超声波液位计的设计

基于参考声速法超声波液位的测量专业：电机与电器班级：06班姓名：陈志伟学号：*******基于参考声速法超声波液位的测量摘要目前市场上的超声波液位计品种多样，大多采用温度补偿方法对超声波传播速度进行校正，以提高仪表测量精度。

此方法需在系统外加一个温度测量单元，通过测量环境温度，获得实际声速；由此也引进了温度测量误差，从而限制了系统精度的进一步提高。

本文是利用参考声速法实现声速校正的超声液位测量系统。

设计中采用气介式测量方式，将一个反射性能良好的挡板固定在超声波探头和液面之间，通过测量挡板回波的时间，实现精确的声速校正，从而大大提高液位测量精度。

此系统不但继承了传统超声波液位计的优点，而且无需采集环境温度，避免了由于测温误差引起的系统误差。

文中以超声波原理为理论依据, 以超声波传感器为接口部件, 利用超声波在空气中传播的时间差来测量距离, 从而设计了一套超声波测距系统。

这种新型声速校正方法相对于传统补偿方法，性能更加优越，是今后超声波液位测量的发展方向，具有广阔的发展前景。

关键词：超声波液位计，探头，声速校正，挡板第一章绪论1.1液位测量的意义近年来，随着电子技术的迅速发展，液位测量仪表中的测量技术经历了有机械向机电一体化再到自动化的发展过程。

结合这两大技术，尤其是将微处理器引进液位测量系统，使得液位计的精度越来越来高，越来越来向智能化、一体化、小型化发展。

在实际应用中，可根据需要选择合适的液位计，满足测量精度、测量环境等多方面的要求。

1.2液位计的种类根据工作原理的不同，液位计可分为以下几种：直读液位计，浮子液位计，静压液位计，电磁液位计，超声波液位计，光纤液位计等等。

传统的液位计逐渐被这些新型液位计所取代。

新型液位计无论是在精度稳定性，还是在智能测量方面都比传统液位计有着明显的优势，是今后液位计发展方向。

其中超声波液位计以其低成本高精度非接触式稳定性好等优势受到广泛青睐，发展出了适应不同场合的超声波液位计，广泛应用于石油化工，航空航天，水利，气象，环保医疗卫生，食品饮料等多个领域。

超声波液位计是非接触测量中发展最快的一种。

该技术基于超声波在空气传播速度及遇到被测液体产生反射的原理。

可实现非接触测量、测量范围宽、并且测量不受介质密度、介电常数、导电性等的影响，因此它的使用范围非常广泛，包括水渠、油罐、粘稠、腐蚀性及有毒液体等的液位测量。

我国从就是年代开始将超声波测距技术应用到河流、湖泊等水体的水位测量中，以及油、浆等液体的液位测量中，超声波液位测量技术在越来越来多领域发挥极其重要的作用。

1.3超声波液位计概况1.3.1国内外的超声波液位计发展在国际上，把超声波技术用于液位测量己有较长时间，我国从20 世纪90 年代开始发展，将超声测距技术应用到河流、湖泊、水、渠等水体的水位测量中，以及油、浆等液体的液位测量中。

目前国内高精度超声液位测量仪表的发展主要采用引进加吸收等手段，还有许多合资企业代理国外相应产品。

国内自主研发超声波液位计的公司极少，不足十家，而且在测量范围，死区范围和精度都低于国外超声仪表的平均水平。

有的厂家只有生产设备，没有标定装置。

由此可见，我国在该领域的发展相对国外还有较大差距，在产品性能指标、仪表可靠性、企业技术力量等方面都落后于西方发达国家。

就精度一项指标而言，目前国内超声波液位测量精度目前一般只达到3mm 或0.5%，盲区最小为30cm 。

影响精度的因素除了超声波传感器本身的制作工艺外，还与发射和接收电路的性能以及误差的修正方法有关。

随着人们对引起测量误差因素的认识以及解决方法的提出，测量精度在逐步提高。

近年来国内相关单位也加大了对这一领域的研究力度。

在北京、上海、无锡、杭州等城市,均有一些公司小批量生产超声液位仪表,并不断开发新产品。

天津中环天仪集团正在推出的超声波液位计具有0.2%的精度，1mm分辨力，是新品的代表之一。

深信不久的将来,我国产品一定会有更加长足的进步。

1.3.2超声波液位计的优点与局限性与其他种类的液位计相比，超声波液位计具有以下优点：(1)非接触测量，超声波换能器安装在页面上方，不与被测介质接触，可方便的测量腐蚀性、粘稠性或有毒液体。

(2)适应性强，适用范围广，不受介质密度、介电常数、导电性的影响，对被测液体的物理化学性质的适应性极强。

(3)适用于有毒、有腐蚀、高粘度的液体测量，弥补了其他液位计在此类恶劣性测量环境的不足。

(4)通用性好，液位计即可测量开区液位，也可测量大型储油罐等液体液位。

安装拆卸方便。

(5)几乎没有机械可动部件，无磨损，使用寿命长，重量轻。

换能器内的压电元件以声频振动，振幅小，寿命长。

1.3.3超声波液位测量方法目前，采用超声波测量液位的方法很多，有声波阻断法、脉冲回波法、共振法、频差法等连续液位测量方法，还有连续波阻抗法、连续波穿透式、脉冲反射式和脉冲穿透式等定点液位测量方法。

