（检测技术与自动化装置专业论文）动态自校正超声液位测量系统研究与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 液位测量一直与自动化密切相关，几乎遍及生产与生活的各个领域。近年来由 于新检测原理及微电子技术的发展和应用，使得液位测量仪更趋向小型化和智能化， 逐步实现了故障诊断和报警，高精确度、高可靠性、安全性和多功能化。 超声波测量液位是一种传统的、同时又非常具有发展潜力的方法。目前国内超 声液位测量主要是采用气介式，部分采用液介式，由于所采用温度补偿式速度校正 受限，或使用的超声频率受限，应用范围、测量盲区和测量精度都不是很理想。而 且传统的超声液位测量不适应液面动态倾斜的情况，特别不适应于飞机、坦克之类 动态和狭小环境下的测量，而这种动态和狭小环境在军事上有着机动性和空间利用 率的意义。 相对于传统静态超声液位测量技术，本文讨论了液介式动态自校正超声液位测 量方法，还具有小盲区、高精度和通讯方便等特点。在原理方面，本文重点介绍了： 通过采用高频窄脉冲超声换能器，实现小盲区和高分辨力测量；采用特殊的超声波 导管装置，从测量原理上一方面解决了动态液面跟随，扩大了超声液位测量的动态 应用；另一方面实现了速度综合的自校正，这种校正方法能适应各种不同规律的液 体媒介的声速变化。 由于引入了这些校正装置，超声回波信号变得相对复杂。在超声信号波形识别 和到达时刻判别上，本研究将传统的阈值法改进为高速数据全采集方法。因此本文 还详细阐述以下内容：硬件方面采用了高频窄脉冲信号发生及接收放大电路、高速 数据采集电路：软件方面在数据全采集的基础上，识别校正回波信号和液面回波信 号，以校正回波的数据计算出超声传播速度，最终达到动态高精度液位测量；为满 足组成测量网络的需要，在软硬件方面还采用了串口通信和模拟电流输出。 关键词：超声波，液位测量，动态，自校正，数据全采集 华中科技大学硕士学位论丈 = ：= = ：= = = = ；= = ；= i = = = ；= = ；= = ；= = = = = 目= = = = ；目= ；= = = ；一 a b s t r a c t l i q u i dl e v e lm e a s u r i n gi sr e l a t e dw i t hr o b o t i z a t i o nc l o s e l y ，a n da l m o s ts p r e a d so v e r a l lf i e l d so fp r o d u c i n ga n dl i v i n g ，i nr e c e n ty e a r s ，b e c a u s eo ft h ed e v e l o p m e n ta n d a p p l i c a t i o no fn e wm e a s u r ep r i n c i p l ea n dm i c r o e l e c t r o n i c s t e c h n i q u e ，t h el i q u i d l e v e l m e a s u r i n gi n s t r u m e n t sb e c o m em o r em i n i a t u r ea n dm o r ei n t e l l i g e n t i z e d t h e yg r a d u a l l y r e a l i z ef a u l td i a g n o s i sa n da l a r m ，h i 曲p r e c i s i o n ，h i 出r e l i a b i l i t y ，h i g hs a f e t y a n d m u l t i f u n c t i o n u l t r a s o n i cl i q u i dl e v e lm e a s u r e m e n ti s ak i n do ft r a d i t i o n a lb u th a v i n gp o t e n t i a l s m e t h o d s a tp r e s e n t ，d o m e s t i cu l t r a s o n i cl i q u i dl e v e lm e a s u r i n g sm o s t l ya d o p ta i r m e d i u m p r i n c i p l e ，p a r t l yt o oa d o p tl i q u i d - m e d i u mp r i n c i p l e b e c a u s eo f t h el i m i tt of r e q u e n c yo r v e l o c i t yc o r r e c t i n g ，t h e i ra p p l i c a t i o n f i e l da n dm e a s u r ep r e c i s i o na r en o tv e r yi d e a l m o r e o v e r ，t h e s et