任务描述
在科学技术日新月异发展的今天，许多场合开始引进电子设备作为辅助检测，针对诸多行业储液罐液位测量的特点和技术要求，采用一种基于超声波传感器的液位高度测量系统。超声波是由机械振动产生的，可在不同介质中以不同的速度传播，具有定向性好、能量集中、在传输过程中衰减小、反射能力较强等特点，故超声波传感器可广泛应用于非接触式检测法，不受光线、被测物颜色等的影响。它不仅能够定点和连续测液位，而且能方便地提供遥测或遥控所需的信号。与其他测位技术相比较，它不需要特别防护，安装维修较方便，而且结构较简单，价格低廉。
任务目标
●掌握超声波传感器的分类与基本结构
●了解超声波传感器选用原则
●知道超声波传感器的应用场合和应用方法
任务分析
在超声波液位测量技术中，应用最广泛的是超声波脉冲回波方法:由发射传感器发出超声波脉冲，传到液面经反射后返回接收传感器，测出超声波脉冲从发射到接收所需的时间，根据媒介中的声速，就能得到从传感器到液面之间的距离，从而确定液位高度。
本任务主要讲述超声波反射式液位计的使用。
任务实施
一、任务准备
采用超声波技术来实现测液位，最大的好处是测量仪器不必浸入液体中，减少了仪器与液体之间的相互影响，无任何污染，也提高了安全性和可靠;具有较高的灵活性和较强的适应性，可随时改变用途(测距、测液位、测速等) 和测量对象;功能扩展方便，实现自动测量、控制和计算机数据采集。
超声波(15k Hz以上) 能在气体、液体、固体中传播，其传播速度及衰减量随物质的不同而不同。其传播速度( c) 与物质密度(ρ) 的积(ρc) 称为该物质的声阻抗。在两种物质界面上，超声波的反射率取决于声阻抗，ρc大的反射率也大。超声波在空气中传播，遇到障碍物(包括水等液体，只要符合ρc较大的情况)时就会产生明显的反射。超声波的传播具有一定的直线性，而且遇障碍物会产生反射。图5-24设置一个超声波发射器和一个接收器(频率相同) 。发射器用于发射一个超声波信号，而接收器用于接收从障碍物反射回来的超声波信号。如果使两束波的夹角θ远小于发射器和接收器与障碍物之间的距离h，超声波从发射到被接收的时间t与h成正比关系，即
其中，c是超声波速度，在空气中约为344m/s。我们可以通过测量超声波在这个过程的传播时间t来计算出物距h。在超声波测物距的原理基础上进一步延伸，增添一些装置就可以实现测量液位的目的，构成了超声波液位计。其简要工作原理如图5-25所示，将超声波发射、接收器安装在离液体底部高为H的位置上，设液面的高度为h'。采用超声波测距离的原理测量出液位计到液面的距离h，则液位的高度(深度) 为
h'= H - h (5-44)
使用适合的电路来实现这个运算，就可以做成液位计了。
图5-24 超声波发射器和接收器
图5-25 超声波液位计原理图
二、任务实施
超声波反射式液位计电路主要由发射、接收和计数/显示电路等组成，原理方框图如图5-26所示。
图5-26 超声波反射式液位计电路原理方框图
在图5-26中，发射电路是一个40k Hz的多谐振荡器，与超声波发射换能器连接可以发射出一串串断续的40k Hz超声波信号，发射完每一串它就向计数器送出一个脉冲，触发启动计数，假设该时刻为t0。接收电路与接收器连接，用于接收从障碍物反射回来的超声波信号，并将其转换成电信号，接收完一串完整的信号，就产生一个脉冲，设此时刻为t1。脉冲用来读取这一时刻译码器中的数据，此数据(时间差) 就是超声波传播的时间t =t0-t1。译码电路负责把计数器送来的BCD码转换成七段LED码，然后驱动LED数码管，显示出结果。计数电路中的时基电路用于产生计数器用的时钟脉冲CP，其频率决定了计数、显示数值的单位。调整其频率适当，使一个周期对应测量距离1mm，则显示结果的单位为1mm。
以上是用于测物距时的原理，用于测量液位时，在此基础上增加一个减数运算的电路，将计数器计出的液面距离h作减数，使计数结果符合式(5-44)，则显示结果为液面高度(液位) 。超声波反射式液位计安装结构示意图如图5-27所示。
本液位计由于采用超声波非接触式测量，系统灵活性高，应用范围广，容易实现自控、遥控等多种控制方式，可用于油库液位监控、水库水位监控、粮仓等的料位监控，物距测量及速度测量等。
图5-27 超声波反射式液位计安装结构示意图
三、任务检测
