（机械电子工程专业论文）窑仓料面自动检测装置的研究与开发.pdf

摘要 摘要 随着现代大工业化进程的不断深入发展，工业生产当中出现了许多巨型窑 仓，因此对窑仓内的物料高度进行测量则成为了一个技术难题。由于窑仓所处的 工况条件的不同，物料的形状也各异，还牵涉到物料的材质、物理特性等因素的 干扰，使得在工业上物料测量很难做到一个准确可靠且通用性较广的测量方式。 现在工业上应用的测量装置有重锤式、雷达式、压力传感式料位计，但这些料位 计都存在一些测量缺陷，比如不能实时测量，价格昂贵、安装维修的不便等。由 于超声波式料位计可以克服上述缺陷，在工业上应用广泛，但是也存在测量盲区 大而造成“溢仓”的缺点。因此研制出一种能够实时测量，盲区小且成本较小的 料面自动检测装置具有重要的现实意义。 本文在充分分析当前工况条件下应用的料位计优缺点的基础上，提出了一种 适合于高温条件下物料测量的重锤式料位计。而本文的重点是研制出一种基于超 声波的料面检测装置，该装置能够较好地解决各料位计的缺陷，并且具有小盲区， 成本低，测量距离较大等特点。本文具体完成了以下研究工作： ( 1 )设计出一种能够适用于高温、高粉尘等恶劣工况下的重锤式料位 计。该料位计采用了一种独特的圆盘结构，优化了传统重锤式料 位计结构尺寸大，设备笨重等不足。该测量装置已经应用于工业 现场。 ( 2 ) 在了解超声波物理特性以及换能器的性能的基础上，并选取了压 电陶瓷作为本文超声波发射与接受用装置。并挑选出一种测量盲 区较小，测量距离较大的超声换能器。 ( 3 )综合分析超声测量方法和性能的基础上，设计了超声波发射电路、 超声波接受电路。由于要保证测距系统的盲区不能太大，因此在 电路中加入了a g c 电路用以调节电路系统增益、系统中加入温度 测量电路可以提高测量精度。 ( 4 )在设计好电路后对设计的电路进行了基于p r o t e u s 和m u l t i s i m 的电 路仿真。在仿真中验证了设计电路的正确性以及设计的预期性能， 广东t 业人学硕i 。学位论文 这样可以节省设计时间和后期调试时间。 ( 5 ) 对调试好的测距系统装置进行了模拟实验研究，具体实验包括有 无温度补偿实验，盲区测量实验、精度测量实验。并对测量结果 进行分析处理。 通过对系统的实验结果表明，系统精度可以达到厘米级，测量盲区为1 6 c m ， 最大测量距离为6 m 。完全可以满足一般工业性测量要求，而且该装置具有应用 性较广，生产成本低廉等优点。可以广泛应用于石油、化工、自来水、污水处理 和交通运输行业。同时该结果也验证了系统方案的j 下确性和可行性，但也存在一 定的不足，比如环境恶劣的情况可能会影响其测量性能以及如何增大测量距离和 精度问题，这都是今后研究工作的方向之一。 关键词：料位测量超声波a g c 仿真 a b s t r a c t a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to ft h em o d e r ni n d u s t r i a l i z a t i o n ，m a n ys i l oh a sb e e nb u i l di n f a c t o r y , s ot h e r ei sap r o b l e mw h i c hi sd i f f i c u l tt or e s o l v ei st h a tt h em e a s u r e m e n to f t h el e v e lo ft h em a t e r i a li ns i l o r e f e r st ot h em a t e r i a l st e x t u r e 、p h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c a n do t h e rf a c t o r st h a tc a nd i s t u r bt h em e a s u r e m e n tm a k e st h a tt h e r eh a sn o n eo fa r e l i a b l ew a yt om e a s u r et h em a t e r i a l m a n ym e a s u r e m e n te q u i p m e n ts u c ha sb a s e do n h a m m e r 、r a d a r 、p r e s s e rs e n o rh a sa p p l i e di nf a c t o r y t h i sl e v e rm e t e rh a st h e r eo w n l i m i t a t i o n s ，f o re x a m p l e ，c a n tm e a s u r e di nr e a lt i m e ，h i g hp r i c e ，i n c o n v e n i e n c et o i n s t a l la n ds oo n b u tu l t r a s o n i cl e v e rm e t e rd i d n th a st h i sl i m i t