儲(chǔ)油罐超聲波油量液位檢測儀畢業(yè)論文.doc

1、( 此文檔為 word 格式，下載后您可任意編輯修改！)摘要課題針對(duì)儲(chǔ)油罐油量液位檢測的實(shí)際問題，開發(fā)了一種使用單片機(jī)的超聲波液位測量儀。介紹了液位測量儀的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，深入討論了用超聲波作為信號(hào)源進(jìn)行液位測量的可行性及優(yōu)越性，以及產(chǎn)生誤差的各種原因，并提出了相應(yīng)的解決辦法。本課題詳細(xì)介紹了超聲波傳感器的原理和特性，以及 Atmel 公司的 AT89C51 單片機(jī)的性能和特點(diǎn)，并在分析了超聲波測距原理的基礎(chǔ)上，指出了設(shè)計(jì)測距系統(tǒng)的思路和所需考慮的問題。超聲波液位測量儀利用超聲波對(duì)油量液位進(jìn)行自動(dòng)檢測和數(shù)據(jù)處理，給出了以單片機(jī) AT89C51 為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示的硬件電路和

2、軟件設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)包含了超聲波發(fā)射電路、接收電路、溫度補(bǔ)償電路和相應(yīng)的控制電路。軟件設(shè)計(jì)中，我們采用模塊化程序設(shè)計(jì)思想，將軟件分為超聲波驅(qū)動(dòng)與數(shù)據(jù)處理模塊、功能模塊兩大類。這套系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)合理、工作穩(wěn)定、性能良好、檢測速度快、計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測量精度方面能達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。關(guān)鍵詞 ：單片機(jī)；超聲波；液位測量IResearch on Oil Tank level Measurement SystemAbstractThis research on oil tank level measure system for the practical problems,de

3、veloped a single chip using ultrasonic wave level measurement. Liquid level measuring instrument introduced status and development trends, in-depth discussion of the use of ultrasound as the signal source level measurement feasibility and superiority, and various reasons of generating errors, and pu

4、t forward thecorresponding of the solution. This subject details, and the performance and characteristic of one-chip computer AT89C51 of Atmel Company ,and on the basis of analyzing principle that ultrasonic wave finds range ,the systematic thinking and questions needed to consider that make automat

5、ic detection and data processing. At the core of the design using AT89C51 low-cost, methods. The circuit and the corresponding control circuit. Software design, we design a modular program, the software is divided into ultrasonic drive and data processing modules, function modules into two categorie

6、s. This circuit of system is reasonable in design, working stability, performance good measuring speedingsoon , calculating simple , easy to accomplish real-time control ,and it can reach industrys practical demand in measuring the precision.Keywords: Single Chip Microcomputer; Ultrasonic Wave; Liqu

7、id Level MeasurementII畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ，是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對(duì)本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作者簽名：日期：指導(dǎo)教師簽名：日期：使用授權(quán)說明本人完全了解大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢

8、業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝　⒖s印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。作者簽名：日期：III目錄摘 要 .IABSTRACT .II第 1 章緒 論 .11.1液位測量儀的現(xiàn)狀 .11.1.1液位測量儀的現(xiàn)狀 .11.1.2儲(chǔ)罐液位測量儀表的現(xiàn)狀 .31.2超聲波油量測量儀的研究目的及意義 .31.3超聲波油量測量儀的研究內(nèi)容 .4第 2 章 超聲波油量測量儀測量原理 .52.1概 述 .52.2超聲波傳感器工作原理 .52.2.1超聲波傳感器基本結(jié)構(gòu)及工作原理 .52.2.2超聲波傳感器的檢測

9、方式 .72.2.3TR40 超聲波傳感器 .82.3超聲波油量測量儀測量原理 .102.3.1測量原理 .102.3.2超聲波測距的理論分析 .11第 3 章 超聲波油量測量儀的總體設(shè)計(jì)及硬件設(shè)計(jì) .153.1超聲波油量測量儀的總體設(shè)計(jì) .153.1.1總體設(shè)計(jì)思想 .153.1.2工作過程 .153.2超聲波油量測量儀的硬件設(shè)計(jì)思想.163.3AT89C51 單片機(jī)最小系統(tǒng) .163.4超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì) .193.4.1超聲波發(fā)射電路功能 .193.4.2超聲波發(fā)射電路原理圖 .193.5超聲波接收電路 .203.5.1超聲波接收電路功能 .203.5.2超聲波接收電路原理圖 .213.

