摘要：鑒于目前工業(yè)液位測量領(lǐng)域?qū)Τ暡ㄒ何挥嫷男枨蟛粩嘣鲩L，其核心技術(shù)仍為幾家國外公司所掌握的現(xiàn)狀，本文從超聲液位計原理出發(fā)，對超聲波液位計的技術(shù)發(fā)展路線進(jìn)行梳理，以期為技術(shù)人員了解該技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)提供借鑒。

1超聲波液位計技術(shù)發(fā)展概況

     人類對超聲技術(shù)的研究是從1880年發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)開始的。1917年，法國研究用超聲波探測潛艇，法國科學(xué)家P.Langevin利用石英晶體制成超聲夾心式換能器，在水下進(jìn)行超聲發(fā)射和接收，這是世界上的第一部聲吶。接著，鎳、鋁-鐵合金等磁致伸縮換能器出現(xiàn)；20世紀(jì)50年代欽酸鋇壓電陶瓷的研究應(yīng)用；60年代以后，壓電陶瓷推廣使用并不斷發(fā)展，使超聲換能器的研制進(jìn)入了一個嶄新的蓬勃發(fā)展時期。雖然1934年就有人提出用超聲波進(jìn)行探傷的設(shè)想，但從20世紀(jì)60年代才引起廣泛重視［1，2］。

     目前，國內(nèi)高精度超聲波液位測量儀表的發(fā)展主要采用引進(jìn)加吸收等手段，還有許多合資企業(yè)代理國外相應(yīng)產(chǎn)品，圖1是全球主要申請人申請數(shù)量的分布，日本、德國各占四位。排名前三的申請人有中國廣州的中山歐麥克儀器設(shè)備有限公司、日本理光集團(tuán)和德國VEGA格里沙貝兩合公司。中山歐麥克儀器設(shè)備有限公司是德國歐麥克儀器在中國的生產(chǎn)中心，主要負(fù)責(zé)在線水質(zhì)檢測儀器的研發(fā)生產(chǎn)和銷售；老牌公司日本理光集團(tuán)一直致力于光學(xué)儀器的研究，在超聲波流量檢測方面發(fā)展迅猛；排名第三、第六、第七、第八的仍然是德國的公司，其中，德國VEGA格里沙貝兩合公司的50系列超聲波液位計較大量程為15m，其精度高達(dá)量程的0.2%，是目前國外超聲波液位計中精度較高的。

2超聲波液位計原理

     超聲波液位測量是利用超聲波在氣體、液體和固體介質(zhì)中傳播的回聲測距原理進(jìn)行測量，故超聲波物位傳感器有氣介式、液介式和固介式三類。根據(jù)探頭的工作方式，又有自發(fā)、自收的單探頭方式和收、發(fā)分開的雙探頭方式。以單探頭超聲波液位計為例，對超聲波液位計工作原理進(jìn)行介紹，其探頭既可以安裝在液面底部，也可以安裝在容器底的外部，如圖2所示，處理電路中時鐘電路定時出發(fā)發(fā)射電路發(fā)出電脈沖，激勵超聲探頭發(fā)射超聲脈沖。脈沖穿過容器壁進(jìn)入被測液體，在被測液體表面上發(fā)射回來，再由超聲塔頭轉(zhuǎn)換  成電信號，較后送至處理電路中處理。圖2左側(cè)所示的單探頭方式，探頭起著發(fā)射和接受雙重作用，液面高度與超聲波在被測液體中聲速C和來回傳播時間t成正比例關(guān)系，即

     根據(jù)超聲波液位計的工作原理，從超聲波液位計發(fā)射/接收傳感器、超聲波液位計電路和超聲波液位計測量原理及修正方法，對目前各種關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行梳理，并對重點專利申請及技術(shù)發(fā)展路線（如圖3所示）進(jìn)行分析。

2.1超聲波液位計發(fā)射/接收傳感器

     超聲波液位計發(fā)射/接收傳感器是超聲波的液位計發(fā)射/接收超聲波的重要元器件，超聲波探頭的質(zhì)量、安裝位置嚴(yán)重影響超聲波液位計的精度。從1976年開始，具有如下代表性的專利文獻(xiàn)，涉及超聲波換能器的安裝、結(jié)構(gòu)、保護(hù)等。

