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矿用挖掘机上超声波传感器的误差分析介绍了超声波传感器测距的原理以及环境对测量准确度的影响， 分析了矿用挖掘机上用于集中润滑系统中测量液位的传感器误差产生的原因。 指出设计时对超声波传感器的选型，要重视环境、盲区等因素对测量精度的影响，提 高测量准确度 ，使仪器达到设计指标 ， 满足工况的实际需要。 引言 矿用挖掘机广 泛使用 在大型露天矿的岩土剥离、矿石开采上 ，主要 为矿用汽车 、半连续开采等设备输送 的物料进行装载作业 ， 是重要的采矿设备之一。 集中润滑系统是矿用挖掘机上重要的组成部分，它通过系统程序控制 ， 可以做到远距离、定量 、定时的将润滑脂通过管道输送到转动部件、 滚动轴承和开式齿轮等多个润滑点进行 自动润滑 ， 减轻 了人工手动润滑的工作量 ，节约了保养时间，从而提高了设备的生产效率。 但润滑油箱的液位检测是经过维护人员利用传统的液位计 目测油位来实现 ，造成费时、效率低 ，而且设备 的 自动化程度低。 为此 ，在矿用挖掘机功能的优化过程中， 采用了超声波传感器测量液位。通过与电气控制系统的配合 ，实现了液位检测功能的自动化。 1 超声波的特性 超声波是一种人耳朵听不见的机械波 ， 其频率范围为几十千赫兹到几十兆赫兹。 超声波是在电压的激励下由换能晶片发生振动产生，其波长短、频率高。超声波射线能够和光线一样，具有反射能力和方向性强 ，其频率越高 ，方向性越强。 超声波在频率一定时 ，在气体中传播时由于能量被吸收衰减的很大 ，但是在固体和液体 中衰减较小。 振动频率越高其传播的能量比普通的声波越强， 因此在固体和液体中传播具有很强的穿透能力， 所以在固体和液体中应用较广。 超声波能在普通传感器不能胜任的工作环境中工作 ，提供了一种无接触的距离检测方案，并以其较长和较宽的检测范围 ， 帮助解决了许多实际应用 中的难题。 超声波尤其适合检测有 良好声波反射特性的物体：如固体、液体和小颗粒物质等。 2 超声波液位传感器工作原理及组成 超声波传感器以优异的性能广泛 地应用在恶劣 、复杂 的工业环境中 ，可以用来检测一些具有表面反射特性的材料或者需要精确测量 的场合。 通常有很多种测量液位的方法 ， 但是与其他液位测量的方法相 比较 ， 使用超声波传感器测量液位具有 以下优点 ：可 以做到简便的实时测量 ，系统响应时 间短 、不 存在滞后现象 ；测量获得的数据精度高 ；安装方便 、灵活，整体尺寸小 ，便于狭小空间内布置。 性能可靠、稳定 ，尤其对液体 (介质 )的化学、物理性质的适应能力极强大，可以实现非接触式测量。 2．1 超声波传感器测量液位的原理
图 1 超声波测距原理图 2．2 超声波传感器的组成 超声波传感器是其利用压 电晶体的压 电效应和电致伸缩效应 ，将机械能与电能相互转换。 由如下 四部分组成 。 发送传感器(发射探头 ) ：将发射电路输入的高频脉冲电信号 ， 由压电晶体因变形而产生振动 ，发出超声波 ；接收传感器(接收探头) ：接收到的回波产生的机械振动， 由压电晶体将其转换成电能量，经过接收电路作为接收器的输出。 发送和接收传感器 ，在实际使用 中可以是同一个部件 ；控制部分 ：用集成电路控制超声波 的发送 ， 并判断接收器的信号接收等。 主要控制发 出的超声波脉冲频率 、探测距离 ；电源部分 ：超声波传感器通常采用外部直流电源供电，经内部稳压电路供给传感器工作。 3 误差分析 3.1 环境对测量的影响 由图 2 可见 ，当温度从 一20~40 ℃变化时 ，其声速也将会发生相应的变化。 因此 ，必须将计算时的声速根据传感器应用的环境温度来进行修正， 以此来提高测量数据的准确性。 超声波传感器在测量距离的过程中，须带有温度补偿 ，从而可以消除大部分温度对超声波传感器输出带来的影响。 同时 ，传感器自身电路的发热也会造传感器额外的温度误差 ， 也因予以考虑。
图 2 气温、气压和声速理论上的关 系 由图 3 可见，低温条件下超声波传感器检测范围的增大很明显 ，且不受相对湿度 的影响。但是高温条件下超声波传感器检测范围减小 ， 受相对湿度 的影响很大。 因此 ，超声波传感器在选型时，要充分考虑这一特 I生，选择合理的、适应现场使用工况类型的液位传感器，减少测量误差。 3．2 传感器的盲区 超声波换能器与检测范 围起点之间的区域被称为盲区。余波干扰造成传感器的盲区， 由于换能器是用一个高压脉冲发射超声波 ，脉冲结束后 ，换能器还会有一个长时间的余振 。 在换能器 由发射状态进入接收状态后，产生出的这种余振信号首先被接收到，在这种余振信号还未衰减到一定时间， 在换能器接收到超声波 回波信号后与这种余振信号造成叠加，使真正的超声波回波不能被 电路鉴别， 造成测量数据误差。 超声波传感器的盲区与测量范围有关 ，一般测量量程大，盲区就大；反之，盲区就小。 因此，传感器选型时要根据实际的需要， 选择适宜量程的传感器。 而且在油箱最高液位的设计时，不能忽略传感器的盲区， 避免最高液位与传感器探头之间的距离在传感器的盲区内，造成测量误差 。 通过分析可知矿用挖掘机上用于集中润滑系统中测量液位的传感器产生误差的原因主要是 ， 被测液位在设备使用过程中的剧烈震动 ， 导致有较大波浪 ， 并且液体里面包含气泡时 ， 易引起声波反射混乱 ，导致测量误差较大。 同时存在油箱(桶 ) 内空气随环境温度的变化而产生的误差 ， 以及加油时人为造成油脂液位过高， 油脂黏到传感器上而影响传感器测量的精度。 因此 ，在设计选型时充分考虑以上 因素 ，选择合理的、适应现场使用工况类型的液位传感器 ， 同时具备通过软件进行测量参数的调整功能 ， 以此来减小测量误差。 使仪器达到设计指标 ，满足实际功能的需要 ，从而提升系统的自动化水平 。 参考文献 [1] 罗登林 ，丘泰球 ，卢 群．超声波技术及应用( I ) [J] ． 日用化学工业 ．2005 。35(5 ) ：323—326． [2] 李 晓妮 ，刘树林．超声波液位自动测报系统的设计 [J] ．九江学院学报 ，2006 (3 ) ：29—3 1． [3] 郏东耀．利用 超声 波传感器测液位 的方 法 [J] ．自动化与仪器仪表 ，2oo2 (5 ) ：5 1—53 ． [4] 贾丽，袁小平，陈烨，等．常用液位检测方法的研究[J] ．能源技术与管理 ，2009 (1) ： 12o一122． [5] 苏炜 ，龚 壁建 ，潘 笑 ．超声 波 测距 误差 分析 [J] ．传感 器技 术 ，2004 ，23 (6 ) ：8- 11． |