10、6 8279 接口電路與鍵盤顯示電路 .223.6.1可編程鍵盤顯示器接口芯片8279 簡介 .223.6.28279 接口電路設(shè)計(jì) .243.6.3MC1413 介紹 .25IV3.7蜂鳴音報(bào)警接口 .25第 4 章 軟件設(shè)計(jì) .274.1軟件總體設(shè)計(jì) .274.1.1軟件設(shè)計(jì)總體框圖 .274.1.2軟件程序中各部分模塊介紹 .274.2超聲波驅(qū)動(dòng)與數(shù)據(jù)處理模塊 .284.2.1超聲波發(fā)射程序 .294.2.2外部中斷 0 的中斷服務(wù)程序 .294.3功能模塊 .294.4鍵盤與顯示子程序 .30第 5 章 誤差分析 .335.1聲速隨溫度變化的情況分析以及補(bǔ)償方法 .錯(cuò)誤！未定義書簽。5

11、.2渡越時(shí)間對(duì)測量結(jié)果的影響及減小誤差的辦法 .錯(cuò)誤！未定義書簽。結(jié)束語 .錯(cuò)誤！未定義書簽。致 謝 .錯(cuò)誤！未定義書簽。參考文獻(xiàn) .錯(cuò)誤！未定義書簽。附 錄 .35V第1章緒論1.1 液位測量儀的現(xiàn)狀1.1.1 液位測量儀的現(xiàn)狀液位測量儀早期大多采用機(jī)械原理，但近年來隨著電子技術(shù)的應(yīng)用，逐步向機(jī)電一體化發(fā)展，并且發(fā)展了許多新的測量原理。在傳統(tǒng)原理中也滲透了電子技術(shù)及微機(jī)技術(shù)，結(jié)構(gòu)有了很大的改善，功能有了很大的提高。從國內(nèi)外液位儀表發(fā)展的技術(shù)方向看，當(dāng)前主要有三個(gè)熱點(diǎn)：接觸測量方式的液位儀；非接觸測量方式的液位儀；新原理的小型液位開關(guān) 27。目前使用的液位儀有以下幾種：(1)人工檢尺利用浸入式

12、刻度鋼皮尺測量液位，取樣測量油溫和密度，通過計(jì)算，得到儲(chǔ)液的體積和重量，這是至今仍然在全世界廣泛使用的儲(chǔ)罐計(jì)量方法，也可把它用作現(xiàn)場檢驗(yàn)其他測量儀表的參考手段。人工液位測量的精度一般為2mm 的人為誤差。(2)機(jī)械鋼帶式液位儀60 年代到 80 年代初期，開始研制和使用各種鋼帶式液位儀。這種液位儀采用一個(gè)又大又重的浮子，由一條多孔鋼帶將浮子連接至一個(gè)恒轉(zhuǎn)矩裝置或平衡錘。浮子的重量足以帶動(dòng)多孔鋼帶通過齒輪裝置推動(dòng)機(jī)械計(jì)數(shù)器作現(xiàn)場顯示，同時(shí)帶動(dòng)電動(dòng)變送器，以便獲得遠(yuǎn)距離顯示。由于滑輪機(jī)械裝置的摩擦力和鋼帶重量，這類液位儀的測量誤差一般約為 (410)mm。機(jī)械鋼帶式液位儀的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低

13、；缺點(diǎn)是：僅能測液位，傳動(dòng)部件多，可靠性較差，又因需要罐內(nèi)安裝，維護(hù)困難。適用范圍為存儲(chǔ)非腐蝕液體的常壓罐、高壓罐。(3)智能化液位儀伺服式液位儀是此類儀表的代表。這類儀表通過一個(gè)平衡浮子和重力敏感裝置，測量浮子的重量 (在液面、液內(nèi)、界面上有不同的浮力)，并控制伺服電機(jī)動(dòng)作升降浮子，跟蹤液位變化，同時(shí)發(fā)出遠(yuǎn)傳信號(hào)。伺服式液位儀的微機(jī)智能化，使得它的跟蹤誤差可達(dá)0.1mm。同時(shí)還能補(bǔ)償液面高低對(duì)鋼絲繩產(chǎn)生的附加重量的誤差，最高精度可達(dá) 0.7mm。另外還可以測量密度、 界位等計(jì)量參數(shù)， 具有自診斷及通信功能。由于幾乎沒有傳動(dòng)部件，因此儀表可靠性高。目前荷蘭Enraf 公司的 ATG 854 伺

