超声波液体密度传感器
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! "##$ 年 第 "% 卷 第 $ 期! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 传感器技术 （ &’()*+, ’- .)+*/0(12) .213*’,’45）
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超声波液体密度传感器
姚明林，陈先中，张! 争
（ 北京科技大学 信息工程学院 测控系， 北京 !"""#$ ） 摘! 要：介绍了超声波密度传感器的工作原理和超声波探头的选择与制作工艺要点。所设计的硬件电路 包括发射电路、 放大接收电路和检波整形电路。超声波传播时间的测量是通过 6.7896:;< 单片机内部 的高速计数器实现的。针对环境温度对密度的测量有较大的影响， 采用集成温度传感器 6=$># 与单片机 共同完成温度补偿。经测试证明： 传感器的准确度达到 ? #@ "$ A 。 关键词：超声波；密度传感器；液体；声速 中图分类号：.B":;! ! ! 文献标识码：6! ! ! 文章编号：:### C >DED （ "##$ ） #$ C ##$D C #%
%. !# 探头的制作
探头的制Baidu Nhomakorabea工艺要求严格， 通常要求在无尘的环境中
万方数据 湿度控制设备， 进行， 有必要的温度、 必要的工装夹具。
第 ! 期" " " " " " " " " " " " " " " " " 姚明林等： 超声波液体密度传感器! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !8
". $# 发射电路
发射电路主要由可控硅和三极管组成， 供电电源为 $! ;。单片机通过光耦向发射电路发射频率为 !00 23 的脉 冲， 通过由三极管组成的微分电路产生尖脉冲， 由可控硅将 单脉冲的幅值提高到 $$ ; 左右。之所以将脉冲信号转化 成尖脉冲， 主要原因是不用人为调整电路的谐振频率。因 为发射探头只有在其固有频率时， 才能正常工作。如果采 用有一定宽度的脉冲信号， 就需要确切测定发射探头的固 有频率， 然后， 将电路的频率调谐在探头的固有频率。随着 环境温度、 压力的变化， 探头的频率会有一些变化， 这就要 求电路的频率也要随之变化。这种电路在环境条件变化很 频繁的情况下显得有些不适应。而尖脉冲发射电路可以克 服这种缺点， 尖脉冲可以使发射探头产生自激， 在其固有频 率振动。
". !# 接收电路
接收电路主要包括放大、 检波和电压比较电路。接收 探头接收的信号比较微弱 （ 只有 "0 <; ） ， 通过放大电路将 其放大 （ = ; 左右） 。放大后的信号经过检波二极管和电容 组成的检波电路后形成较简单的信号波形。将检波后的信 号经过由电压比较器变换电路转换成 ) ; 的低电平信号， 此信号经过光耦送入到单片机作为中断信号。信号波形如 图 % 所示。
密度计已经成为用以控制和检测流体密度、 浓度、 组分和质 量流量等必不可少的一种工业用仪器； 在现代生物医学领 域中， 对人的体液 （ 血液、 淋巴液等） 密度的测量已成为医
［"］ 学临床和基础研究的一种重要方法 ； 在商品交易中， 准
确的密度测量是保证供销和国家税收的重要依据。 常用的在线式液体密度计种类很多， 有振动式液体密 度计、 电容式液体密度计、 射线式液体密度计和超声式液体 密度计。这几种液体密度计在测量现场中都有各自的特 点： 振动式和电容式成本低， 在测量中应用较多。但测量准 确度不高， 维护较为麻烦； 射线式可进行非接触的测量， 但 存在射线的辐射危害， 因此， 使用较少； 超声式液体密度计 的应用范围很广， 维护方便， 测量准确度高， 对人体没有危 害， 是实现液体密度动态测量的最具前途的一种传感器。
［:］ 计量测试已是必不可少的环节 。工业生产过程中， 液体
