一種機載超聲波液位傳感器的設計

譚昕怡，曾祥豹，王登攀，張 毅

中國電子科技集團公司 重慶聲光電有限公司，重慶400060)

0 引言

民用飛機中廢水處理系統是不可或缺的部分，其中廢水儲箱是處理系統的重要組成部件，其液位檢測對整個系統的正常運轉起決定性作用。目前常用的液位測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、浮子測量裝置、伺服式、電容式和磁致伸縮式的液位計，其共同特點是感應元件與被測液體接觸，存在磨損且易被液體黏住和腐蝕等風險；非接觸式主要有微波雷達、射線、激光及超聲液位計，其共同特點是感應元件不與被測液體接觸，不受介質影響[1]。與雷達、射線和激光等方式相比，超聲液位計系統相對簡單，不易受電磁干擾，易于小型化，適合機載應用場景，且成本相對較低，利于民用推廣，在工業生產和科學研究中應用廣泛。因此，本文首選超聲波液位計作為廢水儲箱的液位檢測手段。

傳統超聲波液位計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。飛機的廢水儲箱多為膠囊形結構，聲波會發生多次反射產生混響，使噪聲變大，影響信號檢測；此外，廢水箱中的雜質沉積嚴重影響聲波的傳播效率，同樣導致液位檢測失效。根據調研，機載廢水儲箱對液位的檢測為定點判斷，即液位達到特定位置時，檢測系統報警。針對上述需求，本文設計了一種用于定點檢測的低功耗超聲波液位傳感器，基于超聲波透射效率、聲衰減、諧振頻率等參數隨介質的變化，利用置于全封閉殼體內部的超聲波換能器對，通過檢測接收信號幅值的變化，對換能器對之間的傳播介質進行判斷，達到區分液體和氣體的目的，最終實現液位的定點檢測。

1 理論分析

1.1 透射系數

平面聲波從介質1垂直入射到介質2時，在分界面上的聲壓透射系數tp為

(1)

聲強透射系數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；R1和R2分別為介質1、2的聲阻抗[2]。

由式(1)、(2)可見，介質分界面兩邊的阻抗差異將直接決定聲壓和聲強的透射系數。本設計中殼體為鋁，表1列出了鋁、水和空氣的聲阻抗值。

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

1.2 聲衰減

實際工程中，聲波在大多數材料中傳播時存在衰減，且可用冪函數[3]表達為

α(ω)=α0ωη

(3)

式中：ω為角頻率；α0和η為非負常數。

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α0=19.02×10-4[dB/(cm·MHz2)]，空氣中的衰減常數為α0=15.9×10-1[dB/(cm·MHz2)]，約為水的1 000倍。因此，對于固定的傳播距離，分別經過空氣和水傳播的聲信號幅值存在較大差異。

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為換能器等效質量；Cm為換能器等效力順；ms為介質共振質量。

為了便于區分空氣和水的幅值，擬選擇多個頻段進行分析。選用平面活塞發射器作為當前結構的近似，高頻輻射(a?λ)時，其輻射阻抗[4]近似為

(5)

輻射聲功率近似為

(6)

式中：ρ0為介質密度；c為介質聲速；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，介質對輻射阻抗和輻射聲功率影響顯著。介質不同時，結構的諧振頻率發生偏移，輻射阻抗隨之發生偏移。諧振狀態下，其表面振速在特定頻段內為最大值，其輻射聲功率也最大，此時設備可在較低功耗下工作。

2 傳感器設計

2.1 總體設計

傳感器整體設計如圖1所示。主控芯片發出特定頻率的脈沖序列，并設定一定的邏輯時序來控制模擬開關，從而控制超聲波換能器的發射與接收；模擬開關對接收到的信號進行電流放大，并進行電壓比較，再由主控芯片對數據進行采集并判斷是否液位到達。

為了提高監測的準確性，采用雙重判斷的設計。超聲波換能器對的兩極既是發射端也是接收端，兩極同時發射超聲波信號，同時對收到的信號進行分析，當兩端的判斷結果一致時，才作為最終判斷結果。

2.2 結構設計及有限元分析

根據理論分析，對于以液體為主的廢水液位定點監測，可通過接收信號幅值來實現。本文設計了一種全封閉式檢測結構(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側，與殼體剛性連接。發射換能器的超聲波穿過金屬殼體在介質中傳播后，再穿過殼體，到達接收換能器，并轉換成電信號，通過分析、處理，可判定是液體或空氣，從而實現液位定點檢測。

圖2 檢測結構示意圖

為驗證上述結構的有效性，對結構進行有限元分析，建立了結構的軸對稱有限元模型。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，故采用軸對稱模型。有限元分析的主要目的是對液體和氣體介質的透射效果進行量化對比，因此，模型僅包含了PVC殼、鋁殼及傳輸介質部分，在一側PVC上施加位移載荷，在另一側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

對上述模型在激勵一側施加了1 μm的驅動位移，在頻率500 kHz～2 MHz進行掃頻分析，并提取另一側圓心處節點的振動位移，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，水介質傳輸的位移幅值遠高于空氣，說明本文設計的結構有利于分辨兩種介質。