14、服液位儀精度可達(dá) lmm，主要適用于儲(chǔ)罐的精密計(jì)量。(4)超聲波液位儀超聲波液位儀是非接觸液位測量儀中發(fā)展最快的一種。該技術(shù)基于超聲波在空氣中的傳播速度及遇到被測物體表面產(chǎn)生反射的原理。智能化的超聲波液位測量儀帶有一個(gè)功能很強(qiáng)的智能回波分析軟件包。它可以將各種干擾過濾出來，識(shí)別多重1回波，分析信號(hào)強(qiáng)度和環(huán)境溫度等有關(guān)信息，這樣即便在有擾動(dòng)條件下讀數(shù)也是精確的。新型氣密結(jié)構(gòu)、耐腐蝕的超聲換能器可測量高達(dá)15m 的液位， E+H 公司研制的 Prosonic FMU860861862 超聲液位儀精度可達(dá) 0.2% FMU 4041 超聲液位儀精度可達(dá) 2mm，輸出信號(hào)符合 HART 協(xié)議或 pro

15、fibus 總線標(biāo)準(zhǔn)或 FF 總線標(biāo)準(zhǔn)。(5)雷達(dá)液位儀雷達(dá)液位儀發(fā)明于60 年代，通常采用調(diào)頻雷達(dá)原理，利用同步調(diào)頻脈沖技術(shù)，將微波發(fā)射器和接收器安裝在罐頂，向液面發(fā)射頻率調(diào)制的微波信號(hào)。當(dāng)接收到回波信號(hào)時(shí)，由于來回傳播時(shí)間的延遲，發(fā)射頻率發(fā)生了改變。將兩種信號(hào)混合處理，所得信號(hào)的差頻正比于罐頂?shù)揭好嬷g的距離。雷達(dá)液位儀特別適用于高粘度或高污染的產(chǎn)品，如瀝青等。雷達(dá)液位儀的測量精度較高，而且無需定期維修和重新定標(biāo)，但是安裝比較復(fù)雜且價(jià)格不菲。(6)激光液位儀其測量原理同超聲波式液位儀，只是用光波代替超聲波。即傳感器發(fā)射激光，照射被測物面、液面，接收反射光，將從發(fā)射至接收的時(shí)間換算成液位。激

16、光的光束是很窄的，在液位儀中通過光學(xué)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成約 20mm 寬的光束，這樣即使被測物面很粗糙，漫反射光也能被傳感器接收。激光液位儀非常適用于開口很窄的容器及高溫、高粘度的測量對(duì)象。(7)射線液位儀該技術(shù)是基于 射線對(duì)不同物質(zhì)產(chǎn)生不同衰減的理論，將放射源鉆60 或艷 137置于一個(gè)防護(hù)容器內(nèi)，放在被測容器的一側(cè)，在其對(duì)面，裝有一個(gè)檢測器，當(dāng) 射線穿透容器時(shí)，它被衰減，其衰減率取決于被測液體的密度、吸收系數(shù)和厚度。液位越高，衰減越大， 接收器將 射線量變?yōu)楣饷}沖信號(hào)， 再由光電倍增管轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)。由于液位與 射線衰減量是非線性關(guān)系，所以必須通過統(tǒng)計(jì)標(biāo)定。 射線液位儀特別適用于傳統(tǒng)測量儀表不能解

17、決的測量問題，因?yàn)闇y量件沒有任何部件與被測物體相接觸。 E+H 公司提出了一個(gè)“點(diǎn)放射棒探頭接收”的概念，這樣放射源被降到最小，而且容易安裝，目前該公司研制的 FMG671 已用于過程控制。(8)新原理的小型液位開關(guān)在液位儀表智能化的同時(shí)，一些利用新檢測原理、新型電子部件構(gòu)成的小型現(xiàn)場液位開關(guān)大量推向市場，使液位儀表呈現(xiàn)兩極發(fā)展的趨勢。較典型的是利用超聲波穿透空氣及液體時(shí)衰減率的顯著差別來檢測液面的超聲液位開關(guān)；利用空氣和液體對(duì)振動(dòng)體的阻尼差別來檢測液位的振動(dòng)式液位開關(guān)；以及利用空氣和液體電導(dǎo)率的不同來檢測液位的電導(dǎo)式液位開關(guān)。液位開關(guān)信號(hào)可現(xiàn)場顯示，還能發(fā)出控制信號(hào)，有的還采用二線制，能直接

