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1、超声波液位计测量原理及常见故障处理,2012年2月15日,热控二班 高红,一.超声波简介,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。,超声波的性质,(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基本相同。,超声波的性质,(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
2、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。,超声波的性质,(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。,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
3、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.超声波传感器原理,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
4、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最为常用。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。,压电式超声波传感器简介,压电效应 某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的
5、变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。,压电式超声波传感器简介,压电陶瓷晶片传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成，如图所示。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
6、使压电陶瓷晶片产生频率与超声波相同的电信号。,双压电晶片示意图,压电式超声波传感器简介,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。,双压电晶片示意图,压电式超声波传感器简介,超声波传感器由压电陶瓷晶片、锥形谐振板、底座
7、、端子、金属壳及金属网构成。如图所示。其中，压电陶瓷晶片是传感器的核心，锥形谐振板是发射和接收超声波的能量集中，并使传感器有一定的指向角。金属壳可防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形谐振板的损害，金属网也是起保护作用的，但不影响发射和接收超声波。,超声波传感器结构图,超声波传感器分类,超声测距传感器按其作用距离可以分为大、中、小三种量程。其中，小量程探测距离小于2m，工作频率在 60-300kHz 之间；中量程探测距离约为 2-l0m，工作频率在40-60kHz 之间；大量程探测距离约为 20-50m，工作频率处16-30kHz 之间。,超声波传感器按收发方式可分两类：一类是发射和接收分别是两种不同的分体式超声波传感器，此类传感器测距有效范围比较大，但不具备防尘、防水性能。另一类是具有双向的发射/接收功能的收发一体式超声波传感器，不仅用于发射超声波，也用于接收超声波，此类超声波测距有效范围比较小，防尘、防水性能好。,三.超声波液位计的应用,手持编程器,SIEMENS超声波液位计,SIEMENS超声波液位计,四.超声波液位计常见故障处理,转换器无显示检查供电电源，电源正常则转换器故障液位波动检查探头线是否腐蚀、探头上是否有粘结，是否有蒸汽干扰液位不变化检查探头有无波发出或容器内是否有杂物,谢谢大家!,