r a d i t i o n a lm e t h o d s c a i ln o tb ea p p l i e di nt h ec i r c u m s t a n c ew i t hg r a d i e n t l i q u i ds u r f a c e ，e s p e c i a l l yt h ed y n a m i c a n dn a r r o w s p a c ee q u i p ，s u c ha sa i r p l a n ea n dt a n k b u tt h ea g i l i t yd u et om o b i l ea n dt h ev a c u u me f f i c i e n c yd u et o n a r r o w n e s sa r ev e r y i m p o r t a n t t om i l i t a r y o p p o s i t et ot h et r a d i t i o n a ls t a t i c u l t r a s o n i cl i q u i dl e v e lm e a s u r e m e n t ，o n ed y n a m i c a n d c o r r e c t i n gb y i t s e l fu l t r a s o n i cl i q u i dl e v e lm e a s u r e m e n tt e c h n i q u e ，w h i c hi si n t r o d u c e d i nt h i st h e s i s h a s p e r f o r m a n c e s u c ha s ：s m a l ln e a r l i m i t ，h i 曲p r e c i s i o n ，e a s y c o m m u n i c a t i n g ，a n ds o o n t h i st h e s i se m p h a s i z e st h em e a s u r i n gp r i n c i p l e t h r o u g h a d o p t i n gt h es p e c i a lp i p et o r e t r a i na n dm a n a g el i q u i d ，i th a ss o l v e dt h el i q u i di n c l i n i n g a n ds p e e dc o r r e c t i n gb yo n e s e l ff r o mt h em e a s u r i n gp r i n c i p l e o n eh a n d ，i te x t e n d st h e u l t r a s o n i cm e a s u r et od y n a m i c ；o nt h eo t h e rh a n di t c a l lr o u n d l yc o r r e c tv e l o c i t yi na l l k i n d so f l i q u i dm e d i u m d u et ot h e s e c o r r e c t i n gd e v i c e s ，t h es i g n a l o fu l t r a s o n i ce c h ow a v e sb e c o m e s r e l a t i v e l yc o m p l i c a t e d c o m p a r et o t h et r a d i t i o n a lt h r e s h o l dm e t h o dt od i s t i n g u i s ht h e s i g n a la n dd e t e c tt h et i m e ，c o m p l e t ed a t as a m p l i n gi sa d o p t e d a n di nt h i s t h e s i s ，t h e s e f o l l o wc o n t e n ta r ei n t r o d u c e di nd e t a i l o nt h ea s p e c to fh a r d w a r e ，t h e yi n c l u d e ：n a r r o w p u l s ea n dh i g hf r e q u e n c yu l t r a s o n i cs e n s o r sd e s i g n ，h i 曲f r e q u e n c ys i g n a lg e n e r a t o ra n d 华中科技大学硕士学位论文 r e c e i v e r s d e s i g n ，h i g hs p e e dd a t ac o m p l e t e ds a m p l i n g sd e s i g n a n do nt h ea s p e c to