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一種機(jī)載超聲波液位傳感器的設(shè)計(jì)０ 引言 民用飛機(jī)中廢水處理系統(tǒng)是不可或缺的部分，其中廢水儲(chǔ)箱是處理系統(tǒng)的重要組成部件， 其液位檢測(cè)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)起決定性作用。 目前常用的液位測(cè)量手段主要有接觸式和非接觸式。 接觸式主要有人工檢尺法、 浮子測(cè)量裝置、 伺服式、 電容式和磁致伸縮式的液位計(jì)， 其共同特點(diǎn)是感應(yīng)元件與被測(cè)液體接觸， 存在磨損且易被液體黏住和腐蝕等風(fēng)險(xiǎn)； 非接觸式主要有微波雷達(dá)、 射線、 激光及超聲液位計(jì)， 其共同特點(diǎn)是感應(yīng)元件不與被測(cè)液體接觸， 不受介質(zhì)影響［１］ 。 與雷達(dá)、 射線和激光等方式相比， 超聲液位計(jì)系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單， 不易受電磁干擾， 易于小型化， 適合機(jī)載應(yīng)用場(chǎng)景， 且成本相對(duì)較低， 利于民用推廣， 在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中應(yīng)用廣泛。因此， 本文首選超聲波液位計(jì)作為廢水儲(chǔ)箱的液位檢測(cè)手段。 傳統(tǒng)超聲波液位計(jì)多通過液體與氣體界面反射的回波來判斷液位， 通常安裝在容器的頂部或底部。飛機(jī)的廢水儲(chǔ)箱多為膠囊形結(jié)構(gòu)， 聲波會(huì)發(fā)生多次反射產(chǎn)生混響， 使噪聲變大， 影響信號(hào)檢測(cè)； 此外， 廢水箱中的雜質(zhì)沉積嚴(yán)重影響聲波的傳播效率， 同樣導(dǎo)致液位檢測(cè)失效。 根據(jù)調(diào)研， 機(jī)載廢水儲(chǔ)箱對(duì)液位的檢測(cè)為定點(diǎn)判斷， 即液位達(dá)到特定位置時(shí)， 檢測(cè)系統(tǒng)報(bào)警。 針對(duì)上述需求， 本文設(shè)計(jì)了一種用于定點(diǎn)檢測(cè)的低功耗超聲波液位傳感器， 基于超聲波透射效率、 聲衰減、 諧振頻率等參數(shù)隨介質(zhì)的變化， 利用置于全封閉殼體內(nèi)部的超聲波換能器對(duì)， 通過檢測(cè)接收信號(hào)幅的變化， 對(duì)換能器對(duì)之間的傳播介質(zhì)進(jìn)行判斷， 達(dá)到區(qū)分液體和氣體的目的， 最終實(shí)現(xiàn)液位的定點(diǎn)檢測(cè)。 １ 理論分析 １．１ 透射系數(shù)
聲強(qiáng)透射系數(shù)ti為
由式（１） 、 （２） 可見， 介質(zhì)分界面兩邊的阻抗差異將直接決定聲壓和聲強(qiáng)的透射系數(shù)。 １．２ 聲衰減 實(shí)際工程中， 聲波在大多數(shù)材料中傳播時(shí)存在衰減， 且可用冪函數(shù)［３］ 表達(dá)為
１．３ 諧振頻率 考慮輻射阻抗的情況下， 超聲換能器的諧振頻率［４］ 為
式中：m為換能器等效質(zhì)量；Cm為換能器等效力順；ms為介質(zhì)共振質(zhì)量。 為了便于區(qū)分空氣和水的幅值， 擬選擇多個(gè)頻段進(jìn)行分析。 選用平面活塞發(fā)射器作為當(dāng)前結(jié)構(gòu)的近似， 高頻輻射（a≥λ） 時(shí)， 其輻射阻抗［４］ 近似為
由式（４） ～（６） 可見， 介質(zhì)對(duì)輻射阻抗和輻射聲功率影響顯著。 介質(zhì)不同時(shí)， 結(jié)構(gòu)的諧振頻率發(fā)生偏移， 輻射阻抗隨之發(fā)生偏移。 諧振狀態(tài)下， 其表面振速在特定頻段內(nèi)為最大值， 其輻射聲功率也最大，此時(shí)設(shè)備可在較低功耗下工作。 ２ 傳感器設(shè)計(jì) ２．１ 總體設(shè)計(jì) 傳感器整體設(shè)計(jì)如圖１ 所示。 主控芯片發(fā)出特定頻率的脈沖序列， 并設(shè)定一定的邏輯時(shí)序來控制模擬開關(guān)， 從而控制超聲波換能器的發(fā)射與接收； 模擬開關(guān)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行電流放大， 并進(jìn)行電壓比較， 再由主控芯片對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并判斷是否液位到達(dá)。
