《传感器与检测技术》课件 项目4 物位检测

项目4物位检测任务4.1基于电容传感器的汽车油量表改造

任务4.2基于超声波传感器的城市排水管道液位检测项目4物位检测项目背景物位——液位、料位、界位。

液位——容器中的液体介质的高低。

料位——容器中固体或颗粒状物质的堆积高度。

界位——两种互不相溶的液体介质的分界面的高低。

物位传感器——液位传感器、料位传感器及界位传感器。物位、液位、料位检测中，液位的检测使用的最广泛，本项目主要介绍液位的检测。液位检测根据检测仪表是否与液位接触分为两类。一类为接触式，包括单法兰静压/双法兰差压液位变送器，浮球式液位变送器，磁性液位变送器，投入式液位变送器，电动内浮球液位变送器，电动浮筒液位变送器，电容式液位变送器，磁致伸缩液位变送器，伺服液位变送器等。第二类为非接触式，分为超声波液位变送器，雷达液位变送器等。项目背景液位计类型液位测量范围/m允许温度/℃允许压力/MPa特点玻璃管式1.5100-150常压读数直观，价格便宜，易破碎。差压式3020015可适合黏性介质浮筒式58016读数直观，价格便宜，无源电容式201203读数精确,温漂小超声波式601000.8受温度影响较大，不适合雾气或粉尘场合以及有泡沫的液体。音叉式2802不能用于连续测量雷达式3512010准确度高，不受蒸气、雾的影响，可在灰尘等恶劣环境工作。核辐射式6060020量程大，适合高温高压等恶劣环境。表4-1液位传感器分类及主要特征任务4.1基于电容传感器的汽车油量表改造

任务导入：最初的汽车油量计采用传统的机械式油量计，存在精度低，稳定性不高，使用环境存在局限等问题，已经被淘汰。随着技术的进步，出现了使用滑动变阻器为基本检测元件的油量计（电阻式液位计），工作原理是由浮子带动电位器，再用欧姆表检测其阻值，从而达到显示油位的目的，但当油垢覆盖电位器后，其阻值会发生变化，造成误差太大，甚至不能使用，使此类油箱传感器成为寿命很短的易损件。另一类是用电感线圈为基本检测元件。它是用浮子带动电感线圈（电感式液位计），改变震荡电路的震荡频率，再通过频率计检测其频率来测定油位。但其结构复杂，调试麻烦，成本高，价格贵，不能被广泛使用。现很多大型客车、重卡等采用电阻式液位计，容易损坏，本任务将电容液位传感器用于东风卡车汽车油量表的改造中，具有精度高、寿命长、稳定性强的特点。相关知识4.1.1电容式传感器的基本原理

电容式传感器是将被测非电量的变化转化成为电容量变化的一种传感器。电容式传感器采用的是平行板电容器，如图所示。我们知道，当忽略边缘效应的时候，平行板电容器的电容C可用下式表示：

ε——电容极板间介质的介电常数；ε0——真空介电常数，其值为8.854×10-12F/m；εr——极板间介质相对介电常数；A——两平行板互相遮盖的有效面积，单位为m2；d——极距，两平行板之间的距离，单位为m.相关知识4.1.1电容式传感器的基本原理由式可知，当A、d或者εr发生变化时，电容量C也会随之发生变化。如果保持上述三个参数中的两个参数不变，改变另外一个参数，就可以将该参数的变化转换成电容量的变化，再通过测量电路将电容量的变化转换为电压、电流或者频率输出并显示，这就是电容传感器的工作原理。电容式传感器具有如下优点1、相对变化量可达到200%以上；2、能在高温和强辐射等恶劣环境中工作；3、所需激励源功率较小；4、动态响应快，适用于动态测量。4.1.2电容式传感器的分类及其特性

根据上述电容传感器的工作原理，按照变化的参数分类，电容传感器可分为变极距式、变面积式及变介质式三种类型。1、变极距型电容传感器变极距式电容传感器如图所示。图中极板1固定不动，极板2为可动电极（动片），当动片随被测量变化而移动时，使两极板间距变化，从而使电容量产生变化。图4-2（b）为电容与距离的关系曲线。当传感器的A和ε为定值，初始极距为d0时，初始电容的值可表示为：

