（测试计量技术及仪器专业论文）超声波液位测量技术在航空领域应用的研究.pdf

四川大学硕士学位论文 超声波液位测量技术在航空领域应用的研究 测试计量技术及仪器 研究生钟慧婷指导老师廖俊必 在航空油量测量系统中，燃油油位的精确、稳定测量，对飞机燃油油量控 制有着重要作用。目前燃油油位检测普遍采用电容式传感器，电容式传感器有 精度低、稳定性差、对煤油含水敏感等缺点。因此，设计和开发一种具有高精 度、高稳定性并且抗干扰能力强的液位测量仪，对航空油量的控制有重要的意 义。 随着各种新型检测技术的出现和微处理技术的进步，液位检测技术有显著 发展。其中超声波检测技术以其优秀的性能、低廉的价格和使用方便等优点被 广泛应用于各个领域的液位测量。超声传感器相对于电容式传感器具有结构简 单、测量精度高、测量稳定性好、抗干扰能力强等优点，但超声传感器仍存在 测量盲区，对倾斜液面检测困难的缺点。要实现超声技术在航空领域液位测量 的应用，就必须在发挥超声技术的测量优势的同时，减小超声波传感器的盲区、 实现对动态倾斜液面的检测。 本文围绕超声波液位测量技术在航空领域的应用这一目标，对超声波传感 器的结构、超声波液位测量仪的系统和测量的算法进行了研究，设计了一种动 态高精度超声液位实时测量仪，它具有小盲区、抗振动以及能实现大角度倾斜 液面测量等特点。 针对航空测量环境，本系统采用波导管结构，它避免油箱结构对测量的影 响的同时，屏蔽了油箱内外部机械波的相互干扰。波导管底部通液孔保证了导 管内液面对油箱液面跟随的同时减小了管内被测液面的波动。因超声波回波测 量法的原理限制，液面发生大角度倾斜时，系统无法收到回波信号，本文通过 大量的实验研究提出浮子反射测量法，该法实现了浮子对倾斜液面的跟随，在 液面发生倾斜时，接收浮子底部反射的超声波实现测量，能检测到倾斜角高达 5 0 度时的液面。 为避免温度、压强、液体波动等因素对声速的影响所带来的测量误差，本 四川大学硕士学位论文 系统提出利用标尺块实现的液位高度算法，避免了声速变化对测量精度影响。 本文通过对超声波波动特性和换能器振动原理的分析，提出叠加消除法消除超 声波拖尾，并软件仿真和实验证明该方法的对消除拖尾的效果。因标尺块的引 入，超声波的回波信号变得比较复杂，在对各种回波信号的识别过程中，根据 回波性质的不同对回波进行分别识别。为了防止各种突发信号( 强振动、外机 械波) 对测量回波信号的干扰，本文提出了标准值对标尺块辨别，提高了系统 进行液位测量的抗振动、抗干扰能力。 最后文章对仪器各方面性能进行实验和测试，实验数据充分证明了超声波 技术在航空测量领域的应用潜力。 盲区 关键词：超声波液位测量高精度测量动态液位测量倾斜液位测量 四川大学硕士学位论文 t h es t u d yo f t h eu l t r a s o n i c1 e v e lm e a s u r i n g t e c h n 0 1 0 9 yi na v i a t i o n m a j o r ：m e a s u r i n gt e c h n o l o g ya n di n s t r u m e n t s t u d e n t ： z h o n gh u i t i n g a d v i s o r ：l i a oj u n b i a c c u r a t ea i l ds t a b l em e a s u r e m e n to ft h ea v i a t i o no i l i sv e r ) ，i m p o 姗tt o c o n t r o l l i n gt h e 锄o u n to fo i lm 2 l i r c r a ro i lm e a s u r i n gs y s t e m a tp r e s e n t ，a l m o s ta l l m ea v i a t i o ng a s o l i n et a n ko i ll e v e li sm e a s u r e db yc 印a c i t i v es e n s o r sw 1 1 i c ha r e s e n s i t i v et om ew a t e ri nk e r o s e n ea i l dw i t ho t h e rd i s a d v a n t a g e ss u c h a sl o wp r e c i s i o n a n db a d 虹b i l i 够t h e r e f o r e ，ai l e wt y p eo fl l i g h - p r e