物料位測(cè)量，特別是固體物料的料位測(cè)量，由于被測(cè)對(duì)象的特殊物性，如粉塵，黏附，板結(jié)等作用，最佳的測(cè)量方法是非接觸式測(cè)量。相比較超聲波式和雷達(dá)式等非接觸方法，雖然不直接與被測(cè)物料接觸，但都需要與物料上方介質(zhì)接觸，需要物料上方介質(zhì)具有對(duì)超聲波或微波透明，完全非接觸式測(cè)量方法具有完全不與被測(cè)物料，包括物料上方介質(zhì)接觸，具有更廣泛的適應(yīng)性和更高的可靠性。目前僅有兩種完全非接觸式測(cè)量方法：放射式和稱重式。由于放射式料位計(jì)需要高能γ射線穿透被測(cè)容器，其運(yùn)行中的安全防護(hù)與放射源的存儲(chǔ)等問(wèn)題制約了這種方式的應(yīng)用。稱重式料位測(cè)量?jī)x器對(duì)介質(zhì)密度有直接的依賴，需要有已知且穩(wěn)定的介質(zhì)密度，這在液體測(cè)量中也許是容易滿足的條件，在固體介質(zhì)的測(cè)量中往往很難滿足。由于需要測(cè)量整體容器的重量，要求容器只有有限個(gè)鋼結(jié)構(gòu)支撐架，這也限制了儀器的安裝條件。通過(guò)理論分析與實(shí)驗(yàn)研究，研制了一種以沖擊與振動(dòng)的方法進(jìn)行測(cè)量的新型料位計(jì)。作為一種新型的完全非接觸式物料測(cè)量方法，不使用高能射線，沒有放射污染，不依賴被測(cè)介質(zhì)密度，對(duì)容器結(jié)構(gòu)沒有要求，全部?jī)x器安裝于容器外部，與被測(cè)界面上下兩種介質(zhì)都不需接觸，是一種干凈，方便，廉價(jià)，適用廣泛的新型料位測(cè)量的方法。
2　測(cè)量原理
　　測(cè)量的基本原理是通過(guò)容器外部的激振器產(chǎn)生適當(dāng)?shù)哪芰坎ǎ?jīng)過(guò)傳播后，攜帶容器內(nèi)界面情況的信息，被傳感器所接收，通過(guò)分析波的特征，得到界面信息。能量波可以選擇電磁波或機(jī)械波。電磁波只有頻率足夠高才有足夠能量穿透容器（特別是金屬容器），也就是目前已經(jīng)使用的放射料位計(jì)中的γ但是較高頻率的機(jī)械波穿透能力差，如超聲式料位計(jì)就必須安裝于容器內(nèi)部，雖然稱為非接觸式測(cè)量，只是與被測(cè)界面兩介質(zhì)中的一種不接觸，儀器需要在另一種介質(zhì)中發(fā)射與接收超聲波，這就要求這種介質(zhì)具有超聲透明的特性。也許這種方式應(yīng)當(dāng)稱為半接觸式測(cè)量。為了能夠進(jìn)行完全非接觸測(cè)量，選擇使用低頻機(jī)械波，可以從容器外壁產(chǎn)生與接收，不但容易產(chǎn)生，容易檢測(cè)，而且容器及被測(cè)介質(zhì)對(duì)波的衰減小，在大量程時(shí)這一點(diǎn)尤為重要。但是低頻機(jī)械波容易受到噪音干擾，由于波長(zhǎng)較長(zhǎng)，對(duì)測(cè)量精度的提高也帶來(lái)很多困難。這些都對(duì)信號(hào)處理提出很高要求。
　　在低頻機(jī)械波的傳播過(guò)程中，可以把容器壁看作具有一定單位面積質(zhì)量，具有各向同性的剪切彈性模量，各向均勻的薄板介質(zhì)。從總參數(shù)的角度觀察介質(zhì)，可以看作無(wú)限多個(gè)相同參數(shù)的質(zhì)量——彈簧——阻尼二階系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)。從激振器到傳感器可以看作是在無(wú)限長(zhǎng)鏈條中截取的有限個(gè)二階有阻尼系統(tǒng)。對(duì)于容器內(nèi)有被測(cè)介質(zhì)的容器壁，由于被測(cè)介質(zhì)對(duì)容器壁的側(cè)壓力，使得容器壁的等效質(zhì)量增大。又由于被測(cè)介質(zhì)對(duì)波能量的傳導(dǎo)，容器壁的等效阻尼增大。