一种机载超声波液位传感器的设计

谭昕怡，曾祥豹，王登攀，张 毅

中国电子科技集团公司 重庆声光电有限公司，重庆400060)

0 引言

民用飞机中废水处理系统是不可或缺的部分，其中废水储箱是处理系统的重要组成部件，其液位检测对整个系统的正常运转起决定性作用。目前常用的液位测量手段主要有接触式和非接触式。接触式主要有人工检尺法、浮子测量装置、伺服式、电容式和磁致伸缩式的液位计，其共同特点是感应元件与被测液体接触，存在磨损且易被液体黏住和腐蚀等风险；非接触式主要有微波雷达、射线、激光及超声液位计，其共同特点是感应元件不与被测液体接触，不受介质影响[1]。与雷达、射线和激光等方式相比，超声液位计系统相对简单，不易受电磁干扰，易于小型化，适合机载应用场景，且成本相对较低，利于民用推广，在工业生产和科学研究中应用广泛。因此，本文首选超声波液位计作为废水储箱的液位检测手段。

传统超声波液位计多通过液体与气体界面反射的回波来判断液位，通常安装在容器的顶部或底部。飞机的废水储箱多为胶囊形结构，声波会发生多次反射产生混响，使噪声变大，影响信号检测；此外，废水箱中的杂质沉积严重影响声波的传播效率，同样导致液位检测失效。根据调研，机载废水储箱对液位的检测为定点判断，即液位达到特定位置时，检测系统报警。针对上述需求，本文设计了一种用于定点检测的低功耗超声波液位传感器，基于超声波透射效率、声衰减、谐振频率等参数随介质的变化，利用置于全封闭壳体内部的超声波换能器对，通过检测接收信号幅值的变化，对换能器对之间的传播介质进行判断，达到区分液体和气体的目的，最终实现液位的定点检测。

1 理论分析

1.1 透射系数

平面声波从介质1垂直入射到介质2时，在分界面上的声压透射系数tp为

(1)

声强透射系数tI为

(2)

式中：pta和pia分别为透射波和入射波的声压；It和Ii分别为透射波和入射波的声强；R1和R2分别为介质1、2的声阻抗[2]。

由式(1)、(2)可见，介质分界面两边的阻抗差异将直接决定声压和声强的透射系数。本设计中壳体为铝，表1列出了铝、水和空气的声阻抗值。

由表1可见，空气的声阻抗远小于水和铝。根据式(1)、(2)，声波在空气和其他介质之间传播时，透射系数接近于0，这意味着只有极少部分能量可以穿透介质分界面；同时，水的声阻抗与铝更接近。因此，声波在水和铝之间传播时，透射系数更高，大部分能量可以穿透介质分界面，接收到的透射波的振幅也更高。

1.2 声衰减

实际工程中，声波在大多数材料中传播时存在衰减，且可用幂函数[3]表达为

α(ω)=α0ωη

(3)

式中：ω为角频率；α0和η为非负常数。

水和空气中η=2，即二次方衰减α(ω)=α0ω2。在常温、常压下(25 ℃，101 kPa)，水中的衰减常数α0=19.02×10-4[dB/(cm·MHz2)]，空气中的衰减常数为α0=15.9×10-1[dB/(cm·MHz2)]，约为水的1 000倍。因此，对于固定的传播距离，分别经过空气和水传播的声信号幅值存在较大差异。

1.3 谐振频率

考虑辐射阻抗的情况下，超声换能器的谐振频率[4]为

(4)

式中：m为换能器等效质量；Cm为换能器等效力顺；ms为介质共振质量。

为了便于区分空气和水的幅值，拟选择多个频段进行分析。选用平面活塞发射器作为当前结构的近似，高频辐射(a≫λ)时，其辐射阻抗[4]近似为

(5)

辐射声功率近似为

(6)

式中：ρ0为介质密度；c为介质声速；s为辐射面积；a为辐射面半径；u0为辐射面振速。

由式(4)～(6)可见，介质对辐射阻抗和辐射声功率影响显著。介质不同时，结构的谐振频率发生偏移，辐射阻抗随之发生偏移。谐振状态下，其表面振速在特定频段内为最大值，其辐射声功率也最大，此时设备可在较低功耗下工作。

2 传感器设计

2.1 总体设计

传感器整体设计如图1所示。主控芯片发出特定频率的脉冲序列，并设定一定的逻辑时序来控制模拟开关，从而控制超声波换能器的发射与接收；模拟开关对接收到的信号进行电流放大，并进行电压比较，再由主控芯片对数据进行采集并判断是否液位到达。

为了提高监测的准确性，采用双重判断的设计。超声波换能器对的两极既是发射端也是接收端，两极同时发射超声波信号，同时对收到的信号进行分析，当两端的判断结果一致时，才作为最终判断结果。

2.2 结构设计及有限元分析

根据理论分析，对于以液体为主的废水液位定点监测，可通过接收信号幅值来实现。本文设计了一种全封闭式检测结构(见图2)，浸入水中的金属壳体为全封闭，超声换能器部分在壳体内侧，与壳体刚性连接。发射换能器的超声波穿过金属壳体在介质中传播后，再穿过壳体，到达接收换能器，并转换成电信号，通过分析、处理，可判定是液体或空气，从而实现液位定点检测。

图2 检测结构示意图

为验证上述结构的有效性，对结构进行有限元分析，建立了结构的轴对称有限元模型。为了简化，仅分析了与换能器连接的壳体部分，未考虑由金属壳体直接传播的超声波，故采用轴对称模型。有限元分析的主要目的是对液体和气体介质的透射效果进行量化对比，因此，模型仅包含了PVC壳、铝壳及传输介质部分，在一侧PVC上施加位移载荷，在另一侧的圆心位置提取位移量，并绘制频响曲线。有限元模型如图3所示。

