物位測量技術(shu)經歷了結構上(shang)(shang)從機(ji)械式(shi)儀表向電(dian)子式(shi)儀表發展，以及工作方式(shi)上(shang)(shang)由接觸(chu)式(shi)向非接觸(chu)式(shi)發展的(de)階段。近幾年來(lai)，發展較快的(de)是行程時間或傳播(bo)時間ToF （ time of flight ）測量(liang)(liang)原(yuan)理，又(you)稱回波(bo)測距原(yuan)理。它(ta)是利用能(neng)量(liang)(liang)波(bo)在(zai)空間中的(de)傳播時間來進行度(du)量(liang)(liang)的(de)一種(zhong)方法，屬于非接(jie)觸測距。

電磁波(bo)的波(bo)段非常(chang)寬，從(cong)3kHz~3000GHz ,微(wei)波是指頻(pin)率(lv)為300MHz~300CHz的電(dian)磁(ci)波。在(zai)物(wu)位檢測(ce)中，微波使用(yong)的頻段規定在(zai)4~30GHz: 之間，典型波(bo)段為5.8GHz、10GHz 、24GHz.5.8 GHz 的頻率屬(shu)于C波段微波；10GHz的頻率屬于(yu)X 波段微波； 24GHz的頻率(lv)屬于K波(bo)段微波(bo)。

聲波是機械波，頻率范圍(wei)為20Hz~20kHz ,因此，當聲(sheng)波的(de)振動頻率(lv)高于20kHz或低于20kHz 時，我們便聽不見(jian)了。我們把頻率高于20kHz 的聲波(bo)稱為(wei)“超(chao)聲波(bo)”.

電磁波與聲波產生的原理是不同的，聲波是靠物質的振動產生的，在真空中不能傳播；而電磁波是靠電子的振蕩產生的，其本身就是一種物質，傳播不需要介質，能在真空中傳播。這兩種波在通過不同的介質時都會發生折射、反射、繞射和散射及吸收等現象，物位計正是應用這種特性來測量距離的。

超聲波物位計由聲納技術衍化而來，其安裝方式有頂部安裝和底部安裝兩種。早期的超聲物位計采用的也是液體導聲，超聲探頭安裝在料罐底部外，超聲波從底部傳入，經被測液體傳播到液面，反射后傳回探頭。超聲波傳播時間與液位的高低成正比。由于超聲波在各種被測介質中傳播的聲速不同，所以很難做成通用產品；且料罐底部（尤其是液體料罐的底部）安裝探頭的方法在實用中往往也有困難。因此，在實際工業過程中，利用空氣作為導聲介質的頂部安裝應用越來越廣泛。

超(chao)聲波物位計的聲波信號是(shi)在不同聲阻(zu)率（聲阻(zu)率等(deng)于物料密(mi)度(du)px聲速。）的(de)界面(mian)(mian)上反(fan)射(she)(she)的(de)。由(you)于(yu)(yu)空(kong)氣(qi)和物(wu)料的(de)密度差別(bie)很大，所以它(ta)們的(de)聲阻率相差也很大，聲波在(zai)空(kong)氣(qi)和物(wu)料的(de)分(fen)界面(mian)(mian)上就像在(zai)鏡面(mian)(mian)上一樣反(fan)射(she)(she)，并由(you)接收器接收回波信號。但是，由(you)于(yu)(yu)超聲波是機(ji)械波，在(zai)空(kong)氣(qi)中傳播的(de)波長小(xiao)于(yu)(yu)17mm , 傳播速度受溫度影(ying)響較大，如當溫度為(wei)0℃ 時，聲速為331.6m/s當溫度為20 ℃ 時，聲速為 344m/s .因此(ci)，必須進行(xing)溫度(du)補償(chang)，且在測量揮(hui)發性液(ye)體時，由于空氣中含有的揮(hui)發組分(fen)不同(tong)，聲速也不同(tong)，也會(hui)產(chan)生較大的誤差。[page]