18、和計(jì)算機(jī)接口。德國Krohne 公司的 LS3000 諧振振動(dòng)開關(guān)精度可達(dá) 1mm。21.1.2 儲(chǔ)罐液位測量儀表的現(xiàn)狀立式油罐主要分布在煉油廠、化工廠和石油銷售公司三大系統(tǒng)。從計(jì)量方法看主要有三種：檢尺法、液位法和靜壓法。目前國內(nèi)計(jì)量儀表的發(fā)展主要采用引進(jìn)加仿制等手段，還有許多合資企業(yè)代理國外相應(yīng)產(chǎn)品。近年來中科院聲學(xué)所、武漢大學(xué)都研制了光纖液位測量系統(tǒng)，北京航天智控工程公司研制的UBG 光導(dǎo)電子液位儀精度可達(dá)2mm，MET-I 型磁效應(yīng)液位儀采用磁效應(yīng)原理，精度為0.05% ，1995 年又推出了 BL30 雷達(dá)液位儀，精度為1+(空高 )x3 ?？偤笥土涎芯克钚卵兄频?UGJ98 型光

19、導(dǎo)式油罐計(jì)量遙測系統(tǒng)，采用光柵干涉原理，以圓光柵傳感器為核心，結(jié)合高速數(shù)據(jù)采集和抗干擾處理技術(shù)及 RS-485 總線標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)光電一體化，一次儀表不帶電，系統(tǒng)綜合精度達(dá)到2mm。1.2 超聲波油量測量儀的研究目的及意義在石油化工領(lǐng)域中，儲(chǔ)油罐中油量的測量越來越顯示出其重要地位。目前石化部門使用的大型儲(chǔ)油罐大多是立式圓柱形油罐或球形油罐，其容量一般在 1000 100000m3 之間，很小的測量誤差會(huì)造成很大的絕對(duì)誤差。因此提高油量的測量精度和自動(dòng)化管理水平，其重要性是明顯的。從 80 年代開始，隨著微電子、計(jì)算機(jī)、光纖、超聲波、傳感器等高科技的迅猛發(fā)展，一些發(fā)達(dá)國家紛紛將各種新技術(shù)、新方法

20、、新儀表滲入到儲(chǔ)罐計(jì)量領(lǐng)域，使儲(chǔ)罐油量自動(dòng)計(jì)量達(dá)到了“多功能、高精度、現(xiàn)場化”的新階段。人工檢尺法是利用浸入式刻度鋼皮尺測量液位，操作人員需要爬到儲(chǔ)罐的頂部進(jìn)行測量。這種方法的缺點(diǎn)是測量精度低，速度慢，勞動(dòng)強(qiáng)度大，不便于微機(jī)管理。機(jī)械鋼帶式液位儀傳動(dòng)部件多，可靠性較差，又因需要罐內(nèi)安裝，維護(hù)困難。伺服式液位儀屬機(jī)械式測量裝置，機(jī)械磨損會(huì)直接影響其測量精度，需定期維修和重新標(biāo)定，工作壽命仍不是很長，測量的重復(fù)精度較低，且安裝困難。雷達(dá)液位儀的測量精度較高，但安裝較為復(fù)雜，而且價(jià)格相當(dāng)昂貴。激光的傳播速度很快，不便于信號(hào)處理。 射線液位儀使用了放射源，易引起對(duì)環(huán)境的污染。由上一節(jié)可知，現(xiàn)在已有多種

