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技術文章
非接觸性是超聲波液位計在液位測量中的優勢體現明顯
閱讀次數：711 發布時間：2019/12/8 9:24:38
非接觸性是超聲波液位計在液位測量中的優勢體現明顯
目前，超聲波液位測量技術已經成熟，相關的測量設備在各個工業板塊大量使用且應用非常廣泛，但其采用的方法和原理卻不盡相同，主要因為現在工業領域的需求不同，比如：開闊環境下的測量和密封環境下的測量和對成本的控制要求等。針對不同的需求應采用適合的超聲波液位測量的方法，同時采用相適應的超聲波液位計產品。因此，了解相關超聲波測量方法的優缺點，掌握超聲波的基本原理顯得至關重要。
在現在工業測量領域，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：空氣介質的測量、液體介質的測量、固體介質的測量。適用于各種形式的被測液體，三種方式可以根據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、在不同介質面容易反射、沒有太多機械部件等特點，智能化的超聲波液位計的測量系統還廣泛的運用于河流、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超聲波的相關介紹
超聲波屬于聲波，是機械波的一種。聲波是震動的聲源體在周圍彈性介質中引起的波動。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的傳播才到達人的耳膜，從而引起耳膜的振動刺激到人的聽覺神經，人們才能聽到物體發出的聲音。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，波長九，傳播速度C還有就是其頻率f，三個物理量對應的關系式為
C=f*λ
能夠產生超聲波的方法有很多，常用的有壓電效應法、磁致伸縮效應法、和電效應法等，通常在工業領域中壓電效應法用的最多。超聲波為什么在液位和無損測量領域應用的如此廣泛，主要其有如下幾個優點：
1)超聲波具有良好的指向性。在現在的工業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。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，在一些特殊材料中，比如在金屬材料中穿透可達數米，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。所有的波都會發生反射現象，超聲波也不例外。當發射出的超聲波遇到二種介質的分界面時，若二種介質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生共振，所以對人身體無害，也不會給自然環境帶來傷害。
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的運用中，主要是利用了超聲波特有的反射、折射等物理的特性進行的測量，現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，運用比較廣泛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，由超聲波發射電路發射激勵脈沖，經過變壓器升壓后產生高壓脈沖，高壓脈沖驅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，當發射出去的脈沖遇到介質分界面時開始返回，回波脈沖達到超聲波傳感器后轉換成電信號，回到接收電路進行處理，由微控制器計算超聲波脈沖發出到接收的時間，在知道超聲波在被測介質中的傳播速度后，在軟件中寫入相關公式，最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，要想得到較準確的測量值，還要對其進行溫度的補償，通常情況下空氣介質中的補償公式為
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前端的重要部分。一旦設備中換能器的參數和制作工藝選定，后面的電路設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來設計，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構，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，超聲波產生的方法有很多，工業中常用到的就是通過壓電陶瓷的壓電效應的方法來實現，而壓電效應又可分為正壓電效應和逆壓電效應，也就是說其可以通過施加在換能器上的機械變形讓其產生電場，也可以通過施加電場讓其產生機械變形130-311。所謂的正壓電效應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生變形，在晶體材料上出現帶有正負的電荷。而當外力去掉后，晶體材料又恢復到不帶電的狀態，這種現象稱之為正壓電效應，相反當在晶體的材料上施加一定的電場，使其產生伸縮變形，電場消去后變形也消失，這種現象稱之為逆壓電效應。這二種效應是可逆的物理效應，統稱為壓電效應。
如圖2．2所示的換能器，當超聲波液位計發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，二者就會產生共振，從而使其由機械形變產生超聲波，反之，當回波脈沖信號反射回超聲輻射面時，共振效應又會使得壓電晶體的機械信號轉換成電信號。整個超聲的收發過程變完成了。
