雷達水位傳感器一般知識

1、雷達水位傳感器一般知識劉合永摘要：本文對雷達水位傳感器進行了原理、使用及安裝方式的簡單介紹，并對工程應用中存在的優(yōu)點及不足進行了初步分析。關(guān)鍵詞：雷達、水位傳感器、雷達水位傳感器名詞定義：傳感器： “能感受規(guī)定的被測量件并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”國家標準GB7665-87。水位傳感器：“能將被測點水位參量實時地轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳娏啃盘柕膬x器”。上海市地礦工程勘察院雷達水位傳感器：通過雷達波測距原理，反應水位變化的一次儀表一、 雷達水位傳感器簡介雷達水位傳感器采用雷達波測量到水面的距離，實際上是一臺雷達測距儀。雷達波測量不受溫度、濕度、風速、降雨等環(huán)境因

2、素影響。雷達水位傳感器以非接觸方式測量水位，亦不受水體影響，是水位測量最理想的設備。雷達波的測距精度標稱為毫米級，水位計通過內(nèi)部波浪濾波以及距離模糊算法等功能，實測水位精度可達1至3厘米。目前在水文領(lǐng)域應用廣泛的雷達水位傳感器量程有15m、20m、35m、最大可達70米。雷達水位傳感器輸出接口一般有：模擬量的420mA、0.42V、15V；數(shù)字量：RS232、RS485、SDI-12或格雷碼輸出。協(xié)議一般有：HART、Modbus二、 雷達水位傳感器測量原理雷達水位傳感器都有一個發(fā)射雷達波的天線，俗稱“探頭”。從外觀上看，探頭的形狀有喇叭型、錐形、平面型。發(fā)射波束的形狀都為喇叭型。雷達傳感器的

3、天線以波束的形式發(fā)射電磁波信號，發(fā)射波在被測水面產(chǎn)生反射，反射回來的回波信號仍由天線接收。信號經(jīng)DSP等智能處理器處理后得出介質(zhì)與探頭之間的距離，送終端顯示器進行顯示、報警、操作等。測距示意圖如圖所示。    雷達水位傳感器電路部分位于探頭上部，與探頭封裝為一個整體，總長度約20-50厘米不等，有電源線和數(shù)據(jù)線引出，但大都沒有顯示和記錄功能，必須接到RTU或數(shù)據(jù)采集器才能看到水位數(shù)據(jù)。在發(fā)射的時間間隔里，天線系統(tǒng)作為接收裝置使用。儀表分析、處理運行時間小于十億分之一秒的回波信號，并在極短的一瞬間分析處理回波。雷達傳感器利用特殊的時間間隔調(diào)整技術(shù)將每秒的回

4、波信號進行放大、定位，然后進行分析處理。因此雷達傳感器可以在0.1s內(nèi)精確細致地分析處理這些被放大的回波信號，無須花費很多時間來分析頻率。三、 雷達水位傳感器特點雷達水位傳感器最主要的特點是非接觸測量、精度不受外界因素影響。無論是有毒介質(zhì)，還是腐蝕性介質(zhì)，也無論是固體、液體還是粉塵性、漿狀介質(zhì)，它都可以進行測量。 1、精度高雷達水位傳感器采用微波測量，無需介質(zhì)傳速，理論上不受外界環(huán)境的影響；此外，微波頻率高(一般大于6GHz，常用ISM頻段24GHz、26GHz)波長小，發(fā)射面的波形損失就小，設置可認為全波反射，沒有相位損失；第三，現(xiàn)代的雷達水位傳感器處理電路一般采用高速信號處理器DSP,從而

5、使復雜的信號處理及數(shù)字濾波提供的可能。目前雷達水位傳感器標稱精度均小于±5mm，實測精度滿量程優(yōu)于±2cm2、對干擾回波具有抑制功能雷達傳感器內(nèi)部一般采用高速信號處理器，處理速度可達150MIPS。這樣的處理速度，使得傳感器可對有效波束范圍內(nèi)的信號進行不失真的處理，從而對干擾回波及噪聲等可由內(nèi)部的模糊邏輯控制自動進行抑制。3、功耗低目前采用兩線制420mA輸出接口的雷達水位傳感器，其工作功耗均小于500mW，采用SDI-12接口的雷達水位傳感器功耗更低。低功耗的傳感器大大降低了對野外工作電源的要求，同時系統(tǒng)的可靠性進一步提高。4、可靠性強雷達水位傳感器均采用一體化設計，即雷

6、達天線與信號處理電路集成一起，由密閉性良好的不銹鋼殼體封裝，對外接口僅為電源、信號線等。天線及電路在國外均已社會化生產(chǎn)并批量生產(chǎn)，可靠性受到保證。此外，國外的雷達水位傳感器一般提供調(diào)試設備。通過這些設備可跟蹤測量、頻譜分析、甚至故障定位等，這種設備也大大方便了使用現(xiàn)場的調(diào)試四、 雷達水位傳感器不足隨著雷達水位傳感器在水文行業(yè)的推廣應用，也出現(xiàn)了一些值得繼續(xù)探討的問題，主要有：1.模擬量接口的雷達水位傳感器，水位輸出存在精度轉(zhuǎn)換損失。目前AD轉(zhuǎn)換常見的有10位、12位、14位、16位，但是這些位數(shù)只是表示可能達到的分辨率，與測量精度完全是兩個概念。按照經(jīng)驗一般精度為分辨率損失2位(按AD指標IN

7、L=2LSB)計算，也即14位的AD,最終實測精度在12位。如果考慮水面波浪影響及轉(zhuǎn)換電阻的溫漂，精度會再有所下降。下表為最大測距35m時不同AD轉(zhuǎn)換的誤差分析AD滿量程分辨率35m測距時理論誤差按2位損失實際可能誤差備注10位10243.5cm14cm實際可能誤差尚未考慮波浪及轉(zhuǎn)換電阻的溫漂12位40961cm4cm14位81920.5cm2cm16位163840.25cm1cm根據(jù)上表，在工程應用中為提高測量精度，一是選用轉(zhuǎn)換實際精度高的AD，二是縮短測量量程。2.雷達水位傳感器，特別是進口雷達水位傳感器，一般內(nèi)置測距阻尼算法，即為屏蔽干擾提高目標跟蹤精度，對于短時間內(nèi)的水位突變進行滑動平均計算。這種算法有利于水位數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，但同時對于暴漲暴落性河流會影響水位測量的實時性。對此，工程上如果條件具備可通過控制傳感器電源，來進行周期測量。五、 雷達水位傳感器安裝使用注意事項1、選擇安裝地點時，應避免漂浮物的影響。雷達波會把漂浮物誤認為水面，測量結(jié)果是探頭到漂浮物的距離。2、選擇安裝位置時，要保證雷達波全部覆蓋到水面。應避免低水時、河床淤積、主槽擺動等導