21、液位儀供用戶選擇，但考慮到價(jià)格、安裝的方便與否、測量的精度等等問題，對(duì)于資金并不充裕的小型加油站來說，可供選擇的油量測量儀就不多了。研制一種安裝、使用簡便，測量準(zhǔn)確又價(jià)格低廉的油量測量儀就是本課題要完成的任務(wù)。超聲波在空氣中的傳播速度為 340 米秒，與光的傳播速度 (3x108 米秒 )相比小很多，因此對(duì)超聲波信號(hào)的處理也容易很多，加之成本較低，所以，超聲波是比較理想信號(hào)源。隨著智能化檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，利用超聲波進(jìn)行油量檢測在加油站及油庫中3起著越來越重要的作用。雖然一些地區(qū)使用了超聲波油量測量儀，但絕大多數(shù)是用集成電路設(shè)計(jì)成的，這種專用集成電路成本很高，沒有顯示，操作很不方便。為了克服這

22、些缺點(diǎn)，本課題利用單片機(jī)AT89C51 為核心，控制超聲波對(duì)油量進(jìn)行自動(dòng)檢測和數(shù)據(jù)處理，提供了一個(gè)帶顯示，鍵盤和微型打印機(jī)的人機(jī)對(duì)話界面，且能與PC機(jī)通信。該超聲波油量測量儀使用簡便，與傳統(tǒng)的測量方法相比具有非接觸、精度高、實(shí)時(shí)測量、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。1.3 超聲波油量測量儀的研究內(nèi)容確定了總體方案后，在對(duì)超聲波測距的可行性進(jìn)行了理論分析的基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、以及超聲波在介質(zhì)中的傳播特性等，研制出了超聲波油量測量儀的硬件部分，編寫了相應(yīng)的軟件程序，并進(jìn)行了調(diào)試和試運(yùn)行。在硬件電路的設(shè)計(jì)中，由于我們需要測的距離較長 (幾米到十幾米 )，針對(duì)超聲波在傳播時(shí)呈指數(shù)衰減的特性，我們采用了最

23、大限度提高驅(qū)動(dòng)能力、對(duì)回波進(jìn)行多級(jí)放大等措施，擴(kuò)大了測量的范圍。在軟件設(shè)計(jì)中，我們采用模塊化程序設(shè)計(jì)思想，將軟件分為超聲波驅(qū)動(dòng)與數(shù)據(jù)處理模塊和功能模塊，每個(gè)模塊又由若干小模塊組成。對(duì)軟件的這種處理不但能使軟件的結(jié)構(gòu)清晰，而且有利于軟件的調(diào)試和修改。由于本設(shè)計(jì)對(duì)計(jì)算的精度要求較高， 所以采用 C51 編程，借助 C 語言的浮點(diǎn)計(jì)算能力， 提高計(jì)算精度。另外，為了保證超聲波油量測量儀工作的可靠性和穩(wěn)定性，在軟、硬件兩個(gè)方面都采取了相應(yīng)的抗干擾措施。本文討論了產(chǎn)生誤差的各種原因，提出了相應(yīng)的解決辦法，為研制更完善的超聲波油量測量儀打下了基礎(chǔ)。4第 2 章 超聲波油量測量儀測量原理2.1概述在彈性媒質(zhì)

24、中， 如果波源所激起的縱波的頻率在 20Hz 到 20000Hz 之間，就能引起人的聽覺。在這一頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)稱為有聲振動(dòng)，聲振動(dòng)所激起的縱波稱為聲波。頻率高于 20000Hz 的機(jī)械波叫做超聲波； 頻率低于 20Hz 的機(jī)械波叫做次聲波 36。與光波不同，超聲波是一種彈性機(jī)械波，它可以在氣體、液體和固體中傳播。我們知道，電磁波的傳播速度為3 108，而超聲波在空氣中的傳播速度為340ms，其速度相對(duì)電磁波是非常慢的。超聲波在相同的傳播媒體里 (大氣條件 )傳播速度相同，即在相當(dāng)大的頻率范圍內(nèi)聲速不隨頻率變化，波動(dòng)的傳播方向與振動(dòng)方向一致。是縱向振動(dòng)的彈性機(jī)械波，它是借助于傳播介質(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)

