超声波液位传感器

课程：矿用传感器与自动检测

题目：超声波位移传感器的研究设计

1 绪论

超声波检测技术是一种典型的非接触测量方式,它基于电子学、材料学、物理学等,应用非常广泛。作为波的一种,超声波具有波的所有性质。超声波检测是通过超声波产生、在介质中传播及接收超声波回波的物理过程来实现的。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。在空气介质中,光线、粉尘、烟雾、电磁干扰和有毒气体几乎对超声波测距传感器的性能没有影响,而且超声波测距传感器价格低廉、使用方便。因此,在液位测量、工业自动控制、建筑工程测量、移动机器人视觉识别、汽车倒车防撞系统等许多领域,都得到了非常广泛的应用。

2 超声波测距的基本理论

声波是一种机械波,它可以在气体、液体和固体等介质中传播。超声波是指频率高于20KHZ,在弹性介质中传播的一种机械振荡。正常人的听觉可以听到20赫兹(Hz)～20千赫兹(kHz)的声波,低于20赫兹的声波称为次声波或亚声波,超过20千赫兹的声波称为超声波。超声波是声波大家族中的一员,和可闻声本质上是一致的,它们的共同点都是一种机械振动,通常以纵波的方式在弹性介质内传播,是一种能量和动量的传播形式,其不同点是超声频率高,波长短,在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。

2.1 介质的超声波传播特性

(1)声速

如果忽略空气中的水蒸气和其他杂物的影响,超声波在常温下的传播速度是340m/S,空气中温度、湿度、压强等因素对超声波传播速度产生一定的影响,其中以温度的影响为大。一般情况下,温度每升高1℃,声速增加约为0.6m/s。波速随温度的变化情况如下表1所示:

表1 波速随温度的变化表格

-30 -20 -10 0 10 20 30 100 温度

(℃)

313 319 325 323 338 344 349 386 波速

m/s

空气中的声波传播速度可近似地表示为:

c T

+

=

331

⨯

4

.

/

1

273

4

≈

.

+

331

.

（

）

s

/

T

m

607

式中,T为环境温度（℃）。

(2)声衰减

声音衰减指的是声波在介质中传播时,因波束发散、吸收、反射、散射等原因,使声能在传播中减少的现象。引起超声波衰减的主要原因是波束扩散、晶粒散射和介质吸收。

在平面波的情况下,距离声源X处的声压P和声强I的衰减规律为:

x

P-∂

=e

P

x

e

=2

I

I∂-

其中，——声源x=0处的声压

——声源x=0处的声强

——系数，NP/cm (奈培/厘米)。

2.2 超声波换能器

换能器(探头)是一种实现物理能量相互转换的器件,超声波探头可以将电能转换为声能,也可以将声能转换为电能。实现能量的转换,所以,超声探头又称为超声波换能器,它既可以用来发射超声波,也可以用来接收,是超声波测距系统中的关键部件。超声波换能器主要包括机械式超声波换能器、电动式超声波换能器和电声式超声波换能器三种。其中,电声式超声波传感器主要材料有压电晶体(电

致伸缩)及镍铁铝合金(磁致伸缩)两类。根据不同的设计,超声波换能器的形状主要有柱型(前后金属盖板直径相同)、喇叭型(前盖板直径通过弧型过度缩小)、柱型中间有节等结构形状。

压电换能器是一种电声换能器,它是基于某些晶体的压电效应和逆压电效应来实现电与声能量转换的。压电式超声波传感器主要由压电晶片组成,压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器,它可以将电能转换声能,同时它接收到超声波时,也可以将声能转换成电能。压电式超声波传感器是利用压电晶体的谐振来工作的。某些单晶材料的结构具有非对称特性,当这些材料受到外加应力作用而产生应变时,其内部晶格结构的变化(形变)会破坏原来宏观表现为电中性的状态,产生极化电场(电极化),所产生的电场(电极化强度)与应变的大小成正比。这种现象称为正压电效应,它是由居里兄弟于1880年发现的。随后,在1881年又进一步发现这类单晶材料还具有逆压电效应,即具有正压电效应的材料在受到外加电场作用时,会有应力和应变产生,其应变与外电场的大小成正比。实验表明,在一定限度内的压电效应与逆压电效应是线性的。这就是说,在压电效应时,压电晶体表面电荷密度与应变的大小成正比,当应变改变符号时,电荷也改变符号,在逆压电效应时,压电晶体在外电场作用下应变的大小与电场强度成正比,当电场反向时,应变也反向。压电式换能器是利用某些单晶材料的压电效应和某些多晶材料的电致伸缩效应来将电能与声能进行相互转换的器件。因其电声效率高、功率容量大以及结构和形状可以根据不同的应用分别进行设计,在功率超声领域应用广泛。

超声波压电换能器分为单探头和双探头两种方式。单探头方式指的是超声波换能器既用来发射超声波又用来接收超声波的回波信号,即探头同时用于发射与接收。在单探头工作方式下,当发射超声波时,需要对探头施加十几伏、几十伏甚至是上百伏的电压,使探头产生机械振动,这种机械振动通过压电晶片的振动,将机械能转换为声能,激发出超声波。当开始接收超声波时,发射超声波而产生的余震不会立刻消失,发射信号的幅值相对于回波信号的幅值更加明显,使得接收端误将这种震动产生的波当成是回波而产生测量的失误,影响测量的准确性。常规的做法是停止发射后,延迟一段时间,将这段余震的时间避开再开始接收回波,这就导致了盲区的产生。双探头的工作方式是指发射超声波和接收超声波使用两个

不同的探头。从单探头盲区产生的这种层面上来分析,采用双探头的工作方式可以彻底消除盲区,并且可以增大测量的距离。但是,在实际应用中,由于发射探头和接收探头间的距离很小,并且声波有衍射的特性,超声波发射探头发出的波可能不经过障碍物的反射,而直接绕道到接收探头上,造成了误报,因此,实际上盲区仍然是存在的。

压电换能器是超声波液位传感器的敏感元件,它利用压电效应与逆压电效应完成电能与机械能(声波振动)的转换。选择合适的压电换能器是制作超声波仪器仪表的首要工作,需要考虑以下参数:压电换能器的耐压值、波束角、谐振频率、盲区、回波灵敏度。

2.3超声波测距原理

超声波测距的方法有几种,相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等。相位检测法测量精度高,但检测范围有限；声波幅值检测法更易受到反射介质的影响；渡越时间检测法实现起来简单,成本低,可测距离范围较大。渡越时间法在短距离范围内会有一定的盲区。经过比较与分析,本文采用渡越时间法作为超声测距方法。

渡越时间法超声波测距,原理是测量出超声波从发射到经过障碍物反射的回波到达发射探头的时间,实际上是测量时间。

将超声波液位计安装于被测面上方，在单片机的控制下，探头向被测面发射一束超声波脉冲，声波在被测面表面反射，部分反射回波由探头接收并转换为电信号。从超声波发射到重新接收，其时间与探头至被测面的距离成正比。设超声波从发出到遇被测面返回经历的时间为t,可由单片机定时器测出，即可得到液位超声波换能器把液位高度转换成4至20mA电流信号、1至5V电压信号输入单片机，由于温度对声速具有极大的影响，所以本设计采用DS18B20芯片测量环境温度，以修正声速。