物位測量技術經歷了結構(gou)上從機械式(shi)儀表(biao)向電(dian)子式(shi)儀表(biao)發展(zhan)，以及(ji)工作方式(shi)上由(you)接(jie)觸(chu)(chu)式(shi)向非接(jie)觸(chu)(chu)式(shi)發展(zhan)的階段。近幾年來，發展(zhan)較快的是行程時(shi)間或傳播時(shi)間ToF （ time of flight ）測量(liang)原理(li)，又稱回波測距(ju)原理(li)。它是利用能(neng)量(liang)波在空間中(zhong)的傳(chuan)播時(shi)間來(lai)進(jin)行度量(liang)的一種(zhong)方法(fa)，屬于非接觸測距。

電磁波(bo)(bo)的(de)波(bo)(bo)段非常(chang)寬，從3kHz~3000GHz ,微波是(shi)指頻率為300MHz~300CHz的電磁波。在物位檢(jian)測中，微(wei)波使用的頻段規(gui)定在4~30GHz: 之間，典型波段為5.8GHz、10GHz 、24GHz.5.8 GHz 的頻率屬于C波段微(wei)波；10GHz的頻率屬(shu)于X 波段微波； 24GHz的頻率屬于K波(bo)段微波(bo)。

聲波是機(ji)械波，頻率范(fan)圍為20Hz~20kHz ,因(yin)此(ci)，當聲波(bo)的(de)振動頻率(lv)高于20kHz或低于20kHz 時，我們(men)便聽(ting)不見了。我們(men)把頻率(lv)高于20kHz 的聲(sheng)波(bo)稱為“超(chao)聲(sheng)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。

超聲波(bo)物(wu)位計的聲波(bo)信(xin)號是在不同聲阻率(lv)（聲阻率(lv)等于物(wu)料密度px聲速。）的(de)界(jie)面上反射(she)的(de)。由(you)于空(kong)(kong)氣和物料(liao)的(de)密度差別(bie)很大，所以它們的(de)聲阻率相(xiang)差也很大，聲波(bo)(bo)在空(kong)(kong)氣和物料(liao)的(de)分(fen)界(jie)面上就像在鏡面上一(yi)樣反射(she)，并由(you)接收(shou)器接收(shou)回波(bo)(bo)信(xin)號(hao)。但(dan)是，由(you)于超聲波(bo)(bo)是機械波(bo)(bo)，在空(kong)(kong)氣中傳播的(de)波(bo)(bo)長(chang)小于17mm , 傳播速度受溫度影響較(jiao)大，如(ru)當(dang)溫度為0℃ 時，聲速為331.6m/s當(dang)溫度(du)為20 ℃ 時(shi)，聲(sheng)速為(wei) 344m/s .因此，必須進行溫度(du)補償，且在測(ce)量揮發(fa)性(xing)液體時，由于空氣中含有的揮發(fa)組分不(bu)同(tong)，聲速(su)也不(bu)同(tong)，也會產生較(jiao)大的誤差。[page]

與超聲波物位計相比，雷達物位計的(de)微波(bo)信號是(shi)在(zai)不(bu)同介(jie)電常(chang)數(shu)的(de)分界面上(shang)反射(she)的(de)。介(jie)電常(chang)數(shu)是(shi)表示(shi)絕(jue)緣能(neng)力特性的(de)一個系數(shu)，以字(zi)母ε表示，單位為F/m ,它通常(chang)(chang)隨溫度(du)和介質中傳播的電(dian)(dian)磁(ci)波(bo)的頻率變(bian)化而變(bian)化。介電(dian)(dian)常(chang)(chang)數越大，對電(dian)(dian)荷的束縛能力(li)越強(qiang)；介電(dian)(dian)常(chang)(chang)數越小，則絕緣性愈好。某種(zhong)電(dian)(dian)介質的介電(dian)(dian)常(chang)(chang)數與真空介電(dian)(dian)常(chang)(chang)數之比ε r稱為該(gai)電介(jie)質的(de)相對介(jie)電常(chang)數(shu)。常(chang)見物料的(de)相對介(jie)電常(chang)數(shu)如表1所示。

