基于超聲波傳感器的液位測量.doc

基于超聲波傳感器的液位測量1.摘要超聲波傳感器應(yīng)用廣泛，其中液體液位的準確測量是實現(xiàn)生產(chǎn)過程檢測和實時控制的重要保障，也是實現(xiàn)安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。本文主要介紹液位的測量。液體罐內(nèi)液位測量的方法有很多種，其中超聲波傳感器由于結(jié)構(gòu)簡單、體積小、費用低、信息處理簡單可靠，易于小型化與集成化，并且可以進行實時控制，所以超聲波測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；它還具有強度大、方向性好等特點，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)來工作的：逆壓電效應(yīng)將高頻電振動轉(zhuǎn)換成高頻機械震動，從而產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭；而正壓電效應(yīng)是將超聲波振動轉(zhuǎn)換成電信號，可作為接收探頭。3.檢測方法選擇從測量范圍來說，有的液位計只能測量幾十厘米，有的卻可達幾十米。從測量條件和環(huán)境來說，有的非常簡單，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，有的從維護上提出嚴格的要求等。按測量液位的感應(yīng)元件與被測液體是否接觸，液位儀表可以分為接觸型和非接觸型兩大類。接觸型液位測量主要有:人工檢尺法、浮子測量裝置、伺服式液位計、電容式液位計以及磁致伸縮液位計等。它們的共同點是測量的感應(yīng)元件與被測液體接觸，即都存在著與被測液體相接觸的測量部件且多數(shù)帶有可動部件。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。非接觸型液位測量主要有超聲波液位計、微波雷達液位計、射線液位計以及激光液位計等。顧名思義，這類測量儀表的共同特點是測量的感應(yīng)元件與被測液體不接觸。因此測量部件不受被測介質(zhì)影響，也不影響被測介質(zhì)，因而其適用范圍較為廣泛，可用于接觸型測量儀表不能滿足的特殊場合，如粘度高、腐蝕性強、污染性強、易結(jié)晶的介質(zhì)。根據(jù)以上幾種因素得知，超聲波液位計是非接觸式液位計中發(fā)展最快的一種。超聲波在同一種介質(zhì)中傳播速度相對恒定，遇到被測物體表面時會產(chǎn)生反射，基于此原理研制出了超聲波液位計。目前，智能化的超聲波液位計能夠?qū)邮招盘栕鼍_的處理和分析:可以將各種干擾信號過濾出來:識別多重回波;分析信號強度和環(huán)境溫度等有關(guān)信息。這樣即便在有外界干擾的情況下，也能夠進行精確的測量。超聲波液位計不僅能定點和連續(xù)測量，而且能方便地提供遙測和遙控所需的信號。同時，超聲波液位計不存在可動部件，所以在安裝和維護上相應(yīng)比較方便。超聲測位技術(shù)可適用于氣體、液體或固體等多種測量介質(zhì)，因而具有較大的適應(yīng)性且價格較為便宜。新型氣密結(jié)構(gòu)、耐腐蝕的超聲波傳感器可測量高達幾十米的液位。所以本設(shè)計采用超聲波外側(cè)液位測量方法。4.超聲波測距原理及方法選擇超聲波液位測量的方法有多種，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，當超聲波遇到障礙物時會被反射，利用單片機記錄超聲波發(fā)射的時間和接收到回波的時間，根據(jù)當前環(huán)境下超聲波的傳播速度，即可通過公式S=C*t/2(式中S為被測距離，C為超聲波傳播速度，t為回波時間。)計算出超聲波傳播的距離，也就得到了障礙物離測試系統(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)，這時探頭與液面之間的距離就與超聲在介質(zhì)中的波長成一定的比例關(guān)系。當超聲波速度己知時，就可根據(jù)共振頻率計算波長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)接收信號和發(fā)射信號間的頻差可得到從發(fā)射到接收的時間。超聲衰減測量顧名思義就是超聲波在被測介質(zhì)中的衰減量隨距離變化，根據(jù)接收信號和發(fā)射信號間的衰減量變化測量液位。從以上方法的對比中可以看出，用共振法檢測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，衰減法需測量超聲波的衰減量。相比較而言，超聲波脈沖回波法無需與液面之間建立駐波，并且可以實現(xiàn)非接觸檢測。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現(xiàn)超聲波外測液位檢測。5.系統(tǒng)分析和總體設(shè)計5.1對液位測量系統(tǒng)的要求系統(tǒng)由超聲波傳感器、單片機和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊組成。傳感器將接收到的信號經(jīng)數(shù)據(jù)處理后由無線數(shù)據(jù)傳輸模塊送入上位機進行顯示、超限報警等操作。通過對超聲波接收信號進行的有效處理，基本上消除時間檢測誤差，并進行溫度補償計算。主要技術(shù)指標（1）液位量程:05m；（2） 測量誤差: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)由上位機系統(tǒng)和下位機系統(tǒng)組成。下位機包括超聲波傳感器、單片機、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，上位機由單片機、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、鍵盤、顯示和報警等部分組成。上位機與下位機之間通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊進行通信。因為分體式超聲波液位傳感器的電子單元（參數(shù)設(shè)定、顯示、信號輸出）與超聲波探頭分開，通過纜線相連接，超聲波探頭安裝于容器上部，電子單元（即主機）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。而且，價格很低。信號調(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)生電路由單片機產(chǎn)生40KHz的TTL 脈沖信號通過 P1.0 口輸出，再經(jīng)過三極管Q1和變壓器TR1進行功率放大。為了產(chǎn)生的超聲波信號強度能夠滿足測量范圍 05m 的要求，超聲波探頭上所加的電壓應(yīng)達到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反射回波進入超聲波探頭時引起晶片震動，產(chǎn)生電壓信號，對該電壓信號進行處理后送入INT0產(chǎn)生中斷申請信號，定時器停止計時。由于此電壓信號非常微弱，因此首先要對其進行放大，然后通過比較電路檢測到當放大后的信號的幅值超過規(guī)定的閾值時產(chǎn)生中斷申請信號，并將該信號作為停止計時信號。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與測距的40khz較為相近，可以利用它來做接收電路。適當?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增益控制功能，可以保證在超聲波傳感器接收較遠反射信號輸出微弱電壓時放大器有較高的增益。在近距離輸入信號強時放大器不會過載。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：單電源5V供電，電壓增益7779dB，輸入阻抗27K，常用的載波頻率38KHz與測距的40KHz較為相近，可以利用它來做接收電路。適當?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時，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。放大器輸出腳7直接接單片機INT0口以觸發(fā)中斷。用CX20106A接收超聲波（無信號時輸出高電平），具有很高的靈敏度和較強的抗干擾能力。5.3 溫度補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，聲速也變化，導(dǎo)致測量不準確。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)其泰勒級數(shù)展開式（僅保留到一次項）為： C=331.5+0.607T6. 總結(jié)本文介紹的基于單