然而，側(cè)壓力對(duì)容器壁的等效剪切彈性模量影響卻不大。這樣，原則上通過(guò)模態(tài)分析，可以找到振動(dòng)模態(tài)與介質(zhì)界面間的相關(guān)關(guān)系，從而達(dá)到測(cè)量的目的。但是這樣的測(cè)量是依賴于具體的容器以及具體的被測(cè)介質(zhì)的物體，不具有實(shí)用價(jià)值。使用激勵(lì)器和傳感器矩陣，建立多輸入、多輸出的測(cè)量系統(tǒng)與相應(yīng)的系統(tǒng)傳遞模型，基于波的傳播與加速阻抗模型，通過(guò)非模態(tài)化的測(cè)量和信號(hào)處理方法，在無(wú)需容器與被測(cè)物料參數(shù)的情況下，進(jìn)行了物料位的測(cè)量。
3　系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3．1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　沖擊振動(dòng)式料位計(jì)試驗(yàn)裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3—1。試驗(yàn)容器為一個(gè)直徑1m，高為1．8m的圓柱形3 mm厚45＃鋼板卷制焊接鋼桶。



　　激振器安裝在容器外壁，試驗(yàn)中使用了8個(gè)激振器模擬現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中被測(cè)容器很大（量程很大，此時(shí)單一激振器激勵(lì)功率不能滿足要求）時(shí)的狀況，自頂而下垂直均勻排列，間距為20cm。傳感器為加速度傳感器，通過(guò)永磁鐵基座吸附在容器外壁上，一共4個(gè)，同樣自頂而下垂直均勻排列。采用這種多個(gè)激振器和傳感器分布排列方式，各激振器與傳感器組成冗余多傳感器結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)多傳感器信息融合，不但擴(kuò)展了量程，更具有硬件上的容錯(cuò)能力，提高了系統(tǒng)可靠性。并且冗余的信息也大大提高了測(cè)量的精度、數(shù)據(jù)的可靠性和儀器的抗干擾能力。
　　激振器掛接在系統(tǒng)的控制總線上，對(duì)各激振器分配有其獨(dú)立的地址編號(hào)，受控制總線控制在同一時(shí)間有且僅有一個(gè)激振器被選通。任意波形發(fā)生卡安裝在另一臺(tái)伺服計(jì)算機(jī)上，通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò)與主控計(jì)算機(jī)通訊，接收主控計(jì)算機(jī)發(fā)出的波形數(shù)據(jù)和控制信號(hào)。激勵(lì)波形經(jīng)任意波形發(fā)生卡產(chǎn)生后由功率放大器放大，由當(dāng)前被選通激振器轉(zhuǎn)換為機(jī)械波激勵(lì)容器壁。機(jī)械波通過(guò)桶壁的傳播，被傳感器接收，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)連接其后的四路程控放大器。放大后的信號(hào)通過(guò)隔離放大器隔離后送入主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，量化為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。伺服計(jì)算機(jī)不但控制任意波形發(fā)生器產(chǎn)生需要的波形，而且還擔(dān)任著翻譯主控計(jì)算機(jī)的指令到控制總線控制著激振器的選通和程控放大器的增益的任務(wù)。
3．2　激振器設(shè)計(jì)
