基于超聲波傳感器的液位測(cè)量.doc

基于超聲波傳感器的液位測(cè)量1.摘要超聲波傳感器應(yīng)用廣泛，其中液體液位的準(zhǔn)確測(cè)量是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程檢測(cè)和實(shí)時(shí)控制的重要保障，也是實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。本文主要介紹液位的測(cè)量。液體罐內(nèi)液位測(cè)量的方法有很多種，其中超聲波傳感器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、費(fèi)用低、信息處理簡(jiǎn)單可靠，易于小型化與集成化，并且可以進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，所以超聲波測(cè)量法得到了廣泛的應(yīng)用。2.超聲波概要超聲波是指頻率高于20kHz的機(jī)械波，一般由壓電效應(yīng)或磁致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生；它沿直線傳播，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)；它還具有強(qiáng)度大、方向性好等特點(diǎn)，為此，利用超聲波的這些性質(zhì)就可制成超聲波傳感器。超聲波傳感器是利用超聲波在超聲場(chǎng)中的物理特性和各種效應(yīng)研制而成的傳感器。超聲波傳感器按其工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等，其中以壓電式最為常用。壓電式超聲波傳感器常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷，它是利用壓電材料的壓電效應(yīng)來(lái)工作的：逆壓電效應(yīng)將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械震動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭；而正壓電效應(yīng)是將超聲波振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，可作為接收探頭。3.檢測(cè)方法選擇從測(cè)量范圍來(lái)說(shuō)，有的液位計(jì)只能測(cè)量幾十厘米，有的卻可達(dá)幾十米。從測(cè)量條件和環(huán)境來(lái)說(shuō)，有的非常簡(jiǎn)單，有的卻十分復(fù)雜。例如:有的是高溫高壓，有的是低溫或真空，有的需要防腐蝕、防輻射，有的從安裝上提出苛刻的限制，有的從維護(hù)上提出嚴(yán)格的要求等。按測(cè)量液位的感應(yīng)元件與被測(cè)液體是否接觸，液位儀表可以分為接觸型和非接觸型兩大類。接觸型液位測(cè)量主要有:人工檢尺法、浮子測(cè)量裝置、伺服式液位計(jì)、電容式液位計(jì)以及磁致伸縮液位計(jì)等。它們的共同點(diǎn)是測(cè)量的感應(yīng)元件與被測(cè)液體接觸，即都存在著與被測(cè)液體相接觸的測(cè)量部件且多數(shù)帶有可動(dòng)部件。因此存在一定的磨損且容易被液體沾污或粘住，尤其是桿式結(jié)構(gòu)裝置，還需有較大的安裝空間，不方便安裝和檢修。非接觸型液位測(cè)量主要有超聲波液位計(jì)、微波雷達(dá)液位計(jì)、射線液位計(jì)以及激光液位計(jì)等。顧名思義，這類測(cè)量?jī)x表的共同特點(diǎn)是測(cè)量的感應(yīng)元件與被測(cè)液體不接觸。因此測(cè)量部件不受被測(cè)介質(zhì)影響，也不影響被測(cè)介質(zhì)，因而其適用范圍較為廣泛，可用于接觸型測(cè)量?jī)x表不能滿足的特殊場(chǎng)合，如粘度高、腐蝕性強(qiáng)、污染性強(qiáng)、易結(jié)晶的介質(zhì)。根據(jù)以上幾種因素得知，超聲波液位計(jì)是非接觸式液位計(jì)中發(fā)展最快的一種。超聲波在同一種介質(zhì)中傳播速度相對(duì)恒定，遇到被測(cè)物體表面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射，基于此原理研制出了超聲波液位計(jì)。目前，智能化的超聲波液位計(jì)能夠?qū)邮招盘?hào)做精確的處理和分析:可以將各種干擾信號(hào)過(guò)濾出來(lái):識(shí)別多重回波;分析信號(hào)強(qiáng)度和環(huán)境溫度等有關(guān)信息。