a t i o na n dh a sb e e n w i d e l yu s e di ni n d u s t r y , a l s oi th a si t so w nd e f e c t s ，h a sal o n gb l i n da r e am e a s u r i n ga n d t h i sc a nc a u s eas e r i o u sa c c i d e n tc a l l e d “s i l oo v e r f l o w ”s oi th a sag r e a ts i g n if i c a n c et o d e v e l o pal e v e rm e t e rt h a tc a nm e a s u r ei nr e a lt i m e ，h a sas h o tb l i n da r e am e a s u r i n g a n dac h e a p e rp r i c e t h i st h e s i sb a s e do nt h ea n a l y s i sa b o u ta d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h el e v e l m e t e rw h i c hh a sb e e nu s e dc u r r e n c y , t h e nb r i n gf o r w a r dah a m m e rl e v e rm e t e rw h o c a nb eu s e di nh i g ht e m p e r a t u r e b u tt h ek e y s t o n eo ft h i st h e s i sw a st od e v e l o pa u l t r a s o n i cl e v e lm e t e re q u i p m e n t ，a n dt h i se q u i p m e n tc a no v e r c o m et h ed e f e c t so ft h e o t h e rl e v e lm e t e r s ，a l s oh a sas h o r tb l i n da r e am e a s u r i n g ，l o wp r i c ea n dh a sal o n g d i s t a n c em e a s u r e m e n t t h ec o n c r e t ew o r ko ft h i st h e s i sh a sb e e ns h o w e dh e r e i n a f t e r ： ( 1 ) t h i st h e s i sb a s e do nt h ea n a l y s i sa b o u ta d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f t h el e v e lm e t e rw h i c hh a sb e e n u s e dc u r r e n c y , t h e nb r i n gf o r w a r da h a m m e rl e v e rm e t e rw h oc a nb eu s e di nh i g ht e m p e r a t u r e b u tt h e k e y s t o n eo ft h i st h e s i sw a st od e v e l o pau l t r a s o n i cl e v e lm e t e re q u i p m e n t ， a n dt h i se q u i p m e n tc a no v e r c o m et h ed e f e c t so ft h eo t h e rl e v e lm e t e r s ，a l s o h a sas h o r tb l i n da r e am e a s u r i n g ，l o wp r i c ea n dh a sal o n gd i s t a n c e m e a s u r e m e n t t h ec o n c r e t ew o r ko ft h i st h e s i sh a sb e e ns h o w e d h e r e i n a f t e r ： 广东t 业人学顾i j 学位论文 ( 2 ) s e l e c t e da p i e z o e l e c t r i cc e r a m i ca st h eu l t r a s o n i ct r a n s m i ta n dr e c e i v e r s u s e de q u i p m e n ta f t e rh a sad e e p l yu n d e r s t a n d i n ga b o u tt h ep h y s i c c h a r a c t e r i s t i co fu l t r a s o