一種機(jī)載超聲波液位傳感器的設(shè)計(jì)

譚昕怡，曾祥豹，王登攀，張 毅

中國電子科技集團(tuán)公司 重慶聲光電有限公司，重慶400060)

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)幅值的變化，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)

平面聲波從介質(zhì)1垂直入射到介質(zhì)2時(shí)，在分界面上的聲壓透射系數(shù)tp為

(1)

聲強(qiáng)透射系數(shù)tI為

(2)

式中：pta和pia分別為透射波和入射波的聲壓；It和Ii分別為透射波和入射波的聲強(qiáng)；R1和R2分別為介質(zhì)1、2的聲阻抗[2]。

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)。本設(shè)計(jì)中殼體為鋁，表1列出了鋁、水和空氣的聲阻抗值。

由表1可見，空氣的聲阻抗遠(yuǎn)小于水和鋁。根據(jù)式(1)、(2)，聲波在空氣和其他介質(zhì)之間傳播時(shí)，透射系數(shù)接近于0，這意味著只有極少部分能量可以穿透介質(zhì)分界面；同時(shí)，水的聲阻抗與鋁更接近。因此，聲波在水和鋁之間傳播時(shí)，透射系數(shù)更高，大部分能量可以穿透介質(zhì)分界面，接收到的透射波的振幅也更高。

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

α(ω)=α0ωη

(3)

式中：ω為角頻率；α0和η為非負(fù)常數(shù)。

水和空氣中η=2，即二次方衰減α(ω)=α0ω2。在常溫、常壓下(25 ℃，101 kPa)，水中的衰減常數(shù)α0=19.02×10-4[dB/(cm·MHz2)]，空氣中的衰減常數(shù)為α0=15.9×10-1[dB/(cm·MHz2)]，約為水的1 000倍。因此，對(duì)于固定的傳播距離，分別經(jīng)過空氣和水傳播的聲信號(hào)幅值存在較大差異。

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

(4)

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

(5)

輻射聲功率近似為

(6)

式中：ρ0為介質(zhì)密度；c為介質(zhì)聲速；s為輻射面積；a為輻射面半徑；u0為輻射面振速。

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)。

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

對(duì)上述模型在激勵(lì)一側(cè)施加了1 μm的驅(qū)動(dòng)位移，在頻率500 kHz～2 MHz進(jìn)行掃頻分析，并提取另一側(cè)圓心處節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)位移，繪制了頻響曲線如圖4所示。

圖4 空氣中與水中的接收位移幅值頻響曲線

由圖4可知，在合理選擇工作頻率的情況下，水介質(zhì)傳輸?shù)奈灰品颠h(yuǎn)高于空氣，說明本文設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)有利于分辨兩種介質(zhì)。

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2 mm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40 kHz，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)，200 kHz和1 MHz換能器基于厚度振動(dòng)。測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 不同頻點(diǎn)信號(hào)經(jīng)過水和空氣后的最大幅值

由表2可見，40 kHz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；200 kHz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1 MHz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。

硬件電路可分為四部分：

1) 發(fā)射電路：用于超聲波換能器信號(hào)的激勵(lì)，使超聲波發(fā)出特定頻率的信號(hào)。

2) 分時(shí)復(fù)用電路：用于實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的準(zhǔn)確性并滿足故障自檢功能，采用多路模擬開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。

3) 接收電路與信號(hào)解調(diào)電路：用于對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行放大處理，并將放大的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，送入主控芯片進(jìn)行處理。由于整個(gè)傳感器是弱信號(hào)檢測(cè)，因此，解調(diào)前要對(duì)信號(hào)進(jìn)行電流放大—電壓放大—低電壓過濾三級(jí)處理。

4) 報(bào)警與故檢電路：由于在實(shí)際應(yīng)用中，檢測(cè)的很多固液混合物是易燃易爆的危險(xiǎn)品，需要將外部的電源與內(nèi)部進(jìn)行隔離。這里采用光耦方式進(jìn)行隔離設(shè)計(jì)，當(dāng)液位到達(dá)或系統(tǒng)故障時(shí)，主控芯片發(fā)出控制信號(hào)，光耦輸出高電平，此時(shí)內(nèi)部是低電壓，外部是高電壓，滿足實(shí)際的應(yīng)用需求。

3 頂層算法設(shè)計(jì)

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。

圖5 監(jiān)測(cè)算法流程圖

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

本文基于超聲波的基本特性，通過有限元分析設(shè)計(jì)了合理、有效的封閉式檢測(cè)結(jié)構(gòu)。采用掃頻信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)，同時(shí)設(shè)計(jì)了雙重判斷的算法對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行分析，以辨別超聲波的傳輸介質(zhì)是空氣還是液體。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的超聲波液位傳感器可以較準(zhǔn)確、穩(wěn)定地監(jiān)測(cè)飛機(jī)廢水箱中的液位，有效實(shí)現(xiàn)了定點(diǎn)液位報(bào)警功能。