超声波传感器在高黏度液体和粉体物位检测中的应用原理分析

超声波测液位是利用回声原理进行工作的。由超声波传感器向液面或粉体表面发射一束超声波，再接收其反射波，根据声波往返的时间就可以计算出传感器到液面的距离，即测量出液面（或粉体表面）位置。超声波传感器特别适合检测高黏度液体和粉体的物位。

图4.5.5　超声波测液位原理示意图

超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或者超声波探头，主要由压电晶片组成，利用压电效应工作，将超声振动波转换成电信号。超声波传感器既可以发射超声波，也可以接收超声波。根据发射和接收换能器功能，超声波传感器可分为单换能器和双换能器。单换能器的传感器发射和接收超声波使用同一个换能器，而双换能器的传感器发射和接收各由一个换能器担任。

图4.5.6　超声波换能器示意图

【拓展知识】

超声波传感器应用

1.超声波测厚度

如图4.5.7所示，双晶直探头（由两个单晶体探头组合而成，装配在同一壳体内，其中一片晶片发射超声波，另一片晶片接收超声波）左边的压电晶片发射超声波脉冲，经过探头内部的延迟延时后，该脉冲进入被测试件，在到达试件底面时，被反射回来，并被右边的压电晶片所接收。这样只要测出从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需要的时间间隔，就可以得到试件的厚度。

图4.5.7　超声波测厚示意图

2.超声波测密度

如图4.5.8所示，采用双晶直探头超声波探头测量，探头安装在测量室（储油箱）外侧。测量室的长度为l，根据t=2l/υ的关系（为探头从发射到接收超声波所需的时间），可以求得超声波在被测介质中的传播速度。实验证明，超声波在液体中的传播速度υ与液体的密度有关。因此可通过时间的大小来反映液体的密度。

图4.5.8　超声波测液体密度示意图

3.超声波无损探伤

材料缺陷的种类包括气孔、焊缝、裂纹，检测缺陷可采用无损伤超声波对材料进行无损检测。超声波探伤如图4.5.9所示，若工件中没有缺陷，则超声波传播到工件底部便产生反射，在荧光屏上只显示开始脉冲T和底部脉冲B；若工件中有缺陷，一部分超声波脉冲在缺陷处产生反射，另一部分继续传播到工件底部产生反射，这样在荧光屏上除显示开始脉冲T和底部脉冲B以外，还会出现缺陷脉冲F。

图4.5.9　超声波探伤示意图

【拓展知识】

1.声波的多普勒效应

由于波源和接收者之间存在着相互运动而造成接收者接收的频率与波源发出的频率不同，这种现象称为多普勒效应。1842年奥地利物理学家首先发现并加以研究而得名。

在日常生活中我们发现：当一列鸣着汽笛的火车或鸣着喇叭的汽车朝我们开来的时候，人们会感到声音越来越尖，一旦从我们身边渐行渐远时，声音变得低沉。这就是多普勒现象，声源与观察者相对运动速度比较大时，声波的频率听起来会发生变化。如图4.5.10所示为多普勒效应示意图。根据多普勒效应，可定量分析得

式中，us是波源相对于介质的速度，u0是观察者相对于介质的速度，u是波在静止介质中的传播速度，f0是波源的固有频率，f是变化后的频率。从式中可知，当观察者与声源相互靠近时，f＞f0；当观察者与声源相互远离时，f＜f0。(www.xing528.com)

图4.5.10　多普勒效应示意图

多普勒效应不仅适用于声波，也适用于所有类型的波，包括光波、电磁波。根据多普勒效应的原理可测量运动物体的速度，如车、船、卫星的速度和液体的流速。

2.雷达测速仪

检查机动车速度的雷达测速仪通常是利用红外线，向行进中的车辆发射频率已知的红外线，同时测量反射波的频率，根据反射波的频率变化就能知道车辆的速度。装有多普勒测速仪的警车有时停在公路旁边，在测速的同时把车辆牌号拍摄下来，并把测得的速度自动打印在照片上。

3.多普勒天气雷达

天气雷达间歇性地向空中发射电磁波（脉冲式电磁波），它以近于直线的路径和接近光波的速度在大气中传播。在传播的路径上，若遇到了气象目标物，脉冲电磁波被气象目标物散射，其中散射返回雷达的电磁波（回波信号），在荧光屏上显示出气象目标的空间位置等的特征。

具体表现为：当降水云团相对雷达发射波束相对运动时，可以测定接收信号与发射信号的高频频率之间存在的差异，从而得出所需的信息。运用这种原理，可以测定云团相对于雷达的速度，在一定条件下反演出大气风场，气流垂直速度的分布以及湍流的情况。

实训任务　超声波传感器液位测量

一、实训目的

1.了解超声波传感器测量液位的原理和结构。

2.熟悉超声波传感器外形结构及特点。

二、实训器材

CSY系列传感器综合实验台、超声波传感器实训板、超声波传感器、示波器等。

三、实训内容

1.认识超声波实训电路板

将超声波传感器发射头uT、接收头uR、公共端与面板的uT、uR、公共端连接，从主控箱上接入电源。

2.测量及记录

在距离超声波探头20cm（0～20cm为超声波测量盲区）处放置反射挡板，合上电源。实训模板滤波电路输出与主控箱u I连接，电源选择2V挡，调节挡板相对探头的角度，使输出电压达到最大值。平行移动反射板，依次递增5cm，读出数显表上的数据。记入下表中。