超声波液位传感器安装注意事项:
(1)超声波液位传感器位置应使其有一条垂直于液面的畅通的声通道。
(2)超声波液位传感器不应与粗糙罐壁、横梁和梯子等物相交。
(3)传感器应安装在符合规定的温度范围并适合于其防护等级及构成材料的区域内，前盖应能够接近进行编程、接线和观察显示值。
(4)传感器应远离高压或强电工作区、接触器及可控硅控制驱动器。
(5)传感器安装盲区大于25cm，要保持传感器面与最高液位距离至少在25cm以上。
相关知识
一、超声波及其基本特性
超声技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的通用技术，主要涉及超声波的产生、传播与接收技术。超声波具有聚束、定向及反射、透射等特性。超声技术的应用可分为两类:超声加工和处理技术，即功率超声应用;超声检测技术，即检测超声。
超声检测技术的基本原理是利用某种待测的非声学量(如密度、流量、液位、厚度、缺陷等)与某些描述媒质声学特性的超声量(如声速、衰减、声阻抗等)之间存在着的直接或间接关系，探索了这些关系的规律就可通过超声量的检测来确定那些待测的非声学量。
振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。频率在16～2×104Hz之间，能为人耳所闻的机械波，称为声波; 低于16Hz的机械波，称为次声波; 高于2×104Hz的机械波，称为超声波。声波的频率界限如图5-28所示。
图5-28 声波的频率界限图
当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中传播速度不同，在介质面上会产生反射、折射和波形转换等现象。
1.超声波的传播形式及其转换、波速
(1)声波在介质中的主要传播形式
①纵波，质点的振动方向与波的传播方向一致，它能在固态、液态和气态介质中传播。
②横波，质点振动方向垂直于波的传播方向，它只能在固态介质中传播。
③表面波，质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减;表面波质点振动的轨迹是椭圆形，质点位移的长轴垂直于传播方向，质点位移的短轴平行于传播方向;表面波只能在固体表面传播。
当纵波以某一角度入射到第二介质(固体)的界面上时，除有纵波的反射、折射外，还会有横波的反射和折射，如图5-29所示。在一定条件下，还能产生表面波。各种波形都符合波的反射定律和折射定律。
图5-29 波的传播形式转换图
L—入射纵波 L1—反射纵波 L2—折射纵波 S1—反射横波 S2—折射横波
(2)超声波的传播速度
①超声波在气体和液体中没有横波，只能传播纵波，其传播速度为
式中，k是介质的体积弹性模量，它是体积(绝热的)压缩性的倒数;ρ是介质的密度。
气体中的声速约为344m/s，液体中的声速为900～1900m/s。
②在固体介质中，超声波纵波、横波、表面波的声速分别为
式中，E为固体介质的杨氏模量;μ为固体介质的泊松比;G为固体介质的剪切弹性模量;ρ为介质密度。
对于固体介质，μ介于0.2～0.5之间，因此一般认为
c横≈c纵/2 (5-47)
2.超声波的反射和折射
当超声波从一种介质传播到另一种介质时，在两介质的分界面上将发生反射和折射，如图5-30所示。超声波的反射和折射满足波的反射定律和折射定律，即
图5-30 超声波的反射和折射
3.声波的衰减
超声波在一种介质中传播时，随着距离的增加，能量逐渐衰减，其声压和声强的衰减规律为
式中，p0、I0分别是声波在距离声源x=0处的声压和声强;p、I分别是声波在距离声源x处的声压和声强;α是衰减系数。
超声波在介质中传播时，能量的衰减决定于声波的扩散、散射和吸收。
经常以d B/cm或10-3d B/mm为单位来表示衰减系数。在一般探测频率上，材料的衰减系数在1到几百之间。若衰减系数为1d B/mm，则声波穿透1mm时衰减1d B，即衰减10%;声波穿透20mm则衰减20d B，即衰减90%。
4.超声波与介质的相互作用
超声波在介质中传播时，与介质相互作用会产生以下效应。
(1)机械效应