與超聲波物位計相比，雷達物位計的(de)(de)微波信號是在(zai)不(bu)同介電常數(shu)(shu)的(de)(de)分界(jie)面上反射的(de)(de)。介電常數(shu)(shu)是表(biao)示絕緣能力特性的(de)(de)一(yi)個系數(shu)(shu)，以字母ε表示，單位為F/m ,它通常(chang)隨溫(wen)度(du)和(he)介(jie)質(zhi)(zhi)中傳播的(de)電磁波的(de)頻率(lv)變(bian)化而變(bian)化。介(jie)電常(chang)數越大，對(dui)電荷的(de)束縛(fu)能力(li)越強；介(jie)電常(chang)數越小，則絕(jue)緣性愈好。某種電介(jie)質(zhi)(zhi)的(de)介(jie)電常(chang)數與真空(kong)介(jie)電常(chang)數之(zhi)比(bi)ε r稱為該電介質(zhi)的相(xiang)對(dui)介電常(chang)數。常(chang)見物料(liao)的相(xiang)對(dui)介電常(chang)數如表1所示。

物位計測量技術難點解決方案

微波(bo)以光速(su)傳(chuan)播，速(su)度幾乎不受(shou)介質特性的(de)影響(xiang)，傳(chuan)播衰(shuai)減也很小，約0.2dB/km .回(hui)波信號(hao)強弱很大程(cheng)度上(shang)取(qu)決(jue)于被測液面(mian)上(shang)的(de)反(fan)射(she)情況。在被測液面(mian)上(shang)的(de)反(fan)射(she)率除了取(qu)決(jue)于被測物料的(de)面(mian)積(ji)和形狀外，主要取(qu)決(jue)于物料的(de)相對介電常數εr.相(xiang)對(dui)介(jie)電常數(shu)高(gao)，反射率也高(gao)，得到的回(hui)波(bo)強(qiang)度(du)高(gao)；相(xiang)對(dui)介(jie)電常數(shu)低，物(wu)料會吸(xi)收部(bu)分微波(bo)能量，回(hui)波(bo)強(qiang)度(du)較低。對(dui)于普及型的雷(lei)達液(ye)位計，通常要求被測物(wu)料相(xiang)對(dui)介(jie)電常數(shu)ε r 〉4; 對于更(geng)低介電常數的物(wu)料，要求增(zeng)設波導管來增(zeng)強回波信號，或選(xuan)用較復雜的雷達，通(tong)常測(ce)量下限為εr 》 2.對于測量(liang)介(jie)電(dian)(dian)常(chang)數高或導(dao)電(dian)(dian)的物料時，有效(xiao)量(liang)程(cheng)要下降(jiang)很多，如20m量程的雷達物位計 ，若(ruo)用于測量煤(mei)粉，有效量程最多為7m對于(yu)測量介電常數低的塑料(liao)粒(li)子等，測量效果(guo)也不好。

3.2 脈沖與調頻連續波雷達物位計

微波物位計按使用微波的波形可分為脈沖波和調頻連續波兩大類。

3.2.1 脈沖雷達物位計

脈沖雷達(da)的發射原理比較(jiao)簡單(dan)，即雷達(da)向距離(li)為(wei) R 的(de)目標發送一個高頻脈沖(chong)，微波遇到介質(zhi)后(hou)被反射回來，測得發送與接收(shou)的(de)延遲時間(jian)，利用(yong)式（1）即可求得(de)距離。但(dan)是，由于其靠(kao)時間來計算數(shu)值，因此(ci)，需(xu)要對事件精確到幾 +皮秒（1ps = 10-12s） .