n i ca n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h et r a n s d u c e r a f t e r t h i s ，w es e l e c t e dat r a n s d u c e rw h oh a sas h o r tb l i n da r e am e a s u r i n ga n dh a s al o n gd i s t a n c em e a s u r i n g d e s i g n e dt h ec i r c u i to ft h eu l t r a s o n i ct r a n s m i t t i n g 、c i r c u i to ft h eu l t r a s o n i c r e c e i v e r i no r d e rt oe n s u r et h eg a i no ft h ec i r c u i ti s n tt o ob i g ，h e r ea d d e d a g cc i r c u i tt oa d j u s tt h es y s t e mc i r c u i tg a i n a d d i t i o n a l ，w ea d d e d t e m p e r a t u r ec i r c u i tt oi m p r o v et h ep r e c i s i o no ft h em e a s u r e m e n t a f t e rd e s i g n e dt h ec i r c u i t ，w eu s e dp r o t e u sa n dm u l t i s i mt om a k es o m e s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a n dt h i se x p e r i m e n th a ss h o w e di t sa d v a n t a g e s ： c a nc h e c kt h ev a l i d i t yo fc i r c u i ta n dt h ea n t i c i p a t i o np e r f o r m a n c e t h i sh a s s a v e dm u c ho fd e s i g na n dd e b u g g i n gt i m e ( 5 )e x p e r i m e n ta b o u t t h er e a l e q u i p m e n t ，s u c ha s t h ee x p e r i m e n t o f t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n ，t h ee x p e r i m e n to fb l i n da r e am e a s u r i n g ，a n d t h ee x p e r i m e n to fp r e c i s i o nm e a s u r i n g t h en e x tw o r kw a sa n a l y s i sa b o u t t h er e s u l to ft h i se x p e r i m e n t i t sc l e a ri n d i c a t e df r o mt h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n tt h a tt h ep r e c i s i o no ft h e s y s t e me q u i p m e n tc a nr e a c hl e v e lc e n t i m e t e r , t h eb l i n da r e am e a s u r i n gi s 16 c m ，t h e l a r g e s td i s t a n c em e a s u r i n gi s 6 m a l lt h i sp e r f o r m a n c ec a nm e e tc o m m o ni n d u s t r i a l a p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t t h i se q u i p m e n th a ss o m ea d v a n t a g e sl i k ec a l lb eu s e dw i d e l y , m a n u f a c t u r ec o s ti sl o w e r , b u tt h e r es t i l ls o m ed i s a d v a n t a g e sw h i c hc a nb eo p t i m i z e d l i k ec a n tm e a s u r el o n gd i s t a n c e o v e r a l l ，t h ee x p e