f s o f t w a r e ，t h e yi n c l u d e ：i d e n t i f y j n gt h ec o r r e c t i n gs i g n a la n ds u r f a c es i g n a l ，t h e nr e a l t i m e c a l c u l a t et h ev e l o c i t yb yt h e s ed a t ao f c o r r e c t i n gs i g n a l ，a n df i n a la c c u r a t ec a l c u l a t i n gt h e l i q u i dl e v e l m o r e o v e r ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o na n da n a l o gc u r r e n tt r a n s m i s s i o na r ea d o p t e d t om e e tt h en e e do f b u i l d u pm e a s u r i n g n e t w o r k k e y w o r d s ：u l t r a s o n i cw a v e ，l i q u i dl e v e lm e a s u r e ，d y n a m i c ，c o r r e c t b yi t s e l f ： d a t a s a m p l i n gc o m p l e t e l y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 一 学位论文作者虢弦能i 鸣 日期： 矽叶年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密盾适用本授权书。 本论文属于 不保密翻。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：隔呜 日期：妒d 牛年j 月日 指导教师签名碾补 日期：z 彻年f 月汐日 华中科技大学硕士学位论文 = = 一：= = = = = = = ；= = = = = = = = = = = ；= = = = = ；= = = = = = = 一 1 1 课题提出及意义 1绪论 液位测量一直与自动化密切相关，液位的测量几乎遍及生产与生活的各个领域， 尤其是工业生产过程领域。化工、石油、矿山等企业总是有许多盛液的反应锅( 罐) 或贮槽需要测定液位；水电、港务、航道等部门也需要测定水库、港口或航道的水 位；国防部门等需要测定飞机、坦克之类的动力油箱中的油位。从测量范围来说， 小的只有几十个厘米，大的可达几十米；从精度要求来说，有的只允许l 毫米误差， 有的却允许几厘米甚至几十厘米的误差；从测量环境和条件来说，有的很简单，有 的却非常复杂 2 1 【3 。 目前国内外在液位监测方面采用的技术和产品很多，按所采用的测量技术及 使用方法分类，传统的液位测量归纳起来主要有以下几种：差压式、浮体式、声波 式、电容式、核辐射式、直流电极式、光纤式、感应式等等【4 1 。 近年来由于微电子技术的发展使得液位检测技术发生了根本性变化。新的检测 原理与电子部件的应用使得液位测量仪更趋向小型化和微型化，特别是一些小型现 场液位开关发展极快，如超声液位计和振动式液位开关，由于没有可动部件，所以 可靠性高，不仅可现场显示，而且可以发出控制信号。与此同时，液位检测也在向 着智能化发展，在液位测量领域内广泛应用微处理技术以实现故障诊断和报警， 目的是提高测量的精确度、可靠性、安全性和多功能化。在传感器方面，在应用和 设计中尽量实现不接触式或不渗透式测量，其中以超声波式液位计、光学式液位计、 电磁式液位计与辐射式液位计最为典型，从而提高探头对恶劣的过程条件的抵抗能 力峨 超声波测量液位是一种传统的、同时又非常具有发展潜力的方法【2 1 。用超声波测 量液位的基本原理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， 由超声波探头发出的超声波在液体与气体的分界面发生反射所产生的回波又被探头 华中科技大学硕士学位论文 接收到，依据探头发射超声波到它再次接收到超声波所历经的时间可测出液位。超 声液位测量技术相比较其它测量方法有很多特点和优点：超声测距不仅能实现接触 测量还可以实现非接触测量；它不仅能够定点和连续测位，而且能够方便地提供 遥测或遥测所须的信号。与放射性技术相比，超声技术不需防护：和红外、激光及 无线电测距相比，在近距范围内超声测距有其不受光线影晌、结构简单、成本低等 特点。超声液位测量另一个突出优点是：环境介质可以为空气、液体或固体，适用 范围广泛弘j 。 + 在飞机、坦克等运动环境中，液位测量通常采用压差式、浮体式和电容式等测 量方法，但存在测量盲区比较大、分辨力低等缺陷。特别是在飞机、坦克之类武器 内部，由于需要尽量利用有限的空间，使得液体所处的容器形状非常复杂、狭小； 因此测量技术的盲区要求变得相当重要。