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礦用挖掘機(jī)上超聲波傳感器的誤差分析介紹了超聲波傳感器測(cè)距的原理以及環(huán)境對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響， 分析了礦用挖掘機(jī)上用于集中潤滑系統(tǒng)中測(cè)量液位的傳感器誤差產(chǎn)生的原因。 指出設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)超聲波傳感器的選型，要重視環(huán)境、盲區(qū)等因素對(duì)測(cè)量精度的影響，提 高測(cè)量準(zhǔn)確度 ，使儀器達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo) ， 滿足工況的實(shí)際需要。 引言 礦用挖掘機(jī)廣 泛使用 在大型露天礦的巖土剝離、礦石開采上 ，主要 為礦用汽車 、半連續(xù)開采等設(shè)備輸送 的物料進(jìn)行裝載作業(yè) ， 是重要的采礦設(shè)備之一。 集中潤滑系統(tǒng)是礦用挖掘機(jī)上重要的組成部分，它通過系統(tǒng)程序控制 ， 可以做到遠(yuǎn)距離、定量 、定時(shí)的將潤滑脂通過管道輸送到轉(zhuǎn)動(dòng)部件、 滾動(dòng)軸承和開式齒輪等多個(gè)潤滑點(diǎn)進(jìn)行 自動(dòng)潤滑 ， 減輕 了人工手動(dòng)潤滑的工作量 ，節(jié)約了保養(yǎng)時(shí)間，從而提高了設(shè)備的生產(chǎn)效率。 但潤滑油箱的液位檢測(cè)是經(jīng)過維護(hù)人員利用傳統(tǒng)的液位計(jì) 目測(cè)油位來實(shí)現(xiàn) ，造成費(fèi)時(shí)、效率低 ，而且設(shè)備 的 自動(dòng)化程度低。 為此 ，在礦用挖掘機(jī)功能的優(yōu)化過程中， 采用了超聲波傳感器測(cè)量液位。通過與電氣控制系統(tǒng)的配合 ，實(shí)現(xiàn)了液位檢測(cè)功能的自動(dòng)化。 1 超聲波的特性 超聲波是一種人耳朵聽不見的機(jī)械波 ， 其頻率范圍為幾十千赫茲到幾十兆赫茲。 超聲波是在電壓的激勵(lì)下由換能晶片發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生，其波長(zhǎng)短、頻率高。超聲波射線能夠和光線一樣，具有反射能力和方向性強(qiáng) ，其頻率越高 ，方向性越強(qiáng)。 超聲波在頻率一定時(shí) ，在氣體中傳播時(shí)由于能量被吸收衰減的很大 ，但是在固體和液體 中衰減較小。 振動(dòng)頻率越高其傳播的能量比普通的聲波越強(qiáng)， 因此在固體和液體中傳播具有很強(qiáng)的穿透能力， 所以在固體和液體中應(yīng)用較廣。 超聲波能在普通傳感器不能勝任的工作環(huán)境中工作 ，提供了一種無接觸的距離檢測(cè)方案，并以其較長(zhǎng)和較寬的檢測(cè)范圍 ， 幫助解決了許多實(shí)際應(yīng)用 中的難題。 超聲波尤其適合檢測(cè)有 良好聲波反射特性的物體：如固體、液體和小顆粒物質(zhì)等。 2 超聲波液位傳感器工作原理及組成 超聲波傳感器以優(yōu)異的性能廣泛 地應(yīng)用在惡劣 、復(fù)雜 的工業(yè)環(huán)境中 ，可以用來檢測(cè)一些具有表面反射特性的材料或者需要精確測(cè)量 的場(chǎng)合。 通常有很多種測(cè)量液位的方法 ， 但是與其他液位測(cè)量的方法相 比較 ， 使用超聲波傳感器測(cè)量液位具有 以下優(yōu)點(diǎn) ：可 以做到簡(jiǎn)便的實(shí)時(shí)測(cè)量 ，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí) 間短 、不 存在滯后現(xiàn)象 ；測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)精度高 ；安裝方便 、靈活，整體尺寸小 ，便于狹小空間內(nèi)布置。 性能可靠、穩(wěn)定 ，尤其對(duì)液體 (介質(zhì) )的化學(xué)、物理性質(zhì)的適應(yīng)能力極強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量。 2．1 超聲波傳感器測(cè)量液位的原理