r i m e n th a sv a l i d a t e dt h ef e a s i b i l i t y a n dv a l i d i t yo ft h es y s t e m k e y w o r d s ：m a t e r i a ll e v e lm e a s u r e m e n tu l t r a s o n i ca g c s i m u l a t i o n 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方之外，论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中做了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师指导下取得的，论文 成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 论文作者签字： 王，j 、隼 指导老师签字： 2 0 0 9 年5 月2 2 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 在大工业化生产过程中，经常需要对工业材料进行储存，因此在工厂中出现 了许多巨型窑仓，而在生产过程中经常需要对储存在窑仓中的物料高度进行测 量，这就造成了料位计需求的增加，据不完全统计，在“十五”期间，我国每年大 约需要7 5 万台8 0 力台料位计。仅从国家粮食储备这方面计算，据统计国家共 储战备粮食9 0 0 亿公斤，按每年3 0 0 亿公斤计算约需粮仓料位计1 2 0 0 0 台，再加 上粮食深加工业，粮食运输业等相关行业的需求，估计每年市场需求量不会低于 3 万台。如此巨大的市场也造就了料位计行业的竞争激烈。 工业上对于一些颗粒状以及液体状物料仓来说，经常会出现一种“溢仓”的 现象，就是装入物料时物料高度已经超出仓储高度，这种现象可能会引发一些工 业事故，其原因是物料高度超出警戒位置而未报警，这种现象多发生于超声波式 料位计测量的窑仓上，其根本原因在于超声波测量盲区过大，因此对于一些精准 储存的物料来说，盲区小的料位计能够更准确地测量物料高度，保证窑仓的最大 限度地储存物料，保证储存的安全。在国内此领域使用的料面检测装置大多采用 进口设备，但是设备价格昂贵，同时也存在维修不便的问题。因此，开发一种小 盲区，较高精度的超声波料面检测装置是占领国内物位测量装置市场的关键。因 此对窑仓料面自动检测装置的研究具有深远意义。 1 2 国内外研究及应用概况 1 2 1 国内外研究概况 国外在料位测量领域已经研究多年，也取得了丰硕的成果。其中研究与应用 较多的是重锤式和超声波式料面检测装置。最具代表性的有德国西门子公司研制 的各类料位计、德国物位帝( 小v t l o tl s l3 0 0 0 ) 重锤式料位计以及美国 广东t 业大学硕i ：学位论文 m o n i t o r 重锤式料位计。这些料位计的特点是：采用先进微处理器控制测量过程， 并实现了远程控制，对外界信号抗干扰能力强，性能稳定，操作可靠。 对于超声波料位计而言，研究成果最为丰厚的是西门子公司，它研制了一系 列的超声波测量仪，并实现了大距离测量，且解决了超声波在空气中衰减后回波 信号的接受难题，这也使它的产品在工业生产中得到了广泛的应用。其代表产品 为西门子妙声力超声波料位计。这种料位计选用量程大的换能器，提高声波的强 度，减小了粉尘对它的影响，同时换能器带泡沫面，这样提高了发射强度和灵敏 度，同时利用震动增强自清洁能力。西门子妙声力i 拘d o l p h i n 软件调整回波算法对 回波信号进行优化处理，很好地提高了接受效果和测量精度【。由于这种技术牵 涉到知识产权等问题，因此一直处于保密状态。另外删a 公司在超声换能器方 面的研究与应用也是非常有名的，它开发的一系列超声换能器满足了工业各个领 域的需求，因此在国内也应用较多。 国外学术界对距离测量这方面研究的也较多，使用的测量方法一般为雷达或 超声波，对于雷达测量，一般用于地面探测及空间探测，较少用于料面测量。距 离测量应用较多的还是超声波，超声波距离测量主要的研究对象是超声波遥感探 测、跟踪和检测，还有就是增加检测精度，如减小温度对超声波传播的影响及外 来信号干扰和改善换能器结构与材料以及回波算法等问题。对增大测量距离的研 究较少，最具典型的是德国埃森工学院的e l m e r h 和s c h w e i n z e r h 提出的大距离 超声波测量的研究，该论文提出了一种新型超声波测量方法，使用一位相关性方 法简化了高强度振幅接受处理以及实时操纵问题。运用a b 比较测量和被动响应 引导主动响应等方法，并对影响回波接受等因素进行分析研究，从而提出一种新 的换能器f 2 。 国内对超声波测距和超声波液位仪研究较多，但对于超声波料位测量的研究 却很少，超声波的应用主要集中在石油化工中油库仓液位测量以及海洋海底地形 测量【3 】【4 】【s 1 。国内对超声波的应用主要用在医学扫描，超声波清洗、超声波击石 等。在学术上对超声波测距研究也较多，研究的内容涉及超声技术的各个领域， 如超声焊接、超声测厚、超声清洗等技术应用，对于超声测距方面，研究方向主 要是超声倒车雷达、机器人视觉系统中的超声测距系统以及超声液位仪。