超聲波液位儀理(lǐ)論底子

超聲波是一種人(rén)耳無法聽(tīng)到的(de)、頻(pín)率一樣通(tōng)常淩駕 20kHz 的(de)聲音(yīn),它具有以下(xià)特性：

（1） 波長(cháng)與輻射:

流傳速率是用(yòng)頻(pín)率乘以波長(cháng)來(lái)表現。電磁波的(de)流傳速率是310⁸m/s,而聲波在氛圍中的(de)流傳速率很慢(màn)，約爲344m/s。在這(zhè)種比力低的(de)流傳速率下(xià)，波長(cháng)很短，這(zhè)就意味著(zhe)可(kě)以得(de)到較高(gāo)的(de)間隔和(hé)偏向辨别率。正是由于這(zhè)種較高(gāo)的(de)辨别率特性，才使我們有大(dà)概在舉行丈量時(shí)得(de)到很高(gāo)的(de)準确度。

（2） 反射：

要探測某個(gè)物(wù)體是否存在，超聲波應可(kě)以大(dà)概在該物(wù)體上得(de)到反射，由于金屬、木(mù)料、混凝土、橡膠和(hé)紙等可(kě)以反射近乎100﹪的(de)超聲波，因此我們可(kě)以很容易地探測到這(zhè)些物(wù)體。由于布、棉花等可(kě)以吸取超聲波，探測到他(tā)們将非常困難。别的(de)，由于不規矩反射，通(tōng)常大(dà)概很難探測到外貌震驚幅度很大(dà)的(de)物(wù)體。

（3） 溫度:

聲波流傳的(de)速率“V”可(kě)以用(yòng)下(xià)列公式（2.1）表現：

V=331.5+0.607t(m/s)                   （2.1 ）

式中，t=溫度（C），也(yě)便是說，聲音(yīn)流傳速率随四周溫度的(de)變革有所差别。因此，要準确的(de)丈量與某個(gè)物(wù)體之間的(de)間隔時(shí)，始終查抄四周溫度是非常必要的(de)。

（4）衰減:

流傳到氛圍中的(de)超聲波強度随間隔的(de)變革成比例地削弱，這(zhè)是由于衍射征象上的(de)擴散喪失，和(hé)介質吸取能量産生的(de)吸取喪失。  

超聲波液位儀事情原理(lǐ)

超聲波液位儀的(de)根本領情原理(lǐ)是利用(yòng)超聲波流傳時(shí)間和(hé)流傳速率來(lái)确定液面間隔。即所謂的(de)脈沖---回波方法^[6]。

如圖5所示，由超聲波的(de)入射和(hé)反射之間的(de)夾角θ，可(kě)以盤算(suàn)出探頭距液面垂直高(gāo)度 L=Scos(θ/2 ),L 爲超聲波到液面的(de)垂直間隔，S 爲現實間隔，液位高(gāo)度盤算(suàn)公式爲:

L=v t/2cos(θ/2 )                           （2.3 ）

此中，v 表現超聲波聲速，t 表現超聲波流傳時(shí)間。單片機憑據脈沖發射時(shí)間和(hé)吸收的(de)時(shí)間盤算(suàn)出時(shí)間差 t，即超聲波在氛圍中流傳的(de)時(shí)間，并由式：

S=1 /2Ct                                      （2.4 ）

盤算(suàn)出間隔 S，式中參數C是超聲波在氛圍中流傳速率，因而設置溫度傳感器舉行修正。由于超聲波易于定向發射、偏向性好、強度易控制、與被丈量物(wù)體不必要直接打仗的(de)長(cháng)處，是作爲液體高(gāo)度丈量的(de)抱負本領。在細密的(de)液位丈量中必要到達毫米級的(de)丈量精度，但是現在海内的(de)超聲波液位儀專用(yòng)集成電路都是隻有厘米級的(de)丈量精度。通(tōng)過溫度賠償和(hé)數字均勻濾波的(de)方法，可(kě)以将數據進步到毫米級。

超聲波探頭的(de)布局和(hé)原理(lǐ)

超聲波探頭是利用(yòng)超聲波的(de)特性研制而成的(de)傳感器。超聲波是一種振動頻(pín)率高(gāo)于聲波的(de)機器波，由換能芯片在電壓的(de)鼓勵下(xià)産生振動産生的(de)，它具有頻(pín)率高(gāo)、波是非、繞射征象小，分(fēn)外是偏向性好、可(kě)以大(dà)概定向流傳等特點。超聲波對(duì)液體、固體的(de)穿透本領很大(dà)，尤其是在不透明(míng)的(de)固體中，它可(kě)穿透幾十米的(de)深度。超聲波遇到雜(zá)質或分(fēn)界面會産生明(míng)顯反射，從而形成反射回波，遇到運動物(wù)體能産生多(duō)普勒效應。因此這(zhè)項技能遍及應用(yòng)在産業、國防、生物(wù)醫學等方面以這(zhè)種檢測本領，必須發射超聲波和(hé)吸收超聲波。能同時(shí)完成這(zhè)種功效的(de)裝置便是超聲波探頭，也(yě)稱爲超聲換能器。

對(duì)應用(yòng)于産業的(de)超聲波探頭而言，要求其準确度要到達 1mm，而且具有較強的(de)超聲波輻射。利用(yòng)通(tōng)例雙壓電芯片組件振動器的(de)彎曲振動，在頻(pín)率高(gāo)于 70kHz的(de)環境下(xià)，是不大(dà)概到達此目标。以是，在高(gāo)頻(pín)率探測中，必須利用(yòng)垂直振動模式的(de)壓電陶瓷。壓電陶瓷的(de)聲阻抗與氛圍的(de)立室就顯得(de)非常緊張，它的(de)聲阻抗爲2.610⁷kg/m²s,而氛圍的(de)聲阻抗爲4.310²kg/m²s。5個(gè)幂的(de)差别會導緻在壓電陶瓷震驚輻射外貌上的(de)大(dà)量喪失。負載壓電陶瓷，它可(kě)以使超聲波探頭在高(gāo)達數百kHz頻(pín)率的(de)環境下(xià)，仍可(kě)以大(dà)概正常事情。

壓電型超聲波探頭的(de)事情原理(lǐ)：它是借助于壓電晶體的(de)諧振來(lái)事情的(de)，即陶瓷的(de)壓電效應。超聲波探頭有兩塊壓電晶片和(hé)一塊共振闆，給它的(de)兩級加上脈沖信号，當其頻(pín)率即是晶片固有頻(pín)率的(de)時(shí)間，壓電晶片就會産生共振，并動員(yuán)共振闆一起振動，從而産生超聲波。反之，要是電極間未加電壓，則當共振闆吸收到回波信号時(shí)。将克制兩片電晶片振動，從而将機器能轉換爲電能，此時(shí)的(de)探頭就成了(le)超聲波吸收器。

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