电子测量中的物位计测量技术的研究方案
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2020-10-21
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电子测量中的物位计测量技术的研究方案电子测量中的物位计测量技术的研究方案
引言 调频连续波（ frequency modulated contin - uous wave,FMCW）雷达是一种通过对连续波进行频率调
制来获得距离与速度信息的雷达体制系统，由于它具有无距离盲区、高分辨率和低发射功率等优点，近年来受
到了人们的广泛关注。 一、物位测量技术发展 物位测量技术经历了结构上从机械式仪表向电子式仪表
发展，以及工作方式上由接触式向非接触式发展的阶段。 物位仪表的分类如图1所示。 图1中，前4种
测量技术都属于接触式测量方法，第5种辐射法为非接触测量方法。其中，直视法是指眼睛可以直接观测到介质
容量变化的一类方法；测力法是指通过被测介质对指
引言引言
调频连续波（ frequency modulated contin - uous wave,FMCW）雷达是一种通过对连续波进行频率调制来获得距离与速
度信息的雷达体制系统，由于它具有无距离盲区、高分辨率和低发射功率等优点，近年来受到了人们的广泛关注。
一、物位测量技术发展一、物位测量技术发展
物位测量技术经历了结构上从机械式仪表向电子式仪表发展，以及工作方式上由接触式向非接触式发展的阶段。
物位仪表的分类如图1所示。
图1中，前4种测量技术都属于接触式测量方法，第5种辐射法为非接触测量方法。其中，直视法是指眼睛可以直接观测到
介质容量变化的一类方法；测力法是指通过被测介质对指示器或传感器等目标施加外力来测量的方法；压力法是由被测介质施
加在测量探头而产生压力进行测量的方法；电特性法是利用被测介质的电特性进行测量的方法；辐射法采用电磁频谱原理技
术。
前4种方法需要测量仪器的全部或一部分部件与被测介质（固体或液体物料）相接触才能达到测量的目的。从长期来看，
物料粘附物及沉积物会对这些机械部件产生附着，当物料为腐蚀性或易产生水锈的介质时，对仪器精度的影响将更加严重。在
工业生产中，对物位仪表最基本的要求是高精度和高可靠性，这就需要有应用范围更大、精度更高的技术出现。
二、二、TOF测量原理测量原理
近几年来，发展较快的是行程时间或传播时间ToF （ time of flight ）测量原理，又称回波测距原理。它是利用能量波在空
间中的传播时间来进行度量的一种方法。能量波在信号源与被测对象之间传递，能量波到达被测对象后被反射并返回到探头上
被接收，属于非接触测距。
ToF 测量技术可以利用的能量波有机械波（声或超声波）、电磁波（通常为K波段或X波段的微波）和激光（通常为红外
波段的激光），相应的物位计称为超声波物位计、微波物位计和激光物位计。
天线发射器向距离为R被测量物料发射能量波，经被测量介质反射，由天线的接收器接收。能量波来回所经过的时间用td
表示，可得到距离R与时间td 的关系为：td=2R/c （l） 式中：c为空气中能量波的传播速度，当以声波为能量源
时，c=340m/s;当以电磁波为能量源时，c=3×l08m/s.非接触测量方法正是利用式（l）中距离R与时间td的关系，以不同的方式
通过时间差td求得距离R的。
三、雷达物位计分类三、雷达物位计分类
尽管辐射法物位计都是采用ToF测量原理，但所采用的能量波不同时，信号的反射机理及在信号处理等方面都有很大的不
同。以现在常用的超声波和微波物位计为例，它们都采用ToF测量原理，都需要一个信号发生器和一个回波信号接收器，但两
种能量波在频率范围、反射方法以及对于包含距离信号的反射波的处理上都有比较大的差别。
3.1 超声波物位计与微波物位计超声波物位计与微波物位计
电磁波的波段非常宽，从3kHz~3000GHz ,微波是指频率为300MHz~300CHz的电磁波。在物位检测中，微波使用的频段
规定在4~30GHz:之间，典型波段为5.8GHz、10GHz 、24GHz.5.8 GHz 的频率属于C波段微波；10GHz的频率属于X波段微
波；24GHz的频率属于K波段微波。
声波是机械波，频率范围为20Hz~20kHz ,因此，当声波的振动频率高于20kHz或低于20kHz时，我们便听不见了。我们把
频率高于20kHz 的声波称为“超声波”.
电磁波与声波产生的原理是不同的，声波是靠物质的振动产生的，在真空中不能传播；而电磁波是靠电子的振荡产生的，
其本身就是一种物质，传播不需要介质，能在真空中传播。这两种波在通过不同的介质时都会发生折射、反射、绕射和散射及
吸收等现象，物位计正是应用这种特性来测量距离的。
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