超声波液位计自动校正液位的探讨  十八

3.2 信噪比问题

在自发自收式单换能器超声液位测量中，换能器发射超声波时，其上施加的激励电压高达几十伏甚至几百伏，且在接收端都设有限幅电平，阻断高压电平进入接收放大电路。

任何信号传输过程中，总是存在干扰和噪声。超声液位测量系统中，当反射信号幅值过小时，就很难从噪声背景中分辨出所需要的信号。所以为了成功地实现测量，需要从两方面提高系统的信噪比：第一是尽量降低噪声，第二是尽量增大反射信号的强度和接收系统的灵敏度及分辨力。

(1) 降低系统噪声

超声液位测量系统的噪声来源有三种：

第一是发射接收电路元器件的噪声，通过仔细设计电子线路和选用低噪声元件解决。

第二是外来工业干扰，如工频干扰、邻近大功率电气设备的辐射干扰。这要通过选择超声传感器频率错开干扰源频率、并采用相应的滤波措施加以解决。

第三是超声液位测量系统中杂乱的声学信号，如传声媒介中的杂质、液体中的气泡、固体中的缺陷，以及超声换能器主振频率外的杂频振动等等。对于液介式测量采用波导管，可以增加管内液体的清洁度，并且由于管内空间较小，相应地气泡较少。通过这些类似措施可尽量降低噪声。

(2) 提高反射信号的强度

反射信号的强度与三个因素有关，通过三种途径提高其强度：第一是提高发射声压强度，反射声压强度随发射声压强度增大而增大。在保证时间分辨力的前提下，脉冲发射波形优先选用宽等幅脉冲，该波形的超声波能携带的能量较多，发射信号强度高，因为从能谱角度考虑，该波形的能量相对比较集中在中心频率附近。采用波导管也是增大发射声压的方法之一，需要注意的是波导管的直径尺寸有上限和下限，不能使直径过大或过小。

第二是提高换能器的灵敏度。灵敏度提高增大了声波信号和非声波信号的比值，但是也增加了一些声波杂波的出现，例如，二次回波的幅值增大，以至出现三次回波。可见提高传感器灵敏度的同时，有必要在系统中增加回波识别的能力，达到有效辨别一次回波的目的。

第三是减小超声波在媒介中传播时衰减。因为发射波总会有扩散，因此回波能量只会是发射波的部分能量。扩散角越小，回波强度越大。另一方面，在气体和液体中超声波的吸收衰减系数α与频率的平方成正比，并且气体中的衰减系数是液体中衰减系数的几十甚至几百倍。因此，气介式测量中常用的超声频率是40kHz，而液介式测量中可使用的超声频率达到数百千赫到几兆千赫。

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