传感器与检测技术课件 项目四 测量液位高度 任务4.2超声波传感器测量液位高度.pptxVIP

项目四测量液位高度

任务4.2超声波传感器测量液位高度在工业生产中，经常会使用各种密闭容器来储存高温、有毒、易挥发、易燃、易爆和强腐蚀性等液体介质，对这些容器的液位检测必须使用非接触式测量。超声波液位传感器属于非接触测量，可以避免直接与液体接触，避免液体对传感器探头损坏，并且反应速度快。那么超声波传感器如何进行液位测量呢？任务描述

知识链接：超声波传感器测量液位高度一、超声波的特性声波是一种传递信息的机械波，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。图4-19超声波的频率界限

知识链接：超声波传感器测量液位高度1.超声波具有类似光线的一些物理性质：（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相同；（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；

知识链接：超声波传感器测量液位高度（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；（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。

知识链接：超声波传感器测量液位高度2.声波在真空中不能进行传播，必须通过气体、液体、固体或者三者的组合体作为介质才能传播。通常情况下，声波在空气中的传播速度约为344m/s。根据声源在介质中施力方向与声波传播方向的不同，声波的波形也不同，通常有以下几种：（1）纵波。质点的振动方向与波的传播方向一致的波。它能在固体、液体和气体中传播；（2）横波。质点振动方向垂直于传播方向的波。它只能在固体中传播；（3）表面波。质点的振动介于纵波与横波之间，沿表面传播。振幅随深度增加而迅速衰减的波。

知识链接：超声波传感器测量液位高度从上述分类可看出，只有纵波可以在气体中传播。因此，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。

知识链接：超声波传感器测量液位高度二、超声波传感器的原理及分类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，其中压电式最为常用。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。电致伸缩的材料有锆钛酸铅（PZT）等。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。图4-20超声探头外形图

知识链接：超声波传感器测量液位高度压电陶瓷晶片传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成，如图4-21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。

知识链接：超声波传感器测量液位高度当在AB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