假設記錄時間的芯片(pian)最高精度為 50Ps ,按式（l） 可得到其測(ce)量誤差(cha)距離精(jing)度為：△R= △ t×c=15mm, 即脈(mo)沖雷達如(ru)果僅靠時間(jian)來(lai)處理數據(ju)，其(qi)最(zui)高精度(du)為15mm . 所以，早期脈沖雷達大都采用時間(jian)(jian)拓(tuo)展的(de)方法來進行時間(jian)(jian)的(de)準(zhun)確(que)測量(liang)與記錄，外加多次測量(liang)求(qiu)平均的(de)辦法。但采用拓(tuo)展時間(jian)(jian)以及平均法求(qiu)值，其最(zui)終精(jing)度要(yao)達到 5~10mm具有一(yi)定的難度。

3.2.2 調(diao)頻連(lian)續波(bo)雷達物位計

調(diao)頻連續(xu)波（FMCW）雷達的(de)(de)(de)原理為發(fa)送具有一定帶寬、頻率(lv)線性變化的(de)(de)(de)連續(xu)信號，再(zai)對(dui)接(jie)(jie)收(shou)到的(de)(de)(de)連續(xu)信號進行快速傅里葉(xie)變換，通(tong)過發(fa)送與接(jie)(jie)收(shou)信號的(de)(de)(de)頻率(lv)差來(lai)計算兩個信號的(de)(de)(de)時間(jian)差，最(zui)后與脈沖波雷達物位計一(yi)樣(yang)，由時間(jian)差得到對應的(de)距(ju)離值。FMCW雷達能夠獲取很(hen)高(gao)的精度，其精度主要取決于壓控振蕩器的線性度和溫(wen)漂。

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FMcw 雷達(da)通過發射頻率(lv)調制的連續波信號，從(cong)回(hui)波信號中(zhong)提取目標距(ju)離信息。FMcw分(fen)為線性調(diao)頻(pin)和非線性調(diao)頻(pin)（如(ru)正弦(xian)波調(diao)頻(pin)）兩種。使用(yong)非線性調(diao)頻(pin)方式時，每個(ge)目標產生的(de)差拍頻(pin)率不(bu)唯(wei)一，一般只適用(yong)于(yu)單目標的(de)場合，如(ru)雷達高度計等；線性調(diao)頻(pin)方式適合于(yu)用(yong)FFT 算(suan)法(fa)測量頻率(lv)，應用最(zui)廣。這種方式(shi)使每個(ge)目標(biao)產生(sheng)的差拍信號(hao)都(dou)是(shi)單一頻率(lv)，但其對線性(xing)調頻的線性(xing)度要求(qiu)很高(gao)，比(bi)較常用的調制波形是(shi)三角波和鋸齒波，物位儀表常用鋸齒波高(gao)頻方式(shi)。FMCW 雷達發射(she)和接(jie)收信號的原理(li)如圖2 所示(shi)。

物位計測量技術難點解決方案

圖2中，實(shi)線為雷達天線發送信號ft;虛線(xian)為雷達(da)接收信號fr;B為信號的帶(dai)寬。發射信號的調頻周期 T要(yao)遠大于目標最大回波(bo)時延(yan)td,即信號由天線發(fa)送經物料反(fan)射(she)，再由天線接收(shou)所(suo)經的時間td 比信號期 T要小得多。發送信號和(he)接收信號由于時延引起頻率的變換(huan)它們(men)的頻率差就是差頻信號，可用fif表示。顯(xian)然差額(e)信號 fif 的(de)大小(xiao)正比于天線與目(mu)標(biao)間(jian)的(de)距離 R,即：

物位計測量技術難點解決方案

式中：c為光速，3×108m/s;T為信(xin)號周期， B為信號帶(dai)寬，均為已知(zhi)參數。獲得(de)差(cha)頻信號fif的值(zhi)最(zui)簡單(dan)的方法是利用傅里葉變(bian)換方法，通過頻譜(pu)分析求得(de)。

