介紹了超聲波傳感器測距的原理以及環境對測量準確度的影響， 分析了礦用挖掘機上用于集中潤滑系統中測量液位的傳感器誤差產生的原因。 指出設計時對超聲波傳感器的選型，要重視環境、盲區等因素對測量精度的影響，提 高測量準確度 ，使儀器達到設計指標 ， 滿足工況的實際需要。

引言

      礦用挖掘機廣 泛使用 在大型露天礦的巖土剝離、礦石開采上 ，主要 為礦用汽車 、半連續開采等設備輸送 的物料進行裝載作業 ， 是重要的采礦設備之一。 集中潤滑系統是礦用挖掘機上重要的組成部分，它通過系統程序控制 ， 可以做到遠距離、定量 、定時的將潤滑脂通過管道輸送到轉動部件、 滾動軸承和開式齒輪等多個潤滑點進行 自動潤滑 ， 減輕 了人工手動潤滑的工作量 ，節約了保養時間，從而提高了設備的生產效率。 但潤滑油箱的液位檢測是經過維護人員利用傳統的液位計 目測油位來實現 ，造成費時、效率低 ，而且設備 的 自動化程度低。 為此 ，在礦用挖掘機功能的優化過程中， 采用了超聲波傳感器測量液位。通過與電氣控制系統的配合 ，實現了液位檢測功能的自動化。

1 超聲波的特性

      超聲波是一種人耳朵聽不見的機械波 ， 其頻率范圍為幾十千赫茲到幾十兆赫茲。 超聲波是在電壓的激勵下由換能晶片發生振動產生，其波長短、頻率高。超聲波射線能夠和光線一樣，具有反射能力和方向性強 ，其頻率越高 ，方向性越強。 超聲波在頻率一定時 ，在氣體中傳播時由于能量被吸收衰減的很大 ，但是在固體和液體 中衰減較小。 振動頻率越高其傳播的能量比普通的聲波越強， 因此在固體和液體中傳播具有很強的穿透能力， 所以在固體和液體中應用較廣。 超聲波能在普通傳感器不能勝任的工作環境中工作 ，提供了一種無接觸的距離檢測方案，并以其較長和較寬的檢測范圍 ， 幫助解決了許多實際應用 中的難題。 超聲波尤其適合檢測有 良好聲波反射特性的物體：如固體、液體和小顆粒物質等。

2 超聲波液位傳感器工作原理及組成

      超聲波傳感器以優異的性能廣泛 地應用在惡劣 、復雜 的工業環境中 ，可以用來檢測一些具有表面反射特性的材料或者需要精確測量 的場合。 通常有很多種測量液位的方法 ， 但是與其他液位測量的方法相 比較 ， 使用超聲波傳感器測量液位具有 以下優點 ：可 以做到簡便的實時測量 ，系統響應時 間短 、不

存在滯后現象 ；測量獲得的數據精度高 ；安裝方便 、靈活，整體尺寸小 ，便于狹小空間內布置。 性能可靠、穩定 ，尤其對液體 (介質 )的化學、物理性質的適應能力極強大，可以實現非接觸式測量。

2．1 超聲波傳感器測量液位的原理
      超聲波傳感器測量液位 的基本 原理： 超聲波脈沖信號由發射傳感器(超聲探頭) 發出，信號在液體中傳播遇到液體與空氣的界面后被反射 ， 接受傳感器接收到被反射的超聲波回波信號后 ， 控制系統就可以得到從發射到接收的一個時間。 根據其傳播的速度和傳播的時間計算出傳播距離 ， 從而得出液位高度。 原理圖見圖 1 。

圖 1 超聲波測距原理圖

2．2 超聲波傳感器的組成

      超聲波傳感器是其利用壓 電晶體的壓 電效應和電致伸縮效應 ，將機械能與電能相互轉換。 由如下 四部分組成 。 發送傳感器(發射探頭 ) ：將發射電路輸入的高頻脈沖電信號 ， 由壓電晶體因變形而產生振動 ，發出超聲波 ；接收傳感器(接收探頭) ：接收到的回波產生的機械振動， 由壓電晶體將其轉換成電能量，經過接收電路作為接收器的輸出。 發送和接收傳感器 ，在實際使用 中可以是同一個部件 ；控制部分 ：用集成電路控制超聲波 的發送 ， 并判斷接收器的信號接收等。 主要控制發 出的超聲波脈沖頻率 、探測距離 ；電源部分 ：超聲波傳感器通常采用外部直流電源供電，經內部穩壓電路供給傳感器工作。

