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    基于專利分析的超聲波液位計技術原理探討

    公司資訊 2020-09-04 15:12:28
    基于專利分析的超聲波液位計技術原理探討

    一、超聲波液位計技術發展概況

    人類對超聲技術的研究是從1880年發現壓電效應 開始的。1917年,法國研究用超聲波探測潛艇,法國科學家P.Langevin利用石英晶體制成超聲夾心式換能器,在水下進行超聲發射和接收,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;20世紀50年代欽酸鋇壓電陶瓷的研究應用;60年代以后,壓電陶瓷推廣使用并不斷發展,使超聲換能器的研制進入了一個嶄新的蓬勃發展時期。雖然1934年就有人提出用超聲波進行探傷的設想,但從20世紀60年代才引起廣泛重視 。

    二、超聲波液位計原理

    超聲波液位計測量是利用超聲波在氣體、液體和固體 介質中傳播的回聲測距原理進行測量,故超聲波物位傳 感器有氣介式、液介式和固介式三類。根據探頭的工作方式,又有自發、自收的單探頭方式和收、發分開的雙探頭方式。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,處理電路中時鐘電 路定時出發發射電路發出電脈沖,激勵超聲探頭發射超聲脈沖。脈沖穿過容器壁進入被測液體,在被測液體表面上發射回來,再由超聲塔頭轉換成電信號,最后送至處理電路中處理。

    在超聲波探頭安裝位置方面,主要有以下代表專利文獻。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測器,具 有一種支撐反向對接的超聲波換能器,其限定了一個到達底部開口的軸向超聲波測量路徑,提高了測量準確度 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,安裝在容器外側壁上,超聲波換能器發射超聲 波信號,一部分超聲信號經過容器內壁的反射回第一接收器,剩下的超聲波信號經過容器中的結構元件反射到第二接收器,將信號處理后與上下閾值進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。

    隨著技術的進步,對超聲波換能器的結構進行了研究,目的在于進一步提高測量精度。DE3570325D公開了一種超聲波檢測傳感器,用于水下,具有裝設于基板上且帶有端子的厚膜電路,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,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行變化。DE4328792C1公開了液體填充量檢測器,包括壓電超聲波發射接收傳感器,提出在基板上放置匹配層,在兩個匹配層之間設置壓電層,增加了超聲波能量且減小了聲音衰減時間常數。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,殼體內部填充吸音材料來覆蓋壓力元件,提高了機械魯棒性,配置和安裝簡單。

    三、結論

    本文介紹了超聲波液位計的基本原理,并根據液位計的主要技術分支,介紹了所涉及的超聲波發射/接收傳感器、超聲波液位計電路及測量結果的修正方法,分析了多篇具有代表性的專利文獻,通過對超聲波液位計技術 原理的分析,可以有效幫助超聲波液位測量領域的企業知識產權管理人員及研發人員把握技術發展的脈絡,為研發方向進行高效指引。

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