c i s i o na i l dl l i g h 趾t i d i s t u r b c a p a c i 锣，咄l b l em e a s u r e m e n ti i l s 饥胍e n t f o ra v i a t i o nl i q u i dl e v e li so f 缈a t s i g i l i f i c a n c e a l o n g 谢t hm ee m e r g e n c e o fv 撕o u sn e wm e a s 证n gt e c 蛔【o l o g i e sa i l d i m p r o v e m e n t o fm i c r 0 p r o c e s s i n gt e c l l i l o l o g y ， t h e l i q u i d l e v e lm e a s u r e m e m t e c h n o l o g ) ，h a sb e e nr e m 酞a b l yd e v e l o p e d u l t r a s o m cm e a s u r i n gt e c l l l l o l o g y i s 埘d e l yu s e di na l la s p e c t so fl e v e lm e a u s u r e m e n tb e c a u s ei t i sn o to n l yb e i n g 晰t h e x c e l l e n tp e r f o m a n c e sa n d1 0 wp r i c eb u ta l s ob e i i l gw i mc o n v e l l i e n c e c o m p a r e dt 0 c a p a c i t i v es e n s o r s ，u l 仃a s o l l i cs e n s o r sa r em u c hb e t t e ri nc o n | j 删i o i l ，p r e c i s i o n ， 妇b i l i t va 1 1 da n t i d i s t u r b b u tb l i n dz o n es t i l le x i s ti nu l t r a s o n i cl e v e lm e a s u r e m e m a i 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b r a t i o n 龇l db i gt h et i h i r 培 a i 培l e c o n s i d e r i n gt h ei i l t e m a le n v i r o 姗e mi nt h ea v i a t i o n ，1 ew a v e - g u i d es t m c t u r ei s i i l _ 订o d u c e di r l t od e s i g nt o 孙，0 i dm ei n t e r f e r e n c eb r o u g h tb yc o 硼【p l e xs t r u c t u l eo ft h e t a r l ka n de x t e m a lm e c h a 血c a lw a v e t h ep o r e sa tt l l eb o t t o mo ft h ew a v e - g u i d e e n s u r et h a tt l l ef 犯eo fi n 缸a d u c t a ln u i dg oc h a l l g i n gw i t l ll i q u i dg a s o l i n et a l 出锄d a l s or e d u c e 也em e a s u r e dl i q u i dl e v e ln u c 曲眦i o n u 1 饥塔o m ce c h om e a s u r e m e n t p r i n c i p l eh a s1 i i i l i t a t i o n sw 1 1 i c hm l | ，e se c h oc 锄n o tb er e c e i v e di nt 1 1 ew i d e - a i l g l e m e a s u 舱m e n ts ot 1 1 a tam e 也o do fb d b b e rm e 懿u r i l l gi sp r o v i d e db a s e