:! 超声波在液体中的传播 对于液体而言， 超声波几乎只能以纵波的形式进行传 播， 其传播速度为 : ， !# ! 式中$ ! 为超声波在液体中传播的速度； # ! 为液体的密度； !" 为压缩系数。 液体中， 声速随温度的变化关系较复杂， 大多数情况 下， 声速随着温度的升高而变小， 但对水来讲并非如此， 在 通常的情况下， 压力为 : 个大气压， 水中声速是随着温度的 升高而变大， 直至温度高达 DX Y 时为止， 然后， 开始随温度 的继续升高而减小。通常液体中的声速是随压力的升高而 增大的。 当 " 种液体混合在一起时， 混合液体中声速的变化与 成分比之间的关系并不是简单的线性关系。当 " 种无缔合 性液体组成混合液时， 声速与成分比之间呈线性变化关系； 当两者之一或两者均为缔合性液体时， 在大多数情况下， 声 速开始是随着所加入的另一种液体成分的增加而增大， 达 到某一最大值后又随所加入的该种液体成分的增加而减 小。 但如果 " 种混合液体中的一种是水的话， 则情况刚好
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图 !" 时间法测量声速原理图 #$% !" &’$()$*+, -$.%’./ 01 2,+0)$34 01 506(- /,.56’,7$38 3$/, +.7
熔点只有 90 : 左右， 是引接压电陶瓷片电极的好焊料。焊 接时， 导线的焊锡端必须清洁和无氧化物， 焊接操作应准 确、 迅速。 "# 超声波液体密度传感器的电路设计 电路主要有四部分组成： 发射电路、 接收电路、 单片机 控制电路和温度补偿电路。其方框原理图如图 ! 所示。
%# 超声波密度计探头的选择和制作
% ’ $# 探头的选择
超声波密度传感器又叫做超声波换能器。发射或接收 超声的器件叫超声换能器。压电换能器是目前最常用的超 声波换能器， 它在发射和接收都占有独特的地位。压电换 能器的核心是压电晶体。压电晶体主要是根据压电效应来 工作的。 % ’ $ ’ $# 压电晶片的选择 压电晶片有很多种类型， 综合各项指标考虑， 首选压电 陶瓷 &’() 。它是以 &*’+,% 和 &*(-,% 固溶体为基组成， 大 部分组成接近于富钛四方相和富锆三方相的相界， 已进行 前呈极化并有最佳压电性能。采用压电陶瓷的理由如下： 电声转换效率高； 易于电路匹配； 材料性能稳定； 价廉， 易于 加工； 具有非水溶性， 耐湿、 防潮、 机械强度较大。 %. $. !# 压电晶片频率的选择 在液体中超声波是以纵波形式进行传播， 液体中的粒 子和气泡会对超声波造成散射衰减。若超声波的频率太 低， 则衰减特性不明显， 不能保证测量的准确性； 若频率选 择过高， 一是晶片制作较为麻烦； 二是衰减太大， 有可能接 收不到信号或是接收到的信号很弱， 不利于测量。通常所 选择的频率在 $ / $0 123 之间。考虑到接收的效果和后续 处理电路的复杂程度， 通常选择 ! 123 左右的频率。
万方数据 收稿日期： "##% C :: C "D
! )= ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 传! 感! 器! 技! 术! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 第 !" 卷 相反 （ 水是一种缔合性液体） 。 !# 超声波液体密度传感器的工作原理 无论是发射和接收共体的还是分体的传感器， 其工作 原理都基本相同的。即用超声波进行各种非声量的检测 时， 是通过某些声学特性 （ 主要是声速、 声衰减和声阻抗率 等） 的测量来进行的。其中， 以超声波声速法最为简单可 靠。 由液体密度与声速的关系可以看出： 液体密度的测量 最后归结为对超声波在液体中传播速度的测量。在利用时 间法测量声速的时候， ! 个探头之间的距离是固定的， 即固 定声程 "。只要能够测量出信号从发射到接收时所需要的 时间 #， 就可以根据 $ % " & # 计算出超声波在液体中传播的 速度。这种方法十分简便， 但是， 对时间的精确测量要求很 高。其原理如图 $ 所示。 %. !. $# 粘合剂的选择 粘合剂有天然类和合成类之分， 在探头制作中， 用得最 多的是有机类粘合剂， 这种粘合剂可以分为下面几种： 热固 性树脂粘合剂、 热塑性树脂粘合剂、 合成橡胶粘合剂、 混合 型粘合剂。目前， 使用最广泛的是环氧树脂粘合剂。环氧 树脂的种类很多， 要根据不同的设计需要可以选择不同类 型的环氧树脂。在调配粘合剂时， 还可根据不同的情况加 入固化剂和增韧剂等。 常用的固化剂有乙二胺、 酚醛树脂等； 增韧剂有邻苯二 甲酸丁二脂、 聚酰胺树脂等。 %. !. !# 粘接表面处理 一般要对压电陶瓷晶片进行打毛处理， 粘接前， 用脱脂 棉球沾上有机溶剂 （ 丙酮， 无水乙醇） 擦拭表面， 直到用水 冲洗表面上不会形成水珠为止。擦后烘干， 进行粘接。 %. !. %# 传感器的电极 晶片电极的引出问题可以使用焊接方法解决。为了保 证压电晶片的性能， 在引出电极时使用低熔点焊锡， 有一种 焊锡由 4. ) 5 的 67， "). ! 5 的 &* 和 "). % 5 的 8+ 组成， 其
