雷达水位传感器一般知识.docx
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雷达水位传感器一般知识
雷达水位传感器一般知识
雷达水位传感器一般知识
刘合永
摘要：
本文对雷达水位传感器进行了原理、使用及安装方式的简单介绍，并对工程应用中存在的优点及不足进行了初步分析。
关键词：
雷达、水位传感器、雷达水位传感器
名词定义：
传感器：
“能感受规定的被测量件并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由和转换元件组成”GB7665-87。
水位传感器：
“能将被测点水位参量实时地转变为相应电量信号的仪器”。
上海市地矿工程勘察院
雷达水位传感器：
通过雷达波测距原理，反应水位变化的一次仪表
一、雷达水位传感器简介
雷达水位传感器采用雷达波测量到水面的距离，实际上是一台雷达测距仪。
雷达波测量不受温度、湿度、风速、降雨等环境因素影响。
雷达水位传感器以非接触方式测量水位，亦不受水体影响，是水位测量最理想的设备。
雷达波的测距精度标称为毫米级，水位计通过内部波浪滤波以及距离模糊算法等功能，实测水位精度可达1至3厘米。
目前在水文领域应用广泛的雷达水位传感器量程有15m、20m、35m、最大可达70米。
雷达水位传感器输出接口一般有：
模拟量的4～20mA、～2V、1～5V；数字量：
RS232、RS485、SDI-12或格雷码输出。
协议一般有：
HART、Modbus
二、雷达水位传感器测量原理
雷达水位传感器都有一个发射雷达波的天线，俗称“探头”。
从外观上看，探头的形状有喇叭型、锥形、平面型。
发射波束的形状都为喇叭型。
雷达传感器的天线以波束的形式发射电磁波信号，发射波在被测水面产生反射，反射回来的回波信号仍由天线接收。
信号经DSP等智能处理器处理后得出介质与探头之间的距离，送终端显示器进行显示、报警、操作等。
测距示意图如图所示。
雷达水位传感器电路部分位于探头上部，与探头封装为一个整体，总长度约20-50厘米不等，有电源线和数据线引出，但大都没有显示和记录功能，必须接到RTU或数据采集器才能看到水位数据。
在发射的时间间隔里，天线系统作为接收装置使用。
仪表分析、处理运行时间小于十亿分之一秒的回波信号，并在极短的一瞬间分析处理回波。
雷达传感器利用特殊的时间间隔调整技术将每秒的回波信号进行放大、定位，然后进行分析处理。
因此雷达传感器可以在内精确细致地分析处理这些被放大的回波信号，无须花费很多时间来分析频率。
三、雷达水位传感器特点
雷达水位传感器最主要的特点是非接触测量、精度不受外界因素影响。
无论是有毒介质，还是腐蚀性介质，也无论是固体、液体还是粉尘性、浆状介质，它都可以进行测量。
1、精度高
雷达水位传感器采用微波测量，无需介质传速，理论上不受外界环境的影响；此外，微波频率高（一般大于6GHz，常用ISM频段24GHz、26GHz）波长小，发射面的波形损失就小，设置可认为全波反射，没有相位损失；第三，现代的雷达水位传感器处理电路一般采用高速信号处理器DSP,从而使复杂的信号处理及数字滤波提供的可能。
目前雷达水位传感器标称精度均小于±5mm，实测精度满量程优于±2cm
2、对干扰回波具有抑制功能
雷达传感器内部一般采用高速信号处理器，处理速度可达150MIPS。
这样的处理速度，使得传感器可对有效波束范围内的信号进行不失真的处理，从而对干扰回波及噪声等可由内部的模糊逻辑控制自动进行抑制。
3、功耗低
目前采用两线制4～20mA输出接口的雷达水位传感器，其工作功耗均小于500mW，采用SDI-12接口的雷达水位传感器功耗更低。
低功耗的传感器大大降低了对野外工作电源的要求，同时系统的可靠性进一步提高。
4、可靠性强
雷达水位传感器均采用一体化设计，即雷达天线与信号处理电路集成一起，由密闭性良好的不锈钢壳体封装，对外接口仅为电源、信号线等。
天线及电路在国外均已社会化生产并批量生产，可靠性受到保证。
此外，国外的雷达水位传感器一般提供调试设备。
通过这些设备可跟踪测量、频谱分析、甚至故障定位等，这种设备也大大方便了使用现场的调试
四、雷达水位传感器不足
随着雷达水位传感器在水文行业的推广应用，也出现了一些值得继续探讨的问题，主要有：
1.模拟量接口的雷达水位传感器，水位输出存在精度转换损失。
目前AD转换常见的有10位、12位、14位、16位，但是这些位数只是表示可能达到的分辨率，与测量精度完全是两个概念。
按照经验一般精度为分辨率损失2位（按AD指标INL=2LSB）计算，也即14位的AD,最终实测精度在12位。
如果考虑水面波浪影响及转换电阻的温漂，精度会再有所下降。
下表为最大测距35m时不同AD转换的误差分析
AD
满量程分辨率
35m测距时理论误差
按2位损失实际可能误差
备注
10位
1024
14cm
实际可能误差尚未考虑波浪及转换电阻的温漂
12位
4096
1cm
4cm
14位
8192
2cm
16位
16384
1cm
根据上表，在工程应用中为提高测量精度，一是选用转换实际精度高的AD，二是缩短测量量程。
2.雷达水位传感器，特别是进口雷达水位传感器，一般内置测距阻尼算法，即为屏蔽干扰提高目标跟踪精度，对于短时间内的水位突变进行滑动平均计算。
这种算法有利于水位数据的稳定性，但同时对于暴涨暴落性河流会影响水位测量的实时性。
对此，工程上如果条件具备可通过控制传感器电源，来进行周期测量。
五、雷达水位传感器安装使用注意事项
1、选择安装地点时，应避免漂浮物的影响。
雷达波会把漂浮物误认为水面，测量结果是探头到漂浮物的距离。
2、选择安装位置时，要保证雷达波全部覆盖到水面。
应避免低水时、河床淤积、主槽摆动等导致雷达波覆盖到地面。
雷达波无法识别水面和地面，测到地面时，依然报告水位数据。
如果雷达波覆盖到地面和水面的交界部分，则会无序显示水面和岸边的高度数据。
3、探头安装要尽量保持水平。
当高度超过10米时，探头水平偏差3度，引入的水位误差达15毫米。
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