（檢測技術與自動化裝置專業(yè)論文）超聲波物位計的研制.pdf

獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工 作及取得的研究成果 據(jù)我所知 除了文中特別加以標注和致謝的地 方外 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果 也不包含 為獲得電子科技大學或其它教育機構的學位或證書而使用過的材料 與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明 確的說明并表示謝意 虢高睿 日期 2 吖礦年3 月2 日 論文使用授權 本學位論文作者完全了解電子科技大學有關保留 使用學位論文 的規(guī)定 有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁 盤 允許論文被查閱和借閱 本人授權電子科技大學可以將學位論文 的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索 可以采用影印 縮印或 掃描等復制手段保存 匯編學位論文 保密的學位論文在解密后應遵守此規(guī)定 簽名 絲導師簽名 日期 2 o 1 b 摘要 摘要 近年來 隨著科學技術的不斷發(fā)展 物位測量在工 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們的生活 中占據(jù)了越來越重要的地位 其中 最常用的一種物位測量方法是利用超聲波物 位計進行非接觸檢測 與其他方法相比 超聲波物位計具有結構簡單 安裝方便 實時性好 對惡劣環(huán)境適應性較強 不易受光線 粉塵 煙霧和電磁干擾的影響 等優(yōu)勢 在越來越多的領域發(fā)揮了無可替代的作用 目前 國內(nèi)生產(chǎn)的超聲波物 位計雖然種類和數(shù)量繁多 但質(zhì)量參差不齊 和國外產(chǎn)品相比尚存較大差距 因 此 研究精度更高 穩(wěn)定性更好和成本更低的超聲波測量方法 依然是充滿挑戰(zhàn) 性和具有現(xiàn)實意義的課題 作者在查閱國內(nèi)外大量文獻資料 深入研究超聲波特 性 經(jīng)過不斷的調(diào)研和分析的基礎上 研制出具有國內(nèi)先進水平的超聲波物位計 本課題是在力求結構簡單 成本合理的前提下 盡量完善其功能 實現(xiàn)高精 度和穩(wěn)定測量 系統(tǒng)采用 時差法 的原理 以1 6 位超低功耗單片機m s p 4 3 0 f 1 4 9 作為控制核心 首先 驅(qū)動電路產(chǎn)生的高頻脈沖激勵電壓驅(qū)動超聲波換能器發(fā)射 超聲波 同時單片機開始計時 回波經(jīng)被測物體反射后被換能器接收 經(jīng)過信號 調(diào)理電路的前置放大 帶通濾波 噪聲抑制 峰值采樣 自動增益控制 得到穩(wěn) 定的回波電壓信號 當電壓比較電路檢測到回波到達時 觸發(fā)單片機計時結束 再通過溫度補償?shù)却胧┬ｒ灣鰧崟r聲速 從而根據(jù)超聲波的傳播時間便可計算出 物位高度 課題對超聲波物位計進行了理論研究和驗證 軟硬件設計 整機調(diào)試和誤差 修正 達到了預定的設計目標 完成了對物位的精準測量 并設計了通訊接口 l c d 顯示模塊和上位機在線監(jiān)測軟件 系統(tǒng)界面友好 具有較大的市場潛力和廣 闊的應用前景 關鍵詞 超聲波 物位 換能器 溫度補償 m s p 4 3 0 一 0 a b s t r a c t a b s t r a c t r e c e n t l y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y 1 e v e lm e a s u r e m e n t p l a y sa l li n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l ei nt h ei n d u s t r y a g r i c u l t u r ea sw e l la si np e o p l e s d a i l yl i f e i nt h el e v e lm e a s u r e m e n tf i e l d s t h em o s t l yw i d e l y u s e dm e a s u r e m e n tm e t h o d i st h eu l t r a s o n i cl e v e lm e t e rf o rn o n c o n t a c td e t e c t i o n c o m p a r e dw i t ho t h e rm e t h o d s t h i sm e t h o dh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sc h e a p s i m p l i c i t y h i g hr e a l t i m e f l e x i b l e a p p l i c a t i o n a n ds t r o n ga d a p t a b i l i t y n o t a f f e c t e d b yl i g h t d u s t s m o k e a n d e l e c t r o m a g n e t i s m c u r r e n t l y m a n yt y p e sa n dq u a n t i t i e so fd o m e s t i cu l t r a s o n i cl e v e l m e a s u r i n gp r o d u c t sh a v eb e e nm a n u f a c t