do nal o t0 f 蚰n yo f 恤b o b b e rr e n e c t i o nm e a s u r e m e n t ，t l l eb o b b e r i sd e s i 印e dt of o l l o 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c a l e m a k e st ：h eu l 缸a s o i l i ce c h os i 印砒b e c o m em o r ec o m p l i c a t e d v a r i o u se c h os i 盟a l sa r e s e p a r a t e l yi d e n t i f i e da c c o r d i l l gt ot h ed i f j 凫r e mn 砷i r eo f t l l ee c h o i no r d e rt op r e v e n t s u d d e ns i g n a l s ( s t r o n gv i b r a t i o n ，i i l e c l l a m c a lw a v eo u t s i d e ) 矗i o mb r i n g i n gs i g n a l i n t i 耐l e r e n c eh l t 0 吐l em e 跚玳釉肋to ft h ee c h o ，c a l i b r a t i o nv a l u ei sp r e s e n t e dt o d i s t i n g u i s ht l l es c a l e st oi m p r 0 v e t h ea b i l i t ) ，t oa n t i - v i b r a t i o na n t i d i s t u r b f i n a l l y ，a l lt h ep e 墒m a i l c e so fm e a s u r i n gi n s t r i m l e n th a v eb e e nt e s t e da n d e x p e r i m e n t e dw h i c hp r 0 v et 1 1 a tu l t r a u s o n i cm e a s u r e m e n tt e c l l i l o l o g yi sp o t e n t i a li nn l e f i e l do fa v i a t i o n k e y w o r d s ： u l t r a s o l l i cl e v e lm e a s u r e m e n t l l i 曲- p r e c i s i o nd y n 锄i c 1 e v e l m e a s l l r e m e n tt i t l i n gl e v e lm e a 吼l r e m e n t s b l i i l dz o r l e i v 四川大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归四川大学所有，特此声明。 作者签名： 7 4 导师签名： 时间： 赢饵， 司ls 、乞女 四川大学硕士学位论文 第一章绪论 燃油液位测量是飞机燃油测量系统的重要组成部分，燃油测量系统的精度、 可靠性和维护性对飞机整体性能有着重要的影响n 。4 1 。燃油液位是一个动态的测 量量：随飞机的俯仰、倾斜或加速度等姿态变化，液面出现激烈振动、或与油 箱底面形成大的倾斜角，给测量带来难度。燃油的各参数对飞行的控制和安全 有着重要作用，油箱内部存在大量的传感器和测量设备，使得被测油箱内电磁 环境复杂。 1 1 航空液位测量的现状及意义 目前的液位测量的方法虽然多，但因受航空使用条件的限制，实际应用的 液位测量方法很少。目前应用比较广泛的还是比较原始的测量的方法如，浮子 式、电阻式、电容式等口1 。浮子式液位测量：利用浮在液面上的浮子，通过机械 传动机构，把位移转换成电信号获得。这种方法精度不高，且设备笨重大大增 加了飞机的负载，目前这种方法只在比较老的机型中使用。电阻式液位测量： 利用热敏电阻器件侵入或露出液面，引起其电阻值发生改变，通过检测电阻值 变化来测量液位。这种方法不能连续测量，只被用作对飞机上燃油油位控制和 低油位报警的一种油位信号器。电容式液位测量，通过电容式液位传感器将液面 高度变化转换成电容量变化输出，转换成液位。因电容式液位传感器具有结构 简单，重量轻等优点，国内现役飞机上大多都采用电容式液位测量。