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(tǒng)是不可或缺的部分，其中廢水儲箱是處理系統(tǒng)的重要組成部件，其液位檢測對整個系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)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(zhì)影響[1]。與雷達、射線和激光等方式相比，超聲液位計系統(tǒng)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(yè)生產(chǎn)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(tǒng)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(jié)構(gòu)，聲波會發(fā)生多次反射產(chǎn)生混響，使噪聲變大，影響信號檢測；此外，廢水箱中的雜質(zhì)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(jù)調(diào)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(tǒng)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(shù)隨介質(zhì)的變化，利用置于全封閉殼體內(nèi)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(zhì)進行判斷，達到區(qū)分液體和氣體的目的，最終實現(xiàn)液位的定點檢測。

1 理論分析

1.1 透射系數(shù)

平面聲波從介質(zhì)1垂直入射到介質(zhì)2時，在分界面上的聲壓透射系數(shù)tp為

(1)

聲強透射系數(shù)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(zhì)1、2的聲阻抗[2]。

由式(1)、(2)可見，介質(zhì)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(shù)。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(jù)式(1)、(2)，聲波在空氣和其他介質(zhì)之間傳播時，透射系數(shù)接近于0，這意味著只有極少部分能量可以穿透介質(zhì)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(shù)更高，大部分能量可以穿透介質(zhì)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(shù)材料中傳播時存在衰減，且可用冪函數(shù)[3]表達為

α(ω)=α0ωη

(3)

式中：ω為角頻率；α0和η為非負常數(shù)。

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(shù)α0=19.02×10-4[dB/(cm·MHz2)]，空氣中的衰減常數(shù)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(jīng)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(zhì)量；Cm為換能器等效力順；ms為介質(zhì)共振質(zhì)量。

為了便于區(qū)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(fā)射器作為當前結(jié)構(gòu)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(zhì)密度；c為介質(zhì)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(zhì)對輻射阻抗和輻射聲功率影響顯著。介質(zhì)不同時，結(jié)構(gòu)的諧振頻率發(fā)生偏移，輻射阻抗隨之發(fā)生偏移。諧振狀態(tài)下，其表面振速在特定頻段內(nèi)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(fā)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(guān)，從而控制超聲波換能器的發(fā)射與接收；模擬開關(guān)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(shù)據(jù)進行采集并判斷是否液位到達。

為了提高監(jiān)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(fā)射端也是接收端，兩極同時發(fā)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(jié)果一致時，才作為最終判斷結(jié)果。

2.2 結(jié)構(gòu)設計及有限元分析

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

圖2 檢測結(jié)構(gòu)示意圖

為驗證上述結(jié)構(gòu)的有效性，對結(jié)構(gòu)進行有限元分析，建立了結(jié)構(gòu)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(zhì)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(zhì)部分，在一側(cè)PVC上施加位移載荷，在另一側(cè)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(cè)施加了1 μm的驅(qū)動位移，在頻率500 kHz～2 MHz進行掃頻分析，并提取另一側(cè)圓心處節(jié)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(zhì)傳輸?shù)奈灰品颠h高于空氣，說明本文設計的結(jié)構(gòu)有利于分辨兩種介質(zhì)。

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(shù)，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(jù)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(zhì)，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(jīng)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(fā)射信號分別經(jīng)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(jié)果如表2所示。

表2 不同頻點信號經(jīng)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(qū)動結(jié)構(gòu)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(zhì)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(zhì)。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(zhì)條件下，根據(jù)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(tài)，從而使接收信號幅值維持在一個較穩(wěn)定的值，實現(xiàn)準確監(jiān)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(jiān)測系統(tǒng)電路采用C8051F系列主控芯片，用以產(chǎn)生1 MHz的掃頻方波。方波信號經(jīng)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(jīng)過電壓比較器后又送入主控芯片進行判斷，從而實現(xiàn)液位是否到達的準確判斷。

硬件電路可分為四部分：

1) 發(fā)射電路：用于超聲波換能器信號的激勵，使超聲波發(fā)出特定頻率的信號。

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

3) 接收電路與信號解調(diào)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(diào)，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(diào)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(nèi)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(tǒng)故障時，主控芯片發(fā)出控制信號，光耦輸出高電平，此時內(nèi)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(xiàn)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(fā)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(fā)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(jié)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(jiān)測算法流程圖

主控芯片(MCU)產(chǎn)生1 MHz的掃頻方波，并通過控制模擬開關(guān)，使換能器A發(fā)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(tài)分別記錄為B0、B1。然后，通過控制模擬開關(guān)，切換到換能器B發(fā)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(tài)分別記錄為A0、A1。最終進行綜合判斷，若結(jié)果為A1、B1，則判斷為到達液位；若結(jié)果為A0、B0，則判斷為未到達液位；其余判斷為故障狀態(tài)。

4 實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)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(nèi)液體密度變化較大，故而考慮聲波傳播介質(zhì)為空氣、清水、有較多懸浮雜質(zhì)的污水3種情況。掃頻信號經(jīng)過3種介質(zhì)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(jīng)過空氣到達接收極的信號波形

圖7 掃頻信號經(jīng)過清水到達接收極的信號波形

圖8 掃頻信號經(jīng)過污水到達接收極的信號波形

由圖6～8可見，信號經(jīng)空氣傳播后的幅值明顯低于經(jīng)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(wěn)定地區(qū)分空氣和液體，不會因液體差異導致誤判。

5 結(jié)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(jié)構(gòu)。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(zhì)是空氣還是液體。試驗結(jié)果表明，本文設計的超聲波液位傳感器可以較準確、穩(wěn)定地監(jiān)測飛機廢水箱中的液位，有效實現(xiàn)了定點液位報警功能。