在提高 超声波检测精度方面，国内外研究者提出了许多检测方法和算法，如时延估计法、 自适应时延估计法和互相关函数法。在超声料面检测方面，查阅的文献大都是煤 2 第一章绪论 矿用超声料面检测以及水泥生料料面检测装置的研究，这些研究里所牵涉的超声 装置大都是国外进口产品，国内生产的装置较少。例如文献【6 中牵涉到对超声波 料面检测的研究，系统由单片机控制超声波的轮流发射，并且通过单片机的记录 和读取发射超声波和接收到回波的时间差，进而计算出测量的距离的超声测距系 统1 6 1 。在文献中所提到的料面检测装置的测量范围在5 m 以内，并且存在较大的盲 区，这是仓储过程中是不愿碰到的，因此它的通用性不是很强，这也表明，开发 出种测量距离较大，盲区小，通用性广的料面检测装置意义重大。 1 2 2 料面检测装置的应用概况 目前在工业生产应用较多的料位计主要有电容式料位计、称重式料位计、y 射 线料位计、重锤式料位计和超声波料位计。这些测量方法性能各异，缺点也较明 显【7 l 。下面就应用最为广泛的重锤式料位计和超声波料位计进行详细说明： 重锤式料位计由传感器和仪表组成。其工作原理是重锤由电机通过不锈钢带 或钢丝绳牵引吊入在仓内，仪表控制传感自动定时对料面高度进行测量，每次测 量时重锤从仓顶起始位置开始下降，碰到料面立即返回到仓项等待下一次测量。 仪表通过对重锤下降过程传感信号的处理可得到仓顶到料面的距离。 1 t - 铸钢帝 ：睾西头埠丝 3 六角螺母 4 蛔管夹 s 仑碡 6 供链 7 童锤 图1 1 重锤式料位计简图 f i g 1 1t h ed i a g r a mo f h a m m e rm a t e r i a ll e v e lm e a s u r e m e n te q u i p m e n t 重锤式料位计是接触式测量，基本上不受库内温度、湿度、粉尘的影响，计 量精度较高而且国产设备的价格相对较低。但是存在设备笨重，结构尺寸大、维 护不便、容易出现埋锤和机械部分磨损严重等问题姆i 。 广东t 业人学硕1 ：学位论文 针对重锤式料位计的不足，本文在此提出一种新型重锤式料位计。它采用独 特的圆盘结构，这样就可以避免采用滚筒件而造成设备笨重以及钢丝绳错位等缺 点，另外出于设计简单可靠的目的，在这里我们采用了上下限位开关来控制重锤 的上行和下行。具体设计图如下： i1 96 图1 2 重锤式料位计结构设计图 f i g 1 - 2t h es t r u c t u r eo fh a m m e r m a t e r i a ll e v e lm e a s u r e m e n te q u i p m e n t 料位计由机械部分与自动控制部分组成。其中，机械部分包括有电机一减速 器组件2 、圆盘组件l 、摇臂组件3 、滑轮组件4 、重锤组件6 、密封装置5 、7 及 支架8 。电控部分采用p l c 控制，并利用易控组态软件对测量进行可视化描述， 此外还设有过载保护及故障报警电路。 料位计的工作原理是：检测过程由西门子的p l c 发出降锤信号，使电机正 转松开钢丝绳，重锤( 6 ) 下降，当重锤下降到物料面时，摇杆3 由于失重的原 因而下落，摇杆臂按下下限行程开关，p l c 接受到下限行程开关信号，使电机停 转，重锤停止下降，同时p l c 发出使电机反转信号，重锤上升，当重锤上方的撞 头按下上限行程开关时，p l c 接受到上限行程开关开关信号，使电机停转。此时 重锤处于库顶内。通过计量每次电机下放时间和圆盘直径及钢丝绳绕的圈数可以 计算出库内的料面高度。 经过反复实验与现场作业表明：这种新型重锤式料位计性能可靠，很好地解 决了设备笨重，结构复杂以及埋锤现象，除此之外，这种重锤式料位计的制造价 格仅为市场主流重锤料位计的t 分之一，因此可以降低工厂的生产成本，由此可 4 第一章绪论 见该料位计具有很强的工程应用前景。 重锤式料位计和控制电路实物图如下 一 毒。j 陋t 图l o 重锤式料位计照片 f 嘻1 0p i c t m e o f h a m m e r l e v e l m t e q u i p m e n t 图1 4 料位计控制电路图 f i g i o t l i ec i r c u i t d i a g r a mo f m a t e r i a l m e 笛u m m e n te q u i p m e n t 超声波料位计是利用声波在物料中的传播特性，在传播中遇到相界面时一部 分反射回来，另一部分则折射入相邻介质中。但当它由气体传播到固体或液体中， 或由固体、液体传播到空气中时，困介质密度相差悬殊几乎全部发生反射。超声 波测量装置工作原理图如下， 广东t 业人学硕f ：学位论文 测量探头 i 图1 5 超声波测量原理图 f i g 1 - 5t h ep r i n c i p l eo fu l t r a s o n i cd i s t a n c em e a s u r e m e n t 在一定的条件下，超声波传播的速度为一常数v ，通过测量超声波发射声波 到接受声波所用的时间为f ，可以计算出物料的高度： 日：三一h ：三一一1v t( 1 1 ) 2 超声波式料位计以其可以做到不接触、连续测量、长时工作及对人体无危害 等诸多优点，非常适用于各种料仓料位测量。