但这种方 法存在的主要问题是测量系统的可靠性较低，维修时间较多，平均无故障工作 时间较短。电容传感器的防水性能较差，而燃油中常存留水和溶解水杂质乜1 ，电 容式传感器常因此出现故障，可靠性大大降低。相对现代技术电容式液位测量 还存在测量误差大，指示精度不高，可靠性低等特点。 燃油测量系统的精度、可靠性的提高对飞机综合效能有着重要的影响。对 战斗机而言，提高油量测量精度可以大大增加其有效载荷、航程和作战半径； 而对民用飞机而言，则可以大大改善其经济性。现有的燃油量测量装置的测量 精度在空中只能达到满刻度的4 左右，一般大型运输机满载油量通常为几十 吨，即使按1 的精度来计算，起误差也有几百公斤，是飞行控制中所不能接受 的，但目前仍在勉强使用踊1 。随着当今燃油日益短缺，在飞机或其它设备中需要 四川大学硕士学位论文 有效的利用燃油。研究高精度的燃油质量测量装置，能有效解决这一问题，而 对油位进行准确高精度的测量是其中重要的一环。 因此研制具有较高精度的燃油量测量系统是十分必要的，而其中离不开对 燃油的油位进行高精度实时测量。飞机燃油油量测量的重要性和目前飞机油位 测量的现状，设计性能可靠、安全性能好、能实现动态环境下对油位的高精度 测量技术具有重要的意义。 1 2 液位测量技术的发展和应用现状 近年来由于微电子技术的发展和新的检测原理的应用，使得液位检测技术 得到迅猛的提高，出现了许多新的测量方法和原理。根据测量原理的不同可分 为超声波测量法、光纤测量法、磁致伸缩测量法、雷达测量法吲。各种方法各 有优缺点，其中超声波测量技术以其性能优越、价格低廉和使用方便等特点被 认为是很有潜力的航空液位测量方法之一。超声波相对光纤液位法有1 、对色彩、 光照度不敏感，能避免燃油内出现不透光物质的影响；2 、超声波对电磁场不敏 感，可用于电磁场强复杂的环境。超声波相对磁致伸缩测量法存在传感器的机 械机构简单、成本低，易于实现小型化和集成化的特点。相对于雷达这种被国 际公认为测距最理想的传感器n 们，超声波测量法有不受电磁干扰，信号检测和 处理简易，系统简单价格低廉和便于安装稳定性好等特点。因此超声波液位测 量技术被广泛应用于石油、化工、港运、船舶、航空和坦克等各个领域。1 副。 超声波液位测量，是基于超声波在声阻抗率不同的媒介分界面上产生反射 的特性。由超声波换能器发出的超声波在液体与气体的分界面发生反射，产生 回波被换能器接接收，依据换能器发射超声波到再次接收到超声波所历经的时 间可测出液位。超声传感器相对于电容传感器具有结构简单、测量精度高、测 量稳定性好、抗干扰能力强等优点，但超声测量同样存在测量盲区和倾斜液面 检测困难等缺点。要实现超声波在航空领域的应用，就必须发扬超声测量优势 的同时，减小超声测量盲区和实现其对动态倾斜液面的测量。 目前国外超声波液位测量技术在航空领域的研究领先于国内。文献显示， c 一1 3 0 、波音7 7 7 等已采用超声波油位测量传感器对其燃油油量的测量，并正逐 渐取代传统电容式油位测量传感器。 目前国内各大高校，北京理工大学、武汉大学、华中科技大学，国防科大、 2 四川大学硕士学位论文 山东大学等都在对超声波测距系统的测量精度、盲区、抗干扰、温度补偿、量 程等方面进行深入的研究。下面我们简单评述超声波液位测量盲区、精度等方 面的研究现状及其适用的范围。 超声波测距系统一般存在测量盲区，在精度要求较高的应用领域对盲区的 要求会相应提高。文献n 剐武汉大学自动化系研究指出，产生盲区的主要原因是 由于电声换能器在电气阻尼振荡和机械阻尼振动共同作用下，产生余振阻尼衰 减信号与回波信号叠加混淆。并提出减小发射波串的长度，发射频率高，波长 减小，可以变相的减小超声波的盲区。文献n 7 3 华中科技大学控制科学与工程系 研究提出增大接收信号的放大倍数以使其与拖尾信号相区别的方法。文献n 踟n 钔 武汉大学电子信息学院和北京理工信息科技技术学院提出根据发射功率越大， 拖尾信号越大的特点。近距离时，减小发射功率，达到减小盲区的目的。文献乜们 中原科学院电子信息学院设计一种拖尾的吸收电路。这些方法作用受到信号强 度的限制，对小功率信号作用不明显。本文将在第六章的减小系统盲区研究中 具体分析减小盲区的方法。 由超声波回波测量法的公式可知，测量精度由两个方面决定：其一是声速； 其二是声波传播的时间。许多测量环境受到温度的影响，声速以常量的方式带 入计算，当温度发生变化时，往往会带入较大的测量误差，文献曙卜矧北京交通大 学、河北科技师范学院、安徽工学院等都提出用温度对声速校正，实现较高精 度测量的目的，但声速往往还受到传播介质的湿度、压强、波动等因素影响， 只考虑温度是不够的。