当动极板2移动x值后，电容值可表示为：4.1.2电容式传感器的分类及其特性由式可知，变极距式电容传感器电容值C与极距的变化量x不是线性关系。由上式可知，此时电容值C与动极距x为线性关系。即当极距的变化量相对初始极距值较小时，才有线性关系。这样导致这种传感器应用在线性范围的量程较小。变极距式电容传感器的灵敏度K为：所以当d0较小时，该类型传感器灵敏度较高，动极板的微小位移变化可产生较大的电容变化量。一般电容式传感器的其实电容量在20~300nF之间，极板距离在25~200µm的范围，最大位移应小于极板间距的10%，所以电容传感器经常应用于微小位移的测量。相反，当d0过小时，电容器容易短路或被击穿，所以，极板间可采用高介电常数的材料，例如云母、塑料膜等。4.1.2电容式传感器的分类及其特性2、变面积式电容传感器变面积式电容传感器分为平板形、圆柱形及角位移式三种类型，分别如图所示(1)平行板型变面积电容传感器如图4-3（a），动极板移动引起两极板有效覆盖面积A改变，使电容量发生变化。当动极板相对于定极板沿长度方向平移x时，电容量C也随之变为：增加极板长度b，减小极板间距d均可以提高传感器的灵敏度。但是当d太小时，容易发生短路。4.1.2电容式传感器的分类及其特性(2)圆柱型变面积电容传感器平板形结构对极距变化特别敏感，对精度影响较大。但是圆柱形结构受极板径向变化的影响很小，成为实际中最常采用的结构。圆柱形电容式传感器如图4-3(b)所示忽略边缘效应时，电容量C为：式中：l——外圆筒与内圆柱覆盖部分的长度；r2——圆筒内半径；r1——内圆柱外半径。当两圆筒相对移动Δl时，电容变C为：4.1.2电容式传感器的分类及其特性(3)角位移式电容传感器如图4-3（c），当动极板有一个角位移θ时，与定极板间的有效覆盖面积就发生改变，从而改变了两极板间的电容量。初始状态，当θ=0时，则初始电容为：当动极板转动角度θ时，电容值变为：

4.1.2电容式传感器的分类及其特性从以上分析可知,变面积电容传感器在理论上均为线性关系,但实际上只在中间一小段是线性的（如图4-5所示），与变极距型相比，灵敏度较低。多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。4.1.2电容式传感器的分类及其特性3、变介电常数型电容式传感器介质的介电常数也是影响电容传感器电容量的一个因素。由于各种介质的介电常数不同，故在电容器两极板间加以不同介电常数的介质时，电容器的电容量会随之发生变化。利用这种原理制成的传感器在检测容器中液面高度、片状材料厚度等方面得到普遍应用。介质名称相对介电常数介质名称相对介电常数介质名称相对介电常数真空1玻璃釉3-5聚苯乙烯2.4-2.6空气略大于1二氧化硅38变压器油2-4其他气体1-1.2云母5-8环氧树脂3-10硅油2-3.5干纸2-4高频陶瓷10-160聚丙烯2-2.2干谷子3-5纯净水80聚四氟乙烯2压电陶瓷1000-10000聚偏二氟乙烯3-54.1.2电容式传感器的分类及其特性变介电常数电容式传感器测量原理如下图4-6所示，设被测介质的介电常数为ε1，液面高度为h，变换器总高度为H，外筒内径为D，内筒外径为d，此时变换器电容值为：式中：ε——空气介电常数；

C0——初始电容量。由式4-15可知，电容的变化量ΔC为：电容的变化量与被测液位的高度h成线性关系。4.1.2电容式传感器的分类及其特性4、差动电容传感器在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差，大都采用差动式结构。如图4-7所示：其中图(a)为变极距的差动式电容器，中间的极板为动极板，上下两块为定极板。当动极板向上移动Δd距离后，上面的电容器极距减小为d0－Δd，相应下面的电容器极距增大为C1和C2。电容C1和C2呈差动变化，C1增大，C2减小。将C1和C2差接后，能使灵敏度提高一倍，外界的影响诸如温度、激励源电压、频率变化等也基本能相互抵消。图(b)、图(c)同理，请读者自行分析。4.1.3电容传感器的测量电路

电容传感器输出的电容变化量非常微小，很难精确的显示、记录及传输，电容传感器的测量电路就是将微小的电容变化量转换成与其正比的电压、电流或者频率信号，才能进行精确的显示、记录和传输。

电容传感器的测量电路很多，常见的有交流桥式电路、调频电路、脉宽调制电路和运算放大电路等。(1)单臂桥式电路。电路中，电容构成电桥的四臂，C1、C2、C3、Cx为固定电容，Cx为电容式物位传感器的转换元件，由高频电源经变压器接到电容桥的一个对角线上，另一个对角线上接有交流电压表。跟电阻桥类似的是，交流电桥平衡时有：C1/C2=C3/Cx，电压表电压值UO为零。当Cx改变时，UO不等0,电压表有反应电容变化的输出电压值.由于Cx值随着被测物理量变化而变化，所以输出电压也就反映了被测物理量的变化值。(2)差动桥式电路。如图4-9所示，其中Cx1