u r e d b u tt h ed e v e l o p m e n to f u l t r a s o n i cp r o d u c t i so b v i o u s l yl a g g e dt oa d v a n c e df o r e i g nr e s e a r c hi nt h i sf i e l d a c c o r d i n g l y i ti ss t i l l e v e ni nt h ef u t u r e o n eo ft h ec h a l l e n g i n ga n ds i g n i f i c a n tp r o b l e m si nu l t r a s o n i cf i e l dt o d e v e l o pt h eh i 曲p e r f o r m a n c ea n dl o w c o s tu l t r a s o n i cl e v e lm e t e r a f t e ra d e q u a t e r e s e a r c ha n da c c e s st oal a r g en u m b e ro fd o m e s t i ca n df o r e i g nl i t e r a t u r ed a t a a sw e l la s a n a l y s i s t h e q u a l i t yo f u l t r a s o n i ca n dc o m p a r i s o no fv a r i o u sl e v e lm e a s u r e m e n t i n s t r u m e n t a d v a n c e du l t r a s o n i cl e v e lm e t e rw a sd e v e l o p e d t h ed e s i g ng o a li st oi m p r o v ei t sf u n c t i o n su n d e rt h ep r e m i s eo fs i m p l i c i t ya n d r e a s o n a b l ec o s t i nt h es y s t e m 1 6 一b i tu l t r a l o w p o w e rm i c r o c o n t r o l l e rm s p 4 3 0 f 1 4 9 c o n t r o l st h ee n t i r es y s t e mw h i c hb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fu l t r a s o n i ct i m ed i f f e r e n c e m e t h o d t h i sp a p e rd e s i g n sh i 曲f r e q u e n c yp u l s ed r i v i n gc i r c u i tt or a i s ed r i v i n g a b i l i t y g r e a t l y a c c o r d i n gt o t h e u l t r a s o n i c c h a r a c t e r i s t i co fi n d e xa t t e n u a t i o nw h e ni t s s p r e a d i n gb e c a u s ew e n e e dt om e a s u r el o n g e rd i s t a n c e t h es i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l a r c o n s i s to fp r e a m p l i f i e rc i r c u i t b a n d p a s sf i l t e rc i r c u i t n o i s es u p p r e s s i o nc i r c u i t p e a k v a l u es a m p l i n gc i r c u i t a u t o m a t i cg a i nc o n t r o lc i r c u i t t h r e s h o l dd e t e c t i o nc i r c u i t i n a d d i t i o n t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n i st a k e nt oe n h a n c ep r e c i s i o n a sw e l la s a n t i i n t e r f e r e n c em e a s u r ei su s e di nb o t hs o f t w a r ea n dh a r d w a r ei no r d e rt os a t i s f yt h e r e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo fu l t r a s o n i cl e v e lm e t e r i nt h es t u d y i ta c c o m p l i s h e st h er e s e a r c hi nt h e o r y t h ed e s i g ni nh a r d w a r ea n d s o f t w a r e t h es y s t e md e b u g g i n g u l t r a s o n i cs e n s o rc a l i b r a t i o n m e a s u r e m e n td a t