3 誤差分析
超聲波在介質中的傳播速度容易受溫度、壓力 、密度等介質 、環境 的影響 ；其次 ，傳感器 自身存在的盲區 ，易導致測量數據 的不穩定 。要使測量數據精度更高 ，就必須對測量方法、相關參數等進行適宜 的調整 ， 以消除產生誤差的外部因素。

3.1 環境對測量的影響
由于聲波傳播 的物理特性 ， 超聲波聲束的范圍和速度取決于：空氣溫度、相對濕度 、氣壓 。

由圖 2 可見 ，當溫度從 一20~40 ℃變化時 ，其聲速也將會發生相應的變化。 因此 ，必須將計算時的聲速根據傳感器應用的環境溫度來進行修正， 以此來提高測量數據的準確性。 超聲波傳感器在測量距離的過程中，須帶有溫度補償 ，從而可以消除大部分溫度對超聲波傳感器輸出帶來的影響。 同時 ，傳感器自身電路的發熱也會造傳感器額外的溫度誤差 ， 也因予以考慮。

圖 2 氣溫、氣壓和聲速理論上的關 系

由圖 3 可見，低溫條件下超聲波傳感器檢測范圍的增大很明顯 ，且不受相對濕度 的影響。但是高溫條件下超聲波傳感器檢測范圍減小 ， 受相對濕度 的影響很大。 因此 ，超聲波傳感器在選型時，要充分考慮這一特 I生，選擇合理的、適應現場使用工況類型的液位傳感器，減少測量誤差。

3．2 傳感器的盲區

      超聲波換能器與檢測范 圍起點之間的區域被稱為盲區。余波干擾造成傳感器的盲區， 由于換能器是用一個高壓脈沖發射超聲波 ，脈沖結束后 ，換能器還會有一個長時間的余振 。 在換能器 由發射狀態進入接收狀態后，產生出的這種余振信號首先被接收到，在這種余振信號還未衰減到一定時間， 在換能器接收到超聲波 回波信號后與這種余振信號造成疊加，使真正的超聲波回波不能被 電路鑒別， 造成測量數據誤差。 超聲波傳感器的盲區與測量范圍有關 ，一般測量量程大，盲區就大；反之，盲區就小。 因此，傳感器選型時要根據實際的需要， 選擇適宜量程的傳感器。 而且在油箱最高液位的設計時，不能忽略傳感器的盲區， 避免最高液位與傳感器探頭之間的距離在傳感器的盲區內，造成測量誤差 。
4 結語

      通過分析可知礦用挖掘機上用于集中潤滑系統中測量液位的傳感器產生誤差的原因主要是 ， 被測液位在設備使用過程中的劇烈震動 ， 導致有較大波浪 ， 并且液體里面包含氣泡時 ， 易引起聲波反射混亂 ，導致測量誤差較大。 同時存在油箱(桶 ) 內空氣隨環境溫度的變化而產生的誤差 ， 以及加油時人為造成油脂液位過高， 油脂黏到傳感器上而影響傳感器測量的精度。

      因此 ，在設計選型時充分考慮以上 因素 ，選擇合理的、適應現場使用工況類型的液位傳感器 ， 同時具備通過軟件進行測量參數的調整功能 ， 以此來減小測量誤差。 使儀器達到設計指標 ，滿足實際功能的需要 ，從而提升系統的自動化水平 。

參考文獻

[1] 羅登林 ，丘泰球 ，盧 群．超聲波技術及應用( I ) [J] ． 日用化學工業 ．2005 。35(5 ) ：323—326．

[2] 李 曉妮 ，劉樹林．超聲波液位自動測報系統的設計 [J] ．九江學院學報 ，2006 (3 ) ：29—3 1．

[3] 郟東耀．利用 超聲 波傳感器測液位 的方 法 [J] ．自動化與儀器儀表 ，2oo2 (5 ) ：5 1—53 ．

[4] 賈麗，袁小平，陳燁，等．常用液位檢測方法的研究[J] ．能源技術與管理 ，2009 (1) ： 12o一122．

[5] 蘇煒 ，龔 壁建 ，潘 笑 ．超聲 波 測距 誤差 分析 [J] ．傳感 器技 術 ，2004 ，23 (6 ) ：8- 11．

班寧產品匯總