液介式超声液位测量的盲区相对上述通用 方法来说则有很大优势。但传统的超声液位测量大多数为气介式，存在大盲区和不 适用于挥发性汽液环境等缺陷；而现今常见的液介式超声液位测量则由于通常采用 温度补偿校正超声速度，所以对传声媒介的选择性较强。 为顺应现代液位测量技术的发展趋势，特研究动态自校正高精度的超声液位测 量系统和装置。该测量系统主要应用于油罐油位、港口水位、飞机坦克等的油箱油 位等等的动态测量，以考虑作为现在运用在其中的比较通行的压差式、浮体式和电 容式测量方法的补充甚至替代，并实现小盲区、方便通信的特点和功能。在本研究 课题中融入现代信息技术、电子技术，借鉴超声检测技术在其它应用中的技术成果， 以改善传统的超声液位测量方法，同时也为超声技术在其它领域的应用提供技术借 鉴。 1 2 超声液位测量技术的发展现状 由于空气和水之间对声波的反射率基本达到1 0 0 ，故可利用气体与液体对声波 界面的反射进行测量，这样不需要接触测量物质即可测量液位。超声液位系统中的微 处理机能迅速、精密地计算出传感器到被测物之间的距离。这类测量仪适用于普通 液位仪表难于测量的腐蚀性液体、高粘性液体、有毒性液体等液面的连续测量与位 华中科技大学硕士学位论文 式测量，也可用于液一液分界面、固一液分界面的连续测量和位式测量，但超声式 仪表必须用于能充分反射声波且传播声波的对象，因而不能用于真空对象，也不宜 用于饱含气泡和固体颗粒的液体中。 在国外超声液位测量仪表，e + h 公司研制生产系列超声液位测量仪最具代表性。 其中，p r o s o n i cf m u l 3 0 2 3 0 量程高达1 5 m ，盲区o 2 5 m ；另外其新型气密结构、耐 腐蚀的p r o s o n i cf m u 8 6 0 8 6 1 8 6 2 超声液位计相对精度可达o 2 ，输出信号符合 h a r t 协议或p r o f i b u s 总线标准或f f 总线标准，是一种适用于各种过程控制系统的 智能型一体化非接触式连续物位测量仪，代表了液位测量仪表的发展方向 4 1 【5 1 。 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仿制等手段，还有许 多合资企业代理国外相应产品。h w 1 0 0 0 型非接触式超声波水位计是一种比较典型 的产品，据水利部水文仪器质量检验测试中心检测认为，其量程在1 0 m 范围内，经 测试统计计算后误差满足+ 2 c m 要求【6 1 。总之我国在该领域的发展相对国外还有很大 差距，普遍存在产品性能指标低、仪表可靠性差、企业技术力量及装备差等问题。 1 3 课题研究及论文的主要内容 为排除温度、超声波传播介质密度变化的干扰，超声波液位测量技术采用声速 自校正手段，将外界环境变化对测量精度的影响减至足够小；为适应液面倾斜、波 动的测量条件，超声波液位测量技术中需要具备动态跟随功能。静态单纯环境下， 超声液位测量可以达到相当高的精度；但在动态复杂环境下，如振动、噪声等环境 下，由于信号起伏、温度对声速的影响、热量的变化、液面的波动等等原因，信号 在传输的过程中产生严重失真【7 】【引。此外，若传感器位于结构复杂的箱或罐等容器中， 还会接收到来自容器内部支柱、隔板、横梁等的回波。因此从液面反射的回波信号 往往是不真实的或被淹没于大量的背景噪声中，使得无法分辨出真正的回波信号。由 于以上一些因素，使超声液位测量系统的测距精度的提高受到很大的限制，这也影 响到了超声测距系统在一些精度要求较高的场合的应用。 本研究课题及论文围绕上述问题主要完成了一下工作内容： 1 全面阐述了超声测量工作原理和超声液位测量基本方案，在此基础上提出了 华中科技大学硕士学位论文 改进的动态自校正的超声液位测量方案。 2 针对超声检测中阈值法判断回波的波形和到来时刻的局限性，提高测量精 度，提出了一种高速数据全采集的思路，并在硬件上实现了高速数据采集。 3 为实现小盲区高精度测量，本课题选用高频窄脉冲的液介式测量技术，实现 了窄脉冲发射电路和回波接收放大电路。 4 为适应组成测量网络的需要，本课题还引入了串行通讯和电流模拟输出。 5 本液位测量研制的装置为方便单机运行，在软硬件上还采用了良好的人机界 面模式。 4 华中科技大学硕士学位论文 2 超声测量基础 超声技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的、各行各业都可能会遇 上的通用技术。超声波束具有聚束、定向及反射、透射等特性，超声技术通过超声 波产生、传播及接收的物理过程完成相应的技术功能( 9 i 。超声检测技术是利用较弱的 超声波来进行各种检验和测量，必要时进行自动控制的技术。超声测量技术，则是 通过超声的方法来测定媒介的某些非超声学特性和状态参量。超声液位测量技术就 是种比较有效的超声测量技术【2 】。 超声波是一种机械波，是机械振动在媒介中的传播过程。超声波是人耳听觉阀 值以上的振动，频率范围在1 0 m z 到1 n z 之间，常用频率大约在1 0 k h z 至l j l 0 m h z 之间。 2 1 超声波的传播 在超声波传播过程中，被超声所充满的空间称为超声场。