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，其中有的根據耦合的不同又可分為接觸式的探頭和液浸探頭。根據其波束和晶片數又可分為聚焦、非聚焦、單晶、雙晶等探頭。其中每個探頭根據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，應用在無損領域的板材探傷較多；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，探頭的類型是首先要考慮的，根據所需測量部位的可達性，對超聲波衰減性進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，聲波的擴散角度小，方向性就好，但其近場區長度加大，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
當脈沖激發電路產生的激發脈沖頻率與換能器中的壓電晶體本身頻率相同或相近時，換能器內的壓電晶體會產生共振，在換能器產生振動的時間內如果超聲波到達分界面反射回的回波達到換能器時，此時的回波信號會淹沒在振動信號中，導致測量產生誤差，這部分不可測量的距離就是盲區。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，導致不斷衰減后的信號消失或無效，另一方面也會導致在罐體中無用的反射信號增加，從而加大測量的盲區。
通常測量的量程與盲區是相互制約的。當換能器選定時，換能器本身的一些基本參數也就確定，要想增大測量量程可以適當增大其功率，這會使得壓電晶體的余震時間變長，盲區變得更大，反之，適當的減小盲區可以減小功率，這又會使得測量量程變小。
盲區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點，但是由于材料和本身特性決定了盲區無法消除，但是可以采用一些措施有效的減小盲區給測量帶點來的誤差。可以從以下幾點：
1)可以通過改進超聲波液位計換能器的材料和制作工藝，優化其結構。相比較而言，雙探頭的超聲波液位測量系統比收發一體的測量系統盲區要小，若能減小其余振帶來的影響就可以減小盲區。
2)提高液位計發射的超聲波在介質中的透射率。研究分析所需測量系統的特點，根據測量需求改善超聲波在介質中的透射環境，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過衰減的，根據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行補償，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。
2．5本章小結
本章對超聲波液位計液位測量應用中的相關原理和方法進行了介紹，對超聲波的概念進行闡述。了解了非接觸性是超聲波在液位測量中的優勢體現，對超聲波的產生機理和本身傳播過程中的特點進行了分析。最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的介紹和改善也進行了相關的說明。在以上的論述中可以發現非接觸測量優點及其良好的應用前景，在總結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鍵點后，對后文的總體設計中要注意的事項起到很好參考價值。
目前，超聲波液位測量技術已經成熟，相關的測量設備在各個工業板塊大量使用且應用非常廣泛，但其采用的方法和原理卻不盡相同，主要因為現在工業領域的需求不同，比如：開闊環境下的測量和密封環境下的測量和對成本的控制要求等。針對不同的需求應采用適合的超聲波液位測量的方法，同時采用相適應的超聲波液位計產品。因此，了解相關超聲波測量方法的優缺點，掌握超聲波的基本原理顯得至關重要。
在現在工業測量領域，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：空氣介質的測量、液體介質的測量、固體介質的測量。適用于各種形式的被測液體，三種方式可以根據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、在不同介質面容易反射、沒有太多機械部件等特點，智能化的超聲波液位計的測量系統還廣泛的運用于河流、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超聲波的相關介紹
超聲波屬于聲波，是機械波的一種。聲波是震動的聲源體在周圍彈性介質中引起的波動。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的傳播才到達人的耳膜，從而引起耳膜的振動刺激到人的聽覺神經，人們才能聽到物體發出的聲音。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，波長九，傳播速度C還有就是其頻率f，三個物理量對應的關系式為
C=f*λ
能夠產生超聲波的方法有很多，常用的有壓電效應法、磁致伸縮效應法、和電效應法等，通常在工業領域中壓電效應法用的最多。超聲波為什么在液位和無損測量領域應用的如此廣泛，主要其有如下幾個優點：
1)超聲波具有良好的指向性。在現在的工業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。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，在一些特殊材料中，比如在金屬材料中穿透可達數米，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。所有的波都會發生反射現象，超聲波也不例外。當發射出的超聲波遇到二種介質的分界面時，若二種介質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生共振，所以對人身體無害，也不會給自然環境帶來傷害。