圖 1 超聲波測(cè)距原理圖 2．2 超聲波傳感器的組成 超聲波傳感器是其利用壓 電晶體的壓 電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng) ，將機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換。 由如下 四部分組成 。 發(fā)送傳感器(發(fā)射探頭 ) ：將發(fā)射電路輸入的高頻脈沖電信號(hào) ， 由壓電晶體因變形而產(chǎn)生振動(dòng) ，發(fā)出超聲波 ；接收傳感器(接收探頭) ：接收到的回波產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)， 由壓電晶體將其轉(zhuǎn)換成電能量，經(jīng)過接收電路作為接收器的輸出。 發(fā)送和接收傳感器 ，在實(shí)際使用 中可以是同一個(gè)部件 ；控制部分 ：用集成電路控制超聲波 的發(fā)送 ， 并判斷接收器的信號(hào)接收等。 主要控制發(fā) 出的超聲波脈沖頻率 、探測(cè)距離 ；電源部分 ：超聲波傳感器通常采用外部直流電源供電，經(jīng)內(nèi)部穩(wěn)壓電路供給傳感器工作。 3 誤差分析 3.1 環(huán)境對(duì)測(cè)量的影響 由圖 2 可見 ，當(dāng)溫度從 一20~40 ℃變化時(shí) ，其聲速也將會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。 因此 ，必須將計(jì)算時(shí)的聲速根據(jù)傳感器應(yīng)用的環(huán)境溫度來進(jìn)行修正， 以此來提高測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。 超聲波傳感器在測(cè)量距離的過程中，須帶有溫度補(bǔ)償 ，從而可以消除大部分溫度對(duì)超聲波傳感器輸出帶來的影響。 同時(shí) ，傳感器自身電路的發(fā)熱也會(huì)造傳感器額外的溫度誤差 ， 也因予以考慮。
圖 2 氣溫、氣壓和聲速理論上的關(guān) 系 由圖 3 可見，低溫條件下超聲波傳感器檢測(cè)范圍的增大很明顯 ，且不受相對(duì)濕度 的影響。但是高溫條件下超聲波傳感器檢測(cè)范圍減小 ， 受相對(duì)濕度 的影響很大。 因此 ，超聲波傳感器在選型時(shí)，要充分考慮這一特 I生，選擇合理的、適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)使用工況類型的液位傳感器，減少測(cè)量誤差。 3．2 傳感器的盲區(qū) 超聲波換能器與檢測(cè)范 圍起點(diǎn)之間的區(qū)域被稱為盲區(qū)。余波干擾造成傳感器的盲區(qū)， 由于換能器是用一個(gè)高壓脈沖發(fā)射超聲波 ，脈沖結(jié)束后 ，換能器還會(huì)有一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的余振 。 在換能器 由發(fā)射狀態(tài)進(jìn)入接收狀態(tài)后，產(chǎn)生出的這種余振信號(hào)首先被接收到，在這種余振信號(hào)還未衰減到一定時(shí)間， 在換能器接收到超聲波 回波信號(hào)后與這種余振信號(hào)造成疊加，使真正的超聲波回波不能被 電路鑒別， 造成測(cè)量數(shù)據(jù)誤差。 超聲波傳感器的盲區(qū)與測(cè)量范圍有關(guān) ，一般測(cè)量量程大，盲區(qū)就大；反之，盲區(qū)就小。 因此，傳感器選型時(shí)要根據(jù)實(shí)際的需要， 選擇適宜量程的傳感器。 而且在油箱最高液位的設(shè)計(jì)時(shí)，不能忽略傳感器的盲區(qū)， 避免最高液位與傳感器探頭之間的距離在傳感器的盲區(qū)內(nèi)，造成測(cè)量誤差 。 通過分析可知礦用挖掘機(jī)上用于集中潤滑系統(tǒng)中測(cè)量液位的傳感器產(chǎn)生誤差的原因主要是 ， 被測(cè)液位在設(shè)備使用過程中的劇烈震動(dòng) ， 導(dǎo)致有較大波浪 ， 并且液體里面包含氣泡時(shí) ， 易引起聲波反射混亂 ，導(dǎo)致測(cè)量誤差較大。 同時(shí)存在油箱(桶 ) 內(nèi)空氣隨環(huán)境溫度的變化而產(chǎn)生的誤差 ， 以及加油時(shí)人為造成油脂液位過高， 油脂黏到傳感器上而影響傳感器測(cè)量的精度。 因此 ，在設(shè)計(jì)選型時(shí)充分考慮以上 因素 ，選擇合理的、適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)使用工況類型的液位傳感器 ， 同時(shí)具備通過軟件進(jìn)行測(cè)量參數(shù)的調(diào)整功能 ， 以此來減小測(cè)量誤差。 使儀器達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo) ，滿足實(shí)際功能的需要 ，從而提升系統(tǒng)的自動(dòng)化水平 。 參考文獻(xiàn) [1] 羅登林 ，丘泰球 ，盧 群．超聲波技術(shù)及應(yīng)用( I ) [J] ． 日用化學(xué)工業(yè) ．2005 。35(5 ) ：323—326． [2] 李 曉妮 ，劉樹林．超聲波液位自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) [J] ．九江學(xué)院學(xué)報(bào) ，2006 (3 ) ：29—3 1． [3] 郟東耀．利用 超聲 波傳感器測(cè)液位 的方 法 [J] ．自動(dòng)化與儀器儀表 ，2oo2 (5 ) ：5 1—53 ． [4] 賈麗，袁小平，陳燁，等．常用液位檢測(cè)方法的研究[J] ．能源技術(shù)與管理 ，2009 (1) ： 12o一122． [5] 蘇煒 ，龔 壁建 ，潘 笑 ．超聲 波 測(cè)距 誤差 分析 [J] ．傳感 器技 術(shù) ，2004 ，23 (6 ) ：8- 11． |