、Cx2均可变化，其输出电压UO为：2、调频测量电路振荡器输出的高频电压是一个电容Cx控制的调频波，其频率的变化在鉴频器中转换成电压幅度变化的输出。经过放大器放大后，可用电压表指示电容Cx的变化数值。这种转换电路抗干扰能力强，能取得高电平直流信号，但振荡频率容易受到电缆电容的影响。3、脉冲宽度调制电路本电路的原理是将变化电容的大小转换成脉冲的宽度（脉冲幅值不变）。如图4-11所示，当双稳态触发器的Q端输出为高电平时，A点通过R1对C1充电，F点电位逐渐升高。在Q端为高电平期间，Q端为低电平，电容C2通过低内阻的二极管VD2迅速放电，G点电位被钳制在低电平。当F点电位升高超过参考电压UR时，比较器A1产生一个“置零脉冲”，触发双稳态触发器翻转，A点跳变为低电位，B点跳变为高电位。此时C1经二极管VD1迅速放电，F点被钳制在低电平，而同时B点高电位经R2向C2充电。当G点电位超过UR时，比较器A2产生一个“置1脉冲”，使触发器再次翻转，A点恢复为高电位，B点恢复为低电位。如此周而复始，在双稳态触发器的两输出端各自产生一个宽度受C1、C2调制的脉冲波形。当C1>C2时，t1>t2，经低通滤波器后，获得的输出电压平均值Uo为正值。4、运算式测量电路图4-13所示是运算式测量电路。根据集成运算比例放大器的工作原理，当放大器的开环增益和输入阻抗足够大时，输出电压与转换元件的电容变化呈线性关系，即:从上式可以看出，如果传感器是变极距电容传感器，则放大器的输出电压与极板间距为线性关系。运算放大器电路解决非差动式电容传感器的线性问题，但要求运算放大器输入阻抗和放大倍数足够大。4.1.4电容传感器应用1、电容传感器选用的基本原则由于被测介质的不同，电容式物位传感器有不同的形式。（1）测量非导电液体的电容物位传感器，当用于较稀的非导电液体（如轻油等）时，可采用一金属电极，外部同轴套上一金属管，相互绝缘固定，以被测介质为中间绝缘物质构成同轴套筒形电容器；（2）测量导电液体的电容物位传感器，容器（规则）和液体作为电容器的一个电极，插入的金属电极作为另一电极，绝缘套管作为中间介质，三者组成圆筒形电容器。当容器为非导电体时，需另加一个接地极，其下端浸至被测容器底部，上端与安装法兰有可靠的导电连接，以使两电极中有一个与大地及仪表地线相连，保证仪表正常测量；（3）当测量粉状非导电固体料位和粘滞性非导电液体液位时，可采用金属电极直接插入圆筒形容器的中央，将仪表地线与容器相连，以容器作为外电极，料或液体作为绝缘介质构成圆筒形电容器。所以应根据现场实际情况，即被测介质的性质（导电特性、粘滞性）、容器类型（规则/非规则金属罐、规则/非规则非金属罐），选择合适的电容式物位传感器。2、电容传感器安装注意事项安装物位传感器时应注意选取合适的安装点，避开下料口；注意信号线的屏蔽和接地,防止干扰。注意物料温度、湿度、运动速度的变化以及物料粘挂容器壁和电极等因素的影响，引起电容介电常数的变化。3、电容传感器的特点（1）电容式传感器的结构简单，易于生产，精度高。电容式传感器一般用金属作电极，用无机材料作绝缘支承，因此在高低温、强辐射及强磁场等恶劣的环境中工作时，它能承受很大的温度变化，能承受高压力、高冲击、过载等，而且能测量超高压。（2）由于传感器极板间的静电引力很小，需要的输入能量小，所以特别适合用来解决输入能量低的问题，如测量极小的力、压力和微小的位移等，由于其灵敏度很高，所以分辨率非常高，能测量0.001μm甚至更小的位移。（3）电容式传感器的可动部分可以做得小而薄，质量轻，因此固有频率高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下工作，非常适合用于动态测量；也可以用较高频率的电压供电，因此系统工作频率高，可用于测量高速变化的参数，如振动等。（4）电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，故有利于选择温度系数低的材料，又由于传感器本身发热量极小，因此温度稳定性好。（5）电容式传感器在测量回转轴的振动或偏心、小型滚珠轴承的径向间隙等时，可以采用非接触式测量方法，具有平均效应，能够减小工件表面粗糙度等对测量的影响。任务实施