25、而傳播的，波動(dòng)方程描述方法與電磁波的是類似的(2-1)(2-2)式中 A (x)為 x 處分子的最大位移量， 叫做振幅， A0 常數(shù)，為波源處分子的振幅，為圓頻率， x 為傳播距離，一般選波源處為坐標(biāo)原點(diǎn)，即波源處 x=0，k=2又為波數(shù)， t 為時(shí)間；又為波長； a 為衰減系數(shù)。衰減系數(shù)與聲波所在介質(zhì)及頻率的關(guān)系為(2-3)-13 2式中， b 為介質(zhì)常數(shù) ,f 為振動(dòng)頻率， f= 2在空氣里， b=210s cm，當(dāng)振動(dòng)-4的聲波頻率 f=40kHz 代入式 (2-3)可得 a=3.210 cm，即 1a=31m；若 f=30kHz，則1a=56m。它的物理意義是：聲波在空氣媒質(zhì)里傳播，因

26、空氣分子運(yùn)動(dòng)摩擦等原因，能量被吸收損耗。在 (1a)長度上，平面聲波的振幅衰減為原來的e 分之一，由此可以看出，頻率越高，衰減得越厲害，傳播的距離也越短?？紤]實(shí)際工程測量要求，在設(shè)計(jì)超聲波油量計(jì)時(shí)，選用頻率戶 40kHz 的超聲波，波長為 0.85cm。2.2 超聲波傳感器工作原理2.2.1 超聲波傳感器基本結(jié)構(gòu)及工作原理人們可以聽到的聲音頻率為20Hz20kHz ，即為可聽聲波，超出此頻率范圍的聲音，即 20Hz 以下的聲音稱為低頻聲波，20kHz 以上的聲音稱為超聲波，一般說話的頻率范圍為 100Hz8kHz 913。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)，為此利用超

27、聲波的這種性質(zhì)就可以制成超聲波傳感器。另外，超聲波在空氣中傳播的速度較慢，約為 330ms，這就使得超聲波傳感器使用變得非常簡單。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個(gè)超聲波傳感器也可以具有發(fā)送和接收5聲波的雙重作用，即為可逆元件。一般市場上出售的超聲波傳感器有專用型和兼用型，專用型就是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接收器用作接收超聲波；兼用型就是發(fā)送器和接收器為一體傳感器，即可發(fā)送超聲波，又可接收超聲波。超聲波傳感器的諧振頻率 (中心頻率 )有 23kHz 、 40kHz、75kHz 、200kHz 、400kHz 等。諧振頻率變高，則檢測距離變短，分解力也變高。用超聲波作為感知或檢測物體的媒介，有非

28、破壞性、遙控性、實(shí)時(shí)、可穿透等優(yōu)點(diǎn)，在許多方面體現(xiàn)了其它方法所沒有的獨(dú)到之處。很早以前，人們便掌握了超聲波探傷與聲納的技術(shù)。 近年來，超聲波的波長范圍已達(dá) m 級(jí)，頻率已擴(kuò)大到 GHz 領(lǐng)域，分辨率達(dá) m 量級(jí)的超聲波顯微鏡已實(shí)用化。 在這種頻率范圍， 超聲波敏感元件成為薄膜狀，與傳統(tǒng)的形狀大相徑庭，它的進(jìn)步將對(duì)電子學(xué)的發(fā)展起重要作用。人們?yōu)檠芯亢蛻?yīng)用超聲波，已發(fā)明設(shè)計(jì)并制成了許多類型的超聲波發(fā)生器：機(jī)械方式和電氣方式產(chǎn)生超聲波發(fā)生器。實(shí)質(zhì)上，超聲波發(fā)生器即是超聲波換能器：它將其它形式的能量轉(zhuǎn)換成超聲波的能量 (發(fā)射換能器來完成 )和使超聲波的能量轉(zhuǎn)換成其它易于檢測的能量 (接收換能器來完成

29、)。一般是用電能和超聲能量相互轉(zhuǎn)換。電氣方式類型包括：壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械式方式有：氣流旋笛、液哨、加爾統(tǒng)笛等。各種類型的超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲波的功率、頻率和聲波特性都不相同。目前使用較多的是電氣類中的壓電型超聲波發(fā)生器。壓電型超聲波傳感器的工作原理：它是借助壓電晶體的諧振來工作的，即陶瓷的壓電效應(yīng)。其結(jié)構(gòu)原理如圖 2-1 所示。共振板電極板壓電晶體圖 2-1 超聲波傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)超聲波傳感器有兩塊壓電晶片和一塊共振板。給它的兩電極加脈沖信號(hào)(觸發(fā)脈沖)，當(dāng)其頻率等于晶片的固有頻率時(shí)， 壓電晶片就會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波。相反，電極間未加電壓，則當(dāng)共振板接收