与超声波的波长相比， 如果超声场很大，这时超声波就像处在一种无限的媒介中，超声波自由地向外扩散： 反之，如果超声波的波长与相邻媒介的尺寸相近，则超声波受界面限制不能自由地 向外扩散。描述超声场的特征量有：声速、声压、声强、媒介的特征阻抗等等：超 声场的物理性质有：反射与折射、衰减与吸收、叠加与干涉等【9 1 。 2 1 1 超声场的物理特征量 1 ) 超声波动方程 假定x 轴是超声波的传播方向，u 为振动角频率，原点x = 0 处的质点振动状态 盏= c o s a 2 t ，媒介中超声传播速度( 声速) 为c ，则坐标x 处的质点振动状态，即超声 波动方程为 善( x ，t ) = 矗c o s 国( t x c )( 2 1 ) 一个周期t 内超声波所行进的距离为波长 = c t = = c t = 警 ( 22 ) 国 、7 华中科技大学硕士学位论文 式中：f 超声波频翠 2 1 声速 由式( 2 2 ) 可推导出波动方程偏微分形式： 繁筹 ( 2 3 ) 从偏微分方程形式可知：媒介中声速与超声波的频率和振幅无关，声速是媒介 的自身固有的性能指标，但与媒介中超声波质点振动形式有关。由更进一步的分析 可知： 在流体中只能传播超声纵波，声速c = j 芳 ( 2 4 ) 在气体中超声纵波声速可以进一步表达成c 一警 ( 2 5 ) 在固体中既可以传播纵波，声速c ，2 捂 ( 2 _ 6 ) 也可以传播横波，声速c t 2 j 舅 ( 2 7 ) 式中：c 、c 1 、c 广声速 p 媒介密度 b 流体体积弹性模量 e 固体伸长弹性模量 g 固体切变弹性模量 y 气体定压比热和定容比热的比值 u 气体分子量 r 理想气体常数 t 绝对温度 由以上公式可知，气体中的声速受温度变化影响非常显著。 3 ) 声压和声强 声压p 是超声场中某一点在某一时刻叠加在静压力之上的，由于超声波引起来 的交变压力： 华中科技大学硕士学位论文 p = p c c o 喜。，( c o t - 1 4 0 ) = p c u 声强i 是超声波通过单位时间单位面积传递的能量的平均值 i = 两2 基 式中：p 媒介密度 c 媒介中的声速 ( 2 8 ) ( 2 9 ) e 。媒介中质点振动位移的振幅 u 媒介质点振动的速度 ( - 卜_ 振动的角频率6 = 2 z f p 。声压的幅值 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。 4 ) 特征阻抗率 从式( 2 7 ) 和式( 2 8 ) 可以看到，媒介的密度p 和声速c 的乘积结合在一起是一个重 要的特征参量，反映媒介的超声学性质，被定义为媒介的特征声阻抗率： z = p cr 2 t o ) 2 1 2 超声场的物理性质 1 ) 叠加和干涉的形成 如果在同一种媒介中传播着多列超声波，就可能形成波的干涉现象。两列振动 形式相同、角频率为。( 波长为 ) 、波程差为d 的超声波岛( x ，t ) = 盏。c o s c o ( t x c ) 和 岳( x ，t ) = 点。c o s c o t 一( x d ) c 叠加后的波动方程为： 苣( x ，t ) 2 卣( x ，t ) + 磊( x ，t ) = kc o s c o ( t x c 一妒) 式中：合成振幅毛。= 、烁。+ 十2 。乞、：c o s 孕 ( 2 t 1 ) v几 从式( 2 1 0 ) 可以看到：当波程差d = o 或d = n t 时，合成振幅最强；而当d = n 要时， 合成振幅最弱，其中n = l 、2 、3 。 2 ) 驻波超声场 华中科技大学硕士学位论文 当两个完全相涮的波从相反的方向传播时，干涉还可能进一步形成驻波超声场： 在相距 2 的地方出现振动的节点，这些地方的媒介为静止状态；在两个相邻节点 之间出现振动波腹，也就是媒介振动幅度为最大值。例如沿着正x 方向和负x 方向 行进的两个波分别是眚= s 血2 石( 一和岛= es i n 2 玎( 上t + 争x ，t 为周期，其合成波 为姜= 萏+ 受= 2 毒c 。s 孕s i n 孕。当x = n 鲁( n = l 、3 、5 、) ，则质点振动位移 a s = o ( 振动节点的间距是皇) a 在它们中间c 。8 孕达到最大值，而a s 等于单个行进 波幅值i 的两倍。 3 ) 反射与透射 平面超声波，从无限大的、特征声阻抗率z 一的媒质1 传播到相邻的无限大的、 特征声阻抗率z 2 的媒介2 时，在两媒介的平面分界面上，一部分超声波被反射回媒 质1 ，另一部分被折射到相邻的媒介2 中，入射角0 1 、反射角e 2 和声速c 1 、c 2 满足 折射定律： i s i i n n 鼠o ! = 鲁 ( 2 1 2 ) s i n 鼠c ， l 7 声压反射系数r 和声强反射系数r ： r - 笨糍 r = ( 篆糊) 2 眨 声压透射系数t 和声强透射系数t ： t = 耳丽2 z = 丽c o s 0 i ( 2 1 5 ) z ，c o s 日+ z ，c o s 只 、。7 t = z ：湖2 z 幅= c o s o 啷, 岛1 2 毫 ( 2 1 6 ) 如果s i n or e l c 2 ，入射波完全被反射，在相邻媒介中没有折射波。 