這樣即便在有外界干擾的情況下，也能夠進(jìn)行精確的測(cè)量。超聲波液位計(jì)不僅能定點(diǎn)和連續(xù)測(cè)量，而且能方便地提供遙測(cè)和遙控所需的信號(hào)。同時(shí)，超聲波液位計(jì)不存在可動(dòng)部件，所以在安裝和維護(hù)上相應(yīng)比較方便。超聲測(cè)位技術(shù)可適用于氣體、液體或固體等多種測(cè)量介質(zhì)，因而具有較大的適應(yīng)性且價(jià)格較為便宜。新型氣密結(jié)構(gòu)、耐腐蝕的超聲波傳感器可測(cè)量高達(dá)幾十米的液位。所以本設(shè)計(jì)采用超聲波外側(cè)液位測(cè)量方法。4.超聲波測(cè)距原理及方法選擇超聲波液位測(cè)量的方法有多種，如超聲脈沖回波法、共振法、頻差法、超聲衰減法等。超聲脈沖回波法的基本原理是由超聲波傳感器的發(fā)射探頭發(fā)射超聲波，當(dāng)超聲波遇到障礙物時(shí)會(huì)被反射，利用單片機(jī)記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和接收到回波的時(shí)間，根據(jù)當(dāng)前環(huán)境下超聲波的傳播速度，即可通過(guò)公式S=C*t/2(式中S為被測(cè)距離，C為超聲波傳播速度，t為回波時(shí)間。)計(jì)算出超聲波傳播的距離，也就得到了障礙物離測(cè)試系統(tǒng)的距離。共振法的基本原理是調(diào)節(jié)超聲波的頻率，使得探頭和液面之間建立駐波共振狀態(tài)，這時(shí)探頭與液面之間的距離就與超聲在介質(zhì)中的波長(zhǎng)成一定的比例關(guān)系。當(dāng)超聲波速度己知時(shí)，就可根據(jù)共振頻率計(jì)算波長(zhǎng)再換算出探頭到液面的距離因。頻差法就是讓超聲探頭發(fā)出調(diào)頻的超聲波，超聲波的頻率隨傳播距離的不同而不同，根據(jù)接收信號(hào)和發(fā)射信號(hào)間的頻差可得到從發(fā)射到接收的時(shí)間。超聲衰減測(cè)量顧名思義就是超聲波在被測(cè)介質(zhì)中的衰減量隨距離變化，根據(jù)接收信號(hào)和發(fā)射信號(hào)間的衰減量變化測(cè)量液位。從以上方法的對(duì)比中可以看出，用共振法檢測(cè)液位受到一些具體條件的限制，需要與液面建立駐波關(guān)系，并且它屬于一種接觸式測(cè)量方法。頻差法需要調(diào)頻器產(chǎn)生調(diào)制頻率，衰減法需測(cè)量超聲波的衰減量。相比較而言，超聲波脈沖回波法無(wú)需與液面之間建立駐波，并且可以實(shí)現(xiàn)非接觸檢測(cè)。所以脈沖回波法是其中最適合的方法，本文將采用該方法實(shí)現(xiàn)超聲波外測(cè)液位檢測(cè)。5.系統(tǒng)分析和總體設(shè)計(jì)5.1對(duì)液位測(cè)量系統(tǒng)的要求系統(tǒng)由超聲波傳感器、單片機(jī)和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊組成。傳感器將接收到的信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)處理后由無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊送入上位機(jī)進(jìn)行顯示、超限報(bào)警等操作。通過(guò)對(duì)超聲波接收信號(hào)進(jìn)行的有效處理，基本上消除時(shí)間檢測(cè)誤差，并進(jìn)行溫度補(bǔ)償計(jì)算。主要技術(shù)指標(biāo)（1）液位量程:05m；（2） 測(cè)量誤差:0.1%；（3） 顯示分辨率:lmm；（4） 環(huán)境溫度:-1060；5.2系統(tǒng)組成系統(tǒng)由上位機(jī)系統(tǒng)和下位機(jī)系統(tǒng)組成。下位機(jī)包括超聲波傳感器、單片機(jī)、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊，上位機(jī)由單片機(jī)、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊、鍵盤(pán)、顯示和報(bào)警等部分組成。上位機(jī)與下位機(jī)之間通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊進(jìn)行通信。因?yàn)榉煮w式超聲波液位傳感器的電子單元（參數(shù)設(shè)定、顯示、信號(hào)輸出）與超聲波探頭分開(kāi)，通過(guò)纜線相連接，超聲波探頭安裝于容器上部，電子單元（即主機(jī)）可以靈活選擇安裝位置，便于觀察、操作。