超聲波料位儀的研制

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（有指向性聲源的最大聲強與同功率無指向性聲源的聲強之比），0W為發射聲源的功率。式（7）表明，料位測量時料面的散射回波強度與頻率無關。

3 換能器的設計
氣介式脈沖回波定位方法的順利實現有技術上的困難，其中主要是：缺少有效（帶有高轉換系數）的電聲換能器，來保證可靠的將聲信號輻射到氣體介質中，并且接收從分接口反射回來的信號〔3〕。因此，評價一個超聲物位計上的超聲換能器，主要考慮到以下性能：最大工作量程、盲區、工作頻率以及使用的溫度范圍、密封性、耐腐蝕性等。根據上面的理論分析，料位測量時料面的散射回波強度與頻率無關，而在空氣中，由于吸收衰減系數與頻率的平方成正比，因此空氣中的超聲換能器通常工作在超聲頻率的低端范圍20～60 kHz。經權衡，我們選擇徑向振動圓管式超聲換能器，其工作頻率在21kHz左右。圖4為徑向振動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為硬質吸聲泡沫層。
4 測試結果
超聲波料位儀檢測資料數據見表1，換能器的頻率特性曲線見圖5，激發和接收波形見圖6。試驗表明換能器的回波信號比較大，余振較小，保證了整個系統的穩定可靠。超聲波料位儀測試資料表明本超聲波料位儀滿足設計要求，實際測量值與理論估計的性能參數值接近。

參考文獻
[1]余瑞芬.傳感器原理.第2版.北京:航空工業出版社,1995
[2]北京聲學學會編.工程聲學Ⅲ.北京:北京大學出版社,1988
[3]袁易全.超聲換能器.第2版.南京:南京大學出版社,1995