2.3 超聲波換能器選型

頻率是超聲波換能器選型時考慮的重要參數，須綜合考慮聲場指向性和能量損耗等問題以確定換能器的工作頻率[5]。

根據實際應用場景，液體中可能有許多大小不一的固體懸浮雜質，超聲波的傳播間距需要越大越好；但由于密封性設計，超聲波經過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，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，測試其發射信號分別經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，200 kHz和1 MHz換能器基于厚度振動。測試結果如表2所示。

表2 不同頻點信號經過水和空氣后的最大幅值

由表2可見，40 kHz的信號在水中幅值遠低于空氣，這是因為換能器的驅動結構使其在阻力較大的水中時，振動位移減小或者不振動，因此排除該型號換能器；200 kHz的信號在水中和在空氣中幅值都很低，這是因為其內部結構影響了傳遞效率，該換能器同樣不適用于本文的場景；1 MHz的信號在水中的幅值遠高于空氣，故選用1 MHz作為檢測頻率。

常用的分析接收信號幅頻特性的方法包括點頻法和掃頻法。如果采用點頻信號，由于不同的介質條件會導致接收匹配不同，從而導致接收端的信號幅度有較大波動，難以通過幅值正確判斷液位計中間是否存在介質。采用掃頻信號時，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，且在不同密度介質條件下，根據不同的頻率匹配條件可使超聲換能器的阻抗匹配達到最佳狀態，從而使接收信號幅值維持在一個較穩定的值，實現準確監測。

因此，本文采用以1 MHz為中心頻率的掃頻信號作為超聲波換能器的激勵信號。

2.4 硬件電路設計

監測系統電路采用C8051F系列主控芯片，用以產生1 MHz的掃頻方波。方波信號經過放大器和跟隨器的處理，并進行阻抗匹配后到達超聲波換能器，換能器再輸出對應頻率的聲信號；同時，換能器接收到的信號經過電壓比較器后又送入主控芯片進行判斷，從而實現液位是否到達的準確判斷。

硬件電路可分為四部分：

1) 發射電路：用于超聲波換能器信號的激勵，使超聲波發出特定頻率的信號。

2) 分時復用電路：用于實現檢測的準確性并滿足故障自檢功能，采用多路模擬開關來實現。

3) 接收電路與信號解調電路：用于對接收到的信號進行放大處理，并將放大的信號進行解調，送入主控芯片進行處理。由于整個傳感器是弱信號檢測，因此，解調前要對信號進行電流放大—電壓放大—低電壓過濾三級處理。

4) 報警與故檢電路：由于在實際應用中，檢測的很多固液混合物是易燃易爆的危險品，需要將外部的電源與內部進行隔離。這里采用光耦方式進行隔離設計，當液位到達或系統故障時，主控芯片發出控制信號，光耦輸出高電平，此時內部是低電壓，外部是高電壓，滿足實際的應用需求。

3 頂層算法設計

在整體設計中，為了實現對液位是否到達的準確判斷，采用了兩個超聲波換能器A和B。首先A發射B接收，判讀B接收到的信號是在空氣中還是固液混合物中；然后B發射A接收，判斷A接收到的信號是在空氣中還是固液混合物中。用兩者共同的結果進行綜合判斷，具體設計思路的程序流程圖如圖5所示。

圖5 監測算法流程圖

主控芯片(MCU)產生1 MHz的掃頻方波，并通過控制模擬開關，使換能器A發射、換能器B接收，接收到的信號進入MCU，通過幅度判斷并對應不同狀態分別記錄為B0、B1。然后，通過控制模擬開關，切換到換能器B發射、換能器A接收，接收到的信號進入MCU，通過幅度判斷并對應不同狀態分別記錄為A0、A1。最終進行綜合判斷，若結果為A1、B1，則判斷為到達液位；若結果為A0、B0，則判斷為未到達液位；其余判斷為故障狀態。

4 實驗結果與數據分析

為了驗證傳感器的有效性，分別采用點頻和掃頻的方法對其進行測試。由于飛機廢水箱內液體密度變化較大，故而考慮聲波傳播介質為空氣、清水、有較多懸浮雜質的污水3種情況。掃頻信號經過3種介質傳播后到達接收極的信號波形如圖6～8所示。

圖6 掃頻信號經過空氣到達接收極的信號波形

圖7 掃頻信號經過清水到達接收極的信號波形

圖8 掃頻信號經過污水到達接收極的信號波形

由圖6～8可見，信號經空氣傳播后的幅值明顯低于經清水和污水傳播后的信號幅值，且清水和污水情況下接收信號幅值相近，這說明液體密度和渾濁度的差異對接收信號的幅值影響較小。傳感器可以較準確、穩定地區分空氣和液體，不會因液體差異導致誤判。

5 結束語

本文基于超聲波的基本特性，通過有限元分析設計了合理、有效的封閉式檢測結構。采用掃頻信號作為激勵信號，同時設計了雙重判斷的算法對接收信號進行分析，以辨別超聲波的傳輸介質是空氣還是液體。試驗結果表明，本文設計的超聲波液位傳感器可以較準確、穩定地監測飛機廢水箱中的液位，有效實現了定點液位報警功能。