a a n a l y s i s i na d d i t i o ne r r o rc o r r e c t i o n k e y b o a r da n dl c da r ed e s i g n e df o rc o n v e n i e n t t t i t r i j 一 a b s t r a c t f i e l do p e r a t i o n a l s om u l t ic o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e sa r ep r o v i d e df o ro n l i n em o n i t o r i n g l e v e la n dr e a l t i m ep r o c e s s i n g s o f t w a r ei n c l u d e sm c up r o g r a ma n dm o n i t o r i n g s o f t w a r eo fh o s tc o m p u t e r t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ei n s t r u m e n tw o r k ss t a b l y a n d r e l i a b l y a n dh a sh i g hm e a s u r e m e n tp r e c i s i o n t h i sk i n do f u l t r a s o n i cl e v e lm e t e r m e e t s d e s i g nr e q u i r e m e n t s ot h a ti th a sh u g em a r k e tp o t e n t i a la n d w i l la p p l yw i d e l y k e y w o r d s u l t r a s o u n d l e v e l t r a n s d u c e r t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n m s p 4 3 0 i l l 0 目錄 目錄 第一章緒論 厶 1 1 i 課題研究背景及應用意義 1 1 2 國內(nèi)外超聲波物位測量儀表行業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 2 1 3 本課題主要研究工作及內(nèi)容安排 3 第二章超聲波物位測量理論分析 5 2 1 超聲波及其特性 5 2 2 超聲波換能器的研究 6 2 2 1 壓電效應和壓電換能器 7 2 2 2 超聲波換能器的主要性能 8 2 2 3a t 5 0 超聲波換能器 9 2 3 超聲波物位測量的幾個關鍵因素 1 0 2 4 超聲波物位測量方法 1 5 2 5 本章小結 19 第三章超聲波物位計系統(tǒng)的總體設計 2 0 3 1 超聲波物位計系統(tǒng)設計概述 2 0 3 2 系統(tǒng)總體設計 2 1 3 2 1 系統(tǒng)的設計思想 2 1 3 2 2 設計的關鍵問題分析 2 2 3 3 超聲波物位計的工作過程 2 3 3 4 本章小結 2 4 第四章超聲波物位計硬件系統(tǒng)設計 2 5 4 1 超聲波換能器驅(qū)動電路設計 2 5 4 1 1 換能器特性及其阻抗匹配 2 5 4 1 2 高頻脈沖變壓器設計 2 8 4 1 3 功率推挽放大電路設計 3 0 4 2 信號調(diào)理電路設計 3 2 4 2 1 回波接收及前置放大電路 3 2 目錄 4 2 2 濾波放大電路 3 3 4 2 3 噪聲抑制電路 3 6 4 2 4 峰值保持電路及a d 采樣 3 7 4 2 5d a 轉換及電壓調(diào)整電路 一3 9 4 2 6 自動增益控制 a g c 電路 4 1 4 2 7 門限電壓檢測電路 4 3 4 3 單片機接口電路設計 4 4 4 3 1m s p 4 3 0 f 1 4 9 的主要特性 4 4 4 3 2 單片機最小系統(tǒng)設計 4 5 4 4 電源電路設計 4 6 4 5 溫度補償電路及l(fā) c d 模塊設計 4 7 4 5 1 溫度補償電路設計 4 7 4 5 2l c d 模塊設計 4 9 4 6 通訊接口設計 4 9 4 6 1 串行通信接口電路 4 9 4 6 2 短距離無線通訊 5 0 4 7 本章小結 5 1 第五章系統(tǒng)軟件程序設計 5 2 5 1 單片機程序設計總體方案 5 2 5 2 單片機各子程序介紹 5 3 5 2 1 系統(tǒng)初始化子程序 5 4 5 2 2 超聲波傳播時間測量子程序 5 5 5 2 3 溫度補償子程序 5 6 5 2 4 物位計算子程序 5 8 5 2 5l c d 顯示子程序 5 8 5 2 6 通信子程序 5 9 5 3 上位監(jiān)測軟件的設計 6 1 5 4 本章小節(jié) 6 2 第六章系統(tǒng)調(diào)試與誤差修正 6 3 6 1 系統(tǒng)硬件電路調(diào)試 6 3 6 2 測試結果及數(shù)據(jù)分析 6 5 6 3 誤差分析及修正方法 6 9 v 目錄 6 3 1 系統(tǒng)響應誤差及其修正方法 6 9 6 3 2 環(huán)境的影響及溫度 壓力補償 7 0 6 3 3 測量時間的波動誤差及其修正方法 7 0 6 3 4 隨機誤差修正 7 1 6 4 本章小結 7 2 第七章結論與展望 6 9 j 致謝 7 5 參考文獻 7 6 攻碩期間發(fā)表的學術論文 7 9 附錄 8 0 v l 第 章緒論 第一章緒論弟一早三百t 匕 1 1 課題研究背景及應用意義 物位測量在自動化控制領域中占據(jù)著舉足輕重的地位 l 它的應用范圍越來越 廣泛 