超声波液位计测量原理及常见故障处理

双压电晶 片示意图
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热控二班课件 压电式超声波传感器简介
超声波传感器由压电陶瓷晶片、 锥形谐振板、底座、端子、金属壳 及金属网构成。如图所示。其中， 压电陶瓷晶片是传感器的核心，锥 形谐振板是发射和接收超声波的能 量集中，并使传感器有一定的指向 角。金属壳可防止外界力量对压电 陶瓷晶片及锥形谐振板的损害，金 属网也是起保护作用的，但不影响 发射和接收超声波。
超声波传感器结构图
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超声波传感器分类
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超声测距传感器按其作用距离可以分为大、中、小三种量程 。其中，小量程探测距离小于2m，工作频率在 60-300kHz 之 间；中量程探测距离约为 2-l0m，工作频率在40-60kHz 之间 ；大量程探测距离约为 20-50m，工作频率处16-30kHz 之间 。
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热控二班课件 压电式超声波传感器简介
压电效应
某些电介质在沿一定方向上受到外 力的作用而变形时，其内部会产生极化 现象，同时在它的两个相对表面上出现 正负相反的电荷。当外力去掉后，它又 会恢复到不带电的状态，这种现象称为 正压电效应。当作用力的方向改变时， 电荷的极性也随之改变。相反，当在电 介质的极化方向上施加电场，这些电介 质也会发生变形，电场去掉后，电介质 的变形随之消失，这种现象称为逆压电 效应，或称为电致伸缩现象。依据电介 质压电效应研制的一类传感器称为为压
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三.超声波液位计的应用
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手持编程器
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热控二班课件 SIEMENS超声波液位计
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双压电晶 片示意图
热控二班课件 压电式超声波传感器简介
当在 A，B 间施加交流电压时，若上片的电场方向 与极化方向相同，则下面的方向相反，因此，上下一 伸一缩，形成超声波振动。压电陶瓷晶片有一个固有 的谐振频率，即中心频率 F0，发射超声波时，加在其 上面的交变电压频率要与它的固有谐振频率一致，接 收超声波时，作用在它上面的超声机械波的频率也要 与它的固有谐振频率一致。这样，超声波传感器才有 较高的灵敏度，当所用压电材料不变时，改变压电陶 瓷晶片的几何尺寸，就可以非常方便地改变其固有频 率。
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超声波的性质
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(1) 超声波的传播类似于光线，遵循几何光学的规律， 具有反射、折射现象，也能聚焦，因此可以利用这些 性质进行测量、定位、探伤和加工处理等。在传播中 ，超声波的速度与声波基本相同。
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热控二班课件 超声波的性质
(2) 超声波的波长很短，与发射器、接收器的几何尺寸 相当，由发射器发射出来的超声波不向四面八方发散 ，而成为方向性很强的波束，波长愈短方向性愈强， 因此超声用于探伤、水下探测，有很高的分辨能力， 能分辨出非常微小的缺陷或物体。
超声波传感器按收发方式可分两类：一类是发射和接收分别 是两种不同的分体式超声波传感器，此类传感器测距有效范围 比较大，但不具备防尘、防水性能。另一类是具有双向的发射 /接收功能的收发一体式超声波传感器，不仅用于发射超声波 ，也用于接收超声波，此类超声波测距有效范围比较小，防尘
、防水性能好。
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电传感器。
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热控二班课件 压电式超声波传感器简介
压电陶瓷晶片传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成 ，如图所示。需用的压电材料较少，价格低廉且非常 适用于气体和液体介质中。在压电陶瓷片加有大小和 方向不断变化的交流电压时，据压电效应，就会使压 电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方 向是于外加电压的大小和方向成正比的。也就是说， 在压电陶瓷晶片上加有频率为 f 的电压脉冲，晶片就 会产生同频率的机械振动。这种机械振动推动空气等 媒质，便会发出超声波。反之，如在压电陶瓷晶片上 有超声波作用，将会使其产生机械变形，这种机械变 形使压电陶瓷晶片产生频率与超声波相同的电信号。
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目前在空气中的超声波测量系统大多依靠纵波来实 现。而实际测量用的超声波主要集中在频率为 40kHz 的范围内。其中，靠近低频段主要用于空气和液体介 质中的测量系统，中频和高频段主要用于固体介质的 测量。这主要是由于介质对声波能量的吸收随声波频 率的升高而增加，频率越高，声波在介质中衰减就越 快。而在固体介质中，测量的量程比较短(例如超声波 探伤，测工件厚度等)，在液体和气体中，测量的量程 比较长(例如空气中的超声波测距，海洋中测深度等)， 因此，气体和液体中测量所选择的声波频率就要比固 体介质中低。
(3) 能够产生窄的脉冲，为了提高探测精度和分辨率。 要求探测信号的脉冲极窄，但是一般脉冲宽度是波长 的几倍(如要产生更窄的脉冲在技术上是有困难的)，超 声波波长短，因此可以作为窄脉冲的信号发生器。
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超声波的性质
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(4)功率大，超声波能够产生并传递强大的能量。声波 作用于物体时，物体的分子也要随着运动，其振动频 率和作用的声波频率一样，频率越高，分子运动速度 越快，物体获得的能量正比于分子运动速度的平方。 超声频率高，故可以给出大的功率。
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二.超声波传感器原理
➢超声波传感器是实现声、电转换的装置，又称超声 换能器或超声波探头。这种装置能发射超声波和接收 超声波回波，并转换成相应电信号。 。 ➢目前常见的超声波发射和接收器件的标称频率一般 为 40kHz，频率取得太低，外界杂音干扰较多，太 高在传播过程中衰减较大。 ➢按作用原理不同，超声波传感器可分为压电式、磁 致伸缩式、电磁式等数种，其中压电陶瓷晶片制成的 换能器最为常用。在原理上利用压电陶瓷材料在电能 与机械能之间相互转换的功能。
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超声波液位计测量原理 及常见故障处理
热控二班 高红
2012年2月15日
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一.超声波简介
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➢声波是一种传递信息的媒体，它与机械振动密切相 关，可以由物体的撞击、运动所产生的机械振动以波 的形式向外传播。
➢根据振动所产生波的频率高低分为可闻声波、次声 波和超声波，高于20KHz的声波称为超声波。