圖１ 液位傳感器原理圖 為了提高監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性， 采用雙重判斷的設(shè)計(jì)。超聲波換能器對(duì)的兩極既是發(fā)射端也是接收端，兩極同時(shí)發(fā)射超聲波信號(hào)， 同時(shí)對(duì)收到的信號(hào)進(jìn)行分析， 當(dāng)兩端的判斷結(jié)果一致時(shí)， 才作為最終判斷結(jié)果。 ２．２ 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析 根據(jù)理論分析， 對(duì)于以液體為主的廢水液位定點(diǎn)監(jiān)測(cè)， 可通過接收信號(hào)幅值來實(shí)現(xiàn)。 本文設(shè)計(jì)了一種全封閉式檢測(cè)結(jié)構(gòu)（ 見圖２ ） ， 浸入水中的金屬殼體為全封閉， 超聲換能器部分在殼體內(nèi)側(cè)， 與殼體剛性連接。 發(fā)射換能器的超聲波穿過金屬殼體在介質(zhì)中傳播后， 再穿過殼體， 到達(dá)接收換能器， 并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)， 通過分析、 處理， 可判定是液體或空氣， 從而實(shí)現(xiàn)液位定點(diǎn)檢測(cè)。
圖２ 檢測(cè)結(jié)構(gòu)示意圖 為驗(yàn)證上述結(jié)構(gòu)的有效性， 對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析， 建立了結(jié)構(gòu)的軸對(duì)稱有限元模型。 為了簡(jiǎn)化，僅分析了與換能器連接的殼體部分， 未考慮由金屬殼體直接傳播的超聲波， 故采用軸對(duì)稱模型。 有限元分析的主要目的是對(duì)液體和氣體介質(zhì)的透射效果進(jìn)行量化對(duì)比， 因此， 模型僅包含了ＰＶＣ 殼、 鋁殼及傳輸介質(zhì)部分， 在一側(cè) ＰＶＣ 上施加位移載荷， 在另一側(cè)的圓心位置提取位移量， 并繪制頻響曲線。 有限元模型如圖３ 所示。
圖３ 有限元模型示意圖 ２．３ 超聲波換能器選型 頻率是超聲波換能器選型時(shí)考慮的重要參數(shù)，須綜合考慮聲場(chǎng)指向性和能量損耗等問題以確定換能器的工作頻率［５］ 。 根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，液體中可能有許多大小不一的固體懸浮雜質(zhì)，超聲波的傳播間距需要越大越好； 但由于密封性設(shè)計(jì)， 超聲波經(jīng)過２ｍｍ 的鋁制外殼傳播出去， 有較大的衰減，傳播間距需要越小越好， 最終選定傳播間距為20 ｍｍ。 同時(shí)， 考慮到小型化的需求， 初步選用40kHz，200 kHz，１ ＭＨｚ 頻率的３ 種換能器， 測(cè)試其發(fā)射信號(hào)分別經(jīng)過水和空氣后的幅值變化情況。 其中４０ kHz換能器基于壓電陶瓷的彎曲振動(dòng)，200kHz和１MHz換能器基于厚度振動(dòng)。 測(cè)試結(jié)果如表２ 所示。 40kHz的信號(hào)在水中幅值遠(yuǎn)低于空氣， 這是因?yàn)閾Q能器的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)使其在阻力較大的水中時(shí)， 振動(dòng)位移減小或者不振動(dòng)， 因此排除該型號(hào)換能器；200kHz的信號(hào)在水中和在空氣中幅值都很低， 這是因?yàn)槠鋬?nèi)部結(jié)構(gòu)影響了傳遞效率， 該換能器同樣不適用于本文的場(chǎng)景；１ ＭＨｚ的信號(hào)在水中的幅值遠(yuǎn)高于空氣， 故選用１ ＭＨｚ作為檢測(cè)頻率。 常用的分析接收信號(hào)幅頻特性的方法包括點(diǎn)頻法和掃頻法。 