超声波传感器原理以及液位测量的完整实例讲解含原理图

超声波液位传感器及其开发分析超声波液位传感器是一种常用于测量液体或固体的无接触式检测装置，由于其精度高、稳定性好、适用范围广等特点，被广泛应用于工业自动化控制、环保监测、水利水电等领域。

本文将对超声波液位传感器的原理、特点和开发分析进行探讨。

一、超声波液位传感器的原理超声波液位传感器通过发射超声波脉冲到液体或固体表面，经过反射后接收回波，并通过计算回波的时间来确定目标物体与传感器的距离，从而实现对液位的测量。

其原理如图1所示。

超声波传感器主要由发射器、接收器、信号处理器和显示器等组成。

发射器负责发射超声波脉冲，接收器负责接收回波信号，信号处理器对接收到的信号进行处理，计算出目标物体与传感器的距离并输出相应的信号，显示器则用于显示液位数据。

1. 非接触式测量：超声波液位传感器无需直接接触液体或固体表面，避免了传统接触式传感器可能受到介质腐蚀、污染等因素的影响，从而保证了测量的准确性和稳定性。

2. 高精度测量：超声波传感器采用超声波脉冲测距原理，测量精度高，可以实现对液体或固体的精准测量。

3. 适用范围广：超声波液位传感器适用于多种介质的液位测量，包括水、油、化工液体等，且适用于高温、高压等复杂环境。

4. 反应速度快：超声波传感器测量速度快，能够实时监测液位变化，对于需要快速响应的应用场景非常适用。

5. 安装维护方便：超声波传感器体积小、重量轻，安装方便，且无需额外的维护工作，降低了使用成本。

超声波液位传感器的开发是一个涉及多个学科知识的综合性工作，包括声学、电子技术、信号处理、材料工程等。

在传感器的设计和开发过程中，需要考虑以下几个关键因素：1. 传感器结构设计：传感器的结构设计直接影响了其测量性能和可靠性，包括发射器和接收器的布置方式、声波传播路径的设计等。

2. 超声波发射与接收技术：超声波的发射与接收技术是传感器性能的关键，需要针对测量介质的特性选择合适的超声波频率和发射接收装置。

3. 信号处理算法：对接收到的超声波回波信号进行精确的信号处理和计算是实现测量精度的关键，需要设计合适的信号处理算法。

第一章超声波测油罐液位的总体方案1.1 超声波测液位原理我们一般把声波频率超过20kHz的声波称为超声波，超声波是机械波的一种，即是机械振动在弹性介质中的一种传播过程，它的特征是频率高、波长短、绕射现象小，另外方向性好，能够成为射线而定向传播。

超声波在液体、固体中衰减很小，因而穿透能力强，尤其是在对光不透明的固体中，超声波可穿透几十米的长度，碰到杂质或界面就会有显著的反射，超声波测量物位就是利用了它的这一特征。

超声波测液位的原理是利用超声波的发射和接受，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。

实用的测距方法有两种，一种是在被测距离的两端，一端发射，另一端接收的直接波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式，适用于测距仪。

此次设计采用反射波方式。

测距仪的分辨率取决于对超声波传感器的选择。

超声波传感器是一种采用压电效应的传感器，常用的材料是压电陶瓷。

由于超声波在空气中传播时会有相当的衰减，衰减的程度与频率的高低成正比；而频率高分辨率也高，故短距离测量时应选择频率高的传感器，而长距离的测量时应用低频率的传感器。

在超声波检测技术中，不管那种超声波仪器，都必须把电能转换超声波发射出去，再接收回来变换成电信号，完成这项功能的装置就叫超声波换能器，也称探头。

将超声波换能器置于被测液体上方，向下发射超声波，超声波穿过空气介质，在遇到水面时被反射回来，又被换能器所接收并转换为电信号，电子检测部分检测到这一信号后将其变成液位信号进行显示并输出。

由超声波在介质中传播原理可知，若介质压力、温度、密度、湿度等条件一定，则超声波在该介质中传播速度是一个常数。

因此，当测出超声波由发射到遇到液面反射被接收所需要的时间，则可换算出超声波通过的路程，即得到了液位的数据。

发射器发出的超声波以速度υ在空气中传播，在到达液面时被反射返回，由接收器接收，其往返时间为t，传感器距油罐底的距离为h，由公式:s-=h*tv2/即可算出油罐液位高度。