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的運用中，主要是利用了超聲波特有的反射、折射等物理的特性進行的測量，現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，運用比較廣泛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，由超聲波發射電路發射激勵脈沖，經過變壓器升壓后產生高壓脈沖，高壓脈沖驅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，當發射出去的脈沖遇到介質分界面時開始返回，回波脈沖達到超聲波傳感器后轉換成電信號，回到接收電路進行處理，由微控制器計算超聲波脈沖發出到接收的時間，在知道超聲波在被測介質中的傳播速度后，在軟件中寫入相關公式，最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，要想得到較準確的測量值，還要對其進行溫度的補償，通常情況下空氣介質中的補償公式為
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前端的重要部分。一旦設備中換能器的參數和制作工藝選定，后面的電路設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來設計，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構，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，超聲波產生的方法有很多，工業中常用到的就是通過壓電陶瓷的壓電效應的方法來實現，而壓電效應又可分為正壓電效應和逆壓電效應，也就是說其可以通過施加在換能器上的機械變形讓其產生電場，也可以通過施加電場讓其產生機械變形130-311。所謂的正壓電效應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生變形，在晶體材料上出現帶有正負的電荷。而當外力去掉后，晶體材料又恢復到不帶電的狀態，這種現象稱之為正壓電效應，相反當在晶體的材料上施加一定的電場，使其產生伸縮變形，電場消去后變形也消失，這種現象稱之為逆壓電效應。這二種效應是可逆的物理效應，統稱為壓電效應。
如圖2．2所示的換能器，當超聲波液位計發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，二者就會產生共振，從而使其由機械形變產生超聲波，反之，當回波脈沖信號反射回超聲輻射面時，共振效應又會使得壓電晶體的機械信號轉換成電信號。整個超聲的收發過程變完成了。
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，其中有的根據耦合的不同又可分為接觸式的探頭和液浸探頭。根據其波束和晶片數又可分為聚焦、非聚焦、單晶、雙晶等探頭。其中每個探頭根據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，應用在無損領域的板材探傷較多；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，探頭的類型是首先要考慮的，根據所需測量部位的可達性，對超聲波衰減性進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，聲波的擴散角度小，方向性就好，但其近場區長度加大，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
當脈沖激發電路產生的激發脈沖頻率與換能器中的壓電晶體本身頻率相同或相近時，換能器內的壓電晶體會產生共振，在換能器產生振動的時間內如果超聲波到達分界面反射回的回波達到換能器時，此時的回波信號會淹沒在振動信號中，導致測量產生誤差，這部分不可測量的距離就是盲區。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，導致不斷衰減后的信號消失或無效，另一方面也會導致在罐體中無用的反射信號增加，從而加大測量的盲區。
通常測量的量程與盲區是相互制約的。當換能器選定時，換能器本身的一些基本參數也就確定，要想增大測量量程可以適當增大其功率，這會使得壓電晶體的余震時間變長，盲區變得更大，反之，適當的減小盲區可以減小功率，這又會使得測量量程變小。
盲區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點，但是由于材料和本身特性決定了盲區無法消除，但是可以采用一些措施有效的減小盲區給測量帶點來的誤差。可以從以下幾點：
1)可以通過改進超聲波液位計換能器的材料和制作工藝，優化其結構。相比較而言，雙探頭的超聲波液位測量系統比收發一體的測量系統盲區要小，若能減小其余振帶來的影響就可以減小盲區。
2)提高液位計發射的超聲波在介質中的透射率。研究分析所需測量系統的特點，根據測量需求改善超聲波在介質中的透射環境，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過衰減的，根據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行補償，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。
2．5本章小結
本章對超聲波液位計液位測量應用中的相關原理和方法進行了介紹，對超聲波的概念進行闡述。了解了非接觸性是超聲波在液位測量中的優勢體現，對超聲波的產生機理和本身傳播過程中的特點進行了分析。最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的介紹和改善也進行了相關的說明。在以上的論述中可以發現非接觸測量優點及其良好的應用前景，在總結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鍵點后，對后文的總體設計中要注意的事項起到很好參考價值。
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