所以采用T/R40-16型超聲波傳感器。T/R40-16為收發(fā)分體式壓電陶瓷超超聲波傳感器，T40-16為發(fā)射探頭，能發(fā)射中心頻率為40KHz的超聲波；R40-16為接收探頭，可以接收中心頻率為40KHz的超聲波并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。而且，價(jià)格很低。信號(hào)調(diào)理電路包括超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路兩部分。圖1 傳感器系統(tǒng)框圖（2）超聲波產(chǎn)生電路由單片機(jī)產(chǎn)生40KHz的TTL 脈沖信號(hào)通過(guò) P1.0 口輸出，再經(jīng)過(guò)三極管Q1和變壓器TR1進(jìn)行功率放大。為了產(chǎn)生的超聲波信號(hào)強(qiáng)度能夠滿足測(cè)量范圍 05m 的要求，超聲波探頭上所加的電壓應(yīng)達(dá)到100V 左右，變壓器的變比大致為 N1：N2=1：10，在變壓器副線圈上將電壓 10 倍放大，超聲波探頭上的正弦電壓約為 100V。 TR1 原線圈上，串聯(lián)限流電阻 R2；TR1副線圈上，C1 應(yīng)與變壓器副邊繞組諧振于發(fā)射頻率。圖2 超聲波產(chǎn)生發(fā)射電路（2）超聲波接收電路超聲波接收電路所要完成的功能是當(dāng)反射回波進(jìn)入超聲波探頭時(shí)引起晶片震動(dòng)，產(chǎn)生電壓信號(hào)，對(duì)該電壓信號(hào)進(jìn)行處理后送入INT0產(chǎn)生中斷申請(qǐng)信號(hào)，定時(shí)器停止計(jì)時(shí)。由于此電壓信號(hào)非常微弱，因此首先要對(duì)其進(jìn)行放大，然后通過(guò)比較電路檢測(cè)到當(dāng)放大后的信號(hào)的幅值超過(guò)規(guī)定的閾值時(shí)產(chǎn)生中斷申請(qǐng)信號(hào)，并將該信號(hào)作為停止計(jì)時(shí)信號(hào)。該電路由CX20106A組成。集成電路CX20106A是一款紅外接收的專用芯片，常用于電視紅外遙控器。常用的載波頻率38KHz與測(cè)距的40khz較為相近，可以利用它來(lái)做接收電路。適當(dāng)?shù)母淖僀3的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。該方法電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，易于調(diào)試和使用，且芯片的靈敏度和抗干擾能力都能滿足系統(tǒng)的需求。圖3 超聲波接收電路CX20106A集成芯片由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器、整型電路組成。其中的前置放大器具有自動(dòng)增益控制功能，可以保證在超聲波傳感器接收較遠(yuǎn)反射信號(hào)輸出微弱電壓時(shí)放大器有較高的增益。在近距離輸入信號(hào)強(qiáng)時(shí)放大器不會(huì)過(guò)載。其帶通濾波器中心頻率可由芯片腳5的外接電阻調(diào)節(jié)。其主要指標(biāo)：?jiǎn)坞娫?V供電，電壓增益7779dB，輸入阻抗27K，常用的載波頻率38KHz與測(cè)距的40KHz較為相近，可以利用它來(lái)做接收電路。適當(dāng)?shù)母淖僀3的大小，可以改變接受電路的靈敏度和抗干擾能力。功能描述為：在接收到與濾波器中心頻率相符的信號(hào)時(shí)，其輸出腳7輸出低電平。芯片中的帶通濾波器、積分器等使得它抗干擾能力很強(qiáng)。放大器輸出腳7直接接單片機(jī)INT0口以觸發(fā)中斷。用CX20106A接收超聲波（無(wú)信號(hào)時(shí)輸出高電平），具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。5.3 溫度補(bǔ)償電路由于超聲波是一種聲波，它的傳播速度受空氣密度的影響，密度越大，傳播速度越快，而空氣密度和溫度有密切關(guān)系，所以溫度變化時(shí)，聲速也變化，導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確。超聲波傳播速度C隨環(huán)境溫度變化如下：C=331.45(1+T/273.16)其泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)式（僅保留到一次項(xiàng)）為： C=331.5+0.607T6. 總結(jié)本文介紹的基于單