图 8" 系统流程图 #$% 8" #+09):.’4 01 2324,/
!" 超声波液体密度传感器的温度补偿 温度对声速的影响很大， 在液体中， 温度每变化 - 5 将 引起声速约为 0 6 的变化， 而在使用环境中， 一般会有#1 5 以上的温度变化， 由此造成的 4 6 以上的误差。为了提高
［%］ 。 准确度， 势必就要对温度进行补偿
图 !" 系统电路原理图 #$% !" &’$()$*+, -$.%’./ 01 2324,/.4$) )$’)5$4
当单片机发射信号 （ 011 23， ! ’） 给发射电路的同时就开始 计数， 当接收到接收电路的负电平信号时， 产生中断， 计数 停止。计数器采用的是单片机的内部计数器 （ 4 *） 。通过 计数器所记数值， 便可计算出超声波在液体中的传播速度， 于是， 计算出液体的密度。其系统流程如图 # 所示。
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超声波液体密度传感器
姚明林，陈先中，张! 争
（ 北京科技大学 信息工程学院 测控系， 北京 !"""#$ ） 摘! 要：介绍了超声波密度传感器的工作原理和超声波探头的选择与制作工艺要点。所设计的硬件电路 包括发射电路、 放大接收电路和检波整形电路。超声波传播时间的测量是通过 6.7896:;< 单片机内部 的高速计数器实现的。针对环境温度对密度的测量有较大的影响， 采用集成温度传感器 6=$># 与单片机 共同完成温度补偿。经测试证明： 传感器的准确度达到 ? #@ "$ A 。 关键词：超声波；密度传感器；液体；声速 中图分类号：.B":;! ! ! 文献标识码：6! ! ! 文章编号：:### C >DED （ "##$ ） #$ C ##$D C #%
%. !# 探头的制作
探头的制Baidu Nhomakorabea工艺要求严格， 通常要求在无尘的环境中
万方数据 湿度控制设备， 进行， 有必要的温度、 必要的工装夹具。
第 ! 期" " " " " " " " " " " " " " " " " 姚明林等： 超声波液体密度传感器! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !8
". $# 发射电路
发射电路主要由可控硅和三极管组成， 供电电源为 $! ;。单片机通过光耦向发射电路发射频率为 !00 23 的脉 冲， 通过由三极管组成的微分电路产生尖脉冲， 由可控硅将 单脉冲的幅值提高到 $$ ; 左右。之所以将脉冲信号转化 成尖脉冲， 主要原因是不用人为调整电路的谐振频率。因 为发射探头只有在其固有频率时， 才能正常工作。如果采 用有一定宽度的脉冲信号， 就需要确切测定发射探头的固 有频率， 然后， 将电路的频率调谐在探头的固有频率。随着 环境温度、 压力的变化， 探头的频率会有一些变化， 这就要 求电路的频率也要随之变化。这种电路在环境条件变化很 频繁的情况下显得有些不适应。而尖脉冲发射电路可以克 服这种缺点， 尖脉冲可以使发射探头产生自激， 在其固有频 率振动。
". !# 接收电路
接收电路主要包括放大、 检波和电压比较电路。接收 探头接收的信号比较微弱 （ 只有 "0 <; ） ， 通过放大电路将 其放大 （ = ; 左右） 。放大后的信号经过检波二极管和电容 组成的检波电路后形成较简单的信号波形。将检波后的信 号经过由电压比较器变换电路转换成 ) ; 的低电平信号， 此信号经过光耦送入到单片机作为中断信号。信号波形如 图 % 所示。
密度计已经成为用以控制和检测流体密度、 浓度、 组分和质 量流量等必不可少的一种工业用仪器； 在现代生物医学领 域中， 对人的体液 （ 血液、 淋巴液等） 密度的测量已成为医
［"］ 学临床和基础研究的一种重要方法 ； 在商品交易中， 准
