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　　1、引言
　　
　　用于超聲料位儀上的*品種繁多，按其振動(dòng)模式可分為縱向振動(dòng)和彎曲振動(dòng)，以壓電陶瓷材料制成的換能器結(jié)構(gòu)主要為夾心式*和多波節(jié)復(fù)合彎曲換能器，當(dāng)它們應(yīng)用在多粉塵環(huán)境時(shí)，隨著粘附在超聲料位儀輻射面粉塵的增多，探頭的靈敏度會(huì)顯著降低；而徑向振動(dòng)圓管式換能器組成的超聲波料位儀由于其輻射面與粉塵的運(yùn)動(dòng)方向垂直和圓管的徑向振動(dòng)，使得粉塵不易粘附在超聲料位儀的輻射面上。超聲波料位儀采用氣介式脈沖回波定位方法，其基本原理是：發(fā)射換能器由超聲波信號(hào)發(fā)射機(jī)提供的電振蕩脈沖所激勵(lì)，產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，向空中輻射出超聲波，并以一定的速度向前傳播，當(dāng)?shù)竭_(dá)反射接口后，一部分聲能被反射回來(lái)，并作用到接收換能器上，接收換能器受到這種回波的作用后，產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)并在換能器的兩極板上激發(fā)起微弱的振蕩電壓[1]。這種回波信號(hào)經(jīng)放大后，送入數(shù)據(jù)處理器（見(jiàn)圖1）。聲波從換能器到反射接口的距離為s，超聲脈沖在氣體媒質(zhì)中的傳播時(shí)間為t，傳播速度為c，則　　
　　2、回波信號(hào)理論分析

　　
　　超聲波回波定位方法可以用來(lái)測(cè)量作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的液位或料位。兩者測(cè)位的基本原理是回波定位，但實(shí)際上兩者在應(yīng)用聲學(xué)原理時(shí)并不一樣。簡(jiǎn)單地說(shuō)，液面可以看作性能單一的鏡面，遵循鏡面反射原理，其反射波是相干的；而料面情況則非常復(fù)雜，物料的粒度分布、散射能力、吸聲特性等都是無(wú)規(guī)則的，因此其反射波是非相干的散射波。一般情況下，料面的形狀如圖2（a）或（b）兩種，聲束與料面并不垂直，因此回波信號(hào)并不是由料面的反射波而是由料面上雜亂無(wú)章的散射波疊加而成，通過(guò)對(duì)回波信號(hào)的處理得到的料位是粉料的平均料位。　　
　　由于粉料料面是*隨機(jī)的表面，因此粗糙隨機(jī)料面的散射回波可以借用水聲學(xué)蘭博特（lambert）定律對(duì)海底散射的分析方法來(lái)考慮
　　
　　〔2〕。如圖3所示，如果入射波I1以á傾角投射到料面的面元ds上，設(shè)散射傾角?，蘭博特定律認(rèn)為散射強(qiáng)度正比于散射角的正弦和入射波的功率，即　　
　　顯然散射強(qiáng)度應(yīng)與距離平方成反比，則　　
　　可以確定常數(shù)μ=1/e，并考慮反向散射情況：ψ=e?α，故有　　
　　其中s為入射聲束主瓣投射到料面上的面積，由于料面*隨機(jī)，故可認(rèn)為各點(diǎn)處散射情況的平均值是一樣的，于是接收的聲強(qiáng)（回波強(qiáng)度）　　
　　式中投射面積S≈e（rtg?θ）2/sinα，?θ為換能器聲束主瓣的半寬角，而20IW/4eri=γ，故有　　
　　其中γ為聚集系數(shù)（有指向性聲源的zui大聲強(qiáng)與同功率無(wú)指向性聲源的聲強(qiáng)之比），0W為發(fā)射聲源的功率。式（7）表明，料位測(cè)量時(shí)料面的散射回波強(qiáng)度與頻率無(wú)關(guān)。
　　
　　3、換能器的設(shè)計(jì)
　　
　　氣介式脈沖回波定位方法的順利實(shí)現(xiàn)有技術(shù)上的困難，其中主要是：缺少有效（帶有高轉(zhuǎn)換系數(shù)）的電聲換能器，來(lái)保證可靠的將聲信號(hào)輻射到氣體介質(zhì)中，并且接收從分接口反射回來(lái)的信號(hào)〔3〕。因此，評(píng)價(jià)一個(gè)超聲物位計(jì)上的*，主要考慮到以下性能：zui大工作量程、盲區(qū)、工作頻率以及使用的溫度范圍、密封性、耐腐蝕性等。根據(jù)上面的理論分析，料位測(cè)量時(shí)料面的散射回波強(qiáng)度與頻率無(wú)關(guān)，而在空氣中，由于吸收衰減系數(shù)與頻率的平方成正比，因此空氣中的*通常工作在超聲頻率的低端范圍20～60kHz。經(jīng)權(quán)衡，我們選擇徑向振動(dòng)圓管式*，其工作頻率在21kHz左右。圖4為徑向振動(dòng)圓管式壓電陶瓷換能器示意圖，圖中a為電極引線、b為匹配層、c為壓電陶瓷圓管、d為硬質(zhì)吸聲泡沫層。
　　
　　4、測(cè)試結(jié)果
　　
　　超聲波料位儀檢測(cè)資料數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，換能器的頻率特性曲線見(jiàn)圖5，激發(fā)和接收波形見(jiàn)圖6。試驗(yàn)表明換能器的回波信號(hào)比較大，余振較小，保證了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。超聲波料位儀測(cè)試資料表明本超聲波料位儀滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)際測(cè)量值與理論估計(jì)的性能參數(shù)值接近。　　
　　參考文獻(xiàn)
　　
　　[1]余瑞芬.傳感器原理.第2版.北京:航空工業(yè)出版社,1995
　　
　　[2]北京聲學(xué)學(xué)會(huì)編.工程聲學(xué)Ⅲ.北京:北京大學(xué)出版社,1988
　　
　　[3]袁易全.*.第2版.南京:南京大學(xué)出版社,1995