i ) 如图2 1 所示，当超声波垂直入射到相邻的两个无限大媒介的单一界面上时， 0 1 - 0 2 = 0 ，则声压反射系数r 、声强反射系数r 和声压透射系数t 、声强透射系数t 分另川 华中科技大学硕士学位论文 为： r = z 2 万2 - z i r = z 2 - z , 1 2 t 一矗 t = ( 亳隧 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 当一个超声波垂直入射在阻抗相差很大的两种媒介的分界面上时，声强反射系 数接近等于l ，入射波与反射波反向传播，幅值相等，因而会形成驻波超声场：在刚 性的壁上产生振动节点，在柔性面上产生振动腹点。 超声波反射的驻波声场的理论是超声换能器的设计理论依据之一。 z 2 p 2 i r p 22 一 p 2 3 一 d 图21垂直入射时的反射和透射图2 2 多重界面时的反射和透射 i i ) 在声阻抗率为z 1 的媒介l 和声阻抗率为z 3 的媒介3 之间插入厚度为d 、声 阻抗率z 2 的媒介2 ，形成多重界面，如图2 2 所示。超声波从媒介i 垂直入射到分界 面1 2 和2 3 ，在媒介2 内会出现多重反射和透射，分界面1 2 之间声强反射系数r 2 和媒介1 、媒介3 之削的声强透射系数t 13 分别为： r 1 2 - 啦迎型锩笋巡( 2 2 1 ) 王，2 币轷丽丽网惫万谚嘲 ( 22 2 ) 式中：r 12 = z 1 z 2 ，r 13 = z 1 z 3 ，r 2 3 _ z 2 z 3 ，。2 为媒介2 中的声速。 华中科技大学硕士学位论文 若插入媒介厚度d 满足：4 d 2 = 2 n + l ，透射系数为r i ；，2 瓦睾再，取到最大值； 也就是说，为了达到最大透射，对于任何插入媒介的厚度d 应选为此媒介中相应频 率四分之一超声波长x2 4 的奇数倍。若同时满足z j = z , z ，则t 1 3 = 1 ，达到最佳传 输能量的状态。 同理，如果要在同一媒介( z l = z 3 ) 中插入相异的媒介达到最大反射，则插入物质 的厚度应选为 2 4 的偶数倍，此时，插入媒介中的超声波满足驻波声场节点条件。 入射到分界面1 2 上超声波被最大程度的反射回去，声强反射系数r = ( 瓤z ，- - a i ) - ，可 以看作是声波在无限大的媒介分界面上的反射。 超声波在多重媒介分界面上的反射和透射理论，是设计超声反射层和透射层的 理论依据。 4 ) 超声波的衰减 超声波的衰减是超声波在媒介中传播时，其振幅随传播距离增大而减小的现象， 造成衰减的主要原因是媒介对超声波的吸收。超声衰减因素服从指数规律，液体媒 介中的吸收衰减系数 一譬晤叩+ 等k ) ( 2 2 3 ) c | 9j c 式中：n 媒介的粘滞系数， y 比热比， k 媒介的热传导系数。 公式表明，液体媒介中的超声吸收衰减系数与频率的平方成f 比，这是选择超 声工作频率的重要依据之一。 2 1 3 脉冲超声波传播的特点 在超声检测技术，特别是超声测量技术中使用最广泛的是超声脉冲波。超声测 距常用的发射脉冲波形如图2 3 所示有：单个尖脉冲、衰减振荡脉冲、窄等幅波列脉 冲和宽等幅波列脉冲。无论哪种脉冲波，从频谱角度看，都是复频波，高频分量 华中科技大学硕士学位论文 比较多。由于媒介中超声波的衰减系数是频率的函数，同一发射的脉冲波中不同频 率成分的波将以不同的群速度传播。这使得脉冲波形将随着传播距离的增大而发生 畸变，并且这种畸变程度随距离的增加而变得显著，如图2 4 所示。 ( a )( b ) 较少周期 - + ( c ) 图2 3 常用脉冲波形 较多周期 p + ( d ) 在要求分辨力较高和盲区较短的超声测量技术中，一般使用宽度较窄的脉冲波。 但脉冲越窄，则频谱分量越丰富，波形畸变越严重。在要求传播距离较远的超声测 量技术中，则倾向采用较宽的等幅脉冲波。由于维持振动的周期数较多宽等幅脉冲 波的频谱分量较纯些、能量较大、畸变较小，所以适合于传播较远的距离。 2 2 超声波的产生和接收 图2 - 4 脉冲波形的畸变 有些单晶体和多晶陶瓷材料受到机械应力作用时，在材料中会产生电场，这种 效应称为压电效应，具有这种功能的材料就是压电材料。压电材料不仅有压电效应， 而且还有逆压电效应，即压电材料承受电场作用时会产生机械应力和应变。这样一 来，在压电材料中，交变电场引起同频率的交变应力应变，并向周围媒介传播，形 华中科技大学硕士学位论文 成声波形式的机械波；反过来，周围媒介中声波传播给压电材料的交变应力应变， 也会引起同频率的交变电场【9 1 。进一步，如果电场变化频率和声波频率足够高，这种 机械波就是超声波。通过压电效应，压电材料将接收到的超声能量转换成电场能； 而通过逆压电效应，压电材料将变化的电场能量转换成超声能量。 典型的压电材料有石英晶体和人工烧制的多晶压电陶瓷。由于压电陶瓷价格低 廉并且具有机电耦合系数高、烧制方便、易于成型、机械强度高、耐温耐湿等优良 性能，在超声测量的得到了广泛应用。 2 2 1 压电方程和参量 压电材料是弹性体，应力t 与应变s 成正比，比例系数为弹性模量c ；压电材料 同时又是电介质，电感强度d 与电场强度e 成正比，比例系数为介电系数e 。