超声波液位计测量原理 前言：近几年来，随着电子技术、数字技术和声楔材料等技术的发展，利用超声波脉冲测量流体流量的技术发展很快。基于不同原理，适用于不同场合的各种形式的超声波流量计已相继出现，其应用领域涉及到工农业、水利、水电等部门，正日趋成为流量测量工作的工具。 超声波流量计是20世纪70年代随着IC（集成电路）技术迅速发展才开始得到实际应用的一种非接触式仪表，相对于传统的流量计而言，它具有下列主要特点： （1）解决了大管径、大流量及各类明渠、暗渠测量困难的问题。因为一般流量计随着管径的增加会带来制造和运输上的困难，不少流量计只适用于圆形管道，而且造价提高，能耗加大，安装不便，这些问题，超声波流量计都可以避免，这样就提高了流量测量仪表的性能价格比。 （2）对介质几乎无要求。超声波流量计不仅可以测量液体、气体，甚至对双相介质（主要是应用多普勒法）的流体流量也可以测量，由于可制成非接触式的测量仪表，所以不破坏流体的流场，没有压力损失，并且可以解决其它类型流量计难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性的流量问题。 （3）超声波流量计的流量测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、密度、粘度等参数的影响。 （4）超声波流量计的测量范围度宽，一般可达到20：1。 关键词：超声波流量计 原理 流量 一、超声波的基本性质 声波是一种传递信息的媒体，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。 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； (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。 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。 二、超声波传感器的原理及应用 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，其中压电陶瓷晶片制成的换能器为常用。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。 压电陶瓷晶片传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成，如图1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。当在 A，B 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，发射超声波时，加在其上面的交变电压频率要与它的固有谐振频率一致，接收超声波时，作用在它上面的超声机械波的频率也要与它的固有谐振频率一致。这样，超声波传感器才有较高的灵敏度，当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可以非常方便地改变其固有频率。