例如 冶金 礦山 選煤 糧倉等工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的物位測量 以及江河湖海 水位監(jiān)測 污水處理 酒廠 石油 制藥等部門的液位測量 3 j 尤其是現(xiàn)代工 農(nóng) 業(yè)生產(chǎn)的規(guī)模大 節(jié)奏快 嚴格地監(jiān)控物位是穩(wěn)定生產(chǎn)和保證安全的重要指標 從而確保生產(chǎn)在最佳的狀態(tài)下進行 早期的物位測量方法大多采用傳統(tǒng)的機械原理 近些年來隨著科學技術的進 步 物位測量方法如百花齊放 一批具有智能化 自動控制 高精度 穩(wěn)定性好 等特性的物位計 液位計 應用到工農(nóng)業(yè)各種領域 成為不可或缺的檢測手段 根據(jù)測量原理的不同 常用的物位 液位 測量方法主要有如下幾種 4 5 1 6 7 8 9 1 人工檢尺物位計 它的測量原理是 通過檢尺等測量工具 直接地觀測 出物面位置的高度 計算得到物位值 從而推算出物料或液體的體積或重量 這 種方法測量精度較低 受觀測者的主觀因素影響較大 一般存在 2 r a m 的人為誤差 而且方法原始 繁瑣 無法滿足自動化需求 特別是在惡劣的環(huán)境下會給工作人 員帶來不便和不安全因素 因此對使用環(huán)境有一定的限制 2 壓力式液位計 它的測量原理是 當液面高度變動的時候 容罐底壁或 側壁上的壓力也會隨著發(fā)生改變 通過壓力表測量出壓力 再轉換成對應的液位 高度 這種測量方法受制于壓力表的精度的影響 而且不同的壓力表適用于不同 的環(huán)境 有一定的局限性 否則測量結果會存在較大的誤差 3 浮力式液位計 它的測量原理是 當液面有波動時 浮在液體表面上的 懸浮物會隨之發(fā)生位置改變 只需測出懸浮物的位移便知道液位高低 這種測量 方法雖然簡單 但是精度并不高 并且對于波動的液體產(chǎn)生的測量誤差會更大 4 電容式物位計 它的測量原理是 利用電容物位傳感器進行測量 其內(nèi) 部電容器的電容量會隨著物位的高低而相應變化 再通過檢測電容值 便可換算 出物位高度 該方法可適用于高溫 高壓的場合 測量滯后小 但是儀表電路的 線路比較復雜 造價也較昂貴 而且在酸堿性物質(zhì)測量中 要特別做好電容物位 電子科技大學碩士學位論文 傳感器的防腐蝕工作 5 激光物位計 這種測量方法是利用激光干涉原理來實現(xiàn)的 理論上激光 物位測量的精度特別高 可是 激光的波長很小 很容易受到塵埃 霧氣 蒸汽 的影響 從而導致實際測量的精度也并不高 并且較少采用 6 雷達物位計 這種測量方法一般采用調(diào)頻微波或脈沖回波反射的原理來 進行測量的 雷達物位計的測量適用于對測量精度要求高的環(huán)境 使用帶有導波 桿的導波雷達物位計進行測量 可進一步提高精度和測量范圍 但是 液體的泡 沫和流動會導致微波信號衰減嚴重 固體物質(zhì)很容易對它產(chǎn)生干擾回波 嚴重的 甚至導致其無法正常工作 而且其設計成本較高 另外 對于導波雷達物位計 要考慮到待測物質(zhì)對導波桿的腐蝕作用和電磁噪聲影響 7 超聲波物位計 超聲波物位計是利用超聲波的獨特特性來進行物位測量 的 超聲波與微波 激光相比 它的傳播速度相對慢很多 因而對其信號進行處 理也更加容易 用超聲波作為測量的手段在近些年應用越來越廣泛 它在很多方 面體現(xiàn)了其優(yōu)點 精度較高 對人體沒有輻射危害 不會改變被測物質(zhì)的性質(zhì) 不易受光線 粉塵 煙霧和電磁干擾等惡劣環(huán)境因素導致的影響 目前 物位檢測中最常用的一種方法是利用超聲波物位計進行非接觸測量 它能夠解決人工檢尺測量的不便和繁瑣 彌補了由壓力式液位測量 浮子式液位 計 電容式物位計 激光物位計 雷達物位計等測量方式帶來的精度不太高或 易堵塞 易泄漏 易腐蝕 維護不便 價格昂貴等缺陷 特別是近些年來 隨著 超聲波換能器研究的深入以及計算機 信號處理技術和電子技術等高新技術的快 速發(fā)展 超聲波物位計的測量精度進一步有所提高 功能也更加完善 它具有其 他物位測量手段無可替代的優(yōu)勢 2 是一種性價比高 操作簡便 精度高 實時性 好 適應范圍廣 可靠性高的非接觸測量手段 具有非常樂觀的應用前剽1 0 因 此 深入研究超聲波特性 設計出新型的超聲波物位計 探討新的超聲波信號處 理方法 對推動超聲波的廣泛應用與超聲波物位測量技術的發(fā)展 都具有重要的 意義 1 2 國內(nèi)外超聲波物位測量儀表行業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 在超聲波物位測量領域的研究及應用中 國外的技術比較成熟和領先 以德 國v e g a s o n s i e m e n s 公司 美國a i r m a r e h 公司 h o n e y w e l l 等公司為代表 2 第一章緒論 已經(jīng)取得了舉世矚目的成就 它們生產(chǎn)的超聲波物位測量產(chǎn)品具有技術先進 穩(wěn) 定性好 測量精度高 自動化程度高 測量范圍廣等特點 例如e h 公司生產(chǎn)的 超聲波變送器產(chǎn)品采用多個探頭進行物位測量的方式 最大測量量程達7 0 m v e g a s o n 公司生產(chǎn)的超聲波液位計的測量精度高達測量量程的0 2 在功能上 除了常規(guī)的r s 2 3 2 r s 4 8 5 通訊 4 2 0 m a 電流環(huán)輸出外 還采用h a r t 協(xié)議 p r o f i b u s 總線標準等通訊協(xié)議 在信號處理上 國外超聲波物位測量技術能夠?qū)?