)組成。其中，壓電晶片是 換能器的核心，錐形喇叭使發(fā)射和接收超聲波的能量集中，并使換能器有一定的指向角，金屬網(wǎng)可防止外界力量對(duì)壓電晶片東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 和錐形喇叭的損害，金屬網(wǎng)也起保護(hù)作用，但不影響發(fā)射和接收超聲波。 其性能指標(biāo)：中心頻率 40? 1kHz，發(fā)射聲壓大于 115dB，接收靈敏度大于64dB/v/ubar， 6dB 指向?yàn)?50deg，電容 2400? 25%PF，允許輸入電壓 20V。其發(fā)射換能器頻率特性曲線圖如圖 21 所示。 圖 21 超聲發(fā)射換能器頻率特性 由圖可知，在中心頻率 40kHz 處，超聲發(fā)射器所產(chǎn)生的超聲機(jī)械波最強(qiáng)，即在 0f 處所產(chǎn)生的超聲聲壓能級(jí)最高。而在 0f 兩側(cè)，聲壓能級(jí)迅速衰減，因此超聲波發(fā)射時(shí)要用非常接近中心頻率 0f 的交流電壓來驅(qū)動(dòng)。同樣，接收換能器在中心頻率 0f 處輸出電信號(hào)的幅度最大，即在 0f 處接收靈敏度最高。因此，超聲波接收換能器具有很好的頻率選擇特性。 工作原理 目前，采用超聲波測(cè)量液位的方法很多，有聲波阻斷式、脈沖回波法、共振法、頻差法等連續(xù)液位測(cè)量方法，還有連續(xù)波阻抗式、連續(xù)波穿透式、脈沖反射式和脈沖穿透式等定點(diǎn)液位測(cè)量方法。脈沖回波測(cè)距法是利用聲波在同一介質(zhì)中有一定的傳播速度，而在不同密度的介質(zhì)分界面處會(huì)產(chǎn)生反射，從而根據(jù)聲波從發(fā)射到接收到液面回波的時(shí)間間隔來計(jì)算液位。根據(jù)超聲波探頭的安裝位置不同，此方法又分為液介式、氣介式、固介式三種。 ① 液介式：超聲波發(fā)射探頭置于最低液位之下，聲波以被測(cè)液體為傳播介質(zhì)，在液面發(fā)生反射； ② 氣介式：超聲波發(fā)射探頭置于最高液位之上，聲波在液面上方的氣體介質(zhì)中傳播，經(jīng)被測(cè)液體表面反射； ③ 固介式：聲波經(jīng)固體棒或金屬管傳播，經(jīng)液面發(fā)射后再由固體棒傳回接收換能器接收。這種方式由于有一定的局限性，所以應(yīng)用的較少。 發(fā)射靈敏度（ dB） 120 110 100 80 f（ kHz） 0 40f ? kHz 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 上述脈沖回波法是以測(cè)量超聲脈沖在介質(zhì)中傳播時(shí)間為基礎(chǔ)的，因此又稱時(shí)差法。除此之外還有以測(cè)量聲波衰減為基礎(chǔ)的?；诼暡▊鞑r(shí)差的脈沖回波法是應(yīng)用最廣泛的連續(xù)液位測(cè)量方法之一。 通過超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲 波，單片機(jī)在發(fā)射時(shí)刻同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即反射回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為 ν，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間 t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離。 本系統(tǒng)利用單片機(jī)控制超聲波的發(fā)射和對(duì)超聲波自發(fā)射至接收往返時(shí)間的計(jì)時(shí)。系統(tǒng)定時(shí)發(fā)射超聲波，在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器，利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。當(dāng)收到超聲波的反射波時(shí)，接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，單片機(jī)檢測(cè)到這個(gè)負(fù)跳變信號(hào)后，停止內(nèi)部計(jì)時(shí)器記時(shí)，讀 取時(shí)間，計(jì)算距離，測(cè)量結(jié)果輸出。 圖 22 超聲波測(cè)距時(shí)序圖 圖 22 表明只需要提供一個(gè) 10 微秒以上脈沖觸發(fā)信號(hào)，該模塊內(nèi)部將發(fā)出 8個(gè) 40kHz 周期電平并檢測(cè)回波。一旦檢測(cè)到有回波信號(hào)則輸出回響信號(hào)。 回響信號(hào)的脈沖