（1）声波阻断式是利用超声波在气体、液体和固体中被吸收而衰减的情况不同，来探测在超声波探头前方是否有液体或固体存在。

当夜位达到预定高度时，超声波被阻断，即可发出报警信号或进行限位控制。

（2）脉冲回波测距法是利用声波在同一介质中有一定的传播速度，而在不同的密度的介质分界面处会产生反射，从而根据声波从发射到接收到液面回波的时间间隔来计算液位。

根据超声波探头安装的位子不同，该方法可分为气介式、固介式、液介式三种。

液介式：图1-1a液介式单探头图1-1b液介式双探头图1-1c底置探头气介式：图1-2a气介式单探头图1-2b气介式双探头固介式：声波经固体棒或金属管传播，经液面发射后再由固体棒传回接收换能器。

这种方法由于由于有一定的局限性，所以应用的很少。

（3）共振法测量液位的基本原理是通过调节超声波的频率，使得探头和液面之间建立共振状态，根据共振频率和介质声速计算出探头至液面的距离。

如果不知道声速，也可以利用某一固定距离测量时的共振，两者比较，计算探头至液面的距离。

第二章系统总体设计方案2.1超声波声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。

所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。

譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。

超声波是指振动频率大于20000Hz以上的,其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的上限（20000Hz），人们将这种听不见的声波叫做超声波。

超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。

为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。

完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。

超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。

超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。

2.2超声波换能器应用超声波进行测量，首先要解决的问题是如何发射和接收超声波，这就要用到超声波换能器。

超声波换能器是整个电路中最关键的器件，又称为超声波探头。

它的作用是完成电能与声能的相互转换。

发射换能器将其他形式的能量转换成超声能量，接收换能器将超声能量转换成其他易于检测的能量。

超声波探头使用最多的是由压电晶片(或压电陶瓷)制成的换能器。

超声波的接收和反射是基于压电晶片的压电效应和逆压电效应。

其工作原理是：当压电晶片受发射脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，此即逆压电效应。

当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，此为正压电效应。

前者是超声波的发射，后者为超声波的接收。

压电晶片的振动频率即探头的工作频率，主要取决于晶片的厚度和超声波在晶片材料中的传播速度，为得到较高的频率，要使晶片在共振状态下工作，此时晶片厚度为1／2波长。

其中，PVDF 压电薄膜材料除了具有良好的物理性能外，在厚度、面积上有很大的选择余地，易于加工且频率范围宽，常用来制成40kHz～300kHz的超声换能器13引。

压电晶片的材料通常有：锆钛酸铅陶瓷(P)，钛酸钡陶瓷(B)，钛酸铅陶瓷(T)，铌酸锂单晶(L)、碘酸锂单晶(1)、石英单晶(Q)以及其他压电材料(N)。

表2-2儿种常用压电晶片材料的主要参数注：压电材料的居罩点是指压电材料完全丧失压电效应的温度；介电常数反映材料的介电性质，在制造探头考虑阻抗匹配时起作用；压电应变常数是指当压电体处于应力恒定的状态时，由于电场强度变化所产生的应变变化与电场强度变化之比，它关系着晶片发射性能的好坏；压电电压常数是指压电体在电位移恒定时，由于应力变化所产生的电场强度变化与应力变化之比，它关系着品片接收性能的好坏。

压电片的振动方式有很多种，如：薄片的厚度振动，纵片的长度振动，横片的长度振动，圆片的径向振动，圆管的厚度、长度、径向和扭转振动，弯曲振动等。

其中，以薄片厚度振动用的最多。

由于压电晶片本身较脆，并因各种绝缘、密封、防腐蚀、阻抗匹配以及防护不良环境要求，压电元件往往装在一壳体内构成探头。

2．2.1 基本原理以石英晶体作为压电材料的超声波换能器，利用压电晶片的压电效应和逆压电效应来实现超声波的接收和反射。

逆压电效应是指：当压电晶片受发射脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，此为超声波的发射。

正压电效应是指：当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，此为超声波的接收。

压电晶片的振动频率即探头的工作频率，主要取决于晶片的厚度和超声波在晶片材料中的传播速度。

压电陶瓷晶片有一个固有的谐振频率，即中心频率f0，为得到较高的频率，要使晶片在共振状态下工作。

发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率f。

一致；接收超声波时，作用在其上面的超声机械波的频率也要与它的固有频率一致。

这样，超声传感器才有较高灵敏度。

在所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便的改变其固有谐振频率。

利用这一特性可制成各种频率的超声传感器。

用于超声测距的超声换能器的中心频率一般为40kHz。

超声波换能器的压电晶片安装在一个小型外壳里，外壳的前面由一种声波很容易通过的金属丝网组成，在换能器的背面有两个电接头。

将两个压电晶片粘在一起，它们的每个外表面都有作为施加电位用的镀银电极。

制作过程中，在晶体片上形成电荷偶极子，并使其校准在一个确定的方向上，即“极化方向’。

在双压电晶片组成的板里，两个压电片的极化方向是相反的。

一个沿极化方向上所施加的外电场，将使晶体片随电场的极性发生膨胀或收缩，从而引起整个组件的弯曲。