超聲波料位儀的研制

1 引言
用于超聲料位儀上的超聲換能器品種繁多，按其振動模式可分為縱向振動和彎曲振動，以壓電陶瓷材料制成的換能器結構主要為夾心式超聲換能器和多波節復合彎曲換能器，當它們應用在多粉塵環境時，隨著粘附在超聲料位儀輻射面粉塵的增多，探頭的靈敏度會顯著降低；而徑向振動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動方向垂直和圓管的徑向振動，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：發射換能器由超聲波信號發射機提供的電振蕩脈沖所激勵，產生機械振動，向空中輻射出超聲波，并以一定的速度向前傳播，當到達反射接口后，一部分聲能被反射回來，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，產生機械振動并在換能器的兩極板上激發起微弱的振蕩電壓[1]。這種回波信號經放大后，送入數據處理器（見圖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中的傳播時間為t，傳播速度為c，則

2 回波信號理論分析

超聲波回波定位方法可以用來測量作業現場的液位或料位。兩者測位的基本原理是回波定位，但實際上兩者在應用聲學原理時并不一樣。簡單地說，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雜，物料的粒度分布、散射能力、吸聲特性等都是無規則的，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，因此回波信號并不是由料面的反射波而是由料面上雜亂無章的散射波疊加而成，通過對回波信號的處理得到的料位是粉料的平均料位。

由于粉料料面是完全隨機的表面，因此粗糙隨機料面的散射回波可以借用水聲學蘭博特（lambert）定律對海底散射的分析方法來考慮
〔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，設散射傾角?，蘭博特定律認為散射強度正比于散射角的正弦和入射波的功率，即

顯然散射強度應與距離平方成反比，則

可以確定常數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，由于料面完全隨機，故可認為各點處散射情況的平均值是一樣的，于是接收的聲強（回波強度）