超声波在传播过程中，会引起介质质点交替地压缩和扩张，构成了压力的变化，这种压力变化将引起机械效应。超声波引起的介质质点运动，虽然产生的位移和速度不大，但与超声振动频率的平方成正比的质点加速度却很大，有时超过重力加速度的数万倍。这么大的加速度足以造成对介质的强大机械作用，甚至能达到破坏介质的程度。
(2)空化效应
由流体动力学可知，存在于液体中的微气泡(空化核)在声场的作用下振动，当声压达到一定值时，气泡将迅速膨胀，然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波。这种膨胀、闭合、振动等一系列动力学过程称为声空化。这种声空化现象是超声学及其应用的基础。
(3)热效应
如果超声波作用于介质时被介质所吸收，实际上也就是有能量吸收。同时，由于超声波的振动，使介质产生强烈的高频振荡，介质间互相摩擦而发热，这种能量能使固体、流体介质温度升高。超声波在穿透两种不同介质的分界面时，温度升高值更大，这是由于分界面上特性阻抗不同，将产生反射，形成驻波，引起分子间的相互摩擦而发热。超声波的热效应在工业、医疗上都得到了广泛应用。超声波与介质作用除了以上几种效应外，还有声流效应、触发效应和弥散效应等，它们都有很好的应用价值。
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。
二、超声波传感器
产生超声波和接收超声波的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器一般都能将声信号转换成电信号，属典型的双向传感器。部分超声波传感器外形如图5-31所示。
图5-31 超声波传感器
1.超声波传感器的性能指标
我们使用前必须预先了解超声波传感器的性能，它的主要性能指标包括:
(1)工作频率
工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。
(2)工作温度
压电材料的居里点一般比较高，特别是诊断用超声波探头使用，功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。
(3)灵敏度
主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高;反之，灵敏度低。
2.超声波传感器的分类
超声波按探头结构可分为直探头式、斜探头式、双探头式和液浸探头式;若按其工作原理又可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等。实际使用中最常见的是压电式探头。
3.压电式超声波传感器的结构和特性
压电式探头主要由压电晶片(敏感元件)、吸收块(阻尼块)、保护膜组成，其结构如图5-32所示。
图5-32 压电式超声波探头结构
压电晶片多为圆板形，其厚度d与超声波频率f成反比，即
式中，E11为晶片沿x轴方向的弹性模量;ρ为晶片的密度。
压电晶片的两面镀有银层，作为导电极板。阻尼块的作用是降低晶片的机械品质，吸收声能量。如果没有阻尼块，当激励的电脉冲信号停止时，晶片将会继续振荡，加大超声波的脉冲宽度，使分辨率变差。
三、超声波传感器的应用
超声波对液体、固体的穿透本领很大，在不透光的固体中可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射，形成反射成回波，碰到活动物体时能产生多普勒效应。因此，超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。超声波距离传感器可以广泛应用在工业中，如超声波清洗、超声波焊接、超声波加工(超声钻孔、切削、研磨、抛光，超声波金属拉管、拉丝、轧制等)、超声波处理(搪锡、凝聚、淬火，超声波电镀、净化水质等)、超声波治疗和超声波检测(超声波测厚、检漏，探伤、成像等)等，工作可靠，安装方便。
下面介绍几种超声波传感器的检测应用，以本任务的液位测量为主。
1.超声波液位检测与控制
由于超声波在空气中传播时有一定衰减，根据液面反射回来的信号就与液位位置有关，如图5-33(a)所示。液面位置越高，信号越大;液位越低，则信号就越小。液位检测电路由超声波产生电路［5-33(b)］和超声波接收电路［5-33(c)］组成。
图5-33 超声波液位检测原理及检测电路图