由于超声波在空气传播过程中有衰 减作用，因此对于大距离测量而言，一直是制约超声波发展的一个瓶颈，同时由 于测量盲区和测量距离也是矛盾的，因此在实际设计过程中应该协调好这两者之 间的关系。此外仓内粉尘、温度、湿度等变化也会影响超声波测量的精度。 结合当前国内工业生产中所采用的料面检测装置所存在的问题，本文在此提 出一种盲区小、适合于固体、液体料面检测装置，该装置可以对物料是颗粒状、 粉状以及液体状的物体进行料面检测。因此该装置具有较强的通用性。 1 3 课题来源及研究内容 本课题为广东工业大学与惠州市某公司合作研发项目：窑仓料面自动检测装 置的研究与开发。课题以研究和丌发新型料面自动检测装置为目的，结合超声波 传感技术开发出一种通用性较强，性能优良的料面检测装置。由于本测量装置采 用超声波测量，因此超声波换能器和收发系统电路将是本课题的主要研究内容： 6 li 一 一 工 第审绪论 现将论文各章节主要内容表述如下： 第一章主要介绍了课题的研究背景和意义，以及料面检测装置的国内外研究 现状和应用情况。重点介绍了工业上常用的重锤式料位计和超声波式料位计的优 缺点，并结合工厂需要设计出一种新型重锤式料位计，解决了当前料位计所存在 的一些问题，并在工程上得到实际应用。 第二章介绍了换能器材料的物理特性和相关重要技术指标，选取了压电换能 器的振动模式和工作频率，讲述了压电换能器的等效电路，选取出一种适合指向 性好，作用距离较大的超声换能器。 第三章主要讲述了超声波发射电路和具有时间一增益控制超声波接受电路， 并在电路中加入了温度补偿电路和数码显示电路。 第四章主要是对设计好的电路进行仿真验证。通过p r o t e u s 和m u l t i s i m 对设 计的电路进行仿真表明设计电路达到了应有的性能，并给出了仿真实验结果。 第五章是实验结果与分析。主要内容是对测距系统进行相关模拟实验，包括 有无温度补偿实验、盲区测量实验、精度测量实验。并对实验结果进行分析处理。 最后是总结与展望。 1 4 本章小结 本章主要论述了课题研究的背景和意义。首先概述了当前料位计应用背景和 国内外研究现状，在对比现有料位计优缺点的基础上，提出了一种可应用于高位 高粉尘等恶劣环境下的重锤式料位计。针对当前超声波料位计盲区大、通用性不 广等不足，提出了一种小盲区，较大量程的超声式的料面检测装置。最后给出了 课题来源和各章主要内容。 7 第一：带超声换能器j 测距方案分析 第二章超声换能器与测距方案分析 用于发射和接受超声波的装置，称为超声换能器( 或超声波探头) 。由于换 能器的谐振频率、辐射面积、振子结构、背衬材料乃至工艺都直接影响着超声换 能器的作用距离、指向性和频带宽度【9 】。因此为了研发出一种作用距离较大，测 量盲区小、适用性广的料面检测装置，了解超声波和超声换能器的物理特性和超 声换能器的相关性能技术是十分必要的。 2 1 超声波物理特性和换能器主要性能指标 2 1 1 超声波的物理特性 超声波是人耳听不见的一种机械波，其频率在2 0 k h z 以上，波长较短，绕射 小，能够成为射线而定向传播。超声波的频率越高，就越与光波的某些特性( 如反 射、扩射等) 相似。超声波在传播过程中有如下显著物理效应【1 0 】： ( 1 ) 机械效应由于超声波在传播中具有很好的方向性和射线性。因此超 声波能量很容易集中，从而形成很大的强度，能够使物质做激烈的强迫机械运动。 工业上利用超声波这种效应开发出超声焊接、超声清洗，超声清洗，除尘等超声 技术。 ( 2 ) 折射与反射效应当声波从一种介质向另一种介质传播时，在两种密 度不同、声速传播速度不同的介质分界面上，传播方向发生改变。声波一部分折 射入相邻介质内，一部分被发射回来。假设两种介质的密度分别为岛、p ：，声波 在两种介质中的传播速度分别为u 、y ：反射波的声强为，詹，入射波的声强为i e ， 口为入射角，为折射角，岛嵋和p ：l ，：分别为两种介质的声阻抗，且存在如下 关系： 当垂直入射时，尺= 每矧 9 ( 2 2 ) 广东t 业人学硕l j 学位论文 由此可以得知，当声波从空气传播到液体或者固体时，由于两种传播介质密 度的差异悬殊，声波几乎全部被反射，而折射部分微乎其微。 ( 3 ) 衰减效应声波在媒质中传播时，其强度随传播距离的增加而逐渐减 弱的现象，统称为声衰减。超声波在传播过程中除了波面扩大而造成能量衰减外， 主要是传播介质的能量吸收衰减。声波的描述方程与电磁波是类似的： a ( t ) = a ( x ) c o s ( c o t + k x ) = a o e 一识c o s ( c o t + k x ) ( 2 3 ) 式中，彳( f ) 为振幅，缈为传播角频率，为传播时间，x 为传播距离，k ：三三为 波数，五为声波波长。口为衰减系数，其值为： 口：兰! 乓 ( 2 一4 。)口= 【) 2 p o c 其中，r 为介质的粘滞系数，风为平衡状态下的介质密度。有上式可知，衰减系 数与声速的立方成反比，而与频率的平方成正比。 2 1 2 超声换能器的性能指标 超声换能器的性能指标有工作频率、机电耦合系数、机电转换系数、品质因 数、方向特性、发射功率、频率、灵敏度等1 。