1、传感器的选型在自动化生产的今天，各种液位传感器数不胜数。在液位测量中如何选择最佳的液位测量方式，是摆在每个设计人员面前的首要问题。那么，液位测量如何选择最佳的测量方式呢？首先，必须对传感器的应用工况有较为清楚的了解。比如要了解被测液体属性，其中包括状态、颜色、腐蚀性、粘稠度、是否含杂质，是否需要符合食品卫生认证等，根据这些具体的工况要求，选用合适的传感器。比如：在日化用品乳霜的灌装过程中，需要监控储液罐高、低液位。就需要先对乳霜的物理属性有大致的了解：乳霜为流体状态，较粘稠，颜色为半透明乳白色，非腐蚀性，无需食品卫生认证。本任务要测量的是汽油，一般为淡黄色的粘稠液体，容器（油箱）一般为异形、非标准的。其次，了解不同测量方式的优缺点和其具有的功能。先清楚我们需要传感器达到哪些功能、是属于开关量输出还是模拟量输出，通常开关量/数字量输出用于报警或者保护作用，例如灌装时防溢报警、低液位防泵空转保护等；模拟量输出主要用于过程控制，包括灌装容量、液位显示、加料速度控制等。本任务需要模拟量输出。最后，对拟选用的测量方式是否为与工况相匹配的最佳测量方式做最终评估。具体包括产品的安装调试、应用温度、压力范围、价格等。根据以上分析，结合实际情况，我们选用CR-606电容式传感器。传感器如图4-14所示。任务实施下面介绍型号CR-606系列电容液位计适用范围及特点、主要技术参数、型号及说明等。CR-606系列电容式液位计的传感部分是一个同轴的容器，当油进入容器后引起传感器壳体和感应电极

之间电容量的变化，这个变化量通过电路的转换并进行精确的线性和温度补偿，输出4~20mA标准信号供给显示仪表。产品核心部件采用先进的射频电容检测电路经过16位单片机经过精确的温度补偿和线性修正，转化成标准电信号（4~20mA）。可选HART、CANBUS、485通讯协议进行系统组态。全系列变送器都具有自校准功能，用户可通过按键或引线进行“零点”、“量程”自动校准，以适应各种复杂场所的不同要求。

CR-606是为铁路机车、汽车油箱、油罐车、油库等油位的精确测量而量身定做的专门仪表，整机无任何可动或弹性部件，耐冲击、安装方便、可靠性高、精度高、性能价格比好。可安装在各种场合对汽油、柴油、液压油等油位进行准确的测控，也适用于各种非导电液体的测量。在现场条件特别恶劣，电磁干扰特别严重、搅拌特别厉害情况下测量导电介质也可以采用此类产品。

任务实施CR-606系列电容油位传感器的传感部分是一个同轴的容器，油进入容器后导致传感器壳体与感应电极之间电容量的变化，通过测量转换电路后得到标准输出信号进行显示。图4-15为测量电路原理，当油箱中无油时，电容传感器的电容Cx0为最小值。此时应使电桥输出为零。油量表调零过程如下：首先断开减速箱与RP的机械连接，将RP人为地调到零，即：电位器RP的滑动臂位于0点。此时R3=R4。再调节半可变电容C0，使C0=Cx0，此时，电桥满足：任务实施当油箱中注入油，液位上升至h处，Cx=Cx0+ΔCx，ΔCx与h成正比。此时电桥失去平衡，电桥的输出电压Ubdo经放大后驱动伺服电动机，再由减速箱减速后，带动指针顺时针偏转，同时带动RP的滑动臂向c点移动，从而使RP的阻值增大，Rcd

=R3+RRP也随之增大。当RP阻值达到一定值时，(Cx0+ΔCx)/C0=(R3+RRP)/R4，电桥又达到新的平衡状态，Ubdo再次等于零，于是伺服电动机停转，指针停留在转角为θmax处。

当油位降低时，伺服电动机反转，指针逆时针偏转，同时带动RP的滑动臂移动,使RP阻值减小。当RP阻值达到某一数值时,电桥又达到新的平衡状态，Uo=0，于是伺服电动机再次停转,指针停留在与该液位相对应的转角θ处。该装置采用了闭环零位式测量方法。任务实施如图4-16所示为油量表改造原理图，由于传感器已考虑到现场复杂的需求环境，是参考原车传感器的功能、外观、安装方式的产品。所以在使用时可直接替换掉原车传感器，无需打孔，不破坏原车线路。配套使用的调制解调器支持多种输出信息，不但可以驱动原车仪表，还可以将数字信息实时传输至卫星定位车载终端等设备。任务实施4、传感器的安装及注意事项（1）安装前检查附件：法兰、橡胶垫、O型圈、螺丝等是否齐备。（2）将O型圈套在传感器根部。（3）将橡胶垫的两面涂抹上耐油密封胶，然后和法兰盘与油箱法兰对好孔位，并用螺丝固定好，拧紧时应对称轮流加力，以保证各方向受力均匀，避免漏油。（4）将传感器插入用扳手拧紧完成传感器的安装。（5）接好电源和通讯线，检查线路。（6）传感器的安装位置应尽量靠近油箱中心，从而减小汽车在上下坡时造成的油面倾斜寄油面波动对其的影响。（7）由于车上环境恶劣，供电应采用隔离电源供电。信号传输线缆采用屏蔽线缆。（8）校准流程：在通电情况下将传感器缓慢放入被测介质中。使也为从传感器的下空出开始缓慢上升超过传感器测量部分的三分之一处，传感器的上孔处于较好校准位置，则完成校准。为防止校准失败，此过程应操作两次以上。知识拓展1、电容湿度传感器变介电常数式电容传感器当介质厚度δ保持不变、而相对介电常数εr改变时，该电容器可作为相对介电常数εr的测试仪器。又如，当空气湿度变化，介质吸入潮气（εr水=80）时，电容将发生较大的变化。因此该电容器又可作为空气相对湿度传感器。反之，若εr不变，则可作为检测介质厚度的传感器。知识拓展2、电容加速度传感器电容加速度传感器的架构如图所示，加速度传感器壳体随被测对象沿垂直方向作直线加速运动时，质量块在惯性空间中相对静止，两个固定电极将相对于质量块在垂直方向产生大小正比于被测加速度的位移。此位移使两电容的间隙发生变化，一个增加，一个减小，从而使C1、C2产生大小相等、符号相反的增量，此增量正比于被测加速度。加速度传感器应用的一个典型案例就是汽车的主动安全系统,当测得的负加速度值超过设定值时，气囊电控单元据此判断发生了碰撞，就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。如果碰撞传感器安装在侧面，则在侧面碰撞时，侧面气囊膨胀。知识拓展3、电容式荷重传感器

