超聲波液位計的設計與實現

1超聲波原理

　　超聲波(bo)(bo)在空氣中(zhong)的傳播速度(du)為(wei)340m/s，因此，如果能(neng)測(ce)出超聲波(bo)(bo)在空氣中(zhong)的傳播時間(jian)，就(jiu)能(neng)算(suan)出其傳播的距(ju)離(li)(li)。超聲波(bo)(bo)測(ce)量(liang)液(ye)位，就(jiu)是(shi)通過測(ce)定超聲波(bo)(bo)傳播的時間(jian)間(jian)隙來測(ce)出聲波(bo)(bo)傳送的距(ju)離(li)(li)。具體方(fang)法：見圖1。由安裝(zhuang)于被(bei)測(ce)容器頂部的超聲波(bo)(bo)探頭向液(ye)面發(fa)射一束超聲波(bo)(bo)，聲波(bo)(bo)被(bei)液(ye)面反(fan)射后(hou)，由探頭接收。控(kong)制器測(ce)得(de)(de)傳播時間(jian)t，根(gen)據聲速v，即(ji)可得(de)(de)出液(ye)面至(zhi)探頭的空間(jian)距(ju)離(li)(li)L。在已(yi)經探頭至(zhi)容器底部距(ju)離(li)(li)，即(ji)安裝(zhuang)高度(du)H的前提下(xia)，可得(de)(de)出容器內的液(ye)位高度(du)h。計算(suan)公式(shi)為(wei)：

　　H=H-L其(qi)中L=v•t/2

　　另外，由于(yu)空(kong)氣(qi)溫度對聲速(su)有一定的影響，所(suo)以還應測出環境空(kong)氣(qi)溫度T，以修(xiu)正聲速(su)。公式為：

　　v=331.46 0.61•T（℃）

　　2超聲波液位計的主要電路

　　超聲波液位計由(you)超聲(sheng)波探頭(tou)，發(fa)射(she)控(kong)制與(yu)接(jie)(jie)收處理電路(lu)，控(kong)制器(qi)(qi)和顯示(shi)等(deng)部分組成。其硬件結構框圖如(ru)(ru)圖2所(suo)示(shi)。收發(fa)及(ji)換能器(qi)(qi)探頭(tou)由(you)壓電式換能器(qi)(qi)、收發(fa)器(qi)(qi)及(ji)溫度(du)補(bu)償電路(lu)組成；收發(fa)器(qi)(qi)包括(kuo)發(fa)射(she)控(kong)制與(yu)接(jie)(jie)收處理電路(lu)，主(zhu)要(yao)(yao)由(you)超聲(sheng)波發(fa)射(she)脈寬控(kong)制、回波信號檢波、比較、微分、整形(xing)等(deng)信號處理電路(lu)組成；顯示(shi)電路(lu)采(cai)用74LS164和LED組成，完(wan)成系(xi)統參數及(ji)液位(wei)高度(du)的(de)(de)(de)(de)顯示(shi)；控(kong)制器(qi)(qi)是以80C552單片(pian)微機組成的(de)(de)(de)(de)應用系(xi)統，主(zhu)要(yao)(yao)完(wan)成按鍵(jian)的(de)(de)(de)(de)掃描處理，超聲(sheng)波的(de)(de)(de)(de)發(fa)射(she)控(kong)制，接(jie)(jie)收回波時間的(de)(de)(de)(de)計算，以及(ji)液位(wei)的(de)(de)(de)(de)換算等(deng)。本(ben)文重點介紹(shao)為了提高測(ce)量(liang)精度(du)及(ji)減小測(ce)量(liang)盲區(qu)對超聲(sheng)波回波檢測(ce)所(suo)采(cai)取的(de)(de)(de)(de)軟硬件措施(shi)。電路(lu)如(ru)(ru)圖3所(suo)示(shi)。