现介绍其主要性能指标如下： ( 1 ) 工作频率超声换能器的工作频率不仅直接关系到换能器的频率特性和方 向特性，也影响着换能器的发射频率、效率和灵敏度等。通常选取换能器的工作 频率等于它本身的机械共振频率附近，这样可以获得最佳工作状态、取得最大的 发射功率和效率。 ( 2 ) 机电转换系数刁和机电耦合系数k换能器的机电转换系数，是指在机电转 换过程中转换后的力学量( 或电学量) 与转换前的电学量( 或力学量) 之比。 对于发射换能器： 机电转换系数7 7 = 器 ( 2 5 ) 对于接受换能器： 机电转换系数r - - 堕号筹 ( 2 6 ) 1 0 第一二幸超声换能器j 测距方案分析 换能器的机电耦合系数k 是表示压电换能器的机械能与电能之间耦合程度 的一个物理量。其定义为，对于发射换能器： p ： 通过逆压电效应转换成的机械能 ，、 2 瓦面面雨丽面藉广 旺 对于接受换能器： 矿： 通过压电效应转换成的机械能 ，o 、 k 2 e 源丽丽丽疆_ 忆引 ( 3 ) 换能器的阻抗特性换能器作为一机电四端网络，它具有一定的特性阻抗 和传输常数。由于换能器在电路上要与发射机的未级回路和接收机的输入电路相 匹配，所以在换能器设计时计算出换能器的等效输入电阻抗是十分重要的。 ( 4 ) 品质因数q由于换能器本身是由机械系数和电路系统两大部分组成，所 以人们通常用电路系统的品质因数q p 机械系统的品质因数q 卅来共同描述换能器 的品质因数。通常是利用换能器的等效电路图和等效机械图来求出换能器等效的 q 和级。以压电陶瓷材料来说，压电陶瓷材料可以用一个r c 并联电路来等效。 其中r 表示压电陶瓷振子的介电损耗阻抗，c 表示陶瓷振子的钳定电容。由此可 以导出介电品质因数的表达式： q = r _ o c r ( 2 9 ) 而压电陶瓷振子的机械品质因数反映了压电陶瓷振子谐振时机械损耗的大小，即 反映了压电体振动时因克服内摩擦而消耗的能量的多少，其定义为： q = 2 石导 ( 2 1 0 ) j 其中e ，表示谐振时振子储存的机械能量，e ，表示谐振时每周期内损耗的机械能 量。压电陶瓷振子的品质因数与压电振子参数之间的关系为： 瓯= 警= 丽1 泣 式中正、厶、c 1 、蜀分别是压电陶瓷振子的机械共振频率、压电陶瓷振子的等 效电路中机械支路的串联电感和串联电容以及机械损耗阻抗。 ( 5 ) 方向特性超声换能器无论是用做发射还是接受，本身都具有一定的方向 特性。不同应用的换能器对方向特性的要求也不相同。对于一个发射换能器，其 方向特性曲线的尖锐程度决定了它的发射声能的集中程度。而对于一个接受换能 广东t 业人学硕f ：学位论文 器，它的方向特性曲线的尖锐程度决定了其探索空间方向角的范围。所以超声换 能器的方向特性的好坏直接影响到超声设备的作用距离。 ( 6 ) 换能器的频率特性 换能器的频率特性是指换能器的一些重要参数指标随工作频率变化的特性。 例如接受换能器的接受灵敏度随工作频率变化的特性，对一个发射器要看它的发 射功率和效率随工作频率的变化特性。对不同的换能器我们对它的频率特性也提 出不同的要求。 除此之外，换能器的功率、能量转换效率也是换能器设计中必须考虑的技术 指标。 2 2 检测装置超声换能器的设计 2 2 1 超声换能器概述 超声波换能器是一种能量转换器件，它是将一种形式的能量转换为另一种形 式的能量装置。在声学领域中，换能器主要是指电声换能器，它能实现电能和声 能之间的相互转换，值得指出的是，这里所说的电声换能器的含义比电声学领域 中的扬声器和传声器等所谓的电声换能器的含义要广泛得多。目前，从大到整栋 楼房的水声换能器阵，d , n 可以深入人体血管的小型探针式换能器，各式各样的 换能器已经深入到科学研究和工程技术的各个应用领域。根据换能器机电转换的 物理效应的不同可将换能器分为电动式、压电式、电磁式和磁致伸缩式等几种【12 1 。 而对于换能器材料来说，目前应用较多的是压电陶瓷和磁致伸缩材料，下面就这 两种材料构成的换能器进行简单说明： ( 1 ) 压电陶瓷换能器压电换能器的发展和应用是以压电效应的发现和压电材 料的发展为前提条件的。压电超声换能器是通过各种具有压电效应的电介质，如 石英、压电陶瓷、压电复合材料以及压电薄膜等，将电信号转换成声信号，或将 声信号转换成电信号，从而实现能量的转换。压电陶瓷材料是目前超声研究及应 用中极为常用的材料。其优点包括： l 、机电转换效率高，一般可达到8 0 左右； 2 、容易成型，可以加工成各种形状，如圆盘、圆环、圆筒、圆柱、矩形以 1 2 第二章超声换能器j 测距方案分析 及球形； 3 、通过改变成分可以得到具有各种不同性能的超声换能器，如发射型、接 受型以及收发两用型等； 4 、造价低廉，性能较稳定，易于大规模推广应用。 压电材料的不足之处是脆性大、抗张强度低、大面积元件成型较难以及超薄 高频换能器不易加工等。在这一方面，压电薄膜、如p v d f 等，则可以克服这些 缺点，因此这类材料应用也较多。 ( 2 ) 磁致伸缩换能器与超声换能器一样，磁致伸缩材料换能器是利用磁致伸 缩效应来实现机电转换的。磁致伸缩换能器由于其性能稳定，功率容量大及机械 强度好等特点至今仍在一些特殊领域被继续应用。其不足之处是换能器的能量转 换效率低、激发电路复杂以及材料的机械加工困难等。