图4-20所示为电容式荷重传感器的结构示意图。它是在镍铬钼钢块上加工出一排尺寸相同、距离相等的圆孔，在圆孔内壁上黏结有带绝缘支架的平板电容器，然后将每个圆孔内的电容器并联。当钢块端面承受重力W作用时，圆孔将产生变形，从而使每个电容器的极板间距变小，电容量增大。电容量的增值正比于被测载荷F。这种传感器的主要优点是，由于受接触面的影响小，测量精度较高。另外，电容器位于钢板的孔内提高了抗干扰能力。它在地球物理、表面状态检测及自动检验和控制系统中得到了广泛应用。知识拓展4、电容式接近开关接近开关又称无触点行程开关。它能在一定的距离（几毫米至几十毫米）内检测有无物体靠近。当物体与其接近到设定距离时，就可以发出“动作”信号。接近开关的核心部分是“感辨头”，也称探头，它对正在接近的物体有很高的感辨能力。

常用的接近开关有电涡流式、电容式、超声波式、霍尔式、光电式、磁性干簧开关、微波式等。知识拓展电容触摸屏幕的原理如图4-24所示，电容式触摸屏的构造主要是在玻璃屏幕上镀一层透明的薄膜体层，再在导体层外上一块保护玻璃，双玻璃设计能彻底保护导体层及感应器。此外，在附加的触摸屏四边均镀上狭长的电极，在导电体内形成一个低电压交流电场。用户触摸屏幕时，由于人体电场、手指与导体层间会形成一个耦合电容，四边电极发出的电流会流向触点，而其强弱与手指及电极的距离成正比，位于触摸屏幕后的控制器便会计算电流的比例及强弱，准确算出触摸点的位置。然后将位置信息传递至CPU,CPU发出控制信息。电容触摸屏的双玻璃不但能保护导体及感应器，更有效地防止外在环境因素给触摸屏造成影响，就算屏幕沾有污秽、尘埃或油渍，电容式触摸屏依然能准确算出触摸位置。指纹，是指人手指末端正面皮肤上产生的凹凸不平的纹线。指纹的纹路并不是连续、平滑、笔直的，而是经常出现中断、分叉、转折。这些断点、分叉点和转折点就称为"特征点"。特征点为指纹提供了唯一性信息，也就是说，每个人都拥有独一无二的指纹，就像“人体身份证”一样。我们通过比较不同指纹的“特征点”就可以进行身份鉴定，这也就是所谓的“指纹识别技术”。

知识拓展电容式触摸屏与电容式指纹识别如图4-25位电容式指纹传感器工作原理图，电容式指纹传感器上有无数面积相同的小的电容器极板，当你的手指贴上传感器，皮肤表面与传感器上的电容器极板一一匹配。无数的平板电容器出现了，他们各有各的电容值，量级在几百pF。而这个电容值仅仅取决于传感器上的极板到指纹表明的距离。贴在指纹嵴上的电容距离小而电容大，贴在沟上的电容器距离大而电容小。此时，传感器将给所有的电容充电，所有的电容都被充到一个预先设计好的电压值。然后开始用标准放电电流进行放电。处于指纹的嵴下的像素(电容量高)放电较慢，而处于指纹的沟下的像素(电容量低)放电较快。这种不同的放电率可通过采样保持电路检测并转换成输出，这种检测方法对指纹嵴和沟具有较高的敏感性，并可形成非常好的指纹图像。任务4.1