     在超聲波探頭安裝位置方面，主要有以下代表專利文獻(xiàn)。DE3431741A1公開了一種封閉容器液位檢測器，將超聲波傳感器固定于容器底部，通過反射原理測量液位。US4958518A公開了一種摩托車油箱油位監(jiān)測器，具有一種支撐反向?qū)拥某暡〒Q能器，其限定了一個到達(dá)底部開口的軸向超聲波測量路徑，提高了測量準(zhǔn)確度并降低了成本。DE59201292D公開了一種檢測容器中液體有無的檢測方法，包括兩個超聲波接收器和一個超聲波換能器，安裝在容器外側(cè)壁上，超聲波換能器發(fā)射超聲波信號，一部分超聲信號經(jīng)過容器內(nèi)壁的反射回第一接收器，剩下的超聲波信號經(jīng)過容器中的結(jié)構(gòu)元件反射到第二接收器，將信號處理后與上下閾值進(jìn)行比較來確定容器中液體的有無，提高了容器中氣液未完全分離時測量的可靠性。

     隨著技術(shù)的進(jìn)步，對超聲波換能器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，目的在于進(jìn)一步提高測量精度。DE3570325D公開了一種超聲波檢測傳感器，用于水下，具有裝設(shè)于基板上且?guī)в卸俗拥暮衲る娐�，在兩個塑料箔片（炭聚物或硅襯底）之間放置至少一個金屬箔片，使得具有相同聲速和材料密度的探針使用數(shù)量減少。EP0465878A2公開了一種壓電陶瓷超聲換能器，使用長板形壓電陶瓷部，壓電陶瓷部在相反的兩面具有不同的金屬鍍層區(qū)，將兩個壓電陶瓷部豎直放置在儲油容器中的一個腔室中，接收信號在上部傳感器和下部傳感器之間進(jìn)行變化。DE4328792C1公開了液體填充量檢測器，包括壓電超聲波發(fā)射接收傳感器，提出在基板上放置匹配層，在兩個匹配層之間設(shè)置壓電層，增加了超聲波能量且減小了聲音衰減時間常數(shù)。DE4330747C1公開了一種超聲波換能器，具有一個一體成型的第一材料殼體，殼體底座上具有一個壓力元件，在殼體底座上壓力元件的對立面有一個第二材料的適配體，殼體內(nèi)部填充吸音材料來覆蓋壓力元件，提高了機(jī)械魯棒性，配置和安裝簡單。

     為防止外在的干擾信號或環(huán)境中的污染物對超聲波換能器的干擾，EP0815954A2公開了一種超聲波換能器，具有斗型金屬殼體，圓筒形內(nèi)壁和底板用來接收和發(fā)射超聲波，使用蒸汽沉積或濺射形成金屬層覆蓋壓電圓盤下部的第二電極內(nèi)側(cè)的絕緣層，壓電圓盤上側(cè)的第二電極和金屬層接入電子測量電路，在壓電圓盤上的金屬氧化物粉末環(huán)氧樹脂中設(shè)置金屬網(wǎng)進(jìn)行屏蔽，且屏蔽網(wǎng)與噴鍍金屬層連接，電磁屏蔽的使用在可接受的成本內(nèi)使得超聲波換能器具有高傳導(dǎo)率和帶寬。JP2004325129A公開了一種超聲波傳感器驅(qū)動頻率的選擇方法，通過測量反射波的強(qiáng)度來改變超聲波傳感器驅(qū)動頻率，使超聲波傳感器在可變的液位測量時間范圍內(nèi)具有較優(yōu)驅(qū)動頻率。US2006236766A1公開了一種超聲波束成形裝置，具有陽極處理鋁板制成的基板，包括上下同軸對稱的圓錐面，圓錐面的中心對稱軸形成一個圓孔，降低了超聲波束發(fā)射能量，提高了分辨率。DE102010021869A1公開了一種超聲波換能器，其發(fā)射和接收表面包括具有硅乳酸的防灰層，其中硅乳酸嵌入高分子膜中，防止有害環(huán)境中液滴、煙霧劑等的吸附，提高了換能器的功能。

2.2超聲波液位計電路

     超聲波液位計電路是對超聲波測量信號進(jìn)行處理，得到較終測量結(jié)果的重要手段，而關(guān)于其的專利文獻(xiàn)量不大。其中較為有代表性的專利主要包括以下幾個。