文献乜7 蚓中南大学机电学院和鞍山科技大学则提出用标 准块装置校正声速的方法，该方法通过标准块实现对当前声速的实时测量，显 然该方法的精度比仅仅通过温度对声速的校正方法的精度高，并且方法简单， 不用增加测量器件，是一种提高测量精度的有效方法。超声波的传播时间的精 度通常由对回波信号的捕捉精度决定，传统的超声波测量系统采用固定阀门法， 对回波进行检测，文献啪 3 1 华中理工、厦门大学等都分析了固定阀门法的缺点， 并提出各种解决的方法，其中一种高精度超声波测距处理方法提出用线性方程 对其进行测量误差进行修正；另一种超声波可变阈值测距装置，因回波随距离 增加迅速衰减，为了保证每次在同一个波头触发计时器，采用可变阀值检测法。 各种方法虽然采用的原理、实现的难易程度上有差别，但都在一定程度上提高 采样的精度，可以根据应用的实际情况选择处理方法。 四川大学硕士学位论文 动态环境下液位的测量是超声波技术应用的难点，特别是飞机大姿态动作 或加、减速时，待测液面和超声波发射面成4 0 5 0 的大角度，因超声波回波测 量法原理上的限制，此时换能器无法收到液面的反射波。要有效的解决液面反 射波的接收问题，就必须从超声波传感器的结构入手，使液面发生在大角度倾 斜的情况下，换能器仍能接收到超声波的液面反射波。 本文设计了一种适合航空中应用的高精度超声波液位测量仪，通过对换能 器振动方程的研究提出了一种新的叠加消除法减小测量盲区；采用标尺块结构 对声速的实时测量；在回波信号的检测中，采用软件实现的变阀值与高速采集 模块相结合的技术，实现对回波信号的检测；在动态液面测量情况采用浮子反 射法对大角度倾斜的液面测量。 1 3 课题研究的工作和内容安排 本课题围绕超声波液位测量技术在航空油箱中的应用，以研制小盲区、在 动态环境下实现高精度测量的超声波液位测量仪为目标，对超声波波动及换能 器的振动原理，换能器工作方式的选择，硬件电路设计，回波信号处理各个模 块进行理论分析和实践。各章节的主要内容如下： 第一章以论文的研究背景和现实意义为核心，介绍了航空油量测量的现状 及重要性、液位测量技术的发展和简要的介绍了目前超声波液位测量技术的应 用，最后，简述各个章节的基本内容。 第二章对超声波产生、传播、衰减、反射等特性分析，对超声波换能器的 温度特性进行分析，指导超声波液位测量仪的系统设计和对实验数据的处理。 第三章介绍了超声波液位测量仪的总体设计方案。为了达到高精度测量， 所采用的换能器工作方式和波导管、标尺块的设计；为了实现大倾斜角度时的 液位测量，设计了浮子反射法实现对倾斜液面的跟随；因引用校正措施使得回 波的识别变得复杂，提出了利用软件实现的解决方案。 第四章设计了一种新型的超声波换能器驱动电路及回波检测电路。发射信 号直接采用高速单片机i 0 口输出电平，实现在大范围内灵活的调节脉冲宽度； 接收电路采用高速捕捉模块实现对信号的捕捉，克服传统测量因捕捉速度不够 带来的误差。 第五章简单介绍了系统软件设计及对标尺波识别及处理算法和抗油面振动 4 四川大学硕士学位论文 算法等。 第六章重点介绍了减小系统测量盲区的研究。通过对超声波及压电陶瓷振 动性质的研究，提出一种消除超声拖尾的新方法，并对该方法进行理论和实践 验证。 第七章进行超声波液位测量仪测量算法的误差分析，并通过大量实验数据 推导出不同温度下标尺值之间的转换公式，并对其进行分析。 第八章介绍了实验装置、内容及数据。 第九章总结了全文的主要研究成果，并指出进一步研究工作可以采取的措 施。 5 四川大学硕士学位论文 第二章超声波及换能器特性 超声技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的测量技术。超声波 液位测量是利用超声波在介质中传播的反射特性达到测量的目的，超声波在介 质中的传播特性决定测量系统发射电路的设计、回波接收电路的设计及信号的 处理方式。因此对超声波特性及换能器特性的理解和分析，为设计高精度，小 盲区及动态环境下的超声波测量系统，有着重要的指导意义。 2 1 超声波及其特性 超声波是一种机械波。现代声学覆盖了l o 一1 0 胁的频率范围，等效的振动 频率很宽。声波是指人耳能感受到的一种纵波，其频率范围为1 6 h z 一2 0 k h z 。当 声波的频率低于1 6 h z 时就叫做次声波，高于2 0 k h z 则称为超声波。超声波常用 频率在2 0 k h z 至1 0 删z 之间。一般采用纵波进行液位测量，特别是气介质、液 介质的测量环境，因为纵波可以在气液、液体和固体中传播，横波只能在固体 中传播。 