基于电容传感器的汽车油量表改造

任务4.2基于超声波传感器的城市排水管道液位检测任务4.2基于超声波传感器的城市排水管道液位检测

任务导入：城市排水系统是处理和排除城市污水和雨水的工程设施系统，是城市公用设施的组成部分。城市排水系统规划是城市总体规划非常重要的组成部分。城市排水系统通常由排水管网、污水泵站及污水处理厂组成。

城市排水管网是城市建设、防洪排涝的城市基础设施。近年来，每到夏天暴雨季节，我国部分大中型城市经常遭遇水浸街，不同程度地发生城市内涝，频频上演“看海”、“观瀑”、“水帘洞”、“威尼斯”等情景，严重影响人们的正常生活和工作。为此，本任务提出城市排水管网液位在线监测系统，通过超声波液位计获取管网液位数据（城建标高），并通过无线网络实时上传到网络服务器，运维人员根据得到的城市地下管网排水液位的数据，进行排水管网的水力分析，从而能够评估管网维护效果,提高排水管网的运行管理水平，对内涝进行安全预警，优化排水系统管理决策，保障人民生活和生产安全。声波的分类和物理特性1、声波的分类介质振动的方向与波在介质中传播方向的不同，波可以分为通常有以下三种类型：纵波——质点振动方向与波的传播方向一致的波；横波——质点振动方向垂直于传播方向的波；表面波——质点的振动介于横波与纵波之间，沿着表面传播、能量集中于表面附近。横波只能在固体中传播，纵波能在固体、液体和气体中传播，表面波随深度增加衰减很快。为了测量各种状态下的物理量，多釆用纵波。发声体的振动在空气或其他物质中的传播叫做声波。声波按频率分类可分为以下三类：次声波——频率低于20Hz的声波；可闻声波——频率在20Hz到20KHz的声波；超声波——频率高于20KHz的声波。声波的频率界限图如图4-26所示：声波的分类和物理特性2、声波的物理特性（1）声速纵波、横波及表面波的传播速度取决于介质的弹性系数、介质的密度以及声阻抗。这里，声阻抗是描述介质传播声波特性的一个物理量。介质的声阻抗Z等于介质的密度ρ和声速c的乘积，即：材料密度声阻抗纵波声速横波声速钢7.74605.93.23铝2.71706.323.08铜8.9424.72.05有机玻璃1.18322.731.43甘油1.26241.92-水(20℃)114.81.48-油0.912.81.4-空气0.00120.00040.34-声波的分类和物理特性（2）波长声波波长λ等于声速c除以频率f，即：超声波声源发出的超声波束以一定的角度逐渐向外扩散，声场指向性及指向角如图所示。在声束横截面的中心轴线上，超声波最强，且随着扩散角度的增大而减小。指向角θ（单位为rad）与超声源的直径D以及波长λ之间的关系为:设超声波直径D=20mm,射入射入钢板的超声波(纵波)频率为5MHz,则根据式可得。可见该超声波集中性很好，这一点与激光类似。人声的频率(约为几百赫兹)比超声波低得多，波长很长，指向角就非常大，也就是发散程度太大，所以可闻声波不太适用于检测领域。声波的分类和物理特性（4）超声波的反射与折射跟光的反射和折射类似，超声波从一种介质传播到另一介质，在两个介质的分界面上，一部分能量被反射回原介质，叫做反射，另一部分透射过界面，在另一种介质内部继续传播，则叫做折射。超声波的反射定律——超声波入射角α的正弦与反射角α′的正弦之比，等于入射波所处介质的声速c1与反射波所处介质的声速cr之比，即超声波的折射定律——当入射波和反射波处于同一介质时波速相等，则。入射角α的正弦与折射角β的正弦之比，等于超声波在入射波所处介质1的声速c1与折射波所处介质2中的传播速度之比，即：

。声波的分类和物理特性(5)声波的衰减以固体介质为例，设超声波进入介质时的声强为Ii，通过一定距离x的介质后的声强衰减为Ix，衰减系数为K，则有：4.2.2超声波传感器工作原理及其分类

