物位計測量技術(shù)分析及應用研究

引言

　　調頻連續波( frequency modulated contin - uous wave，FMCW)雷達是一種通過(guò)對連續波進(jìn)行頻率調制來(lái)獲得距離與速度信息的雷達體制系統，由于它具有無(wú)距離盲區、高分辨率和低發(fā)射功率等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)受到了人們的廣泛關(guān)注。

　　一、物位測量技術(shù)發(fā)展

　　物位測量技術(shù)經(jīng)歷了結構上從機械式儀表向電子式儀表發(fā)展，以及工作方式上由接觸式向非接觸式發(fā)展的階段。

　　物位儀表的分類(lèi)如圖1所示。

　　圖1中，前4種測量技術(shù)都屬于接觸式測量方法，第5種輻射法為非接觸測量方法。其中，直視法是指眼睛可以直接觀(guān)測到介質(zhì)容量變化的一類(lèi)方法;測力法是指通過(guò)被測介質(zhì)對指示器或傳感器等目標施加外力來(lái)測量的方法;壓力法是由被測介質(zhì)施加在測量探頭而產(chǎn)生壓力進(jìn)行測量的方法;電特性法是利用被測介質(zhì)的電特性進(jìn)行測量的方法;輻射法采用電磁頻譜原理技術(shù)。

　　前4種方法需要測量?jì)x器的全部或一部分部件與被測介質(zhì)(固體或液體物料)相接觸才能達到測量的目的。從長(cháng)期來(lái)看，物料粘附物及沉積物會(huì )對這些機械部件產(chǎn)生附著(zhù)，當物料為腐蝕性或易產(chǎn)生水銹的介質(zhì)時(shí)，對儀器精度的影響將更加嚴重。在工業(yè)生產(chǎn)中，對物位儀表最基本的要求是高精度和高可靠性，這就需要有應用范圍更大、精度更高的技術(shù)出現。

　　二、TOF測量原理

　　近幾年來(lái)，發(fā)展較快的是行程時(shí)間或傳播時(shí)間ToF ( time of flight )測量原理，又稱(chēng)回波測距原理。它是利用能量波在空間中的傳播時(shí)間來(lái)進(jìn)行度量的一種方法。能量波在信號源與被測對象之間傳遞，能量波到達被測對象后被反射并返回到探頭上被接收，屬于非接觸測距。

　　ToF 測量技術(shù)可以利用的能量波有機械波(聲或超聲波)、電磁波(通常為K波段或X波段的微波)和激光(通常為紅外波段的激光)，相應的物位計稱(chēng)為超聲波物位計、微波物位計和激光物位計。

　　天線(xiàn)發(fā)射器向距離為R被測量物料發(fā)射能量波，經(jīng)被測量介質(zhì)反射，由天線(xiàn)的接收器接收。能量波來(lái)回所經(jīng)過(guò)的時(shí)間用td表示，可得到距離R與時(shí)間td 的關(guān)系為：td=2R/c (l) 式中：c為空氣中能量波的傳播速度，當以聲波為能量源時(shí)，c=340m/s;當以電磁波為能量源時(shí)，c=3×l08m/s。非接觸測量方法正是利用式(l)中距離R與時(shí)間td的關(guān)系，以不同的方式通過(guò)時(shí)間差td求得距離R的。

　　三、雷達物位計分類(lèi)

　　盡管輻射法物位計都是采用ToF測量原理，但所采用的能量波不同時(shí)，信號的反射機理及在信號處理等方面都有很大的不同。以現在常用的超聲波和微波物位計為例，它們都采用ToF測量原理，都需要一個(gè)信號發(fā)生器和一個(gè)回波信號接收器，但兩種能量波在頻率范圍、反射方法以及對于包含距離信號的反射波的處理上都有比較大的差別。