　　當(dang)超聲波(bo)(bo)發(fa)(fa)射時(shi)，發(fa)(fa)射波(bo)(bo)或(huo)接(jie)收的(de)(de)(de)回波(bo)(bo)皆可經接(jie)收回路將信號由In端輸(shu)入，通過檢波(bo)(bo)、放大、比(bi)較、微分，在D觸發(fa)(fa)器的(de)(de)(de)R端形(xing)成尖脈(mo)沖。該脈(mo)沖信號經D觸發(fa)(fa)器整形(xing)得到(dao)一個下跳變的(de)(de)(de)窄脈(mo)沖，送到(dao)80C552的(de)(de)(de)INT端。通過20C552的(de)(de)(de)中(zhong)(zhong)斷系(xi)統(tong)記錄每(mei)次中(zhong)(zhong)斷時(shi)刻，根據相鄰兩次中(zhong)(zhong)斷的(de)(de)(de)時(shi)間(jian)間(jian)隔，也就知(zhi)道了從(cong)發(fa)(fa)射至(zhi)接(jie)收到(dao)回波(bo)(bo)這段時(shi)間(jian)，即超聲波(bo)(bo)來(lai)回傳播的(de)(de)(de)時(shi)間(jian)，從(cong)而(er)可以計算出(chu)傳播的(de)(de)(de)距離。

3提高測量精度、縮(suo)小測量盲區的措施

　　本文重(zhong)點闡述了(le)在(zai)利(li)用(yong)超聲波(bo)檢(jian)測中為提高測量(liang)精度以(yi)及減小(xiao)測量(liang)盲區所采(cai)取的軟、硬件措施。

　　在(zai)(zai)超(chao)聲(sheng)波(bo)(bo)發(fa)(fa)射(she)以及存在(zai)(zai)較強(qiang)余振的(de)(de)(de)(de)時(shi)(shi)候(hou)，是(shi)不(bu)(bu)能同(tong)(tong)時(shi)(shi)檢(jian)測(ce)回(hui)(hui)(hui)波(bo)(bo)的(de)(de)(de)(de)。因此，在(zai)(zai)距(ju)(ju)探頭(tou)發(fa)(fa)射(she)面(mian)較近(jin)的(de)(de)(de)(de)一(yi)(yi)定距(ju)(ju)離(li)(li)內不(bu)(bu)能正常檢(jian)測(ce)，形(xing)(xing)成檢(jian)測(ce)盲(mang)(mang)區(qu)(qu)(qu)。一(yi)(yi)般常見的(de)(de)(de)(de)國內外超(chao)聲(sheng)波(bo)(bo)儀表盲(mang)(mang)區(qu)(qu)(qu)范(fan)圍大于0.30m。通(tong)過對測(ce)量(liang)精(jing)度(du)以及盲(mang)(mang)區(qu)(qu)(qu)形(xing)(xing)成原因進(jin)行具(ju)體的(de)(de)(de)(de)分析，得出盲(mang)(mang)區(qu)(qu)(qu)的(de)(de)(de)(de)大小主(zhu)要與發(fa)(fa)射(she)波(bo)(bo)的(de)(de)(de)(de)強(qiang)弱(ruo)以及回(hui)(hui)(hui)波(bo)(bo)檢(jian)測(ce)的(de)(de)(de)(de)方(fang)法(fa)有(you)關。一(yi)(yi)般情況(kuang)下(xia)，當(dang)距(ju)(ju)離(li)(li)相同(tong)(tong)時(shi)(shi)，發(fa)(fa)射(she)波(bo)(bo)強(qiang)，接收的(de)(de)(de)(de)回(hui)(hui)(hui)波(bo)(bo)信(xin)號就(jiu)(jiu)強(qiang)，但余振也(ye)強(qiang)，盲(mang)(mang)區(qu)(qu)(qu)就(jiu)(jiu)大。反之，則小。當(dang)發(fa)(fa)射(she)波(bo)(bo)強(qiang)度(du)相同(tong)(tong)時(shi)(shi)，檢(jian)測(ce)距(ju)(ju)離(li)(li)愈近(jin)，接收的(de)(de)(de)(de)回(hui)(hui)(hui)波(bo)(bo)信(xin)號愈強(qiang)，盲(mang)(mang)區(qu)(qu)(qu)愈大。其次，當(dang)超(chao)聲(sheng)波(bo)(bo)探頭(tou)向液(ye)面(mian)發(fa)(fa)射(she)一(yi)(yi)束超(chao)聲(sheng)波(bo)(bo)后，該波(bo)(bo)在(zai)(zai)液(ye)面(mian)與探頭(tou)之間多次反射(she)，使(shi)接收回(hui)(hui)(hui)路產(chan)生多個回(hui)(hui)(hui)波(bo)(bo)，在(zai)(zai)80C552形(xing)(xing)成一(yi)(yi)串(chuan)中斷(duan)信(xin)號。其中發(fa)(fa)射(she)脈沖(chong)寬(kuan)(kuan)度(du)對測(ce)量(liang)精(jing)度(du)的(de)(de)(de)(de)影響(xiang)很大，為此，本儀器在(zai)(zai)設(she)計(ji)時(shi)(shi)采取以下(xia)措施(shi)：①自動(dong)控(kong)制發(fa)(fa)射(she)波(bo)(bo)的(de)(de)(de)(de)強(qiang)弱(ruo)以減小檢(jian)測(ce)盲(mang)(mang)區(qu)(qu)(qu)。具(ju)體做(zuo)法(fa)是(shi)通(tong)過測(ce)試性的(de)(de)(de)(de)發(fa)(fa)射(she)和距(ju)(ju)離(li)(li)的(de)(de)(de)(de)檢(jian)測(ce)，使(shi)得發(fa)(fa)射(she)波(bo)(bo)的(de)(de)(de)(de)弱(ruo)強(qiang)隨檢(jian)測(ce)距(ju)(ju)離(li)(li)的(de)(de)(de)(de)變化而變化。②在(zai)(zai)軟件設(she)計(ji)中實施(shi)一(yi)(yi)些(xie)特殊的(de)(de)(de)(de)處(chu)理(li)(li)方(fang)法(fa)，郡(jun)在(zai)(zai)記錄(lu)回(hui)(hui)(hui)波(bo)(bo)的(de)(de)(de)(de)時(shi)(shi)刻(ke)中，每次測(ce)量(liang)連續記錄(lu)四次回(hui)(hui)(hui)波(bo)(bo)時(shi)(shi)刻(ke)，在(zai)(zai)計(ji)算回(hui)(hui)(hui)波(bo)(bo)時(shi)(shi)間時(shi)(shi)，以最后兩(liang)次的(de)(de)(de)(de)時(shi)(shi)刻(ke)差作為超(chao)聲(sheng)波(bo)(bo)的(de)(de)(de)(de)傳播時(shi)(shi)間。這樣處(chu)理(li)(li)就(jiu)(jiu)避免了發(fa)(fa)射(she)脈沖(chong)寬(kuan)(kuan)度(du)對測(ce)量(liang)的(de)(de)(de)(de)影響(xiang)，從而使(shi)測(ce)量(liang)更加準確，并且還可使(shi)盲(mang)(mang)區(qu)(qu)(qu)最小減到0.05m。