从而 有力学关系式为： t = c s ( 2 2 4 ) 电学关系式： d = er 2 2 5 1 压电材料存在压电效应和逆压电效应，力学量( t 、s ) 和电学量( d 、e ) 之间存在压 电关系式： t = c 8 s e e f 2 2 6 ) d = e s + e f 2 2 7 ) 式中：c 5 - e 部时的弹性模量 ，s = 0 时的介电系数 e 一压电应力电场恒量，也叫压电发射系数 2 2 2 振动模式和频率 超声液位测量时，在空气或液体中传播的是超声纵波，由厚度振动模式的压电 晶片来产生。垂直于压电陶瓷电极化方向z 将其切成圆形或矩形片薄片，两面镀银 电极，如果薄片的横向尺寸远大于厚度，就构成了薄片厚度振动模式的压电超声换 能器，如图2 5 所示。 华中科技大学硕士学位论文 图2 5 薄片厚度振动模式 厚度振动模式晶片在产生超声波时如果晶片内的某个频率的超声波形成共振 状态的驻波声场，则电能向声能的转换效率最高。这个相应的共振频率就是压电晶 片的中心频率。 驻波状态下，晶片两端面振幅最大，是驻波的波腹；晶片中心平分面振幅最小， 是驻波的节点。因此，晶片中波长 2 2 d r 2 2 8 ) 而晶片内纵波声速c t 2 j 芳 ( 2 2 9 ) 所以中心频率f 0 = 万c t = 击j 号 ( 2 3 0 ) 式( 2 3 0 ) 改写) bn = f o d 3 恬 ( 2 m ) 从式( 2 3 1 ) 可以看到，超声换能器的中心频率与材料的横向长度振动频率常数n 正比，并与换能器晶片厚度成反比。 2 2 3 超声换能器等效电路 在共振频率附近，超声换能器的阻抗持性和共振特性与l c 电路的阻抗特性和共 振特性非常相似。因此，利用机电类比的方法，可以用一个由相应电子元件所构成 的l c 电路来表示超声换能器的等效参数和特性。这样的电路即为超声换能器的等效 电路。对于一个通过逆压电效应激发的超声换能器来浼，在任何共振频率附近，其 电行为可以用图2 6 所示的l c 电路来描述。 i土o-il 华中科技大学硕士学位论文 图2 6 超芦换能器等效电路 在这种情况下，图中h 称为超声换能器的动态( 或等效) 电感，c o 和c 1 分别称为 超声换能器的并联电容( 或静电容) 和动态( 或等效) 电容，r l 称为压电换能器的动态( 或 等效) 电阻，或称机械损耗。在超声换能器的共振频率附近，如果只存在一种振动模 式，即没有其他寄生响应，则在串联共振频率附近很窄的频率范围内，可以认为超 声换能器的等效参数l 、c o 、c 1 和r 1 与频率无关。为了保证满足这一条件，对超声 换能器必须选择合适的尺寸，以便将其主振动模式与其它振动模式充分区分开来， 类如前述的厚度振动模式要求晶片横向尺寸远大于厚度。 华中科技大学硕士学位论文 3 动态自校正超声液位测量方案 3 1超声液位测量原理 超声液位测量的基本方法是：发射换能器( 工程实践中也称为探头) 发出的超声 波，媒介中传播到液面，经过反剩后再通过媒介返回到接受换能器，通过测量超声 波从发射到接收所需的时削，根据媒介中的声速，就能计算出从换能器到液面之剧 的距离，从而确定液位。 传统的超声液位测量是静态单纯环境下进行，抗液面波动、杂质变化、温度梯 度变化等等干扰的能力比较差。本课题在研究超声液面测量的基本原理及相关的技 术难点及特点的基础上，设计出动态自校正超声液位测量措施。相应地，由于引入 这些动态自校征措施，更加剧了超声回波信号的复杂程度。而传统的回波时刻阈值 判别法因其不易克服较大的盲区限制以及不易有效区分噪声和回波的局限，难于实 现复杂环境下超声液位测量。因此在分析复杂环境下超声回波信号的传输机理基础 上，研究使超声回波信号发生畸变的各因素，将回波时刻判别技术由阈值判别法改 进为全采集法。该判别技术在获取完整的回波信号的基础上，剔除背景噪声，再依 据回波信号性质辨识出正确的超声回波】。 3 1 1 基本方案 超声液位测量系统一般由三个基本部分组成：传感器即超声波换能器，激励信 号发生器，信号处理系统。由激励信号发生器产生的高压脉冲信号激励超声波换能 器产生高频的超声波，超声波经媒质传到液面，部分超声能量被反射回接收换能器。 发射信号和回波信号经调理后一同送入信号处理系统中进行采样、测量、计算等处 理。 根据传超声媒质的不同，可以分为液介式、气介式和固介式三类。根据所用换 能器的工作方式，又可分为自发自收单换能器方式和一发一收双换能器方式。相互 组合起来，就得到六种基本方案2 1 。 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = # = = = ；= = = ；= 。= 一 图3 1 中的a 、b 、c 表示采用自发自收单换能器方式时的三种基本方案的工作原 理：图a 是液介式的情况、图b 是气介式的情况、图c 是固介式的情况。如换能器 至液面的垂直距离为l ，从发到收所经历的时间( 即超声脉冲在换能器和液面之间来 回一次所经历的时间) 为t ，超声在液体中传播的速度为c ，则换能器到液面的距离 l 可按下式求出： l = 姜c t( 3 1 ) 测量误差满足剐n 1 ：( p 2 = ( 争2 + 印2 式中：盯。