超聲波液位計自動校正液位的探討  十八

3.2 信噪比問題

在自發自收式單換能器超聲液位測量中，換能器發射超聲波時，其上施加的激勵電壓高達幾十伏甚至幾百伏，且在接收端都設有限幅電平，阻斷高壓電平進入接收放大電路。

任何信號傳輸過程中，總是存在干擾和噪聲。超聲液位測量系統中，當反射信號幅值過小時，就很難從噪聲背景中分辨出所需要的信號。所以為了成功地實現測量，需要從兩方面提高系統的信噪比：第一是盡量降低噪聲，第二是盡量增大反射信號的強度和接收系統的靈敏度及分辨力。

(1) 降低系統噪聲

超聲液位測量系統的噪聲來源有三種：

第一是發射接收電路元器件的噪聲，通過仔細設計電子線路和選用低噪聲元件解決。

第二是外來工業干擾，如工頻干擾、鄰近大功率電氣設備的輻射干擾。這要通過選擇超聲傳感器頻率錯開干擾源頻率、并采用相應的濾波措施加以解決。

第三是超聲液位測量系統中雜亂的聲學信號，如傳聲媒介中的雜質、液體中的氣泡、固體中的缺陷，以及超聲換能器主振頻率外的雜頻振動等等。對于液介式測量采用波導管，可以增加管內液體的清潔度，并且由于管內空間較小，相應地氣泡較少。通過這些類似措施可盡量降低噪聲。

(2) 提高反射信號的強度

反射信號的強度與三個因素有關，通過三種途徑提高其強度：第一是提高發射聲壓強度，反射聲壓強度隨發射聲壓強度增大而增大。在保證時間分辨力的前提下，脈沖發射波形優先選用寬等幅脈沖，該波形的超聲波能攜帶的能量較多，發射信號強度高，因為從能譜角度考慮，該波形的能量相對比較集中在中心頻率附近。采用波導管也是增大發射聲壓的方法之一，需要注意的是波導管的直徑尺寸有上限和下限，不能使直徑過大或過小。

第二是提高換能器的靈敏度。靈敏度提高增大了聲波信號和非聲波信號的比值，但是也增加了一些聲波雜波的出現，例如，二次回波的幅值增大，以至出現三次回波�？梢娞岣邆鞲衅黛`敏度的同時，有必要在系統中增加回波識別的能力，達到有效辨別一次回波的目的。

第三是減小超聲波在媒介中傳播時衰減。因為發射波總會有擴散，因此回波能量只會是發射波的部分能量。擴散角越小，回波強度越大。另一方面，在氣體和液體中超聲波的吸收衰減系數α與頻率的平方成正比，并且氣體中的衰減系數是液體中衰減系數的幾十甚至幾百倍。因此，氣介式測量中常用的超聲頻率是40kHz，而液介式測量中可使用的超聲頻率達到數百千赫到幾兆千赫。

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