　　另外，為了防止干擾波(bo)及發射(she)波(bo)寬度和多(duo)次回(hui)波(bo)的(de)(de)(de)重疊對測(ce)量(liang)的(de)(de)(de)影(ying)響，本設(she)計在(zai)(zai)接收(shou)回(hui)波(bo)的(de)(de)(de)電(dian)路中(zhong)，增加了一個電(dian)平可變的(de)(de)(de)門(men)限(xian)，該(gai)電(dian)平由80C552的(de)(de)(de)PWM脈(mo)寬調制端通過必要(yao)的(de)(de)(de)接口電(dian)路形(xing)(xing)成的(de)(de)(de)D/A轉換器的(de)(de)(de)輸出提(ti)供。門(men)限(xian)電(dian)平的(de)(de)(de)高低應盡量(liang)使產生回(hui)波(bo)的(de)(de)(de)中(zhong)斷時(shi)(shi)刻發生在(zai)(zai)靠(kao)近回(hui)波(bo)波(bo)形(xing)(xing)的(de)(de)(de)中(zhong)心位置，以減小波(bo)形(xing)(xing)寬度對測(ce)量(liang)時(shi)(shi)間的(de)(de)(de)影(ying)響。

　　通過上(shang)述處(chu)理，對(dui)于(yu)(yu)(yu)所要求測(ce)(ce)量(liang)范圍0.20m~8m內，測(ce)(ce)量(liang)最大(da)誤差為0.006m，且重復性(xing)好由(you)于(yu)(yu)(yu)本(ben)文設計(ji)的超聲波液(ye)位計(ji)，具有硬件結構簡單，工(gong)作可靠(kao)及上(shang)述的特點(dian)，因此，它不僅可用(yong)于(yu)(yu)(yu)化(hua)工(gong)、電(dian)力、石油等行(xing)業的液(ye)位測(ce)(ce)量(liang)中，還可以(yi)用(yong)在其它的測(ce)(ce)距系統(tong)中。