、q 和旺分别是距离、声速和时间的测量误差。 渐 f l 三； f i ， i i 一曹探头 雕 ( 3 2 ) ( a )( b )( c ) 圈3 1自发自收式超声液位测量基本原理图 图3 2 则表示一发一收双换能器方式时的三种基本方案的工作原理：图d 为液介 式原理、图e 为气介式原理、图f 为固介式原理。相对于自发自收式单换能器超声液 倥测量原理，双换能器超声液位测量的计算公式都复杂些，必须作某些方式的修正。 d 1 c e )( n 图3 2 收发分开式超声液位测量基本原理图 1 6 华中科技大学硕士学位论文 一般晚来，在以上六种基本方案中优先选用自发自收换能器工作方式。因为： 第一，单换能器方式中液位计算公式简单，因而由于原理引进的误差比较小；第二， 单换能器使用的传感器少，相应的接头、电缆等附件也少，从经济角度和可靠性角 度( 元件越少、系统故障率越低) 考虑都比双换能器有优势。 3 1 2 信噪比问题 在自发自收式单换能器超声液位测量中，换能器发射超声波时，其上旌加的激 励电压高达几十伏甚至几百伏。为保护接收放大电路的安全，在接收端都设有限幅 电平，阻断高压电平进入接收放大电路。换能器停止施加发射信号后，还会维持一 定时间的不断衰减的余振7 1 。如图3 3 虚线所示，换能器的余振可以达到限幅电平的 高度。另外，换能器上接收到的反射信号却远比发射信号小；并且，当反射体离换 能器越远，接收信号与发射信号相隔时间就越长，发射信号的幅值也越弱。如图3 3 实线所示，发射信号随时间衰减，但衰减速度比发射信号余振的衰减慢得多。 接 收 信 号 幅 值 值 时间t 图3 3 超声信号信噪比和盲区示意图 任何信号传输过程中，总是存在干扰和噪声。超声液位测量系统中，当反射信 号幅值过小时，就很难从噪声背景中分辨出所需要的信号。所以为了成功地实现测 量，需要从两方面提高系统的信噪比：第一是尽量降低噪声，第二是尽量增大反射 信号的强度和接收系统的灵敏度及分辨力。 华中科技大学硕士学位论文 3 1 2 1 降低系统噪声 超声液位测量系统的噪声来源有三种i 2 】： 第一是发射接收电路元器件的噪声，通过仔细设计电子线路和选用低噪声元件 解决。 第二是外来工业干扰，如工频干扰、邻近大功率电气设备的辐射干扰。这要通 过选择超声传感器频率错开干扰源频率、并采用相应的滤波措施加以解决。 第三是超声液位测量系统中杂乱的声学信号，如传声媒介中的杂质、液体中的 气泡、固体中的缺陷，以及超声换能器主振频率外的杂频振动等等。对于液介式测 量采用波导管，可以增加管内液体的清洁度，并且由于管内空间较小，相应地气泡 较少。通过这些类似措施可尽量降低噪声。 3 1 2 2 提高反射信号的强度 反射信号的强度与三个因素有关，通过三种途径提高其强度f 2 】【7 】： 第一是提高发射信号强度，反射信号强度随发射信号强度增人而增人。在保证 时间分辨力的前提下，脉冲发射波形优先选用宽等幅脉冲，该波形的超声波能携带 的能量较多，发射信号强度高，因为从能谱角度考虑，该波形的能量相对比较集中 在中心频率附近。 第二是提高反射率。液介式和气介式超声液位测量原理使用的是超声纵波，换 能器为薄片厚度振动模式。气体的声阻抗率接近于零，气液分界面的声强反射系数 都接近1 0 0 。当液面波动时，倾斜液面上反射的超声波完全不能或者只有小部分沿 发射波原路返回到接收换能器。同样，采用波导管能使管内液面比较平静，由此反 射信号比较强而且稳定。 而固介式超声液位测量原理中，要求超声波不能从传声固体中进入空气中，但 能大量进入液体中，由此在气液分界面产生反射效果，这需要传声圆体的声阻抗率 与液体的声阻抗率相近。而固体密度一般大于液体密度( 内 p 娃) ，所以需要采用低 速的弯曲波型( 。目 。灌) ，以尽量满足固液声阻抗率相等( 细- 。固* p i l | ( - 。赦) 。弯曲波是固 体中的制导波，具体参数随传声固体的形状不同而变化，所以以上的近似相等关系 不能总是满足，也就是说固介式液位测量的适用范围更严格，反射率难以提高。这 华中科技大学硕士学位论文 也是固介式超声液位测量使用受限制的原因。 第三是减小超声波在媒介中传播时衰减。因为发射波总会有扩散，因此回波能 量只会是发射波的部分能量。超声频率越高，扩散角越小，回波强度越大。另一方 面，在气体和液体中超声波的吸收衰减系数a 与频率的平方成正比，并且气体中的 衰减系数是液体中衰减系数的几十甚至几百倍。因此，气介式测量中常用的超声频 率是4 0 k h z ，而液介式测量中使用的超声频率是数百千赫到几兆千赫。 3 1 3 盲区问题 如图3 3 所示，为了发射超声波，在压电晶片上要施加高压电脉冲。如果需要发 射脉冲比较宽的，相应地外加的高压电脉冲时间也较长。受到电脉冲激励后产生机 械振动，然而电脉冲结束之后晶片并不立即停止振动，而会继续振动数个乃至数十 个周期，形成发射脉冲拖尾。另一方面压电晶片存在多种振动模式，虽然不同的超 声换能器都有其主振动模式，但不能避免其它振动模式带来的低频拖尾。它们在同 一检测电路中引起幅值渐减的电信号，发射脉冲拖尾小到阂值v 。以前，发射信号