波信號作精準的信號處理和分析 采用先進的濾波算法和硬件濾波技術將各種干 擾 電噪聲等濾除 代表了世界先進水平 l2 1 當前國內(nèi)精度較高的超聲物位測量產(chǎn)品主要是對國外同類先進技術采取引 進 消化 吸收 創(chuàng)新的方法 國內(nèi)自主研發(fā)超聲波物位計的公司和廠家很少 在測量量程 盲區(qū) 測量精度 穩(wěn)定性和國外同類產(chǎn)品相比都還有相當大的一段 差距 l3 1 精度不高的因素包括傳感器制作工藝檔次低 超聲波收發(fā)電路的性能欠 佳 信號處理方法和誤差修正手段相對落后 但是通過不斷的技術創(chuàng)新 國內(nèi)生 產(chǎn)的超聲波物位計的測量量程 精度已經(jīng)取得了很大的進步 特別是近些年來 隨著超聲波應用研究的不斷深入和技術引進 以及超聲換能器與工藝技術的進步 國內(nèi)超聲波物位測量技術發(fā)展態(tài)勢迅猛 取得了很好的社會效益和經(jīng)濟效益 縱觀近些年國內(nèi)外超聲波物位測量新推出的產(chǎn)品 其在功能上更加完善 通訊 協(xié)議和總線接口的可選擇性更加多樣 結合國外著名公司的先進產(chǎn)品的相關資料 來看 超聲波物位計的發(fā)展動態(tài)如下 1 功能更加完善 引入新興技術以確保穩(wěn)定性更好 精度更高 量程更廣 集成度更高 自適應和故障診斷能力更強 并且滿足多種通訊接口協(xié)議需求 2 貼近市場需求 以用戶需求為原則 研發(fā)出適應于不同環(huán)境的產(chǎn)品 3 工藝水平將不斷提高 尤其是超聲波換能器的制作工藝會不斷改進 進 一步提高測量儀表的各項指標 1 3 本課題主要研究工作及內(nèi)容安排 本課題是在查閱了國內(nèi)外大量的相關科技文獻 深入調(diào)研部分超聲波測量儀表 生產(chǎn)廠家 對國內(nèi)超聲波相關產(chǎn)品深入研究 對行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀進行綜合分析的前 提下 經(jīng)過反復論證和不斷試驗 最終確定了以1 6 位超低功耗單片機m s p 4 3 0 f 1 4 9 作為控制和信號處理核心 利用超聲波 時差法 的原理進行物位測量的系統(tǒng)方案 3 電子科技大學碩士學位論文 研制出超聲波物位計 并對其設計過程中各個技術專題展開了系統(tǒng)的理論研究 設計分析和試驗驗證 本論文每個章節(jié)的主要內(nèi)容的安排簡介如下 第一章主要介紹了課題的研究背景及應用意義 著重介紹了國內(nèi)外超聲波物位 測量儀表行業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 最后簡述了論文各個章節(jié)的內(nèi)容安排 第二章介紹了超聲波物位計設計的理論依據(jù) 包括 對超聲波及其特性的介紹 詳細研究了超聲波壓電換能器的原理 性能和特點 著重闡述了超聲波物位測量 的幾個關鍵因素及超聲波物位測量的方法 第三章首先概述了本課題總體方案設計 介紹了設計思想 分析了系統(tǒng)設計過 程中的關鍵問題 最后簡單敘述了超聲波物位計的工作過程 第四章詳述超聲波物位計硬件系統(tǒng)的設計過程 對于超聲波換能器驅(qū)動電路的 設計 課題采用了阻抗匹配 高頻脈沖升壓 功率推挽放大等技術 提高了驅(qū)動 功率和效率 后端信號調(diào)理電路的研究包括前置放大 帶通濾波 噪聲抑制 峰 值保持和a d 采樣 d a 轉換 電壓調(diào)整 自動增益控制和門限電壓檢測電路的 設計 之后 詳細敘述了單片機最小系統(tǒng) 電源電路 溫度補償電路 l c d 顯示 模塊及通訊接口的設計 第五章詳細介紹了系統(tǒng)軟件程序的設計 包括單片機各個子程序的實現(xiàn)和在線 監(jiān)測軟件的設計 第六章首先對系統(tǒng)硬件電路進行了調(diào)試 然后對超聲波物位計的測試結果和數(shù) 據(jù)進行了分析 最后探討了系統(tǒng)存在的各種誤差及其修正方法 第七章陳述了本課題的研究成果 并且總結了系統(tǒng)研發(fā)過程中需要著重關注 亟待提高的問題和作者設計經(jīng)驗 體會及建議 4 第二章超聲波物位測量理論分析 第二章超聲波物位測量理論分析 超聲波物位測量是一門以物理學 材料學 傳感器技術 電子技術和信號處 理技術等學科相互交叉的技術 深入了解與超聲波物位測量相關的物理概念 理 論研究和它在工作過程中的原理和特性 對j 下確應用超聲波進行物位測量 保證 測量目的的實現(xiàn)是非常有必要的 1 4 2 1 超聲波及其特性 人耳可聽的聲音頻率范圍是2 0 h z 2 0 k h z 頻率高于2 0 k h z 的聲波被稱為 超 聲波 不同頻率范圍的各種聲波本質(zhì)上都屬于機械波 表2 1 不同聲波的頻率范圍 單位 h z 次聲波人耳可聽聲波超聲波特超聲波 0 2 02 0 2 x 1 0 42 1 0 4 1 0 x 1 0 1 0 1 0 x 1 0 1 0 超聲波的頻率較高 在聲速恒定的情況下 于是波長相對較短 因此其衍射 能力也較差 只要傳播介質(zhì)均勻 它就能以直線定向進行傳播 并且容易聚集聲 能 傳播更遠的距離 穿透力也越強 超聲波物位測量正是利用超聲波這種獨特 的方向性和束射性來實現(xiàn)的 5 3 在應用中 產(chǎn)生超聲波最常用的一種方法是采用高頻電脈沖驅(qū)動超聲波換能 器 讓它內(nèi)部的壓電晶片機械振動 這種機械振動可以在它周圍所接觸的介質(zhì) 如 空氣 水等 中傳播 這樣便產(chǎn)生了超聲波 物位測量中所用的超聲波基本上是 以縱波的方式在彈性介質(zhì)中以能量傳遞的方式進行傳播 因此 超聲波隨著傳播 距離的增加會逐漸衰減 l5 1 超聲波的特性有很多種 傳播速度決定著測量的準確 性和可靠性 傳播衰減影響著超聲波物位計的測量距離 因此 以下僅簡單介紹 和超聲波物位測量最相關的傳播速度和衰減兩種特性 2 1 1 超聲波的傳播速度 聲速與傳播介質(zhì)的彈性模量 