图5-34为液位控制电路。A点与图5-33(c)的A点相连接，将检测液位信号输入比较器同相端。当液位低于设置阀值时(可调RW)，比较器输出为低电平，BG不导通;若液位升到规定位置，其信号电压大于设定电压，则比较器翻转，输出为高电平，BG导通，J吸合，实现液位控制。
图5-34 液位控制电路
2.超声波测厚
超声波测厚常用脉冲回波法，如图5-35所示。如果超声波在工件中的声速c已知，设工件厚度为δ，脉冲波从发射到接收的时间间隔t可以测量，因此可求出工件厚度为
δ=ct/2 (5-51)
图5-35 脉冲回波法测厚方框图
要测量时间间隔t，可用图5-35所示方法，将发射脉冲和反射回波脉冲加至示波器垂直偏转板上。标记发生器输出已知时间间隔的脉冲，也加至示波器垂直偏转板上。线性扫描电压加在水平偏转板上。因此，可以从显示屏上直接观测发射和反射回波脉冲，并由波峰间隔及时基求出时间间隔t。
3.超声流量计
超声波在流体中的传播速度与流体的流动速度有关，据此可以实现流量测量。这种方法也不会造成压力损失，并且适合大管径、非导电性、强腐蚀性的液体或气体的流量测量。下面简单介绍时差法超声流量计。
在管道的两侧斜向安装两个超声波传感器，使其轴线重合在一条斜线上，如图5-36所示。
图5-36 超声流量计结构示意图
换能器A发射而B接收时，声波基本上顺流传播，速度快、时间短，可表示为
B发射而A接收时，逆流传播，速度慢、时间长，即
式(5-53)中，L为两超声波传感器间传播距离;c为超声波在静止流体中的速度;v为被测流体的平均流速。
两种方向传播的时间差Δt为
因v≪c，故v2可忽略，故得
或
当流体中的声速c为常数时，流体的流速v与Δt成正比，测出时间差即可求出流速v，进而得到流量。
值得注意的是，一般液体中的声速往往在1500m/s左右，而流体流速只有每秒几米，如要求流速测量的精度达到1%，则对声速测量的精度需达10-5～10-6数量级，这是难以做到的。更何况声速受温度的影响不容易忽略，所以直接利用式(5-55)和式(5-56)不易实现流量的精确测量。
单元小结
本单元内容为液位的测量，围绕液位这个被测量的测量方式，主要介绍电容式传感器和超声波式传感器。通过任务驱动的方式来引入，介绍了两种传感器测量液位的电路和测量液位的基本原理。
本单元知识点梳理
综合测试
一、填空题
1.电容式传感器是一种将被测物理量转换为 ______变化，随后由测量电路将______的变化量转换为电压、电流或频率信号输出，完成对被测物理量的测量的传感器。
2.根据工作原理不同，电容式传感器可分为______ 、______ 和______ 等3种。
3.电容传感器的常用测量电路有______ 、______ 和 ______。
4.声波在介质中传播时有3种主要传播形式:______ 、______ 、______ 。我们平常所说的声速其实是______ ; ______波的传播速度约为______ 波的50%;______波的传播速度约为 ______波的90%; ______被称为慢波。
5.超声波在气体和液体中没有横波，只能传播 ______，传播速度为______ 。
二、选择题
1.在间隙为1mm的两块平行极板之间插入( )，可测出最大的电容量。
A.干的纸 B.塑料薄膜 C.玻璃薄片 D.湿的纸
2.在电容传感器中，若采用调频法测量转换电路，则电路中( )。
A.电容和电感均为变量 B.电容保持不变，电感为变量
C.电容为变量，电感保持不变 D.电容和电感均保持不变
3.超声波频率越高( )。
A.波长越短，扩散角越小，方向性越好 B.波长越长，扩散角越大，方向性越好
C.波长越短，扩散角越大，方向性越好 D.波长越长，扩散角越小，方向性越差
4.超声波从空气中以45°角入射到水中时，折射角( )入射角。
A.大于 B.小于 C.等于
5.超声波在玻璃中的速度( )在水中的速度，( )在钢铁中的速度。
A.大于 B.小于 C.等于
三、简答题
1.根据工作原理可将电容式传感器分为哪几种类型? 每种类型各有什么特点? 各适于什么场合?
2.试分析影响变面积式电容传感器和变间隙式电容灵敏度的因素。为了提高传感器的灵敏度，可采取什么措施并应注意什么问题?
3.超声波式传感器可分为哪几类? 分别举出几个应用例子。
4.实操题
利用电容式传感器工作原理来测量位移。