30、到回波信號(hào)時(shí)，將壓迫兩壓電晶片振動(dòng)，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，此時(shí)的傳感器就成了超聲波接收器。超聲波傳感器用等效電路 (如圖 2-2 所示 )來分析共振頻率附近的超聲波換能器的特6性：.C1.L1R0C0Z1.圖 2-2 超聲波傳感器等效電路換能器的能量用Qm，電能用 Qe 表示。由圖 2-2 分析可知， Q 恰好是電路的串聯(lián)支路的 Q 值。設(shè)換能器在空載 (Z 1和有載11 時(shí)的Q值分別為QM0 、Qm，則=0)(Z-R )有：（ 2-4）L101（ 2-5）QmR1C1 0 (R0R1 )R0（ 2-6）（ 2-7）超聲波換能的工作效率為：（ 2-8）當(dāng)交變電信號(hào)從引線加到超聲波發(fā)射器件中

31、，由壓電陶瓷片和諧振片組成的振子會(huì)彎曲振動(dòng)，驅(qū)動(dòng)錐形輻射器發(fā)出超聲波，當(dāng)空中傳來的超聲波被接收器件的錐形輻射器會(huì)聚后，驅(qū)動(dòng)振子產(chǎn)生彎曲振動(dòng)，從而在電極間輸出與此波動(dòng)相對(duì)應(yīng)的交變電信號(hào)，通過對(duì)此信號(hào)的處理，可實(shí)現(xiàn)各種檢測。2.2.2 超聲波傳感器的檢測方式1.穿透式超聲波傳感器的檢測方式當(dāng)物體在發(fā)送器與接收器之間通過時(shí)，檢測超聲波束衰減或遮擋的情況從而判斷有 無物 體通 過 。 這種 方式 的檢 測 距離約1m ，作 為標(biāo) 準(zhǔn)被 檢測 物體 使用100mm 100mm 的方形板。它與光電傳感器不同，也可以檢測透明體等。2.限定距離式超聲波傳感器的檢測方式當(dāng)發(fā)送超聲波束碰到被檢測物體時(shí)，僅檢測電位

32、器設(shè)定距離內(nèi)物體反射波的方7式，從而判斷在設(shè)定距離內(nèi)有無物體通過。若被檢測物體的檢測面為平面時(shí)，則可檢測透明體。若被檢測物體相對(duì)傳感器的檢測面為傾斜時(shí)，則有時(shí)不能檢測到被測物體。若被檢測物體不是平面形狀，實(shí)際使用超聲波傳感器時(shí)一定要確認(rèn)是否能檢測到被測物體。3.限定范圍式超聲波傳感器的檢測方式在距離設(shè)定范圍內(nèi)放置的反射板碰到發(fā)送的超聲波束時(shí)，則被檢測物體遮擋反射板的正常反射波，若檢測到反射板的反射波衰減或遮擋情況，就能判斷有無物體通過。另外，檢測范圍也可以是由距離切換開關(guān)設(shè)定的范圍。4.回歸反射式超聲波傳感器的檢測方式回歸反射式超聲波傳感器的檢測方式與穿透超聲波傳感器的相同，主要用于發(fā)送器設(shè)置

33、與布線困難的場合。若反射面為固定的平面物體，則可用作回歸反射式超聲波傳感器的反射板。另外，光電傳感器所用的反射板同樣也可以用于這種超聲波傳感器。這種超聲波傳感器可用脈沖市制的超聲波替代光電傳感器的光，因此，可檢測透明的物體。利用超聲波的傳播速度比光速慢的特點(diǎn)，調(diào)整用門信號(hào)控制被測物體反射的超聲波的檢測時(shí)間，可以構(gòu)成限定距離式與限定范圍式超聲波傳感器。2.2.3 TR40 超聲波傳感器本儀器所采用的TR40-16 型超聲波傳感器的壓電效應(yīng)曲線如圖2-5 所示。(1)超聲波傳感器型號(hào)代碼例： T40-16外殼直徑（ mm ）中心頻率T：發(fā)射， R ：接收(2)超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖8(3)性能指標(biāo)TR