     EP0829734B1公開了一種測量兩個換能器信號時間差的方法，并公開了具體測量電路，具有可靠的測量精度。JP2004257981A公開了一種超聲波液位計，控制器與超聲波傳感器現(xiàn)聯(lián)，測量發(fā)射聲波的回波時間，將發(fā)射接收時間差作為反射邊緣，如果反射邊緣值小于特定值則減小傳感器驅(qū)動時間，增加邊緣值后液位檢測基于回波時間，使其能測量低水平的液位。

2.3超聲波液位計測量原理及修正方法

     該技術(shù)分支是超聲波液位計領(lǐng)域中較大的一個分支。超聲波液位計測量原理主要有反射式、透射式等方法，并通過參考板、溫度進(jìn)行校正。

     反射式原理的超聲波液位計是本領(lǐng)域常用的超聲波液位測量方法。DE2745251A1公開了一種冶金過程中熔融物高度的無觸點測量，使用脈沖回波式測量法進(jìn)行液位測量。DE3330063C2公開了一種畸形容器的液位指示裝置，具有一個插入容器的超聲波波導(dǎo)管，其從較高液位延伸到較低液位，并與容器形狀匹配，波導(dǎo)管上還具有不連續(xù)的標(biāo)記，通過浸入液體中標(biāo)記和液面以上的標(biāo)記的超聲波反射信號來估算液位，適用于燃料液位測量且無可動部件。

     對透射式原理的超聲波液位計的研究，文獻(xiàn)量較少，主要有以下專利文獻(xiàn)。DE3149909A1公開了一種高黏度材料液位控制器，具有在傳感器框架上相對設(shè)置的超聲波傳感器，第一超聲波換能器發(fā)射超聲波穿過材料到達(dá)第二超聲波換能器。隨著技術(shù)的發(fā)展，超聲波液位計的測量精度成為了主要研究對象，由此，出現(xiàn)了多種消除噪聲、修正測量結(jié)果的方法。DE3440513A1公開了一種燃料箱液體體積超聲波測量，換能器周期性的發(fā)射超聲波脈沖并被液面反射回來，通過評定渡越時間來得到體積，減小渡越時間信號的頻率并對信號序列進(jìn)行修改，以通過電纜輸送給評估單元，消除了噪聲的影響且沒有增加額外成本。DE3703658A1公開了一種汽車燃料罐液位檢測裝置，測量超聲波從罐底到液面的傳播時間，并通過燃料溫度對其進(jìn)行修正，從而得到液面高度，減小了電纜的需求。DE4308373A1公開了超聲波脈沖回波離傳感器，回波信號特征可以是時間、較大幅值和波形，也可以是單回波阻尼期望值、信號幅值的時間位置和前述的回波形狀，將回波信號和噪聲回波進(jìn)行分離，消除了多次反射生成的噪聲信號帶來的誤差。

     DE50014106D公開了一種液位測量裝置，具有超聲波傳感器，測量超聲波發(fā)射和接受的渡越時間，同時在通氣底部附近設(shè)置一個具有預(yù)定距離的反射器，比較超聲波液面渡越時間和被反射器反射的超聲波渡越時間，確定液面高度，提高了測量的可靠性。EP2045586A1公開了一種液體填充量的測量方法，通過時延法測量液面高度，同時采用無接觸式溫度傳感器測量多點溫度，對溫度進(jìn)行補(bǔ)償，提高了測量精度。DE102009042869A1公開了一種超聲波液位計的檢查方法，通過確定反射信號輪廓特征值，將其與參考特征值進(jìn)行比較來確定是否發(fā)出報警信息，提醒用戶操作不正確。WO2013013395A1公開了一種液位測量裝置，超聲波換能器通過一個分配器發(fā)射和接收超聲波，分配器分布在容器整個高度范圍內(nèi)，即分布的超聲波到達(dá)容器中的液體或氣體并反射回來，通過分析信號的幅值平移來確定液位，防止了氣泡、泡沫、湍流、密度和聲速的影響。

3結(jié)論

     本文介紹了超聲波液位計的基本原理，并根據(jù)液位計的主要技術(shù)分支，介紹了所涉及的超聲波發(fā)射/接收傳感器、超聲波液位計電路及測量結(jié)果的修正方法，分析了多篇具有代表性的專利文獻(xiàn)，通過對超聲波液位計技術(shù)原理的分析，可以有效幫助超聲波液位測量領(lǐng)域的企業(yè)知識產(chǎn)權(quán)管理人員及研發(fā)人員把握技術(shù)發(fā)展的脈絡(luò)，為研發(fā)方向進(jìn)行高效指引。