1、超声波传感器的工作原理超声波传感器是利用超声波的特性，实现自动检测的测量元件。以超声波作为检测手段，必须能产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，又称超声波探头。超声波传感器按其工作原理，可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，下面介绍最为常用的压电式超声波传感器及磁致伸缩超声波传感器。（1）压电式超声波传感器压电式超声波传感器是利用压电材料的压电效应工作的。压电效应分为逆压电效应和压电效应。天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到压力时，晶格产生变形，表面产生电荷，电荷Q与所施加的力F成正比，这种现象称为压电效应。若在电介质的极化方向上施加交变电压，它就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。4.2.2超声波传感器工作原理及其分类根据正、逆压电效应的不同，压电式超声波传感器分为发生器（发射探头）和接收器（接收探头）两种。利用逆压电效应将数百伏特的高频电脉冲加到压电晶片上，则使晶片发射出持续时间很短的超声波，作为发射探头。而利用压电效应则将接收的超声振动转换成压电信号，作为接收探头。（2）磁致伸缩超声波传感器磁致伸缩超声波传感器是利用铁磁体材料的磁致伸缩效应工作的。磁致伸缩效应，是指铁磁体在被外磁场磁化时，其体积和长度将发生变化的现象。磁致伸缩效应引起的体积和长度变化虽是微小的，但其长度的变化比体积变化大得多，又称为线磁致伸缩，线磁致伸缩的变化量级为10-5~10-8，它是焦耳在1842年发现的，其逆效应是压磁效应。磁致伸缩有加大磁场后伸长或缩短两种，与磁场方向无关，只与磁场强度有关，所以改变电流方向，即改变磁场方向，不会使伸长变为缩短（或反之）。应用磁致伸缩效应可以制成超声波传感器，与压电陶瓷片一样，磁致伸缩振子可以进行超声波的发送和接收。4.2.2超声波传感器工作原理及其分类2、超声波传感器的分类

超声波液位传感器根据使用特点可分为定点式液位传感器和连续式液位传感器两大类；根据超声波的传播介质，超声波物位传感器可分为气介式、液介式和固介式三类；由于其结构不同，又分为直探头（分为单晶和双晶）、斜探头、表面波探头、聚焦探头、冲水探头、水侵探头、空气传导探头等。根据超声波探头在所测物体的不同侧和相同测，分为投射型和反射型，如图4-29所示。超声波探头分为单晶直探头、双晶直探头、斜探头。（1）单晶直探头单晶直探头压电晶片采用PZT压电陶瓷材料制作，外壳用金属制作，保护膜用于防止压电晶片磨损。保护膜可以用三氧化二铝、碳化硼等硬度很高的耐磨材料制作。阻尼吸收块用于吸收压电晶片背面的超声脉冲能量，防止杂乱反射波产生，提高分辨力。阻尼吸收块用鸨粉、环氧树脂等浇注。超声波的发射和接收虽然均是利用同一块晶片，但时间上有先后之分，所以单晶直探头是处于分时工作状态，必须用电子开关来切换这两种不同的状态。4.2.2超声波传感器工作原理及其分类（2）双晶直探头由两个单晶探头组合而成，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。两晶片之间用一片吸声性能强、绝缘性能好的薄片加以隔离，使超声波的发射和接收互不干扰。略有倾斜的晶片下方还设置延迟块，它用有机玻璃或环氧树脂制作，能使超声波延迟一段时间后才入射到试件中，可减小试件接近表面处的盲区，提高分辨能力。双晶探头的结构虽然复杂些，但检测精度比单晶直探头高，且超声波信号的反射和接收的控制电路较单晶直探头简单。（3）斜探头压电晶片粘贴在与底面成一定角度（如30°、45°等）的有机玻璃斜楔块上，压电晶片的上方用吸声性强的阻尼吸收块覆盖。当斜楔块与不同材料的被测介质（试件）接触时，超声波产生一定角度的折射，倾斜入射到试件中去，折射角可通过计算求得，可产生多次反射，而传播到较远处去。4.2.3超声波传感器的液位测量原理

根据不同应用场合所使用的传声媒介不同，可分为液体、气体两种测量方式。分别称为液介超声波液位传感器和气介超声波液位传感器。1、液介超声波液位传感器液介超声波液位传感器是以被测液体为导声介质，利用回波测距方法来测量液面高度。装置由超声波换能器和电子装置组成，用高频电缆连接,如图4-31所示。时钟定时触发发射电路发出电脉冲，激励换能器发射超声脉冲。脉冲穿过外壳和容器壁进入被测液体，在被测液体表面上反射回来再由换能器转换成电信号送回电子装置。液面高度与液体中声速及被测液体中来回传播时间成正比。这种液面传感器适用于测量油罐、液化石油气罐之类容器的液位，具有安装方便、可多点检测、精确度高、直接数字显示液面高度等优点。但当被测介质温度、成分经常变动时,由于声速随之变化，测量精度较低。液体传导超声波式液位变计安装于硬质材料（例如金属）制成的容器下方的外表面，不与容器内的液体及气体接触，属于非接触测量，也称为外置式液位计，需要在液位计初始化时进行壁厚的迁移。液介式超声液位计安装时无需对被测容器开孔。与空气传导液位计相比，安装简单，不需要停止生产，不易损坏，可实现对高温、高压密闭容器内的各种有毒物质、强酸、强碱及各种超纯净液体的液位测量，广泛使用于防爆场合。4.2.3超声波传感器的液位测量原理液介式超声波式液位变送器的液位与发射—接收的时间间隔的关系可以用下式求得：式中c1­——液体中的声速；h1——容器壁的厚度。2、气介超声波液位传感器它以被测介质上方的气体为异声介质，利用回波测距测量物位。原理与液介超声波物位传感器相似，利用被测介质上方的气体导声，被测介质不受限制，有悬浮物的液体、高粘度液体与粉体、块体都可测量，使用维护方便。如图4-32超声脉冲经短暂的时间到达液面，被液面反射回来反射波经液面上方的空气，回到探头。基于压电效应，探头将机械能转换成脉动的电荷，再由电荷放大器转换为电压脉冲，传送到超声液位传感器中的微处理器。微处理器计算出从发射超声波脉冲群到接收到液面所反射的超声波脉冲群所需的时间t，再乘以被测体的声速常数c,就得到超声脉冲从发射到接收所经历的往返距离，它是传感器发射面与液面距离h的2倍，可得到高度h为：4.2.3超声波传感器的液位测量原理例4-1：超声波液位计原理如图4-33所示，从显示屏上测得t0=1.5ms，th1=6.0ms。已知水底与超声探头的间距h2为10m，反射小板与探头的间距h0为1.25m，求液位h。

