简述超声波传感器与物位、厚度的检测(9)(2)

起来的方法是主要的降低探测传输不确定度的方法。

测量回波用到门限值的方法来测量回波的真实时间。选取一定的门限值，

接收回波的包络线大于门限值时确定为回波到达的时间。回波的第一个周期的峰值作为测量标准，以该值的75％作为门限值，测出时间，由此计算出超声波真实的到达时间。此方法对第3个波近似计算为波峰的75％，所以对精度要求较高的测量并不足够 [1]。

收发换能器分离比一体化更减少盲区距离。提出减小盲区的改善措施可以

减少发射波串的长度，发射波频率增高，波长减小，可以减少绕射，还可以用喇叭口形的聚波器束窄方向瓣。这些措施也有一定限度，例如：发射波串的长度过短将使得发射换能器激振达不到最大值或不能被激振。发射波频率加高受到换能器特性限制，同时，发射波频率加高使超声波在媒介中的衰减大幅度加剧，使作用距离下降[2]。

有一种比较有效的测量回波方法。它对回波包络线进行峰值检测作为回波时间点。传统的测量方法，以接收信号的幅值超过系统所规定的阈值时的时刻作为停止计时信号。时间检出点是随距离变化而变化的，这种“时间检出点”的变化就产生了距离测量的误差。针对回波信号的特点，采用峰值时间点检出方法，首先回波将经过放大、滤波后的回波信号进行线性包络检波，然后对检波的输出信号进行微分处理，最后对微分电路的输出进行零点交叉检测，即可得到回波信号的峰值时间，此时无论被测距离远近，即在回波信号包络线的峰值点。

简而言之，综述研究现状，虽然某些研究方法仍存在不足和困难的地方，但也可看到一些优秀的测量方法，应取其精华，去其糟粕.

[3]

第二章 超声波传感器

2.1 超声波简介

超声波[4]简单的说就是音频超过了人类耳朵所能够听到的范围。一般而言是指声音超过了20KHz时称之为超声波。与光波不同，超声波是一种弹性机械波，它可以在气体、液体和固体中传播。因为电磁波的传播速度为3?108m/ s，而超声波在空气中的传播速度为340m / s，其速度相对电磁波是非常慢的。超声波在相同的传播媒体里(如大气条件)传播速度相同，即在相当大的频率范围内声速不随频率变化，波动的传播方向与振动方向一致，是纵向振动的弹性机械波，它是借助于传播介质的分子运动而传播的，波动方程描述方法与电磁波是类似的:

2

A?A(x)?cos?w?t?k?x? (2.1)

A(x)?A0?e???x (2.2)

在公式中，A(x)为振幅，Ao为常数，w为圆频率，t为时间，x为传播距离，k=2∏/λ为波数，A为波长，a为衰减系数。衰减系数与声波所在介质及频率的关系为:

??a?f2 (2.3) 式中，a为介质常数，f为振动频率。在空气里，a=2?10?13 s2/cm，当振动的声波频率f= 40kHz(超声波)代入式(2.3)，可得a= 3.2?10?4/cm，即1/α=31m；它的物理意义是:在(1/a)长度上，平面声波的振幅衰减为原来的e分之一，由此可以看出，频率越高，衰减得越厉害，传播的距离也越短。声波在空气媒质里传播，因空气分子运动摩擦等原因，能量被吸收损耗。考虑实际工程测量要求，在设计超声波测距仪时，选用频率f=40kHz的超声波。 二 超声波的传播速度

纵波、横波及表面波的传播速度取决于介质的弹性常数以及介质的密度。

1. 液体中的纵波声速：

C1?

k? （2.4） 2.气体中的纵波声速：

???C2?? （2.5）

?式中： K--体积弹性模量 --- 热容比 P--静态压力 ρ--密度 例：T=0 °C，超声波在空气中的传播速度 C1=331.45m/s,

C=331.45+0.61T (m/s) （2.6） 式中 T:°C

3

2.2传感器简介

2.2.1传感器的定义

英文名称：transducer / sensor

国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量件并按照一定

的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

图一 传感器

2.2.2传感器的作用

人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。

新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。

在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。

在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展，进入了许多新领域：例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到 cm的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到 s的瞬间反应。此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端

4

技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁场等等。显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。

传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。

由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。

2.3 物位、厚度简介

物位测量通常指对工业生产过程中封闭式或敞开容器中物料（固体或液位）的高度进行检测；如果是对物料高度进行连续的检测，称为连续测量。如果只对物料高度是否到达某一位置进行检测称为限位测量。

超声波物位计用于液体和颗粒状固体等物位的监控。多种型式可选，最大量程60米，具有单点、 双点和十点物位测量。

1）物位变送器MultiRanger：用于给水、污水处理、采矿、坑道和采石工业、水泥、化工、造纸和食品业。

2）超声波传感器Echomax：采用非接触设计，易于安装，免维护。可在极其恶劣的工况条件下使用。

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