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细品物位之超声波物位计原理篇

发布日期:2015-06-08     浏览次数:6891

原理
    
一般我们认为,在合适的温度、压力情况下,声速在静态均匀的气体中是恒定的,就是344m/s,声脉冲能对准一个目标发射并检测到它的回波。从发射源到目标再返回发射源这一过程用的时间能够转变为距离。
L = V x T÷ 2
    L是指换能器到所测目标之间的距离;V是指声波传播的速度;T是指声波从换能器发射到所测目标,再返回到换能器时声波传播的时间。例如:如果声音从换能器发出到达介质表面并返回用的时间为 46.51毫秒,则从换能器到物位的距离为 8.0 米,计算公式如下:344 米/秒 x 46.51 毫秒 = 15.996 米(从换能器到液面再返回的总的距离)。再除以 2 得到换能器到液面的距离为 7.9997 米。
超声波物位计的换能器
    超声波换能器内主要是压电晶体和结构件,换能器在被电场激励作用下产生机械震动。这就是众所周知的压电效应。当晶体停止被电流激励时,晶体还原到它的原始尺寸并产生一个机械声波。我们一般用峰值—峰值为400 ~ 600伏的电压激励换能器。
与压电效应相应的是:晶体如果被机械压缩时会产生一个小的电信号。我们检测时感应到的机械力,就是所发射声波的回波。回波作用在晶体上一般会产生4 ~ 5 毫伏的信号。
超声波换能器通过设计把晶体产生的声波放大,并把声波传送到换能器的表面,同时阻尼晶体另一侧的声波传出。通过一连串的技术处理,产生的声脉冲最有效地被传送到空气中,这个过程叫做“声波的阻抗匹配”。
波束角
    从换能器表面发出的声波传输出去,由于单位能量的声波传输过程中的发散性特点,声波能量的降低与距离的平方成反比。而主能量是沿着垂直于换能器表面的纵轴方向辐射。围绕着这个纵轴的是波束。波束的边缘由 3dB 规则定义。它是垂直于纵轴,传输的能量减少一半或减少 3dB 的位置。波束直径定义了在能量降至一半时的位置为半功率波束角,波束角单位为度。
波瓣
    在主波束(也就是主波瓣,通常称作主瓣)的外围,有许多辐射强度较低的圆椎形称作边瓣,它和主瓣形成同心圆。主瓣和边瓣可以用极座标来描述,以使声波图可视化。为了减少由边瓣产生的不希望要的回波,要使尽可能多的能量集中在主瓣中。同样,也必须要防止经换能器尾部发射的能量。
声波的反射及衍射
    当声波在一种物料内传播到与另一种物料交接的界面时,声波能量的一部分会被反射,另一部分会透过第二种物料继续传播。被反射的能量和被透射的能量的比率取决于两种介质的密度差。密度的比率或差值越大,被反射的能量也就越大。
所发射声波相对于反射面垂直线的角度对于物位测量也是很重要的。对于平滑的高密度介质,反射声波的角度等于入射声波的角度,只是在反射面垂直线的另一侧而已。表面是否光滑可根据粗糙度是否等于或小于 1/8 的入射波长来判断。粗糙度用波峰到波谷的差值来表示。对于一个 55kHz 的传感器,产生的声波的波长在6mm左右,所以只有在表面变化值小于0.8mm时,这个表面才可以认为是光滑的。
    当声波绕过障碍物,以至于只会产生很少的反射或没有反射就产生了衍射。为了产生衍射,声波的波长必须大于在它路径上的障碍物。声波的波长与声音的频率成反比。频率越低声波越长,反之亦然。长波长的声波比短波长的声波传播得更远,甚至可以在存在很多障碍物的情况进行传播。这就是我们在空气中可能会存在一些粉尘的固体料仓内使用低频率的换能器的原因。
声波的衰减
    声波的衰减是指声波能量在空气中传播时逐渐的减弱过程。不同频率下的超声波在理想大气中传播时的衰减与在高粉尘,高湿度或有水蒸汽时的衰减相比,后者的衰减要快的多。当温度升高时也会产生衰减。在低温时,空气分子是紧密的,传输声波时需要的能量较少。在高温时,空气分子比较松散,需要更多的能量来传输声波。声波的吸收是由不反射声波的低密度介质造成的。吸收通常发生在低密度泡沫材料的应用或低密度介质的测量中。