随着压电陶瓷的大规律推 广应用，在一个时期内磁致伸缩材料有被压电材料替代的迹象。然而，随着一些 新型磁致伸缩材料的出现，如铁氧体，稀土超磁致伸缩材料以及铁磁流体换能器 材料的出现，加上材料加工工艺的提高和成本的降低，一些新型磁致伸缩材料将 在水声以及超声等领域获得广泛的应用。 此外，随着超声技术的发展，气体中的超声技术应用越来越广。气介超声换 能器也受到了人们的重视。除了传统气介质超声换能器以外，静电式气介质超声 换能器由于具有频率高、振动位移大、机械阻抗低、声波的辐射和接受面积大以 及灵敏度高等独特优点，因而在气体中的超声检测技术应用广泛。 2 2 2 压电陶瓷振子的谐振特性和机电阻抗匹配 利用压电陶瓷片的谐振特性，我们可以设计制成各种用途的压电器件。由于 压电陶瓷片是一个弹性体，因此存在谐振频率。当外界作用的频率( 例如强迫力 的频率) 等于谐振频率时，压电陶瓷片就会产生机械谐振，这个时候陶瓷振子的 振幅达到最大。由于逆压电效应的存在，我们可以采用在陶瓷片上施加电压的方 法，使压电陶瓷产生机械谐振，而陶瓷的机械谐振又通过正压电效应来产生电信 号。 将一个经过极化处理的压电陶瓷片按图2 1 ( a ) 所示的线路连接。当信号发生 器的频率由低频慢慢往高频方向变化时，结果可以表明：通过压电陶瓷振子的电 流随着信号频率的变化而变化，其变化规律如图2 1 ( b ) 所示。从图中我们可以看 广东t 业人学硕i j 学位论文 出，当信号频率为厶时，通过压电陶瓷振子的电流达到最大值，当信号频率达到 频率正时，通过压电陶瓷振子的电流最小。 卜 图2 - 1 ( a ) 线路示意图 f i g 2 1 ( a ) s k e t c hm a po f c i r c u i t r y i j 一 图2 1 ( b ) 电流随频率变化示意图 f i g 2 1 ( b ) s k e t c hm a po fc u r r e n tv a r i e t y w i t ht h ef r e q u e n c y 通过压电陶瓷振子的电流随频率的变化而变化的同时，压电陶瓷振子的等效 阻抗也是不断变化的。从图2 2 中我们可以看出等效阻抗与频率之间的变化关系。 l 一 图2 - 2 压电陶瓷振子的阻抗特性曲线图 f i g 2 2g r a p ha b o u ti m p e d a n c ec h a r a c t e r i s t i co ft h ep i e z o e l e c t r i cc e r a m i c 图中i z i 表示压电振子的等效阻抗的绝对值。当信号频率为l 时，通过压电 陶瓷振子的电流最大，其等效阻抗最小，我们称此频率为最小阻抗频率。而当信 号频率为疋时，其通过的电流最小，而压电振子的等效阻抗最大，我们把这个频 率称为最大阻抗频率。由于压电陶瓷振子的机械损耗的存在，因此我们可以得知， 在最小阻抗频率厶附近，存在一个使信号电压和电流同相位的频率，这个频率就 是压电陶瓷振子的谐振频率：同样，在最大阻抗频率疋附近，有一个使电压和电 流同相位的频率，这个频率是压电陶瓷的反谐振频率。 由于阻抗匹配直接影响着这个系统电路的性能，因此我们有必要对压电振子 的等效电路进行分析。 1 4 第二章超声换能器j 测距方案分析 由于压电陶瓷振子的等效阻抗随频率变化的特性曲线与l c 串联谐振回路的 阻抗特性完全相似，因此我们可以利用如图2 - 3 所示 的三c 串并联回路来表示陶瓷振子的机电等效电路。 图中，l 、c 、r 分别为压电陶瓷振子的 等效电感、等效电容和等效电阻，c o 为压电陶 瓷振子的静态电容，也称为振子的钳定电容。当 r - - 0 时，即压电陶瓷振子的机械损耗为零，此 时振子的输入阻抗与频率的关系式为， 一z t 矿一l - - - - 1 弘磊一 ， ， ，t 一 、 二7 2 7 乙n i 二7 l 一， 由上式我们可以确定压电振子的最小阻抗频率厶： 厶= 去怯 根据电路理论，当信号的频率为f = 亡 z 万 此此时我们把厶称之为串联谐振频率。 图2 3 压电振子的等效电路 f i g 2 3t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to f p i e z o e l e c t r i c i t yv i b r a t o r s ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ，l c 回路出现串联谐振，因 同样由式( 2 1 2 ) 可以得出压电振子的最大阻抗频率为： n = ( 2 1 4 ) 同理，我们把六称之为并联谐振频率，也就是反谐振频率。 综合上述分析，我们可以得知，由于压电陶瓷振子的机械损耗不可能为零， 因此在厶附近，压电振子的等效阻抗最小，因此压电换能器作为超声波发射器的 效率是最高的。而在六附近，压电振子的等效阻抗是最大的，因此换能器作为接 收器来说效率是最高的。 2 2 3 压电陶瓷换能器的设计 通过对换能器材料的了解和换能器压电振子的阻抗匹配分析，综合考虑压电 材料的自身优点 i l l 和超声波传感器的性能、尺寸和测试等问题，本文选用了压电 广东t 业人学硕i j 学位论文 陶瓷圆