物位计测量技术分析及应用研究

速也不同，也会产生较大的误差。

　　与超声波物位计相比，雷达物位计的微波信号是在不同介电常数的分界面上反射的。介电常数是表示绝缘能力特性的一个系数，以字母ε表示，单位为F/m ，它通常随温度和介质中传播的电磁波的频率变化而变化。介电常数越大，对电荷的束缚能力越强;介电常数越小，则绝缘性愈好。某种电介质的介电常数与真空介电常数之比εr称为该电介质的相对介电常数。常见物料的相对介电常数如表1所示。

　　微波以光速传播，速度几乎不受介质特性的影响，传播衰减也很小，约0.2dB/km 。回波信号强弱很大程度上取决于被测液面上的反射情况。在被测液面上的反射率除了取决于被测物料的面积和形状外，主要取决于物料的相对介电常数εr。相对介电常数高，反射率也高，得到的回波强度高;相对介电常数低，物料会吸收部分微波能量，回波强度较低。对于普及型的雷达液位计，通常要求被测物料相对介电常数εr 〉4; 对于更低介电常数的物料，要求增设波导管来增强回波信号，或选用较复杂的雷达，通常测量下限为εr> 2。对于测量介电常数高或导电的物料时，有效量程要下降很多，如20m量程的雷达物位计，若用于测量煤粉，有效量程最多为7m对于测量介电常数低的塑料粒子等，测量效果也不好。

　　3.2 脉冲与调频连续波雷达物位计

　　微波物位计按使用微波的波形可分为脉冲波和调频连续波两大类。

3.2.1 脉冲雷达物位计

　　脉冲雷达的发射原理比较简单，即雷达向距离为 R 的目标发送一个高频脉冲，微波遇到介质后被反射回来，测得发送与接收的延迟时间，利用式(1)即可求得距离。但是，由于其靠时间来计算数值，因此，需要对事件精确到几+皮秒(1ps = 10-12s) 。

　　假设记录时间的芯片最高精度为 50Ps ，按式(l) 可得到其测量误差距离精度为：△R= △t×c=15mm, 即脉冲雷达如果仅靠时间来处理数据，其最高精度为15mm 。所以，早期脉冲雷达大都采用时间拓展的方法来进行时间的准确测量与记录，外加多次测量求平均的办法。但采用拓展时间以及平均法求值，其最终精度要达到5～10mm具有一定的难度。

　　3.2.2 调频连续波雷达物位计

　　调频连续波(FMCW)雷达的原理为发送具有一定带宽、频率线性变化的连续信号，再对接收到的连续信号进行快速傅里叶变换，通过发送与接收信号的频率差来计算两个信号的时间差，最后与脉冲波雷达物位计一样，由时间差得到对应的距离值。FMCW雷达能够获取很高的精度，其精度主要取决于压控振荡器的线性度和温漂。

　　FMcw 雷达通过发射频率调制的连续波信号，从回波信号中提取目标距离信息。FMcw分为线性调频和非线性调频(如正弦波调频)两种。使用非线性调频方式时，每个目标产生的差拍频率不唯一，一般只适用于单目标的场合，如雷达高度计等;线性调频方式适合于用FFT算法测量频率，应用最广。这种方式使每个目标产生的差拍信号都是单一频率，但其对线性调频的线性度要求很高，比较常用的调制波形是三角波和锯齿波，物位仪表常用锯齿波高频方式。FMCW 雷达发射和接收信号的原理如图2所示。

　　图2中，实线为雷达天线发送信号ft;虚线为雷达接收信号fr;B为信号的带宽。发射信号的调频周期T要远大于目标最大回波时延td，即信号由天线发送经物料反射，再由天线接收所经的时间td比信号期T要小得多。发送信号和接收信号由于时延引起频率的变换它们的频率差就是差频信号，可用fif表示。显然差额信号fif的大小正比于天线与目标间的距离R，即：

　　式中：c为光速，3×108m/s;T为信号周期，B为信号带宽，均为已知参数。获得差频信号fif的值最简单的方法是利用傅里叶变换方法，通过频谱分析求得。

　　与脉冲雷达相比，调频雷达抗干扰能力强，这使得它能够运用于更多的环境，但其价格昂贵雷达的2～2.5倍左右。FMCW 雷达发射的是连续波脉冲雷达的(峰值)功率小很多。发射功率小具有以下优点：① 电源电压大大降低，这对于用于油舱内液位测量系统的安全性非常重要;② 发射系统便于用固态器件实现，从而使得发射系统尺寸大大减小，可靠性提高;③ FMCW 雷达极宽的信号带宽使其具有很高的距离分辨率和距离测量精度，以及较强的抗干扰性。

　　四、雷达料位计测量技术难点

由于固态物料(如沙石、煤 炭等)的料面都有一定的安息角，因此固态料面的测量基本上是利用波在粗糙表面的漫反射。形成漫反射的条件近似于：颗粒直径〉1/6波长。则波长λ与频率f的关系为: c=λf (3)可以算出它的波长为8.6mm , 对颗粒直径为2mm 以上的物料都可形成良好的漫反射;而当c为光速3×l08m/s,采用X波段频率为5.8GHz或6GHz 的微波物位计时，由