超声波具有如下特性： 1 ) 超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。 2 ) 超声波可传递很强的能量。 3 ) 超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。 2 1 1 超声波波动方程 换能器在激励信号作用下作受迫振动，带动附近介质振动产生声波。设波 的传播沿x 轴方向。考虑阻尼，波在介质中传播的波动方程为船训： p 窘一o + 叫) 窘= o ( 2 - 1 ) 介质的杨氏模量 粘性系数 。 p 介质密度 方程中的“( x ，f ) 表示轴上x 坐标处在t 时刻的状态。 6 四川大学硕士学位论文 解方程( 2 一1 ) 可得介质振动的函数表达式为5 1 ： 一2 万2 ， “g ，f ) = 彳p r2 c o s 0 致一f ) ( 2 2 ) a 波源振动的振幅 i ( - 任意整数 卜振动周期 v 波在介质中的传播速度 对( 2 2 ) 式导出波动方程的偏微分形式： 窘鄙2 等 ( 2 - 3 )i 2c i l z 一3 j 研2缸2 在液体中超声波声速的表达形式为： c ：，犀 ( 2 4 ) vp b 一液体体积弹性模量 p 液体密度 由( 2 4 ) 式可知，超声波在某种液介质中传播，声速取决于液体介质的密度 和弹性模量，而与超声波本身的频率和振幅无关，所以声波在传播中即使因被 吸收和衰减发生振幅发生变化也不影响声速，对超声波回波法实现高精确测量 提供的理想的理论前提。在同种煤油介质中，超声波的传播速度是基本一致， 而且在相当大的频率范围内，声速是固定不变的。但介质的密度和弹性模量变 化影响声速的测量。在常温下，航空煤油中，超声波的传播速度为1 3 5 0 m s ，当 温度在一4 2 7 0 摄氏度变化时，声速变化范围约1 1 6 0 m s 1 6 6 0 m s ，因此，我 们在进行测量系统的设计中要充分考虑到这一点。 由( 2 2 ) 式可知，波在介质中沿x 轴传播，随着与原点的距离增加振幅呈指 数规律衰减，相差随距离的增加呈直线变化，而x 轴上任意一点的振动频率与 起始点的振动频率相同，这说明在波的传播路径上，任意点的振动频率都一致。 所以在研究超声波在介质中的波动时，可以根据需要，选择传播路径上任意一 点的振动研究。 一堡丛， 由( 2 2 ) 式知，在传播过程中声波的振幅彳p 一声随位移的增加呈指数衰 四川大学硕士学位论文 减，衰减系数与声波频率及传播介质的关系可简化为姐引： 口= 么。厂2 ( 2 5 ) 其中彳。为介质常数，f 是声波的振动频率，口是振幅的衰减系数。这表明超 声波幅度衰减与频率的平方成正比，当超声波频率越高，超声波在声能吸收衰 减越大，超声波传播距离越小。所以应该根据测量距离的需要，适当的选择 超声波的频率，以达到超声波测量的目的。另外，衰减常数口与介质相关，表 明不同介质会导致波幅值的衰减速率不同，超声波传播介质的稳定性也直接影 响到超声波的质量，因此进行测量系统设计时，选择相对稳定介质作为的传播 媒介，有利于对超声波衰减规律及现象的预测。 2 1 2 超声场及其特征量 被超声所充满的空间称超声场。与超声的波长相比，如果超声场很大，这 时超声就象处在一种无限的介质中，声波自由地向外扩散。反之，如果超声的 波长与相邻介质的尺寸相近，则超声受到介质限制不能自由地向外扩散。在研 究超声场时，必须考虑介质界面的影响。 描述声场的特征量有声强、声压、介质的特性阻抗等啪3 。 2 1 2 1 声强 超声波的声强i ，是指在垂直于行进波的传播方向上每平方厘米每秒所传送 的能量，即：，= 驯。e 为能量，s 为面积，t 为时间。进一步可导出： ，= 国2 厶2 2 = 伊d 。2 2 = 2 2 ( 2 6 ) 我们从声强的公式可知，声强与质点振动位移振幅的平方成正比，与 质点振动的角频率平方成正比。利用这2 点，我们可以对声强进行调节。 2 1 2 2 声压 超声场中某一点在某一时刻所具有压力p 与没超声存在时的静压力只之差 称为声压p ，单位为帕匕，p 的表达式为： p = 伊蟛。c o s ( 研一5 f ，) = 肛u( 2 7 f ) 式中p 为介质密度，c 为介质中的声速，厶为介质质点振动位移的振幅，d 为介质质点振动的速度，为振动的角频率= 2 矿。 从中可知声压的幅值p 。与声速c 和振动频率缈成正比。 8 四川大学硕士学位论文 2 1 2 3 特性阻抗 伊乘积称为介质的特性阻抗。由式p = 俨d 中可知，在相同的声压下，缪 与质点振动速度成反比，伊越大，d 就越小，反之亦然。因此伊反映介质的声 学性质，它是超声场中重要的物理量之一。 