當聲波以垂直角度入射至介面時，其反射系數為兩種介質的聲阻抗差與聲阻抗和的比值的平方。當兩種介質的聲阻抗相差較大時，即在界面處形成所謂的硬邊界，這是入射波的介質速度在碰到分界面時好像彈性碰撞一樣，變成反向速度，反射波質點速度與入射波質點速度相位改變180°。以空氣/水界面為例，水的聲阻抗與空氣的聲阻抗相差4個數量級，相差懸殊，因此當聲波射入空氣/水界面時，聲波幾乎全部被反射。
超聲波液位計的測量原理及為回波測距，利用測量聲波從發射至接受的時間間隔，結合補償后的聲波聲速得到聲波傳輸的距離h。1/2h即為超聲波探頭距離界面的距離。利用已知的儀表安裝高度與超聲波至界面的距離作差，即可獲得當前儲液裝置內的液位高度。
超聲波探頭使用最多的是由壓電晶片（或壓電陶瓷）制成的換能器。超聲波的接收和反射是基于壓電晶片的壓電效應和逆壓電效應。其工作原理是：當壓電晶片受發射脈沖激勵后產生振動，即可發射聲脈沖，此即逆壓電效應。當超聲波作用于晶片時，晶片受迫振動引起的形變可轉換成相應的電信號，此為正壓電效應。前者是超聲波的發射，后者為超聲波的接收。同一塊壓電晶體既負責超聲波的發射，也負責接收。因此，在發射狀態與接收狀態之間，需要一段時間使得壓電晶體從振蕩狀態恢復到靜止狀態，然后才能開始接收反射的超聲波信號，根據時域反射原理，這段時間代表了空間的一段距離，即盲區。在盲區內，超聲波液位計是不能進行測量的。一般超聲波液位計的測量范圍約大，其盲區就越大。
不同的超聲波頻率使用于不同量程的超聲波液位計。一般規律是量程越小，超聲波頻率越高；量程越大，超聲波頻率越低。這是因為超聲波的能量在發射和返回經過的介質中被衰減，低頻長波的能量較大，可保證超聲波的能量在長時間傳播過程中不至于衰減的太多。若超聲波能量太強，則被測頁面會產生大量空化氣泡，反而會降低回波的質量，影響測量精度。需根據測量范圍的大小，選取合適的超聲波液位計。
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