超声波液位计测量原理前言：近几年来，随着电子技术、数字技术和声楔材料等技术的发展，利用超声波脉冲测量流体流量的技术发展很快。

基于不同原理，适用于不同场合的各种形式的超声波流量计已相继出现，其应用领域涉及到工农业、水利、水电等部门，正日趋成为流量测量工作的首选工具。

超声波流量计是20世纪70年代随着IC（集成电路）技术迅速发展才开始得到实际应用的一种非接触式仪表，相对于传统的流量计而言，它具有下列主要特点：（1）解决了大管径、大流量及各类明渠、暗渠测量困难的问题。

因为一般流量计随着管径的增加会带来制造和运输上的困难，不少流量计只适用于圆形管道，而且造价提高，能耗加大，安装不便，这些问题，超声波流量计都可以避免，这样就提高了流量测量仪表的性能价格比。

（2）对介质几乎无要求。

超声波流量计不仅可以测量液体、气体，甚至对双相介质（主要是应用多普勒法）的流体流量也可以测量，由于可制成非接触式的测量仪表，所以不破坏流体的流场，没有压力损失，并且可以解决其它类型流量计难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性的流量问题。

（3）超声波流量计的流量测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、密度、粘度等参数的影响。

（4）超声波流量计的测量范围度宽，一般可达到20：1。

关键词：超声波流量计原理流量一、超声波的基本性质声波是一种传递信息的媒体，它与机械振动密切相关，可以由物体的撞击、运动所产生的机械振动以波的形式向外传播。

根据振动所产生波的频率高低分为可闻声波、次声波和超声波，高于20KHz的声波称为超声波。

超声波具有类似光线的一些物理性质：(1)超声波的传播类似于光线，遵循几何光学的规律，具有反射、折射现象，也能聚焦，因此可以利用这些性质进行测量、定位、探伤和加工处理等。

在传播中，超声波的速度与声波相同；(2)超声波的波长很短，与发射器、接收器的几何尺寸相当，由发射器发射出来的超声波不向四面八方发散，而成为方向性很强的波束，波长愈短方向性愈强，因此超声用于探伤、水下探测，有很高的分辨能力，能分辨出非常微小的缺陷或物体；(3)能够产生窄的脉冲，为了提高探测精度和分辨率。

超声波液位计测量原理
超声波液位计是利用超声波测量液体高度、罐体高度、物料位置的监测仪表。

适合各种腐蚀性、化工类场合，精度高，远传信号输出，PLC系统监控。

工作原理
超声波液位计的工作原理是由探头(换能器)发出高频超声波脉冲遇到被测介质表面被反射回来，部分反射回波被同一换能器接收，转换成电信号,并由声波的发射和接收之间的时间来计算传感器到被测液体表面的距离。

由于采用非接触的测量，被测介质几乎不受限制，可广泛用于各种液体和固体物料高度的测量。

计算公式：
此距离值S与声速C和传输时间T之间的关系可以用公式表示： S=C×T/2
其中：S为距离值
C为声速
T为发射与接收之间的时间
由于发射的超声波脉冲有一定的宽度，使得距离换能器较近的小段区域内的反射波与发射波重迭，无法识别，不能测量其距离值。

这个区域称为测量盲区。

超声波液位计的安装
超声波液位计的安装一般有法兰和螺纹两种方式。

不推荐使用吊装。

安装时需要考虑盲区的影响，为了避开盲区，用加长导管安装的
时候，必须注意探头辐射面两端与导管断面两端形成的夹角要大于换能器的锐度角。

超声波液位计的特点
1、安装方便，测量精度高价格低廉；
2、对温度、粉尘、蒸汽、压力的影响较为敏感；
3、周围有强电压，强电流，强电磁干扰，尽量避免高电压，高电流及强电磁干扰、大风和太阳直晒、强震动的情况下测量值有较大误差。