声压和声强代表了超声波所携带的能量大小，是在超声检测技术中衡量超 声波能传播的并足够引起传感器响应的范围的指标。声压和声强之间的关系可 表为工= p2 2 z ，这表明，同等能量的超声波在不同声抗材料中的声压是不同的， 声阻抗越大相应材料中的声压也越大。压电晶片将此机械能形式的声压转化为 电能形式的电压幅值。 2 1 3 超声波的扩散角 声波为一点声源时，声波从声源向四面八方辐射，如果声源的尺寸比波长 大，则声源集中成一波束，以某一角度扩散出去。在声源的中心轴线上声压最 大，偏离中心轴线一角度时，声压减小，形成声波的副瓣。 扩散角的大小在实际检测中是有影响的，利用超声回波法的液位测量时， 扩散角越小，声束越狭，方向性越好，衰减越少，回波信号越强，可以提高对 液面的分辨能力和准确地判断液面的位置。但某些探伤应用中，却希望扩散角 大一些，以便利用扩散声束了检测某一区域的缺陷。 2 1 4 超声波的指向性 理想的超声声源是以声源表面积为声束截面积来传送的。 束是发散的，用半扩散角来表征这一特性。 对于点状声源在不考虑介质对声波的衰减的理想条件下， 点的声压可以用下式表达： p ：艘s i n ( 刎一打) 但是事实上，声 超声场中任意一 其中，r 介质声场中任一点至点声源( 点声源是球面波) 的距离； w 角频率； k k = 2 兀入： d s 点声源的面积； 9 ( 2 8 ) 四川大学硕士学位论文 p 卜声源处的初始声压值； t 声源辐射的声波传播至距离r 处所需要的时间； p 距离点声源r 处的声压。 圆盘声源超声场中任意一点的声压计算，如图2 1 所示。 图2 1 圆盘声源超声场中任意一点的声压计算 对于波长一定的超声波而言，在换能器尺寸已确定的情况下，随着。角的 增大指向系数变小，说明声压逐渐衰减。由此可定义声束的半扩散角： 吼瑙咖( 警去) 销s 毗2 2 去) ( 2 _ 9 ) 由公式( 2 9 ) 可见，在声速一定的情况下，超声频率f 越高，换能器的半 径r s 越大，声束的指向性越好，半扩散角越小。 基于上述理论，声束的半扩散角大会导致不必要的能量流失，反射回来的 能量有很大一部分未被换能器接收，在此情况下，就必须提高换能器的灵敏度， 提高回波接收电路的放大能力，以检测较小信号的反射。超声能量基本集中在 主声束，考虑测量的需要在超声换能器上套接一根波导管，波导管的内径不能 太小，太小了会约束主声束，削弱了回波能量，因此必须合理的选择波导管的 内径大小。 2 1 5 超声场的物理特性 2 1 5 1 反射与折射 一平面声波，传播到两种特性阻抗不同的介质的平面分界面上时，另一部 分声波被反射；一部分被折射到相邻的介质内，可求得反射系数： 1 0 四川大学硕士学位论文 c q s 9 2 一p 2 肚或象兹 浯1 0 ) 丁：兰鱼1 2 旦! ! ! 1 2 1 刍( 2 一1 1 ) c 。s 岛+ 见q 式中b 为入射角，幺为折射角，岛c 。和岛c ：为两介质特性阻抗。q ，岛与q ， c ：满足折射定律的关系式：s m 乡幺吼= 。 当超声波垂直入射到界面上时，鼠= 只= o ，则， 1 一p 2 c 2 尺：么9 刍 1 + p 2 c 2 “c 1 2 0 丁：么旦互 1 + p 2 c 2 ( 2 1 2 ) ( 2 一1 3 ) 如果s i n b c 形，入射波完全被反射，在相邻介质中没有折射波。当超声 - 2 波垂直入射到液气、固气分界面时，因声阻抗相差大，入射的超声波被1 0 0 反 射。这个特性为超声波进行液位测量时减小声波能量的损耗，降低了对发射电 路发射功率的要求。 如果声波斜入射到两固体介质面或两粘滞弹性介质面时，列斜入射的纵 波不仅产生反射纵波和折射纵波，而且也产生反射的横波和折射的横波。这是 进行倾斜液面测量时，回波能量迅速减弱的原因之一。 2 1 5 2 干涉的形成 如果在一种介质中传播着几个声波，于是会产生波的干涉现象。若以两个 频率相同，振幅卣和彘不等，波程差为a ，的两个波的干涉为例。该两个波的合 成振幅为： 四川大学硕士学位论文 ( 2 1 4 ) 五为波长。从上式可以看出，当d = o 或d = 锄元( 刀= l ，2 ，3 ) 时，合振幅善，达 最大值；而当d = 刀詈( 甩= 1 ，3 ，5 ) 时，合振幅鼻为最小值。当点= 邑= f 时 六= 鸳c o s 孚 ( 2 1 5 ) 当d = 导的奇数倍时，例如要则鼻= o ，两波相互抵消，合振幅为零。 由于声波的干涉，在辐射器的周围将形成一个包括最大和最小声强的超声 场。声波的干涉原理为后期进行盲区研究，如何消除超声波的拖尾提供了理论 依据。 