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超聲波液位儀理論底子

超聲波是一種人耳無法聽到的、頻率一樣通常凌駕 20kHz 的聲音,它具有以下特性：

（1） 波長與輻射:

流傳速率是用頻率乘以波長來表現(xiàn)。電磁波的流傳速率是310⁸m/s,而聲波在氛圍中的流傳速率很慢，約為344m/s。在這種比力低的流傳速率下，波長很短，這就意味著可以得到較高的間隔和偏向辨別率。正是由于這種較高的辨別率特性，才使我們有大概在舉行丈量時(shí)得到很高的準(zhǔn)確度。

（2） 反射：

要探測(cè)某個(gè)物體是否存在，超聲波應(yīng)可以大概在該物體上得到反射，由于金屬、木料、混凝土、橡膠和紙等可以反射近乎100﹪的超聲波，因此我們可以很容易地探測(cè)到這些物體。由于布、棉花等可以吸取超聲波，探測(cè)到他們將非常困難。別的，由于不規(guī)矩反射，通常大概很難探測(cè)到外貌震驚幅度很大的物體。

（3） 溫度:

聲波流傳的速率“V”可以用下列公式（2.1）表現(xiàn)：

V=331.5+0.607t(m/s)                   （2.1 ）

式中，t=溫度（C），也便是說，聲音流傳速率隨四周溫度的變革有所差別。因此，要準(zhǔn)確的丈量與某個(gè)物體之間的間隔時(shí)，始終查抄四周溫度是非常必要的。

（4）衰減:

流傳到氛圍中的超聲波強(qiáng)度隨間隔的變革成比例地削弱，這是由于衍射征象上的擴(kuò)散喪失，和介質(zhì)吸取能量產(chǎn)生的吸取喪失。  

超聲波液位儀事情原理

超聲波液位儀的根本領(lǐng)情原理是利用超聲波流傳時(shí)間和流傳速率來確定液面間隔。即所謂的脈沖---回波方法^[6]。

如圖5所示，由超聲波的入射和反射之間的夾角θ，可以盤算出探頭距液面垂直高度 L=Scos(θ/2 ),L 為超聲波到液面的垂直間隔，S 為現(xiàn)實(shí)間隔，液位高度盤算公式為:

L=v t/2cos(θ/2 )                           （2.3 ）

此中，v 表現(xiàn)超聲波聲速，t 表現(xiàn)超聲波流傳時(shí)間。單片機(jī)憑據(jù)脈沖發(fā)射時(shí)間和吸收的時(shí)間盤算出時(shí)間差 t，即超聲波在氛圍中流傳的時(shí)間，并由式：

S=1 /2Ct                                      （2.4 ）

盤算出間隔 S，式中參數(shù)C是超聲波在氛圍中流傳速率，因而設(shè)置溫度傳感器舉行修正。由于超聲波易于定向發(fā)射、偏向性好、強(qiáng)度易控制、與被丈量物體不必要直接打仗的長處，是作為液體高度丈量的抱負(fù)本領(lǐng)。在細(xì)密的液位丈量中必要到達(dá)毫米級(jí)的丈量精度，但是現(xiàn)在海內(nèi)的超聲波液位儀專用集成電路都是只有厘米級(jí)的丈量精度。通過溫度賠償和數(shù)字均勻?yàn)V波的方法，可以將數(shù)據(jù)進(jìn)步到毫米級(jí)。

超聲波探頭的布局和原理

超聲波探頭是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)器波，由換能芯片在電壓的鼓勵(lì)下產(chǎn)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波是非、繞射征象小，分外是偏向性好、可以大概定向流傳等特點(diǎn)。超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波遇到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生明顯反射，從而形成反射回波，遇到運(yùn)動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此這項(xiàng)技能遍及應(yīng)用在產(chǎn)業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面以這種檢測(cè)本領(lǐng)，必須發(fā)射超聲波和吸收超聲波。能同時(shí)完成這種功效的裝置便是超聲波探頭，也稱為超聲換能器。

對(duì)應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)的超聲波探頭而言，要求其準(zhǔn)確度要到達(dá) 1mm，而且具有較強(qiáng)的超聲波輻射。利用通例雙壓電芯片組件振動(dòng)器的彎曲振動(dòng)，在頻率高于 70kHz的環(huán)境下，是不大概到達(dá)此目標(biāo)。以是，在高頻率探測(cè)中，必須利用垂直振動(dòng)模式的壓電陶瓷。壓電陶瓷的聲阻抗與氛圍的立室就顯得非常緊張，它的聲阻抗為2.610⁷kg/m²s,而氛圍的聲阻抗為4.310²kg/m²s。5個(gè)冪的差別會(huì)導(dǎo)致在壓電陶瓷震驚輻射外貌上的大量喪失。負(fù)載壓電陶瓷，它可以使超聲波探頭在高達(dá)數(shù)百kHz頻率的環(huán)境下，仍可以大概正常事情。

壓電型超聲波探頭的事情原理：它是借助于壓電晶體的諧振來事情的，即陶瓷的壓電效應(yīng)。超聲波探頭有兩塊壓電晶片和一塊共振板，給它的兩級(jí)加上脈沖信號(hào)，當(dāng)其頻率即是晶片固有頻率的時(shí)間，壓電晶片就會(huì)產(chǎn)生共振，并動(dòng)員共振板一起振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波。反之，要是電極間未加電壓，則當(dāng)共振板吸收到回波信號(hào)時(shí)。將克制兩片電晶片振動(dòng)，從而將機(jī)器能轉(zhuǎn)換為電能，此時(shí)的探頭就成了超聲波吸收器。

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