密度等性質(zhì)緊密相關 對于特定的均勻介質(zhì) 5 k 電子科技大學碩士學位論文 在恒定的環(huán)境中 彈性模量和密度也恒定 因此聲速是固定值 不同的介質(zhì)中 彈性模量和介質(zhì)的密度差異較大 因而其中的聲速也有所不同 例如 在常溫下 超聲波在空氣中的速度約為3 4 4 m s 在水中聲速約為1 4 4 0 m s 理論上來說 超聲波在相同的介質(zhì)中傳播速度也一樣 然而由于各種原因引 起介質(zhì)材料的不均勻 密度等性質(zhì)的變化 會引起相同介質(zhì)中的聲速有所差異 此外 對聲速影響最大的一個因素是介質(zhì)溫度的變化 比如 超聲波在空氣傳播時聲速c 隨著環(huán)境溫度r 變化的關系式是 仁3 3 1 4 4 1 t 么 2 7 3 2 1 超聲波在水中傳播時 聲速c 隨著水溫丁的變化可以用下式來表示 c 1 5 5 7 一o 0 2 4 5 7 4 一r 2 2 2 2 1 2 超聲波的傳播衰減 超聲波在傳播過程中 隨著傳播距離的增加 能量相應地逐漸衰減 這種現(xiàn) 象稱為超聲波的傳播衰減 其衰減多少和超聲波的擴散 散射和吸收有關 l 7 1 理 想介質(zhì)中超聲波的衰減只來自于超聲波的擴散 也就是傳播距離越遠超聲波的衰 減便越嚴重 散射衰減一般是由固體介質(zhì)中的顆?；蛘咭后w介質(zhì)中的懸浮粒子所 導致的 吸收衰減是由于介質(zhì)的粘滯性 熱傳導等性能導致介質(zhì)吸收聲能并轉換 為熱能而產(chǎn)生的 氣體吸收最強 因而衰減最大 液體次之 固體的吸收衰減最 小 因此 對于一樣強度的超聲波 它在液體和固體中的傳播距離要比氣體中的 傳播距離要遠 當超聲波的頻率越高 衰減就越大 因此超聲波要比其他的頻率較低的聲波 在傳播時的衰減更加明顯 此外 介質(zhì)的粘滯系數(shù)越大衰減系數(shù)也越大 衰減就越 嚴重 對于衰減問題 要特別警惕的是 可能會存在當傳播距離越大時 換能器 頻譜中的高頻成分也衰減越嚴重 從而會導致中心頻率的降低 2 2 超聲波換能器的研究 超聲波換能器是用來產(chǎn)生超聲波和接收其回波的一種傳感器 超聲波換能器 能夠?qū)㈦娔苻D換成聲能 也能將聲能變成電能 超聲波換能器是組成超聲波物位 計的關鍵部件 它的性能直接影響著發(fā)射的超聲波的強度 接收的回波信號的強 6 第二章超聲波物位測量理論分析 度 信噪比 物位計量程 最直接的影響是決定著超聲波物位計能否正常工作 5 4 超聲波是由高頻電脈沖激勵超聲換能器而產(chǎn)生的 反射回來的超聲能量又被換能 器轉換為電壓信號 實現(xiàn)電聲能量轉換最常用的方法是利用壓電換能器實現(xiàn)的 壓電換能器里的壓電晶片具有壓電效應 2 2 1 壓電效應和壓電換能器 選用壓電換能器實現(xiàn)超聲波和電壓信號的轉換 利用的正是其內(nèi)部的壓電晶 片的壓電效應 壓電效應有正壓電效應和逆壓電效應之分 正壓電效應指的是 壓電晶片在受到超聲波聲壓的振動作用下 發(fā)生形變 形成與聲壓同步變化的電 荷 晶片受力所產(chǎn)生的電荷正比于外力的大小 若沒有振動 則壓電晶片所帶的 電荷就消失 相反地 若壓電晶片在交變電場的作用下 沿著晶片縱向?qū)a(chǎn)生 和所加的交變電壓頻率相對應的機械振動 從而實現(xiàn)電能和聲能的轉換 向外發(fā) 射超聲波 這便是逆壓電效應現(xiàn)象 壓電換能器內(nèi)部的結構如圖2 1 所示 它由壓電晶片 匹配層 阻尼塊 保 護膜 外殼和電纜線等組成 14 1 l 圖2 1 壓電換能器內(nèi)部結構 其中 阻尼塊是由一些阻尼材料配置而成 粘附在壓電晶片后面 它主要有 三個方面的作用 首先 對壓電晶片的振動起阻尼作用 壓電晶片在高頻高壓脈 沖的激勵下作用后 由于振鈴響應的產(chǎn)生 晶片會持續(xù)振動一段時間 從而可能 掩蓋回波 導致盲區(qū)的增大 阻尼塊的阻尼作用正是縮短的壓電晶片的振動時間 當沒有驅(qū)動脈沖時 使壓電晶片盡快恢復平靜 從而減少盲區(qū) 但是 并不是阻 尼作用越大越好 當阻尼效果越強時 壓電晶片對回波的靈敏度也會大打折扣 因此 要選擇最適宜的阻尼作用 以使壓電晶片的性能最佳 其次 當壓電晶片 向其背面發(fā)射超聲波時 阻尼塊可以吸收這些多余的超聲波 這是由于壓電晶片 7 電子科技大學碩士學位論文 受到高頻脈沖電壓激勵產(chǎn)生振動而發(fā)射超聲波時 并沒有方向性 正向發(fā)射超聲 波的同時也會向其背面發(fā)射 從而產(chǎn)生雜亂噪聲信號 影響壓電晶片接收回波信 號 阻尼塊能吸收壓電晶片背面的超聲波 減少噪聲 另外 阻尼塊對壓電晶片 還有支墊作用 此外 不可忽略電纜線的作用 超聲波換能器需要通過高頻同軸電纜線與超 聲波驅(qū)動電路板和回波接收電路板進行聯(lián)接和阻抗匹配 這種專用的電纜線可以 屏蔽外部各種干擾噪聲等對超聲波換能器的驅(qū)動脈沖和回波信號的干擾 并且可 以避免激勵換能器工作的超聲波頻率的驅(qū)動脈沖以電波的形式向外輻射 2 2 2 超聲波換能器的主要性能 超聲波換能器的主要性能指標包括 工作頻率 相對靈敏度 頻率響應 品 質(zhì)因素 電阻抗 聲場特性等 現(xiàn)將各個指標的特點介紹如下 1 4 1 6 1 工作頻率 廠超聲波換能器的工作頻率是由壓電晶片的諧振頻率 也是換 能器發(fā)射的超聲波的頻率所決定的 超聲波換能器工作在此頻率下輸出的能量最 大 傳播距離也最遠 2 品質(zhì)因素q超聲波換能器內(nèi)部包括機械部分和電路部分 因此 和普通 的l c 電路有所區(qū)別的是 超聲波換能器的品質(zhì)因素q 由電路部分的品質(zhì)因素和機 械部分的品質(zhì)因素來綜合決定的 3 方向特性 圖2 2 是a t 5 0 換能器的方向特性圖 它體現(xiàn)了a t s 0 超聲波換能器發(fā)射聲能 的集中程度 