34、40-10TR40-12TR40-16中心頻率401 kHZ401 kHZ401 kHZ發(fā)射聲壓大于107Db大于 112dB大于 115dB接收靈敏度-74dBvuBar-67dBvuBar-64dBvubar-6dB 指向100deg80deg50deg電容110025%PF250025%PF240025%PF允許輸入電壓20V20V20V(4)典型特性曲線聲壓電平和靈敏度特性曲線如圖2-5、圖 2-6 所示。9由這些特性曲線可知： TR40 超聲波傳感器在輸入頻率為40kHz 時(shí)，各種特性都呈現(xiàn)出最佳狀態(tài)，因此為了得到最佳效果必須使單片機(jī)輸出方波的頻率為40kHz 。2.3 超聲波油量測

35、量儀測量原理2.3.1 測量原理超聲波測距的方法有很多種，如相位檢測法、聲波幅值檢測法和渡越時(shí)間檢測法等。相位檢測法雖然精度高，但檢測范圍非常有限；聲波幅值檢測法易受反射波的影響。本超聲波油量測量儀采用渡越時(shí)間檢測法。井蓋發(fā)射器接收器井壁lHh油圖 2-7 為超聲波測量原理圖儲(chǔ)油罐不是標(biāo)準(zhǔn)的圓柱形或球形，制成以后，計(jì)量部門要進(jìn)行各種測量繪制出油的高度與油量的對(duì)應(yīng)表，以便查對(duì)?，F(xiàn)在常用的人工檢尺法就是用鋼卷尺測出油的高度，查表得到儲(chǔ)油量。10下面僅以標(biāo)準(zhǔn)的圓柱形油罐為例進(jìn)行說明，其他形狀的油罐通過改變計(jì)算公式同樣可以進(jìn)行油量測量。本次設(shè)計(jì)的超聲波油量儀的發(fā)射器和接收器是固定在一起的，安裝在罐中表

36、井的蓋子上，也就是罐的頂部。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)。用超聲波測量儲(chǔ)罐內(nèi)的油量，實(shí)際就是要測量罐頂?shù)接兔娴木嚯x，由此算出儲(chǔ)油罐內(nèi)油面的高度，進(jìn)一步計(jì)算出油的體積和重量27。從超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波，經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播到接收器的時(shí)間，就是渡越時(shí)間。如圖 2-7 所示，要測量儲(chǔ)油罐內(nèi)油面的高度 h，可先測量罐頂?shù)接兔娴木嚯x，又轉(zhuǎn)化為測量渡越時(shí)間 T ，若超聲波的傳播速度為 u，罐的總高度為 H ，則(2-9)由下式計(jì)算測量誤差(2-10)式中，占 h 為 h 的測量誤差， T 為渡越時(shí)間的測量誤差， u 為聲速的測量誤差。如要求 h 的測量誤差小于 1cm，已知

37、聲速 =344ms ( 20時(shí) )，忽略聲速誤差，則測量時(shí)間的誤差Tu / u20.01/ 3440.00006s顯然，直接用秒表測時(shí)間是不現(xiàn)實(shí)的。因此，實(shí)現(xiàn)聲波測距必須避開直接測量時(shí)間的方法，才能獲得實(shí)用的測量精度。在這里使用單片機(jī)定時(shí)器計(jì)數(shù)，間接測量時(shí)間，可以把聲波傳播的時(shí)間精度提高到所需準(zhǔn)確度。具體的做法是，每隔一段時(shí)間發(fā)射一串超聲波脈沖，在發(fā)射脈沖串的同時(shí)開始單片機(jī)定時(shí)器記數(shù)，在超聲波接收器接收到反射信號(hào)時(shí)，停止單片機(jī)計(jì)數(shù)。單片機(jī)定時(shí)一器所計(jì)的時(shí)間，就是渡越時(shí)間，代入式(2-9)中，就可以算出油量。由于超聲波是一種聲波，其速度與溫度有關(guān)，u(331.45+0.6t)ms，t 為攝氏溫度，在使用中，根據(jù)環(huán)境溫度的變化，要經(jīng)常進(jìn)行標(biāo)定，否則將會(huì)有比較大的誤差，這也是本儀器需要改進(jìn)之處。2.3.2 超聲波測距的理論分析超聲波油量測量儀已經(jīng)廣