如果采用點(diǎn)頻信號(hào)， 由于不同的介質(zhì)條件會(huì)導(dǎo)致接收匹配不同， 從而導(dǎo)致接收端的信號(hào)幅度有較大波動(dòng)， 難以通過幅值正確判斷液位計(jì)中間是否存在介質(zhì)。 采用掃頻信號(hào)時(shí)， 在不同的頻率條件下， 波長(zhǎng)不同， 可以有效地避開不同大小的障礙物， 且在不同密度介質(zhì)條件下， 根據(jù)不同的頻率匹配條件可使超聲換能器的阻抗匹配達(dá)到最佳狀態(tài)， 從而使接收信號(hào)幅值維持在一個(gè)較穩(wěn)定的值， 實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。 因此， 本文采用以１ＭＨｚ為中心頻率的掃頻信號(hào)作為超聲波換能器的激勵(lì)信號(hào)。 ２．４ 硬件電路設(shè)計(jì) 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電路采用Ｃ８０５１Ｆ系列主控芯片， 用以產(chǎn)生１ ＭＨｚ 的掃頻方波。 方波信號(hào)經(jīng)過放大器和跟隨器的處理， 并進(jìn)行阻抗匹配后到達(dá)超聲波換能器， 換能器再輸出對(duì)應(yīng)頻率的聲信號(hào)； 同時(shí)， 換能器接收到的信號(hào)經(jīng)過電壓比較器后又送入主控芯片進(jìn)行判斷， 從而實(shí)現(xiàn)液位是否到達(dá)的準(zhǔn)確判斷。 在整體設(shè)計(jì)中， 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)液位是否到達(dá)的準(zhǔn)確判斷， 采用了兩個(gè)超聲波換能器 Ａ 和 Ｂ。 首先 Ａ發(fā)射 Ｂ 接收， 判讀 Ｂ 接收到的信號(hào)是在空氣中還是固液混合物中； 然后 Ｂ 發(fā)射 Ａ 接收， 判斷 Ａ 接收到的信號(hào)是在空氣中還是固液混合物中。 用兩者共同的結(jié)果進(jìn)行綜合判斷， 具體設(shè)計(jì)思路的程序流程圖如圖５ 所示。 主控芯片（ ＭＣＵ） 產(chǎn)生１ ＭＨｚ 的掃頻方波， 并通過控制模擬開關(guān)， 使換能器 Ａ 發(fā)射、 換能器 Ｂ 接收， 接收到的信號(hào)進(jìn)入 ＭＣＵ， 通過幅度判斷并對(duì)應(yīng)不同狀態(tài)分別記錄為 Ｂ０ 、Ｂ１ 。 然后， 通過控制模擬開關(guān)， 切換到換能器 Ｂ 發(fā)射、 換能器 Ａ 接收， 接收到的信號(hào)進(jìn)入 ＭＣＵ， 通過幅度判斷并對(duì)應(yīng)不同狀態(tài)分別記錄為 Ａ０ 、Ａ１ 。 最終進(jìn)行綜合判斷， 若結(jié)果為Ａ１ 、Ｂ１ ， 則判斷為到達(dá)液位； 若結(jié)果為 Ａ０ 、Ｂ０ ， 則判斷為未到達(dá)液位； 其余判斷為故障狀態(tài)。 ４ 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析 為了驗(yàn)證傳感器的有效性， 分別采用點(diǎn)頻和掃頻的方法對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。 由于飛機(jī)廢水箱內(nèi)液體密度變化較大， 故而考慮聲波傳播介質(zhì)為空氣、 清水、有較多懸浮雜質(zhì)的污水３ 種情況。 掃頻信號(hào)經(jīng)過３種介質(zhì)傳 播 后 到 達(dá) 接 收 極 的 信 號(hào) 波 形 如 圖 ６ ～８所示。
圖６ 掃頻信號(hào)經(jīng)過空氣到達(dá)接收極的信號(hào)波形
圖７ 掃頻信號(hào)經(jīng)過清水到達(dá)接收極的信號(hào)波形 圖８ 掃頻信號(hào)經(jīng)過污水到達(dá)接收極的信號(hào)波形 由圖６～８ 可見， 信號(hào)經(jīng)空氣傳播后的幅值明顯低于經(jīng)清水和污水傳播后的信號(hào)幅值， 且清水和污水情況下接收信號(hào)幅值相近， 這說明液體密度和渾濁度的差異對(duì)接收信號(hào)的幅值影響較小。 傳感器可以較準(zhǔn)確、 穩(wěn)定地區(qū)分空氣和液體， 不會(huì)因液體差異導(dǎo)致誤判。 ５ 結(jié)束語 參考文獻(xiàn)： |