方向特性圖中的主瓣的尖銳程度決定著超聲波探索區(qū)域范圍 因此 方向特性直接決定著超聲波物位計的工作范圍和量程 主瓣角是超聲波方向特性 中最重要的指標 超聲波的頻率越高 主瓣角越小 超聲波換能器的聲能越集中 但是聲束范圍也越窄 4 頻率響應超聲波換能器的頻率響應是指某一反射物體 換能器收到的回 波信號的頻率特性 超聲波換能器的頻譜圖可以通過頻率分析儀測得 從而可知 中心頻率 帶寬等參數(shù) 5 相對靈敏度相對靈敏度是指超聲波的回波經(jīng)換能器轉換后輸出的回波 信號電壓的峰 峰值和施加在換能器上的驅(qū)動脈沖電壓的峰 峰值的比值 相對靈敏 度是衡量超聲波換能器電能和聲能相互轉換效率的一種度量 6 阻抗特性由于超聲波換能器的特性 要求其與驅(qū)動電路之間實現(xiàn)阻抗匹 8 第二章超聲波物位測量理論分析 配 以達到最理想的驅(qū)動能量和回波接收信號 實現(xiàn)機電阻抗匹配和聲學阻抗匹 配 是讓超聲波換能器實現(xiàn)其最佳性能所要研究的重要內(nèi)容 2 2 3a t 5 0 超聲波換能器 根據(jù)設計要求 本系統(tǒng)選用a i r m a r 設計的超聲波換能器a t 5 0 作為超聲波物 位計的探測前端 6 0 9 0 6 0 9 0 圖2 2a t 5 0 超聲波換能器波束方向特性圖 圖2 2 體現(xiàn)了a t 5 0 超聲波換能器的波束方向特性 主瓣反映了換能器聲能的 集聚特性及聲束范圍 旁瓣表征了換能器聲能的分散特性 a t 5 0 的主要特征 規(guī) 格參數(shù)如下 5 6 諧振頻率 5 0 k h z 4 最小發(fā)射靈敏度 1 0 6 d br e l 工t p a v a tl m 最小接收靈敏度 1 6 2 d br e 1 v p p a 空載電容 1 k h z 5 7 0 0 p f 5 0 0 礦 聲波寬度 一3 d b 全角度 1 2 2 最大驅(qū)動電壓 2 占空比脈沖束 1 5 0 0 k p 工作溫度范圍 一4 0 c 9 0 圖2 3 是a t 5 0 超聲波換能器的外觀和它的尺寸圖 a t 5 0 超聲波換能器的外 殼采用聚酯玻璃 探頭表面采用強化環(huán)氧玻璃的材料 具有堅固的表面封裝和方 便多方面應用的柱形設計 換能器重量為1 6 0 9 對高溫 腐蝕等惡劣環(huán)境有較強 的適應性 適用于各種工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的物位測量 9 電子科技大學碩士學位論文 圖2 3a t 5 0 超聲波換能器及其尺寸 a t 5 0 超聲波換能器的發(fā)射電壓響應測試及接收電壓響應測試如圖2 4 所示 圖2 5 描述的是a t 5 0 換能器阻抗的頻率響應 須翠 t v r r v r 耥搟黝 發(fā)射電壓響疲 接收電壓響應 圖2 4a t 5 0 發(fā)射 接收電壓響應 2 3 超聲波物位測量的幾個關鍵因素 慨頻響應一 糖頻響應一 圖2 5a t 5 0 阻抗頻率響應 在系統(tǒng)的設計過程中 需要綜合考慮換能器的性能 超聲波在不同環(huán)境中的 特性以及協(xié)調(diào)電路各個指標之間的平衡 超聲波換能器的工作主要受傳播介質(zhì) 環(huán)境和電子器件本身的影響 實際應用中要選擇一個合適的換能器需要考慮到很 多因素 以下簡述應用超聲波換能器進行物位測量的一些關鍵因素 1 8 1 量程 量程即是換能器的最遠測量距離 它受很多的因素影響 超聲波換能器的測 量距離是通過聲脈沖群回波脈沖的測量得到的 設計超聲波系統(tǒng)時 傳感器本身 以外的許多因素要被考慮 包括 大氣環(huán)境 激勵 接收電路和信號處理等 1 0 第二章超聲波物位測量理論分析 2 溫度 壓力和濕度的影響 溫度的變化引起了超聲波在空氣中傳播速度的變化 本系統(tǒng)中所選的a i r r n a r 超聲波傳感器最佳工作溫度被標定在2 2 c 在非常高或非常低的溫度下工作可以 導致傳感器聲學匹配層的去諧和共振頻率的偏移 從而降低了傳感器的工作性能 共振頻率偏移大約 0 8 每1 0 c 或o 8 每 1 0 c 靈敏度的降低在大多數(shù)應用 下是允許的 但是在溫度變化范圍很大的環(huán)境中必須要修正 式2 1 2 2 分別表 示了超聲波在空氣和水中傳播時 聲速隨溫度的變化關系 雖然壓力會對超聲波換能器的工作狀態(tài)有所影響 但是它不會直接導致聲速 的變化 這是由于壓力的變化會引起溫度的變化 從而會影響聲速的變化 壓力p 和溫度丁之間的關系可以表示為 t 盯尸 r 為常數(shù) 壓力從只變化到只 溫度 從z 到正的對應關系是 7 1p l n i 1 4 l n 玉 2 3 互 相對濕度 1 0 一2 0 3 0 一4 0 一5 0 一 8 7 6 袁 減 d s m 4 3 2 1 4 0 2 002 04 06 08 01 0 0 溫度口c 圖2 6空氣中一個大氣壓下信號衰減 超聲波在空氣中的特性隨著環(huán)境的改變而變化 如圖2 6 所示 超聲波信號的 衰減是溫度 濕度 頻率和空氣壓力的函數(shù) 空氣中聲音的傳播速度是溫度的主 函數(shù) 如式2 1 所示 而濕度對聲音傳播速度影響較小 下圖中溫度范圍內(nèi)濕度對 聲音傳播速度的影響小于o 6 a i r m a r 超聲波傳感器提供可供選的內(nèi)部熱敏電阻 以對聲波進行補償 而外部溫度傳感器可在更加寬的范圍內(nèi)進行更精確的校準 電子科技大學碩士學位論文 3 氣流和水汽的影響 最遠測量距離受空氣擾動的影響 空氣擾動可使聲波偏移 也可干擾超聲波 傳播 降低回波信號的質(zhì)量 氣流總是試圖讓聲波順流而行 大氣流可以使聲波 完全偏離方向 從而探測不到被測目標 聲波傳播路徑上的雪和雨也會削弱聲波 從而縮短探測距離 低頻傳感器發(fā)射的超聲波波長較長 它受雨雪的影響沒有高 