喷流耦合式超声位移传感器的设计

　　1引言

　　传感器是利用某种转换原理，将物理、化学、生物等外界信号变成可以直接测量的电信号的装置。在传感器测量技术中，越来越广泛地运用了超声、微波、激光等声、光、电技术来解答不同工业领域中遇到的特殊测量问题和提高性能的要求.

　　超声波测位移有很多优点.与放射性技术相比不需防护。与目前的激光测距相比，超声技术虽在精度上略逊一筹，但比较简单、价格低廉;更重要的是在恶劣环境下，激光测距会受到严重干扰，此时超声测量的高精度就能体

现出来.一般来说，超声波位移测量无须有运动的部件，所以在安装和维护上占有很大的优越性.超声波位移测量可以选用气体、液体或固体作为传声媒介，具有很大的适应性.在测量要求比较特殊，一般测量方法无法采用时，常采用超声测位移。

　　2本传感器的特点

　　本传感器是喷流祸合式超声波位移传感器，针对冶金行业等恶劣环境下进行钢材尺寸与外形等的精确测量，是为在线实时修整和控制的情况研制的，可以测量钢材等尺寸的变化，它采用超声测量技术、用喷流的水柱作为祸合介质的微位移传感器;是集流体力学、传热学、超声学等多学科的交叉型新一代传感器。它具有以下两个特点:

　　2.1高精度

　　测量原理如图1所示，假设水中超声波的传播速度C是固定不变的。但在实际情况下，由于诸多因素(如温度、压强、媒质的成分)的影响，C不可能保持恒定.为提高测量精度，可以采用几种方法进行声速校正(详细论述见下面第3节).

　　在研制过程中，为提高整个仪器的精度，除采用温度修正外，还从硬件电路设计、单片机系统设计、FPGA设计中采取相应的措施，力求系统工作稳定可靠.在FPGA内部，使用14位计数器，时钟频率高达80MHz.

　　2.2环境适应能力强

　　传感器是以喷流的水柱作为祸合介质.以喷流藕合方式形成的高速喷流液柱，可使粉尘、水汽排除在外，将油膜、水膜冲掉，同时还可以降低被测物的表面温度.从而使传感器具有良好的环境适应能力.

　　3喷流粗合式超声波位移传感器的设计及其工作原理[z]

　　喷流祸合式超声波位移传感器的功能是将位移转换成声电信号、超声波能量和电能之间的相互转换(简称换能器)、喷流和温度修正. 位移传感器的结构示意图如图1所示.在本设计中采用成品超声波探头，再装配以适当的外壳，构成完整位移传感器，其中包括喷嘴、水嘴等部件.

　　假定超声波在水中传播的速度C是固定不变的.测位移时采用了单探头脉冲回波法，其工作原理简述如下:发射波在媒质中传播，当遇到被测面后反射，反射回的超声波经过探头后，转变成可检测的电信号.超声波从发到收所经历的时间为t，根据速度C，就可得到被测物体距探头的距离L.由公式可知:△L=L一L0