图3 有限元模型示意图

对上述模型在激励一侧施加了1 μm的驱动位移，在频率500 kHz～2 MHz进行扫频分析，并提取另一侧圆心处节点的振动位移，绘制了频响曲线如图4所示。

图4 空气中与水中的接收位移幅值频响曲线

由图4可知，在合理选择工作频率的情况下，水介质传输的位移幅值远高于空气，说明本文设计的结构有利于分辨两种介质。

2.3 超声波换能器选型

频率是超声波换能器选型时考虑的重要参数，须综合考虑声场指向性和能量损耗等问题以确定换能器的工作频率[5]。

根据实际应用场景，液体中可能有许多大小不一的固体悬浮杂质，超声波的传播间距需要越大越好；但由于密封性设计，超声波经过2 mm的铝制外壳传播出去，有较大的衰减，传播间距需要越小越好，最终选定传播间距为20 mm。同时，考虑到小型化的需求，初步选用40 kHz，200 kHz，1 MHz频率的3种换能器，测试其发射信号分别经过水和空气后的幅值变化情况。其中40 kHz换能器基于压电陶瓷的弯曲振动，200 kHz和1 MHz换能器基于厚度振动。测试结果如表2所示。

表2 不同频点信号经过水和空气后的最大幅值

由表2可见，40 kHz的信号在水中幅值远低于空气，这是因为换能器的驱动结构使其在阻力较大的水中时，振动位移减小或者不振动，因此排除该型号换能器；200 kHz的信号在水中和在空气中幅值都很低，这是因为其内部结构影响了传递效率，该换能器同样不适用于本文的场景；1 MHz的信号在水中的幅值远高于空气，故选用1 MHz作为检测频率。

常用的分析接收信号幅频特性的方法包括点频法和扫频法。如果采用点频信号，由于不同的介质条件会导致接收匹配不同，从而导致接收端的信号幅度有较大波动，难以通过幅值正确判断液位计中间是否存在介质。采用扫频信号时，在不同的频率条件下，波长不同，可以有效地避开不同大小的障碍物，且在不同密度介质条件下，根据不同的频率匹配条件可使超声换能器的阻抗匹配达到最佳状态，从而使接收信号幅值维持在一个较稳定的值，实现准确监测。

因此，本文采用以1 MHz为中心频率的扫频信号作为超声波换能器的激励信号。

2.4 硬件电路设计

监测系统电路采用C8051F系列主控芯片，用以产生1 MHz的扫频方波。方波信号经过放大器和跟随器的处理，并进行阻抗匹配后到达超声波换能器，换能器再输出对应频率的声信号；同时，换能器接收到的信号经过电压比较器后又送入主控芯片进行判断，从而实现液位是否到达的准确判断。

硬件电路可分为四部分：

1) 发射电路：用于超声波换能器信号的激励，使超声波发出特定频率的信号。

2) 分时复用电路：用于实现检测的准确性并满足故障自检功能，采用多路模拟开关来实现。

3) 接收电路与信号解调电路：用于对接收到的信号进行放大处理，并将放大的信号进行解调，送入主控芯片进行处理。由于整个传感器是弱信号检测，因此，解调前要对信号进行电流放大—电压放大—低电压过滤三级处理。

4) 报警与故检电路：由于在实际应用中，检测的很多固液混合物是易燃易爆的危险品，需要将外部的电源与内部进行隔离。这里采用光耦方式进行隔离设计，当液位到达或系统故障时，主控芯片发出控制信号，光耦输出高电平，此时内部是低电压，外部是高电压，满足实际的应用需求。

3 顶层算法设计

在整体设计中，为了实现对液位是否到达的准确判断，采用了两个超声波换能器A和B。首先A发射B接收，判读B接收到的信号是在空气中还是固液混合物中；然后B发射A接收，判断A接收到的信号是在空气中还是固液混合物中。用两者共同的结果进行综合判断，具体设计思路的程序流程图如图5所示。

图5 监测算法流程图

主控芯片(MCU)产生1 MHz的扫频方波，并通过控制模拟开关，使换能器A发射、换能器B接收，接收到的信号进入MCU，通过幅度判断并对应不同状态分别记录为B0、B1。然后，通过控制模拟开关，切换到换能器B发射、换能器A接收，接收到的信号进入MCU，通过幅度判断并对应不同状态分别记录为A0、A1。最终进行综合判断，若结果为A1、B1，则判断为到达液位；若结果为A0、B0，则判断为未到达液位；其余判断为故障状态。

4 实验结果与数据分析

为了验证传感器的有效性，分别采用点频和扫频的方法对其进行测试。由于飞机废水箱内液体密度变化较大，故而考虑声波传播介质为空气、清水、有较多悬浮杂质的污水3种情况。扫频信号经过3种介质传播后到达接收极的信号波形如图6～8所示。

图6 扫频信号经过空气到达接收极的信号波形

图7 扫频信号经过清水到达接收极的信号波形

图8 扫频信号经过污水到达接收极的信号波形

由图6～8可见，信号经空气传播后的幅值明显低于经清水和污水传播后的信号幅值，且清水和污水情况下接收信号幅值相近，这说明液体密度和浑浊度的差异对接收信号的幅值影响较小。传感器可以较准确、稳定地区分空气和液体，不会因液体差异导致误判。

5 结束语

本文基于超声波的基本特性，通过有限元分析设计了合理、有效的封闭式检测结构。采用扫频信号作为激励信号，同时设计了双重判断的算法对接收信号进行分析，以辨别超声波的传输介质是空气还是液体。试验结果表明，本文设计的超声波液位传感器可以较准确、稳定地监测飞机废水箱中的液位，有效实现了定点液位报警功能。