與脈沖(chong)雷達相(xiang)比，調頻雷達抗干擾能(neng)(neng)力強，這(zhe)使得(de)它(ta)能(neng)(neng)夠(gou)運用(yong)于更多的環境，但其價格(ge)昂貴雷達的2~2.5倍左(zuo)右。FMCW 雷達(da)(da)發(fa)(fa)射(she)的是連(lian)續波脈沖雷達(da)(da)的（峰值）功率小很多。發(fa)(fa)射(she)功率小具有以下優(you)點：① 電源電壓大大降低，這對于(yu)用于(yu)油(you)艙內液位測量系(xi)統(tong)的安(an)全性非常重(zhong)要；② 發(fa)(fa)射(she)系(xi)統(tong)便于(yu)用固態器件實現，從而(er)使得發(fa)(fa)射(she)系(xi)統(tong)尺(chi)寸大大減小，可靠性提高；③ FMCW 雷達極寬的(de)(de)信號帶寬使(shi)其具有(you)很高(gao)的(de)(de)距(ju)離分(fen)辨(bian)率和距(ju)離測量精度，以及較強的(de)(de)抗干擾(rao)性(xing)。

四、雷達料位計測量技術難點

由于(yu)固(gu)態(tai)物料(liao)（如沙石、煤炭等）的料(liao)面(mian)都有一定的安(an)息(xi)角(jiao)，因此(ci)固(gu)態(tai)料(liao)面(mian)的測量(liang)基本(ben)上(shang)是(shi)利用波在粗糙表面(mian)的漫(man)反射(she)。形成漫(man)反射(she)的條件近(jin)似于(yu)：顆(ke)粒直徑(jing)〉1/6波長。則波長λ與頻(pin)率(lv)f的關系為： c= λf （3）可以算出它(ta)的波長(chang)為8.6mm , 對(dui)顆粒直徑為 2mm 以上的物(wu)料都可(ke)形(xing)成良好(hao)的漫反射；而當c為光速3 ×l08m/s, 采用X波段(duan)頻率為(wei)5.8GHz 或 6GHz 的(de)微波(bo)物位計時，由式（ 3）可得波長約為52mm , 對于粒徑較小的(de)顆粒狀物位，漫(man)反射(she)效果差，回波(bo)信號(hao)干(gan)擾(rao)嚴重。為(wei)改善測量性能(neng)，可提高發射(she)信號(hao)的(de)頻率，采用 K 波段(duan)（24GHz或(huo) 26GHz ），從而(er)得到(dao)較好的(de)(de)(de)回波信號(hao)。從雷達料位計(ji)的(de)(de)(de)測(ce)量(liang)(liang)原理可知，雷達料位計(ji)是通(tong)過處理雷達波從探頭發射到(dao)介質表面(mian)，然后返(fan)回到(dao)探頭的(de)(de)(de)時間來測(ce)量(liang)(liang)料位的(de)(de)(de)。反射信號(hao)中(zhong)(zhong)混合(he)有許(xu)多干擾信號(hao)，因此，對(dui)真(zhen)實回波的(de)(de)(de)處理和(he)對(dui)各種虛假回波的(de)(de)(de)識別技術(shu)就成(cheng)為雷達料位計(ji)能否準確(que)測(ce)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)關鍵因素(su)。由于液(ye)面(mian)波動和(he)隨機噪聲等因素(su)的(de)(de)(de)影響，檢(jian)測(ce)信號(hao)中(zhong)(zhong)必然混有大量(liang)(liang)噪聲 , 為了提高檢(jian)測(ce)(ce)的準確度(du)，必須對檢(jian)測(ce)(ce)信號進行處理，盡可能消(xiao)除噪聲(sheng)。

調頻連續波雷達必須在發射的同時進行接收，如果采用同一天線進行發射和接收，必須有效地防止發射信號直接泄漏到接收系統，因此，可采用環行器隔離發射接收信號。為了保證測量精度的要求，還必須采取有效的措施保證發射信號頻率的穩定度和線性度。

五、結束語

近年來，微電子技術的滲入大大促進了新型物位測量技術的發展，新的測量技術促使物位測量儀表產品結構產生了很大變化。電池供電及無線雷達式物位儀表也開始在市場上出現。所有這些技術上取得的進步以及不斷下降的價格正推動著雷達式物位儀表的不斷增長。

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