物位計測量技術難點解決方案

微波以光速(su)傳播，速(su)度幾乎不受介質特性的影響，傳播衰(shuai)減也(ye)很(hen)小，約0.2dB/km .回(hui)波(bo)信號(hao)強弱(ruo)很大程度上(shang)取決于(yu)(yu)被(bei)測液(ye)面(mian)上(shang)的(de)反射情(qing)況。在(zai)被(bei)測液(ye)面(mian)上(shang)的(de)反射率除了取決于(yu)(yu)被(bei)測物料的(de)面(mian)積和形狀外，主要取決于(yu)(yu)物料的(de)相對介電常(chang)數εr.相對介電常數(shu)高，反射(she)率也高，得到的回波強(qiang)度高；相對介電常數(shu)低，物料會吸收(shou)部分微波能(neng)量，回波強(qiang)度較低。對于普(pu)及型的雷達液位計，通(tong)常要(yao)求被測物料相對介電常數(shu)ε r 〉4; 對于更低介電(dian)常(chang)數的物料，要求增(zeng)設波導管(guan)來增(zeng)強(qiang)回波信號，或選(xuan)用較復雜的雷達，通常(chang)測量下限(xian)為εr 》 2.對于測量介電常數高或導電的(de)物料時，有效量程要下(xia)降很多，如(ru)20m量程的雷達物位計 ，若用(yong)于測量煤粉(fen)，有效量程最多為7m對于測量介電常數低的塑料粒子等，測量效果(guo)也不好。

3.2 脈沖與調頻(pin)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)的發射原理比較簡單，即(ji)雷達(da)向距離(li)為 R 的目標發(fa)送(song)一個高頻脈沖，微波遇到介質后被反射(she)回來(lai)，測得發(fa)送(song)與接收的延遲時間，利用式（1）即可求得距(ju)離。但是，由于其靠時(shi)間來計(ji)算數(shu)值，因(yin)此(ci)，需要對事件精確(que)到(dao)幾 +皮秒（1ps = 10-12s） .

假(jia)設記錄(lu)時間的芯(xin)片最高精度(du)為 50Ps ,按式（l） 可得(de)到(dao)其測量(liang)誤差距(ju)離(li)精度為：△R= △ t×c=15mm, 即脈沖雷達如果僅靠時間(jian)來處理數據，其最高精度為15mm . 所以，早期脈沖雷達大都采(cai)用(yong)時(shi)間(jian)拓(tuo)展的方法(fa)來進行時(shi)間(jian)的準確(que)測(ce)量與記錄，外加多次測(ce)量求(qiu)平(ping)均(jun)的辦法(fa)。但采(cai)用(yong)拓(tuo)展時(shi)間(jian)以及平(ping)均(jun)法(fa)求(qiu)值，其最終精度要達到(dao) 5~10mm具有一定(ding)的難度。

3.2.2 調頻連續波雷達物位計

調(diao)頻(pin)連續波（FMCW）雷達的(de)原理為發送具有一定帶寬(kuan)、頻(pin)率(lv)線性變(bian)化的(de)連續信(xin)號，再對接收到的(de)連續信(xin)號進(jin)行(xing)快速傅里葉(xie)變(bian)換，通過發送與接收信(xin)號的(de)頻(pin)率(lv)差來(lai)計算兩個(ge)信(xin)號的(de)時(shi)間差，最后與脈沖波雷達物位計一樣，由時(shi)間(jian)差(cha)得(de)到(dao)對應的(de)距離值(zhi)。FMCW雷達能(neng)夠獲取很高的精(jing)度，其精(jing)度主要(yao)取決(jue)于壓控振蕩器的線性度和(he)溫漂(piao)。

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FMcw 雷(lei)達通過發(fa)射頻率調制的連續波(bo)信(xin)號，從回波(bo)信(xin)號中提(ti)取目標距離信(xin)息。FMcw分為線(xian)性(xing)調(diao)頻(pin)(pin)和非線(xian)性(xing)調(diao)頻(pin)(pin)（如正(zheng)弦波調(diao)頻(pin)(pin)）兩(liang)種。使用非線(xian)性(xing)調(diao)頻(pin)(pin)方(fang)式(shi)時，每個目標產(chan)生(sheng)的差拍(pai)頻(pin)(pin)率(lv)不唯一，一般(ban)只適(shi)用于單目標的場(chang)合，如雷達高度計等；線(xian)性(xing)調(diao)頻(pin)(pin)方(fang)式(shi)適(shi)合于用FFT 算(suan)法(fa)測量頻率(lv)，應(ying)用(yong)最廣。這種方式使每個目標(biao)產生的(de)差(cha)拍信號都是(shi)單一頻率(lv)，但(dan)其(qi)對(dui)線(xian)性調頻的(de)線(xian)性度要求很高(gao)，比較常用(yong)的(de)調制波形是(shi)三(san)角波和(he)鋸齒波，物位(wei)儀表常用(yong)鋸齒波高(gao)頻方式。FMCW 雷達發射(she)和接收信號的(de)原(yuan)理(li)如圖2 所示。