　　激振器為可選通的一體電磁結(jié)構(gòu)，主要包括鐵心，線圈，永磁鐵，控制電路4部分組成。激勵(lì)力大約為50 g／A，在功率放大器最大激勵(lì)電流為10A（占空比1∶10）時(shí)，激振器最大輸出力為500g。激振器有效通頻帶在200～16 000Hz。控制電路響應(yīng)控制總線的地址信號(hào)，譯碼。在總線地址信號(hào)與該激振器地址編碼吻合時(shí)選通該激振器，使得激振器的線圈與總線中的信號(hào)線接通，進(jìn)入選通待命狀態(tài)。當(dāng)信號(hào)線被功率放大器激勵(lì)時(shí)，激振器的永磁鐵在線圈磁場(chǎng)的作用下受力，并將這一激勵(lì)力施加給與其緊密粘結(jié)的容器壁，在容器壁上激勵(lì)出機(jī)械振動(dòng)波。
3．3　振動(dòng)傳感器選擇
　　為適應(yīng)不同容器的情況，以加速度傳感器來(lái)測(cè)量桶壁的振動(dòng)。加速度傳感器具有較寬的通頻帶。
　　采用的傳感器3db平坦帶寬為0～10 000Hz，靈敏度為100mV／g。為了方便與鋼制容器壁耦合，制作了專用的磁鐵基座。通過(guò)螺柱與傳感器牢固連接，通過(guò)磁力與容器壁吸附。垂直剝離力為5kg，滿足加速度傳感器安裝條件。
3．4　任意波形發(fā)生器
　　為使得測(cè)量信號(hào)的處理方便，對(duì)激勵(lì)波形的頻譜和持續(xù)時(shí)間有著特殊要求。為了產(chǎn)生這種復(fù)雜的瞬態(tài)單次脈沖，主控計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)值計(jì)算求得信號(hào)波形后把波形數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送給伺服計(jì)算機(jī)，并儲(chǔ)存在任意波形發(fā)生卡的緩存中。在主控計(jì)算機(jī)發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)后，波形發(fā)生卡以指令中指定采樣率參數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行D／A變換，輸出期望的激勵(lì)信號(hào)。筆者使用的是sai200型任意波形發(fā)生卡，存儲(chǔ)深度為32kbye，最大采樣率為20MHz，最大輸出波形電壓為±5V。通過(guò)制作的10ms峰值功率達(dá)到400 W的功率放大器，推動(dòng)激振器產(chǎn)生激勵(lì)振動(dòng)。
3．5　四路隔離程控放大器
　　四路程控放大器是該裝置的重點(diǎn)。由于每次的激勵(lì)都是短脈沖，持續(xù)時(shí)間短，且各次激勵(lì)響應(yīng)的相對(duì)強(qiáng)度也是重要的參數(shù)。所以，不能使用自動(dòng)增益控制方法來(lái)適應(yīng)不同大小的信號(hào)對(duì)放大器增益不同的要求。筆者采用計(jì)算機(jī)程控增益的方法解決了這個(gè)問(wèn)題。另外，現(xiàn)場(chǎng)中由于加速度傳感器緊密與容器壁相連，各傳感器相隔甚遠(yuǎn)，通過(guò)傳感器共地的外殼，容器壁，多個(gè)傳感器包圍了很大面積的閉合電回路，這在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中會(huì)引來(lái)很大的環(huán)形干擾電流，且不能用屏蔽等方法進(jìn)行克服。這對(duì)于微弱的振動(dòng)信號(hào)造成強(qiáng)烈干擾，給后續(xù)的信號(hào)處理帶來(lái)很多困難。筆者設(shè)計(jì)制作了4路隔離寬帶低噪音程控增益放大器，對(duì)4路信號(hào)進(jìn)行獨(dú)立絕緣地的程控、放大，圖3—2是其中一路放大器。4路絕緣地放大后的信號(hào)通過(guò)隔離放大器隔離，成為共地信號(hào)后，輸出進(jìn)入計(jì)算機(jī)的A／D數(shù)據(jù)采集卡作模數(shù)變換。