頻傳感器的大 當超聲波傳感器浸濕在水中時 雖然不會損壞傳感器 但其有效 面的流體會使匹配層去諧 從而降低傳感器的特性 傳感器表面有持續(xù)的水流時 將會削弱傳感器的性能 4 電 聲干擾 超聲波傳感器易受r f i 射頻干擾 和e m i 電磁干擾 的影響 在特定的環(huán) 境中需要進行有效的屏蔽和選擇有效的屏蔽線 高壓力出風口 如 吹風機 鼓風機等 引起大量的超聲波干擾噪音 這些 噪音有很寬的頻帶 很難被濾掉 所以應該避免將超聲波探頭安裝在吹風機等相 關器械附近 安裝在振動設備上的傳感器也可能接收到一些耦合干擾 如果傳感 器易受到振動 應該把振動裝置傳遞給超聲波傳感器的振動降低到最小 5 被測目標物體 超聲波物位計回波信號的強度取決于被測物體的表面特性 所有的被測介質(zhì) 對超聲波都有反射 吸收和傳輸?shù)默F(xiàn)象 實際測量中 液體界面的回波遠遠好于 固體介質(zhì) 這是由于固體介質(zhì)的表面顆粒密布 就導致回波比較分散 與發(fā)射波 束垂直的硬的 平滑的 平坦的目標物體返回的回波信號強度最強 這樣可以探 測到更遠的距離 例如 液體 玻璃 瓷磚地板和金屬物體等介質(zhì) 反射波豪 平沿的反射目標物體 圖2 7 超聲波以入射角反射 1 2 第二章超聲波物位測量理論分析 如果表面是粗糙且不規(guī)則的目標物體 那么由于超聲波的散射使返回的聲波 振幅雜亂無章 這類目標的缺點是返回信號太弱 但它的優(yōu)點是使得目標陣列不 再重要 另外 不同的材料有范圍很廣的不同的反射聲波的能力 例如 紡織品 和泡沫表面有最低的反射率 導致回波振幅也很低 因此 降低了傳感器有效探 測的距離 需要說明的是 如圖2 7 所示 如果波束不垂直 即使目標物體非常理 想 波束將會以入射角度被反射 這種情況下 超聲波傳感器將接收不到回波 例如 如果目標偏移了2 5 0 傳感器波束角度1 0 的信號將會以3 d b 的速度衰減 6 波束角度 超聲波傳感器以一定的波束模式傳輸能量 大部分能量被集中在主瓣 主瓣 決定著波束的寬度 主瓣外部的能量集中在旁瓣 旁瓣由于產(chǎn)生幻影回波會掩飾 目標的正確位置 任何超聲波傳感器都無法徹底消除旁瓣 但可以盡量使傳感器 的旁瓣降低 本系統(tǒng)所選的a i r m a r 超聲波傳感器旁瓣水平低于主瓣1 7 d b 圖2 2 描述了a t 5 0 超聲波換能器波束方向特性圖 波束寬度定義為波束方向 特性圖一3 d b 水平的全角度 波束角度寬的傳感器會降低傳感器探測距離 且與窄 波束角度的傳感器相比有較弱的目標辨別能力 寬波束在更廣的范圍內(nèi)擴散了聲 波能量 因此與窄波束傳感器相比 從目標返回的聲波能量更小 與寬波束相比 在不規(guī)則表面返回的回波 窄波束回波振幅變化很大 就像是波動的流體目標一 樣 7 環(huán)境條件 本系統(tǒng)所用超聲波傳感器是基本用于空氣中對液位或物位進行測量 浸入液 體中使用的 需選用耐腐蝕 防滲漏的特殊材料包裝 并且與液體有良好耦合特 性的專用傳感器 它可在大部門環(huán)境中使用 但是不能接觸腐蝕性物質(zhì)或放在濃 度較高的環(huán)境中 大部分化學蒸汽不會損壞該傳感器 除了酮 若需要安裝在腐 蝕性化學環(huán)境或破壞性蒸汽中長期工作的傳感器 需要選用專門的材料的超聲波 傳感器 8 盲區(qū) 超聲波換能器內(nèi)部包含一個或者多個壓電晶體 以產(chǎn)生壓電效應和逆壓電效 應分別發(fā)射和接收超聲波 當壓電晶片受到高頻電脈沖激勵時 會產(chǎn)生一段時間 的共鳴 振鈴現(xiàn)象 隨著電脈沖的減弱和消失 壓電晶片的振動能量會相應減弱 振幅最終將趨向于零 若在接收回波信號期間 共鳴現(xiàn)象依然存在 共鳴會將回 波信號掩蓋 從而導致超聲波換能器無法準確判定回波 這段時間導致無法測量 的距離范圍被稱為盲區(qū) 共鳴時間越長 盲區(qū)越大 1 3 電子科技大學碩士學位論文 盲區(qū)是指換能器的表面到被測物位 液位 的最小測量距離 在盲區(qū)內(nèi) 回 波被發(fā)射噪聲所掩蓋而無法識別 盲區(qū)是由于振鈴現(xiàn)象 r i n g i n g 所產(chǎn)生的 而 振鈴現(xiàn)象是因為電脈沖激勵作用于壓電換能器的壓電晶片而造成的持續(xù)振動 由 于壓電陶瓷的特性和換能器設計的局限性 換能器工作時總會有大量的振鈴時間 當脈沖激勵停止時 而振鈴現(xiàn)象或多或少耗費了部分機械能和電能 超聲波換能器振鈴的大小是由其設計情況而決定的 相同設計的不同換能器 也由于制造工藝的差別而導致振鈴的大小有所差異 用于驅(qū)動換能器的不同種類 的電脈沖對于振鈴現(xiàn)象也有很大的影響 換能器有很多種類的振動 一些振動和 空氣有很大的關系 而一些和空氣沒有關系 當設計一個超聲波系統(tǒng)時 其目標 是以和空氣有很大關系的頻率驅(qū)動換能器 而避免外部的共振 因此 使用窄帶 寬的聲脈沖群是非常有效的方式 相反地 使用寬帶寬的脈沖群會激發(fā)非常不理 想的振動 當各種頻率的噪聲被激發(fā)出來時 振鈴時間也會隨之增加 l 3 43 6 4 04 24 44 6 頻率 r i i z 圖2 8 鄰近二次反應圖 所有的空氣超聲波傳感器都有一個二級諧振 它鄰近于理想諧振的頻率 二 次諧振是為了讓壓電陶瓷晶片更好地與空氣耦合而使用聲匹配層的結果 如圖 2 8 二次諧振與理想諧振相比 它與空氣耦合得更弱而且振鈴現(xiàn)象更嚴重 9 傳感器的安裝 由于超聲波傳感器屬于機電類型的儀器 一些振動能量被傳入傳感器的安裝 支座 這些剛性支座會加強振動從而延長了振鈴時間 傳感器在安裝時 不應該 被固定在一個承壓的安裝位置 比如 可以將傳感器粘貼在一個滑動的安裝孔上 最好僅與傳感器的前面或后面的邊緣接觸 其安裝示意圖如圖2 9 左圖所示 如果 傳感器需要安裝在狹小的空間內(nèi) 則需要用軟的密封膠