物位計測量技術難點解決方案

圖2中，實線為(wei)雷達天線發送信號ft;虛線為(wei)雷達接收(shou)信號fr;B為信號的(de)帶寬(kuan)。發射信號的(de)調頻周期 T要(yao)遠大于目標(biao)最大回波(bo)時延td,即信號(hao)由(you)天線發送經(jing)物(wu)料(liao)反(fan)射(she)，再由(you)天線接(jie)收所經(jing)的時間td 比(bi)信號期 T要小得(de)多。發送信號(hao)(hao)和接收信號(hao)(hao)由(you)于(yu)時延引(yin)起頻(pin)率的(de)(de)變換它們的(de)(de)頻(pin)率差(cha)就是差(cha)頻(pin)信號(hao)(hao)，可用(yong)fif表(biao)示。顯然(ran)差額信號 fif 的大小正比(bi)于天線與目標(biao)間的距離 R,即：

物位計測量技術難點解決方案

式中(zhong)：c為光速(su)，3×108m/s;T為信(xin)號周期， B為(wei)信號帶寬，均(jun)為(wei)已知參(can)數。獲得(de)差頻信號fif的值最(zui)簡(jian)單的方法是利(li)用傅里葉變(bian)換方法，通過頻(pin)譜分(fen)析(xi)求得。

與脈沖雷達(da)相比，調頻(pin)雷達(da)抗干擾(rao)能力強(qiang)，這使得它(ta)能夠運用(yong)于更多(duo)的環(huan)境，但其(qi)價格昂貴雷達(da)的2~2.5倍左右。FMCW 雷(lei)達發射(she)的(de)(de)是連(lian)續(xu)波脈(mo)沖雷(lei)達的(de)(de)（峰值）功(gong)(gong)率(lv)小很多。發射(she)功(gong)(gong)率(lv)小具有以下(xia)優點(dian)：① 電源電壓大(da)大(da)降低，這(zhe)對于用(yong)于油艙(cang)內液位(wei)測量系(xi)統(tong)的(de)(de)安全(quan)性(xing)非(fei)常重要；② 發射(she)系(xi)統(tong)便于用(yong)固態器件實現，從而使(shi)得(de)發射(she)系(xi)統(tong)尺(chi)寸大(da)大(da)減(jian)小，可靠性(xing)提(ti)高；③ FMCW 雷達極寬(kuan)的(de)信號帶寬(kuan)使其(qi)具(ju)有很高的(de)距(ju)離(li)分辨率和距(ju)離(li)測量精度(du)，以(yi)及較強的(de)抗干(gan)擾性(xing)。

四、雷達料位計測量技術難點

由(you)于(yu)固態物料（如沙石、煤炭等）的(de)(de)料面都有一(yi)定(ding)的(de)(de)安(an)息角，因此固態料面的(de)(de)測量(liang)基本上是利用波在粗糙表面的(de)(de)漫(man)反射。形成漫(man)反射的(de)(de)條件近似于(yu)：顆粒直徑(jing)〉1/6波長。則(ze)波長λ與(yu)頻率f的關系為： c= λf （3）可(ke)以(yi)算出它(ta)的波長為(wei)8.6mm , 對顆粒直徑為 2mm 以上的(de)物(wu)料都可形成良好的(de)漫反(fan)射；而當c為光(guang)速3 ×l08m/s, 采用X波(bo)段(duan)頻率為5.8GHz 或(huo) 6GHz 的(de)微波物位計時，由(you)式（ 3）可得波(bo)長約為(wei)52mm , 對于粒(li)徑較小(xiao)的(de)顆粒(li)狀物位，漫反射(she)效果差，回波信號干擾嚴(yan)重。為改善測量性能，可(ke)提(ti)高發射(she)信號的(de)頻率，采用 K 波段（24GHz或 26GHz ），從(cong)而(er)得到較好的(de)(de)回(hui)(hui)波(bo)信(xin)號(hao)。從(cong)雷達(da)料(liao)位(wei)計(ji)的(de)(de)測(ce)量(liang)(liang)原理(li)可知，雷達(da)料(liao)位(wei)計(ji)是通過處理(li)雷達(da)波(bo)從(cong)探頭發射(she)到介質表面，然后(hou)返(fan)回(hui)(hui)到探頭的(de)(de)時間來測(ce)量(liang)(liang)料(liao)位(wei)的(de)(de)。反射(she)信(xin)號(hao)中混合(he)有許多干擾(rao)信(xin)號(hao)，因此(ci)，對(dui)真實回(hui)(hui)波(bo)的(de)(de)處理(li)和對(dui)各種虛(xu)假(jia)回(hui)(hui)波(bo)的(de)(de)識別(bie)技(ji)術就成為(wei)雷達(da)料(liao)位(wei)計(ji)能否準(zhun)確測(ce)量(liang)(liang)的(de)(de)關鍵因素(su)。由于液(ye)面波(bo)動和隨機噪(zao)(zao)聲(sheng)等因素(su)的(de)(de)影響，檢測(ce)信(xin)號(hao)中必(bi)然混有大量(liang)(liang)噪(zao)(zao)聲(sheng) , 為了(le)提高檢測的準確度，必(bi)須(xu)對檢測信號進行(xing)處理，盡可能消除噪聲。

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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