電路中以開關(guān)型光耦隔離器隔離計(jì)算機(jī)的數(shù)字控制信號(hào)，以DAC0832作為D／A將計(jì)算機(jī)的控制字轉(zhuǎn)換為增益控制的模擬電壓。以程控低噪音寬帶集成放大器AD603作為主放大器，開關(guān)電容式1∶1隔離放大集成電路ISO124作為隔離放大器。放大器的增益控制范圍為0～80db，線性可調(diào)，帶寬為10Hz～5MHz，通道間隔離度大于－80db，在試驗(yàn)中獲得了滿意的信噪比。



3．6　軟件結(jié)構(gòu)
　　在硬件結(jié)構(gòu)上，試驗(yàn)裝置分為主從兩套計(jì)算機(jī)裝置，這是為模擬儀器在群控情況下的工作結(jié)構(gòu)。從控計(jì)算機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)、成本低、運(yùn)算能力弱，主要是做硬件設(shè)備的控制，如激振器、放大器等。主控計(jì)算機(jī)一個(gè)區(qū)域只有一個(gè)，負(fù)責(zé)信號(hào)的處理工作，運(yùn)算能力強(qiáng)。這樣，在軟件上，系統(tǒng)也分為多個(gè)進(jìn)程，以便分布運(yùn)行于多個(gè)處理器上。



　　整體結(jié)構(gòu)見圖3—3。主控計(jì)算機(jī)運(yùn)行有4個(gè)進(jìn)程，其中信號(hào)采集進(jìn)程與中心控制進(jìn)程通過(guò)WM－COPYDATA消息進(jìn)行通信。其他信號(hào)處理等進(jìn)程通過(guò)Matlab的數(shù)據(jù)引擎接口與VC編制的中心控制進(jìn)程通信。通過(guò)Sockets套接字，主控計(jì)算機(jī)與從控計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，分別控制運(yùn)行于從控計(jì)算機(jī)上的兩個(gè)進(jìn)程。測(cè)量時(shí)，主控進(jìn)程首先通過(guò)從控計(jì)算機(jī)的總線控制模塊調(diào)整激振器的地址編號(hào)和程控放大器的增益，然后激活信號(hào)采集模塊，進(jìn)入采集準(zhǔn)備狀態(tài)。接著，啟動(dòng)信號(hào)發(fā)生模塊，產(chǎn)生理論激勵(lì)波形，再把波形傳送到從控計(jì)算機(jī)的波形發(fā)生卡控制模塊發(fā)生激勵(lì)。激勵(lì)發(fā)出后，信號(hào)采集模塊收到信號(hào)，結(jié)束等待狀態(tài)，并把接收到的數(shù)據(jù)傳送給主控進(jìn)程。主控進(jìn)程調(diào)用信號(hào)有效性判斷模塊判斷信號(hào)的質(zhì)量，如果認(rèn)為不合格，則調(diào)整各參數(shù)并重新測(cè)量。如果判斷為合格，則調(diào)用信號(hào)處理模塊進(jìn)行最后的信號(hào)處理工作，得出測(cè)量結(jié)果。
4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果
以細(xì)黃沙為被測(cè)介質(zhì)，進(jìn)行了45次測(cè)量。結(jié)果如圖4—1所示。4—2為誤差統(tǒng)計(jì)圖。可以看到，大多數(shù)誤差出現(xiàn)在2～3cm的范圍內(nèi)。但不呈正態(tài)分布。這與測(cè)量樣本個(gè)數(shù)還不夠多有關(guān)。





5　結(jié)論
　　通過(guò)大量試驗(yàn)，可以認(rèn)為這種完全非接觸式的測(cè)量方法是有效、可行的，是解決完全非接觸測(cè)量這一難題的有效途徑。未來(lái)的研究還可以試驗(yàn)對(duì)液體介質(zhì)的測(cè)量，以及從測(cè)量精度的提高方面展開。