超聲波液位計 聲波是一種機械波，是機械振動在介質總的傳播過程，當振動頻率在10~10000赫茲時候，可以引起人的聽覺，稱為聞聲波；更低頻率的機械波稱為次聲波；20000赫茲以上頻率的機械波為超聲波；作為物位檢測的，一般應用在20000赫茲以上頻率的超聲波段內。 1.檢測原理 超聲波用于物位檢測主要利用他的以下幾個性質。 ①超聲波能以各種傳播模式（縱波、橫波、表面波等）在氣體、液體及固體中傳播，也可以在光不能通過的金屬、生物總傳播，是探測物質內部的有效手段。 ②聲波在介質中傳輸時會被吸收而衰減，氣體吸收最強而衰減最大，液體其次，固體吸收最小而衰減最小，因此對于一給定強度的聲波，在氣體中傳播的距離會明顯比在液體和固體中傳播的距離短。聲波在介質中傳播時，衰減的程度還與聲波的頻率有關，頻率越高，聲波的衰減也就越大，因此超聲波比其他聲波在傳播時衰減更明顯。 ③聲波傳播時方向性隨聲波頻率的升高而變強，發射的聲束也越尖銳。超聲波可近似認為直線傳播，具有很好的方向性。 ④當聲波由一種介質向另一介質傳播時，因為兩種介質的密度不同和聲波在氣宗傳播的速度不同，在分界面上聲波會產生反射和折射；在聲波垂直入射時，如果兩種介質的聲阻抗相差懸殊，聲波幾乎全部被反射，如聲波從液體或固體傳播到氣體，或由氣體傳播到液體或固體時。 聲波式物位檢測方法就是利用聲波的這種特性，通過測量聲波從發射到接收到物位界面所反射的回波的時間間隔來確定物位的高低。圖3-16是用超聲波檢測物位的原理圖。圖中超聲波發生器被置于容器底部，當它向液面發射短促的脈沖是，在液面處產生反射，回波被超聲波接收器接收。若超聲波發生器和接收器（圖中探頭）到液面的距離為H ，聲波在液體中的傳播速度為u，則有如下簡單關系： H=0.5ut 式中，t為超聲脈沖從發射到接收所經過的時間，當超聲波的傳播速度u為已知時，利用上式便可求得物位的量值。 2.超聲波換能器 超聲波換能器有稱探頭，它是實現超聲波發射和接收的器件，目前應用最廣泛的換能器是電-聲換能器，常見的是壓電晶體換能器，其原理如圖3-17所示。它是根據“壓電效應”和“逆壓電效應”原理實現電能-超聲能的相互轉換的。當外力作用于晶體端面時，在其相對的兩個面商便產生異性電荷。用導線將兩端面上的電極連接起來，就會有電流流過。當外力消失時，被中和的電荷有會立即分開，形成與原來相反的電流。若作用于晶體端面上的外力是交變的，這樣，一松一壓就可以產生交變電場。反之，將交變電壓加在晶體端面的電極上，便會沿著晶體厚度方向產生與所加變電壓同頻率的機械振動，向附近介質發射聲波。 換能器的核心是壓電晶體片，根據不同的需要，壓電晶體片的振動方式有很多，如薄片的厚度振動、縱片的長度振動、橫片的長度振動、圓片的徑向振動、圓管的厚度、長度、徑向和扭轉轉動、彎曲振動等，其中以薄片厚度振動用得最多。由于壓電晶體本身較脆，并因各種絕緣、密封、防腐蝕、阻抗匹配及防護不良環境的要求，壓電元件往往裝以殼體之內而構成探頭。超聲波換能器的探頭常用結構，如圖3-18所示。該換能器探頭結構，其振動頻率在幾百千赫茲以上，采用厚度振動的壓電晶體片。 根據檢測原理知道，利用聲波特性，采用回聲測距的方法，測量的準確性關鍵在于聲速u。由于聲波在介質中的傳播速度與介質的密度有關，而密度是溫度和壓力的函數，因此，當溫度和壓力發生變化時，聲速也要發生變化，而且影響比較大，從而使得距離無法測準。所以在實際測量中，必須對聲速進行校正，以保證測量精度。 3.超聲波法測量物位的特點 超聲波物位計有兩種類型：分體式--超聲波的發射和接收為兩個器件；一體式--超聲波的發射和接收為同一個器件，如圖3-9所示。 ①檢測元件（探頭）可以不與被測介質接觸，即可做到非接觸測量。 ②可測范圍較廣，只要界面的聲阻抗不同，液體、粉末、塊體的物位都可以測量。 ③可測量低溫介質的物位，測量時可將發射器和接收器安裝在低溫槽的底部。 ④由于此法構成的儀表沒有可動部件，而且探頭的壓電晶片振奮很小，所以儀表使用壽命長。 ⑤缺點是探頭本身不能承受高溫，聲速受介質的溫度、壓力影響，有些介質對聲波的吸收能力很強，此法受到一定的限制。另外，電路復雜，造價較高。