化工小鱼塘编辑。

超声波水位传感器原理
超声波是指频率高于20kHz的无声波，具有较强的穿透与反射能力。

超声波水位传感器利用超声波在介质中传播的速度和回波的时间来测量液
位高度。

当超声波波束遇到液体表面时，一部分超声波被液体表面反射回来，
这部分波称为回波。

回波经过传感器接收器转化为电信号。

传感器接收器接收回波信号后，会通过特定的电路进行处理并测量回
波的时间差。

回波时间差是发射超声波至接收回波之间的时间差，由此可
以计算出液体的高度。

根据回波时间差原理，超声波水位传感器测量液位的过程可分为以下
几个步骤：
1.发射超声波：传感器发射器将高频电信号转换成超声波，并以波束
的形式向液体表面发射。

2.接收回波：传感器接收器接收到回波信号并将其转换成电信号。

3.计算回波时间差：传感器中的电路通过计算发射超声波和接收回波
之间的时间差来确定液位的高度。

4.转换为液位高度：根据已知液体中超声波的传播速度，通过计算回
波时间差和传播速度的乘积，可以计算出液体的高度。

超声波水位传感器的优点是测量范围大，可以用于测量各种液体的高度，而且不受液体密度变化的影响。

同时，超声波水位传感器具有高精度、长寿命、抗干扰能力强等特点，广泛应用于水利、化工、环境保护等领域
的液位测量和控制。

需要注意的是，在使用超声波水位传感器时，应避免传感器发射波束被液体内部的气泡、悬浮物等干扰，以免影响测量结果。

此外，由于超声波在空气和气体中传播速度与在液体中的传播速度不同，因此在测量气体或空气密度较大的液体时，需要进行修正计算。

一、超声波传感器之巴公井开创作
1、相关知识：
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器.超声波是一种振动频率高于声波的机械波,由换能晶片在电压的激励下发生振动发生的,它具有频率高、波长短、绕射现象小,特别是方向性好、能够成为射线而定向传布等特点.超声波对液体、固体的穿透本事很年夜,尤其是在阳光不透明的固体中,它可穿透几十米的深度.超声波碰到杂质或分界面会发生显著反射形成反射成回波,碰到活植物体能发生多普勒效应.因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面.
1、工作原理：
超声波传感器主要资料有压电晶体(电致伸缩)及镍铁铝合金(磁致伸缩)两类.这里主要分析一下压电晶体资料的超声波传感器,压电晶体资料的超声波传感器主要应用了某些特殊资料的压电效应和逆压电效应的特性,也就是超声波传感器的发送器和接收器两部份,发送时,在压电晶体端通上高压500V以上的高压脉冲,利
H1=(t o o/t o)H0
所以液位H为：
H=H2-H1
通过如上的简单计算即可测得液位的高度.
4、超声波传感器的罕见分类：
一、根据使用方法：可分为收发一体型、收发分体型（收发各
一只）；
二、根据结构来分：可分为开放型、防水型、高频型等；
三、根据使用环境：可分为空气中和水声换能器；等等...。

超声波液位计原理及使用方法
超声波液位计的工作原理是通过一个可以发射能量波（一般为脉冲信号）的装置发射能量波，能量波遇到障碍物反射，由一个接收装置接收反射信号。

根据测量能量波运动过程的时间差来确定液（物）位变化情况。

由电子装置对微波信号进行处理，终转化成与液位相关的电信号。

通过专用软件加以处理，分析发射超声波和回波的时间差，结合超声波的传播速度，可以计算出超声波传播的路程，进而可以反映出液位的情况。

超声波液位计使用方法如下：
超声波液位计由传感器（探头）和变送器组成。

传感器受电激励后向被测介质发出一个超声波脉冲，该脉冲穿过空气到达介质表面后被反射回来，部分反射的回波被同一传感器（此时作为接收器）接收，并转换成电信号。

变送器的电子检测系统检测到该信号后，将其转变为液位信号进行显示。

同时将液位信号转变为4~20mA电流信号传送给上位机（PLC）参与过程控制。

由于发射的超声波脉冲有一定的宽度，使得在传感器较近的小段区域内反射波与发射波重迭，传感器无法识别，不能测量其距离值。

这个区域称为测量盲区。

盲区的大小与超声波液位计的型号有关。

最大的测量范围取决于空气对超声波的衰减以及脉冲从介质表面反射的强度。

1.1 超声波液位传感器泥浆池体积传感器是用来测定泥浆池内的泥浆液面的绝对深度。

1.1.1 工作原理：图 错误！文档中没有指定样式的文字。

-1 超声波液位传感器1.1.2 性能指标 测量范围：0.25 ~ 5 m ；精度：0.25%； 输出信号：4 ~ 20mA ； 工作电压：12 ~28V dc ；工作温度：-40︒C ~ +60︒C ；若安装在金属上，为-20°C 。

防爆等级：EEX ia IIC T4； 防护等级：IP65。

1.1.3 操作 1.1.3.1 启动1) 将液位计正确安装好（或对准墙面，距墙面0.25～5m 远），上电。

2) 液位计启动，显示见图3-24：超声波液位传感器从换能器发射出一系列超声波脉冲,每一个脉冲由液面反射产生一个回波并被换能器接收，并采用滤波技术区分来自液面的真实回波及由声电噪声和运动的搅拌器叶片产生的虚假回波，脉冲传播到被测物并返回的时间经温度补偿后转换成距离。

传感器信号电缆定义：红色：电源 、黄色：信号输出3芯YD20J3TQ 航空插头座定义： 1：屏蔽、2：电源、3：信号。

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-2启动界面3) 此时，液位计工作方式缺省为RUN 方式，显示的读数为传感器表面距介面的距离。