2 1 5 3 驻波声场 在一定条件下，干涉可以形成驻波场，在每相距a 2 的地方出现振动的节 点这些地方的介质为静止状态。在两个相邻节点之间出现振动波腹，也就是介 质振动幅度为最大值。当两个完全相同的波从相反的方向传播时，就会产生驻 波。例如当一个声波垂直地入射在特性阻抗相差很大的两种介质的分界面上时， 入射波与反射波所形成的声场就是如此( 在刚性的壁上产生振动节点，在柔性面 上产生振动腹点) 。例如沿着正z 方向和负z 方向行进的两个波分别是 口l = f s i n 2 万( 手一羞) ，口z = 善s i n 2 万哆+ 署) ，r 为周期，其合成波为 口，：口l + 口2 ：2 细s 孕s i n 孕 ( 2 - 1 6 ) 当z = 刀鲁( ，z = 1 ，3 ，5 ) ，则位移q = o ( 振动节点的间距是) 。在它们中 间c o s 孕达到最大值，而q 等于单个行进波幅值f 的两倍。 2 1 6 超声衰减 超声衰减的因素：声波在介质中传播时，能量的衰减( 损失) ，决定于声波的 扩散、散射( 或漫射) 及吸收。超声波在弹性介质中传播时，其能量的衰减产生 原因可以分为三个方面：1 ) 由于波前的扩散而产生的能量损失；2 ) 超声波在介 1 2 四川大学硕士学位论文 质中的散射而产生的能量损失，即散射衰减；3 ) 由于介质内耗所产生的吸收衰 减。 2 1 6 1 声波的扩散 在理想的介质中，声波的衰减，仅来之于声波的扩散。所谓扩散衰减就是 声波随着传播距离的增加，在单位面积内声能的减弱。在测量中，由于所用的 换能器的直径及频率的不同，超声波束的扩散也不同。 2 1 6 2 声波的黼 所谓散射( 漫散或散乱) 衰减，就是声波在晶粒粗大的界面上散射，使超声 能量衰减。声波的散射，主要是在粗大晶粒( 与波长相比) 的界面上产生，由于 晶粒排列不规则，声波在倾斜的界面上将发生反射及折射并同时变换波型，透 过去的声波在第二个晶界面上又发生反射及折射，这样声波能量逐渐衰减。当 晶粒与波长的比值为1 1 0 0 一1 1 0 时，散射很小可以忽略，当比值大于1 1 0 时，散射逐渐增大，以致不能检测。 2 1 6 3 声波的吸收 声波的吸收是由介质的导热性、粘滞性及弹性滞后造成的。声波的吸收将 声能直接转换为热能。吸收随频率的升高而增加。 2 2 压电陶瓷温度特性 温度稳定性是指压电陶瓷的性能随温度而变化的特性。频率温度稳定性即 为频率随温度变化的特性，一般可用频率温度系数或最大相对频率漂移这两种 方法来描述汹1 。 在某一温度下，温度变化1o c 时，频率数值变化与该温度下此频率的数值 之比，称为频率温度系数l ，可用公式( 2 1 7 ) 表示： 巧= 荔 协m 式中：t 频率温度系数，( 。c ) ； 厂某温度下的频率，勉； 四川大学硕士学位论文 荔频率随温度的变化率，勉。c 。 压电陶瓷振子的频率随温度变化是非线性的，其温度系数是温度的函数。 另外，通常还用最大相对频率漂移表征压电陶瓷振子的频率温度稳定性， 可用公式( 2 1 8 ) 和( 2 一1 9 ) 表示： ( 矿) p ( 2 5 0 c ) ( 2 一1 8 ) c 觐= 警蒜掣 式中： ( 矿) 。正温最大相对频率漂移，： ( 矿) 。负温最大相对频率漂移，： ( 秒。) 。在正温范围内( 如2 5 一8 5 。c ) 频率偏离常温2 5 。c 时频率的 最大的值，舷： 厂( 以) 。在负温范围内( 如一6 5 一2 5 。c ) 频率偏离常温2 5 。c 是频率的 最大值，舷： 厂( 2 5 。c ) 常温2 5o c 时的频率值，勉。 温度是影响压电陶瓷的性能变化的重要因素，特别是在较高或较低温度时， 换能器性能发生较大衰减，掌握压电陶瓷性能随温度变化的规律对测量系统设 计有重要的指导意义。 四川大学硕士学位论文 第三章超声波液位仪测量总体方案 超声波液位测量仪采用超声波回波法进行测量。传统的超声液位测量仪存 在测量精度低、盲区大、对各种环境因素引起的声速变化敏感，特别不能适应 动态和倾斜液面的测量。本文针对航空油箱动态、狭小的测量环境，和传统超 声波测量系统的不足，设计了高精度超声波时实液位测量仪。 航空测量环境与普通的测量有较大的差别：航空油箱需充分利用空间，因 此油箱的形状不规则且内部存在不规则的结构，若把换能器置于油箱底部直接 朝液面发射超声波，回波信号会变得复杂且难以辨别，因此必须采取措施避免 油箱结构对液面反射波信号的影响。由第一章分析可知，若要实现仪器的高精 度测量，只采用温度对声速校正存在局限性，而设计合适的标准块对声速实时 检测，是提高系统测量精度的有效的方法。在航空领域，小的油量的判断对飞 行员有着重要的意义