确的密度测量是保证供销和国家税收的重要依据。 常用的在线式液体密度计种类很多， 有振动式液体密 度计、 电容式液体密度计、 射线式液体密度计和超声式液体 密度计。这几种液体密度计在测量现场中都有各自的特 点： 振动式和电容式成本低， 在测量中应用较多。但测量准 确度不高， 维护较为麻烦； 射线式可进行非接触的测量， 但 存在射线的辐射危害， 因此， 使用较少； 超声式液体密度计 的应用范围很广， 维护方便， 测量准确度高， 对人体没有危 害， 是实现液体密度动态测量的最具前途的一种传感器。
［:］ 计量测试已是必不可少的环节 。工业生产过程中， 液体
:! 超声波在液体中的传播 对于液体而言， 超声波几乎只能以纵波的形式进行传 播， 其传播速度为 : ， !# ! 式中$ ! 为超声波在液体中传播的速度； # ! 为液体的密度； !" 为压缩系数。 液体中， 声速随温度的变化关系较复杂， 大多数情况 下， 声速随着温度的升高而变小， 但对水来讲并非如此， 在 通常的情况下， 压力为 : 个大气压， 水中声速是随着温度的 升高而变大， 直至温度高达 DX Y 时为止， 然后， 开始随温度 的继续升高而减小。通常液体中的声速是随压力的升高而 增大的。 当 " 种液体混合在一起时， 混合液体中声速的变化与 成分比之间的关系并不是简单的线性关系。当 " 种无缔合 性液体组成混合液时， 声速与成分比之间呈线性变化关系； 当两者之一或两者均为缔合性液体时， 在大多数情况下， 声 速开始是随着所加入的另一种液体成分的增加而增大， 达 到某一最大值后又随所加入的该种液体成分的增加而减 小。 但如果 " 种混合液体中的一种是水的话， 则情况刚好
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图 !" 时间法测量声速原理图 #$% !" &’$()$*+, -$.%’./ 01 2,+0)$34 01 506(- /,.56’,7$38 3$/, +.7
熔点只有 90 : 左右， 是引接压电陶瓷片电极的好焊料。焊 接时， 导线的焊锡端必须清洁和无氧化物， 焊接操作应准 确、 迅速。 "# 超声波液体密度传感器的电路设计 电路主要有四部分组成： 发射电路、 接收电路、 单片机 控制电路和温度补偿电路。其方框原理图如图 ! 所示。
%# 超声波密度计探头的选择和制作
% ’ $# 探头的选择
超声波密度传感器又叫做超声波换能器。发射或接收 超声的器件叫超声换能器。压电换能器是目前最常用的超 声波换能器， 它在发射和接收都占有独特的地位。压电换 能器的核心是压电晶体。压电晶体主要是根据压电效应来 工作的。 % ’ $ ’ $# 压电晶片的选择 压电晶片有很多种类型， 综合各项指标考虑， 首选压电 陶瓷 &’() 。它是以 &*’+,% 和 &*(-,% 固溶体为基组成， 大 部分组成接近于富钛四方相和富锆三方相的相界， 已进行 前呈极化并有最佳压电性能。采用压电陶瓷的理由如下： 电声转换效率高； 易于电路匹配； 材料性能稳定； 价廉， 易于 加工； 具有非水溶性， 耐湿、 防潮、 机械强度较大。 %. $. !# 压电晶片频率的选择 在液体中超声波是以纵波形式进行传播， 液体中的粒 子和气泡会对超声波造成散射衰减。若超声波的频率太 低， 则衰减特性不明显， 不能保证测量的准确性； 若频率选 择过高， 一是晶片制作较为麻烦； 二是衰减太大， 有可能接 收不到信号或是接收到的信号很弱， 不利于测量。通常所 选择的频率在 $ / $0 123 之间。考虑到接收的效果和后续 处理电路的复杂程度， 通常选择 ! 123 左右的频率。
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!" 超声波液体密度传感器的温度补偿 温度对声速的影响很大， 在液体中， 温度每变化 - 5 将 引起声速约为 0 6 的变化， 而在使用环境中， 一般会有#1 5 以上的温度变化， 由此造成的 4 6 以上的误差。为了提高
［%］ 。 准确度， 势必就要对温度进行补偿
图 !" 系统电路原理图 #$% !" &’$()$*+, -$.%’./ 01 2324,/.4$) )$’)5$4
当单片机发射信号 （ 011 23， ! ’） 给发射电路的同时就开始 计数， 当接收到接收电路的负电平信号时， 产生中断， 计数 停止。计数器采用的是单片机的内部计数器 （ 4 *） 。通过 计数器所记数值， 便可计算出超声波在液体中的传播速度， 于是， 计算出液体的密度。其系统流程如图 # 所示。