电子测量中的高精度超声波微压差测量仪设计
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2020-12-03
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电子测量中的高精度超声波微压差测量仪设计电子测量中的高精度超声波微压差测量仪设计
0 引 言 对于微小压差的测最，传统的方法是采用U型管压力计，该压力计结构简单，价格便宜，性能可靠，
缺点是无法记录压力的瞬态变化，读数慢而读数误差大，人工估读时，最大精度也只能精确到0.5 mm液柱高
度。为了提高灵敏度，减小读数误差，随之又出现了倾斜管压力计，如果倾斜管压力计的测量管倾斜角为30°，
则测量精度可提高1倍。 随着压力传感器技术的发展，近年来又出现了电子微压差传感器，可将微小压力直
接转换成电信号输出。此类传感器使用方便，反应速度快，精度也可以做得较高，目前比较好的微压传感器测
量分辨率已达到10 Pa左右。缺点是稳定性不够好，温漂和时漂都比较大，且价格昂贵。 上述微压测量方法
各
0 引 言
对于微小压差的测最，传统的方法是采用U型管压力计，该压力计结构简单，价格便宜，性能可靠，缺点是无法记录压力
的瞬态变化，读数慢而读数误差大，人工估读时，最大精度也只能精确到0.5 mm液柱高度。为了提高灵敏度，减小读数误
差，随之又出现了倾斜管压力计，如果倾斜管压力计的测量管倾斜角为30°，则测量精度可提高1倍。
随着压力传感器技术的发展，近年来又出现了电子微压差传感器，可将微小压力直接转换成电信号输出。此类传感器使用
方便，反应速度快，精度也可以做得较高，目前比较好的微压传感器测量分辨率已达到10 Pa左右。缺点是稳定性不够好，温
漂和时漂都比较大，且价格昂贵。
上述微压测量方法各有利弊，如果要继续提高测量精度，以上测量装置已经难以胜任。针对这样的现状，我们设计了一种
新型的微压计--超声波微压计。这是在保留U型管压力计原理、结构简单、可靠性高、直观等优点的基础上，利用超卢波进行
精确而快速测量U型管中液柱高度的原理设计而成。它具有测最精度高、读数准确(数显)、测量速度快的特点，可以通过RS-
232接口与计算机连接，进行相关的数据、图表处理，具有广阔的应用前景。
1 超声波及超声波换能器
超声波是机械波的一种，足机械振动在连续介质(气体、液体、固体)中的传播过程，所以，机械振动是超声波产生的根
源。超声波是指频率f>20 kHz的弹性波。
超声波换能器是发射和接收趟声波信号的关键部件，它可以把电能转换成高频声能，或者把卢能转换成电能。超声波换能
器有多种形式，我们选用的是压电换能器，它足基于某些晶体的压电效应来实现电声能量转换的一种电性换能器。
压电换能器具有正压电效应和逆压电效应。
正压电效应是指当对某电介质施加应力时，产生的形变将引起内部正负电荷中心发生相对位移而产生极化，在介质两端面
上出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与应力成正比。利用正压电效应可将机械能即声能转换成电能，这种川来接收卢波的
换能器称为接收换能器。
逆压电效应是指将具有压电效应的介质置于电场内，由于电场作用引起介质内部正负电倚中心发生位移，这种位移在宏观
上表现为产生了变形(或应变)，它与电场强度成正比。利用这个效应能产生超声波，即将适应的交变电信号施加到品体上面产
生振动，振动频率与交变电压的频率相同，从而形成超声波，发射声波利用的是逆压电效应。用米发射声波的换能器称为发射
器。
压电换能器同时具有正压电效应和逆压电效应。基于此原理，可以用一个超声波换能器既做发射器，又做接收器。
2 超声波测压原理
超声波测压原理见图1(a)。2根玻璃管形成一个连通器，在A管的底部安装一个超声波换能器，被测压力分别由A、B两点
引入，这种连接方式可测量两压力之间的压差，如需要测量表压，只要将4、B两压力中的任意一个接通大气即可。
测量前需进行摹准零位校验，将A、B两点都接通大气，此时因A、B两压力相等，连通器两管中的液柱等高，测量出此时
超声波换能器发射面到液面之间的高度h0，该高度为基准高度(也称为零点高度)。测量时，将B点接通大气(测量表压)，被测
压力由A点引入,因A、B两管存在压差，则两液柱形成高度差2△h，设两玻璃管中的液体是纯净水，那么用mmH2O
(1 mmH2O=9.806 65 Pa)来表示压力，被测压差为：
只要精确测量出h0和h1，就可准确测量出压力。由式(1)可知，该压力与超声波换能器的安装位置无关。
利用超声波测量水柱高度，超声波由换能器发射，遇到液面后反射，反射波再返回换能器，由换能器产生电脉冲，只要精
确测量超声波由换能器发射到反射波回到换能器这期间的时间△t即可。如采用24 MHz高频脉冲作为时间测量单位，设△t时间
内共得到脉冲数为n，则：
设超声波通过2h0路程需要时间为△t0，共记录n0个脉冲；经过2h1长的路程需时间为△t1，共记录n1个脉冲，超声波在水
中的传输速度为ν，则被测量压力为：
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