4) 如果显示与实际不同,查看液位计工作状态。

1.1.3.2 标定液位计 mA 输出可与液位成正比，也可标定为反比关系。

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-3 液位与输出标定：参考方式1) 将介面与传感器表面距离调整至期望值2) 按“4”键或“20”键，查看对应该mA 值的原距离值 3) 再次按下该键，设定新的参考距离值4) 查看或标定后，液位计会自动转为RUN 方式（6 秒），标定值以传感器表面为参照物。

按“4”键 再按“4”键新的4mA 标定值4mA 标定值 如显示如下，则标定无效，重试一次图 错误！文档中没有指定样式的文字。

-4工作状态图标1.1.3.3 调整PROBE 液位计工作时可进行几种调整：要进行调整时，同时按住“4”和“20”键，直到要进行调整的选项出现，随后，原来的调整值会自动出现，此时可按“4”或“20”键更改此值。

超声波液位计的工作原理
超声波液位计是利用超声波传播的特性来测量液体的液位高度的一种仪器。

其工作原理基于超声波在液体和空气的界面上发生反射的特性。

具体的工作原理如下：
1. 发射超声波：液位计中的压电传感器会发射一束超声波信号，这个信号经过特殊的发射器将超声波转化成一串短脉冲信号，并通过传感器的控制电路发送至发射器。

2. 超声波传播：发射器向液体中发射的超声波信号会在液体与空气（或液体与液体）的交界面上发生反射。

一部分超声波信号被液体表面吸收，而另一部分则会继续传播。

3. 接收超声波：传感器的控制电路会接收到被液体反射回来的超声波信号，并将其转化为电信号。

4. 计算液位：接收到的电信号经过处理后，可以计算出超声波从发射到接收所经过的时间间隔。

由于超声波在空气和液体中传播速度是已知的，因此可以根据时间间隔和传播速度来计算出液体的液位高度。

需要注意的是，超声波液位计的测量精度受到多种因素的影响，例如液体的温度、压力、密度等。

因此，在使用超声波液位计进行液位测量时，需要根据实际情况进行相应的校准和修正。

一、用途与量水堰槽配合使用，测量明渠内水的流量。

主要用于测量污水厂、企事业单位的污水排放口、城市下水道的流量及灌渠等。

由于本公司仪表采用超声波穿过空气，以非接触的方法测量。

因此在粘污、腐蚀性液体情况下，比其他形式的仪表，具有更高的可靠性。

二、原理说明本系列仪表直接测量的物理量是液位。

用于明渠测流量时，在明渠上安装量水堰槽。

量水堰槽把明渠内流量的大小转成液位的高低。

仪表测量量水堰槽内的水位，再按相应量水堰槽的水位—流量关系反算出流量。

1、超声波测液位原理发射超声换能器发射出的超声脉冲，通过传播媒质传播到被测液面，经反射后再通过传声媒质返回到接收换能器，测出超声脉冲从发射到接收在传声媒质中传播的时间。

再根据传声媒质中的声速，就可以算得从换能器到液面的距离。

从而确定液位。

因此我们可以计算出探头到反射面的距离D ＝ C*t/2(除2是因为声波路径要往返的原因，D是距离，C是声速，t是时间）。

再通过减法运算就可得出液位值。

2、量水堰槽的测流量原理流通顺畅的明渠内流量越大，液位越高；流量越小，液位越低（如图2.1）。

通过测量水位可以反算出流量。

普通明渠内流量与水位之间的对应关系，受渠道的坡降比和表面的糙度影响。

在渠道内安装量水堰槽，产生节流作用，使明渠内的流量与液位有固定的对应关系，这种对应关系主要取决于量水堰槽的构造尺寸，渠道的影响减小至最小。

图2.1 量水堰槽把流量转成液位常用的量水堰槽有，直角三角堰、矩形堰和巴歇尔槽（如图2.2）使用超声波明渠流量计，安装时必须知道配用量水堰槽的水位-流量对应关系。

量水堰槽的水位-流量关系可以从国家计量检定规程《明渠堰槽流量计》JJG711-90中查到。

本说明书摘抄了一部分（第六、量水堰槽）。

巴歇尔槽知道了喉道宽度b，就可以用相应的公式算出水位-流量对应关系。

直角三角堰和矩形堰也有相应的公式。

但是还与按装的渠道尺寸有关。

确定水位-流量关系时，三角堰与渠道宽B、开口角度、上游堰坎高度p有关；矩形堰与渠道宽B、开口宽b、上游堰坎高度p有关。