4.2.4超声波传感器的应用

1、超声波液位传感器的误差分析（1）温度引起的测量误差在气介超声波式液位变送器中，影响测量结果的最主要因素是温度。温度严重影响超声波在气体中的声速。在正常压力下，温度的变化引起声速的变化约为0.17%/℃。例如：20℃声波在空气中的传播速度为343m/s,在10m间距的往返传播时间为58.3ms；50℃时，在10m间距的往返传播时间为55.6ms。如果仍以343m/s计算距离，结果是9.44m,测量误差为5.6%。（2）容器表面粗糙引起的误差在液介式超声波传感器测量中，无论是直探头还是斜探头，一般不能直接将其放在被测介质(特别是粗糙金属)表面来回移动，以防磨损。更重要的是，由于超声探头与被测物体接触时，在工件表面不平整的情况下，探头与被测物体表面间必然存在一层空气薄层。空气的密度很小，将引起三个界面间强烈的杂乱反射波，造成干扰，而且空气也将对超声波造成很大的衰减。为此，必须将接触面之间的空气排挤掉，使超声波能顺利地入射到被测介质中。在工业中，经常使用一种称为耦合剂的液体物质，使之充满在接触层中，起到传递超声波的作用。常用的耦合剂有水、机油、甘油、水玻璃、胶水、化学浆糊等。耦合剂的厚度应尽量薄一些，以减小耦合损耗。4.2.4超声波传感器的应用实际上，耦合剂在超声检查时就经常使用。如图4-34所示，超声检查时，探头与病人皮肤之间的空气将阻碍超声波传入人体，为获得高质量的清晰图像，需要使用液性传导介质来连接探头与病人体表，这种介质就是常用的超声耦合剂。医用耦合剂是一种由新一代水性高分子凝胶组成的医用产品。它的PH值为中性，对人体无毒无害，不易干燥，不易酸败，超声显像清晰，粘稠性适宜，无油腻性，探头易于滑动，可湿润皮肤，消除皮肤表面空气，润滑性能好，易于展开；对超声探头无腐蚀、无损伤；市面上出现了具有杀菌消毒功能的超声耦合剂，相对于传统的普通型耦合剂，对于生产环境的更加严格，适用的范围也更广泛。

图4-34超声波检查及耦合剂任务实施

1、排水管网液位在线监测系统城市排水管网内往往包含硫化氢、氨气等有毒易爆气体，湿度非常大，内涝点检查井常常溢流，污水或雨水杂物多，水波干扰大。这种环境下需要液位计具有最高的工业防护等级，本质性防爆和消除水面异物误差的功能。此外，检查井常常位于城市道路的中间，高速车辆多，如果采用市电，需要联系当地供电局和路政，而且施工时需要开挖路面，维护时又需要多部门配合，所耗的时间与成本都偏高。所以监测液位的设备最好能够自供电，又具有极高的稳定性，在检查井密闭的环境中，设备的通信能力和抗干扰能力应该要强。根据以上分析，本系统采用针对排水行业特性而设计的超声波液位监测仪。现场液位采集系统主要由液位计、记录仪、外置电池和天线组成。外置电池负责对整套采集系统进行供电。整套系统具有高强度工程塑料外壳(IP68)，模块之间的连接通过军用接口，具有良好的防水防腐性。液位计集成4G通讯模块，将采集到的数据存贮并通过4G或者短信发送到数据中心。任务实施系统结构主要分为以下三层：系统应用层、通讯设备层以及数据采集层。系统结构框图如图4-35所示。系统利用超声波液位计将数据采集并保存，通过专用电缆传输到4G记录仪或SMS记录仪，按照一定的发送频率，经过天线以4G或SMS方式发送到指定的FTP站或SMS调制解调器，系统服务器通过下载FTP站或接收SMS调制解调器中的数据，从而获取管道中的在线液位数据。在共享服务器中的数据文件夹后，