超聲波液位傳感器

1、課程：礦用傳感器與自動(dòng)檢測題目：超聲波位移傳感器的研究設(shè)計(jì)1 緒論超聲波檢測技術(shù)是一種典型的非接觸測量方式,它基于電子學(xué)、材料學(xué)、物理學(xué)等,應(yīng)用非常廣泛。作為波的一種,超聲波具有波的所有性質(zhì)。超聲波檢測是通過超聲波產(chǎn)生、在介質(zhì)中傳播及接收超聲波回波的物理過程來實(shí)現(xiàn)的。超聲波是由機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的,可在不同介質(zhì)中以不同的速度傳播。在空氣介質(zhì)中,光線、粉塵、煙霧、電磁干擾和有毒氣體幾乎對(duì)超聲波測距傳感器的性能沒有影響,而且超聲波測距傳感器價(jià)格低廉、使用方便。因此,在液位測量、工業(yè)自動(dòng)控制、建筑工程測量、移動(dòng)機(jī)器人視覺識(shí)別、汽車倒車防撞系統(tǒng)等許多領(lǐng)域,都得到了非常廣泛的應(yīng)用。2 超聲波測距的基本理論聲波

2、是一種機(jī)械波,它可以在氣體、液體和固體等介質(zhì)中傳播。超聲波是指頻率高于20KHZ,在彈性介質(zhì)中傳播的一種機(jī)械振蕩。正常人的聽覺可以聽到20赫茲(Hz)20千赫茲(kHz)的聲波,低于20赫茲的聲波稱為次聲波或亞聲波,超過20千赫茲的聲波稱為超聲波。超聲波是聲波大家族中的一員,和可聞聲本質(zhì)上是一致的,它們的共同點(diǎn)都是一種機(jī)械振動(dòng),通常以縱波的方式在彈性介質(zhì)內(nèi)傳播,是一種能量和動(dòng)量的傳播形式,其不同點(diǎn)是超聲頻率高,波長短,在一定距離內(nèi)沿直線傳播具有良好的束射性和方向性。2.1 介質(zhì)的超聲波傳播特性 (1)聲速 如果忽略空氣中的水蒸氣和其他雜物的影響,超聲波在常溫下的傳播速度是340m/S,空氣中溫

3、度、濕度、壓強(qiáng)等因素對(duì)超聲波傳播速度產(chǎn)生一定的影響,其中以溫度的影響為大。一般情況下,溫度每升高1,聲速增加約為0.6m/s。波速隨溫度的變化情況如下表1所示:表1 波速隨溫度的變化表格 溫度()-30-20-10 0 10 2030 100波速m/s313319 325 323338 344 349 386 空氣中的聲波傳播速度可近似地表示為: 式中,T為環(huán)境溫度（）。 (2)聲衰減聲音衰減指的是聲波在介質(zhì)中傳播時(shí),因波束發(fā)散、吸收、反射、散射等原因,使聲能在傳播中減少的現(xiàn)象。引起超聲波衰減的主要原因是波束擴(kuò)散、晶粒散射和介質(zhì)吸收。在平面波的情況下,距離聲源X處的聲壓P和聲強(qiáng)I的衰減規(guī)律為:

4、其中，聲源x=0處的聲壓 聲源x=0處的聲強(qiáng) 系數(shù)，NP/cm (奈培/厘米)。2.2 超聲波換能器換能器(探頭)是一種實(shí)現(xiàn)物理能量相互轉(zhuǎn)換的器件,超聲波探頭可以將電能轉(zhuǎn)換為聲能,也可以將聲能轉(zhuǎn)換為電能。實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換,所以,超聲探頭又稱為超聲波換能器,它既可以用來發(fā)射超聲波,也可以用來接收,是超聲波測距系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。超聲波換能器主要包括機(jī)械式超聲波換能器、電動(dòng)式超聲波換能器和電聲式超聲波換能器三種。其中,電聲式超聲波傳感器主要材料有壓電晶體(電致伸縮)及鎳鐵鋁合金(磁致伸縮)兩類。根據(jù)不同的設(shè)計(jì),超聲波換能器的形狀主要有柱型(前后金屬蓋板直徑相同)、喇叭型(前蓋板直徑通過弧型過度縮小)、

5、柱型中間有節(jié)等結(jié)構(gòu)形狀。壓電換能器是一種電聲換能器,它是基于某些晶體的壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)電與聲能量轉(zhuǎn)換的。壓電式超聲波傳感器主要由壓電晶片組成,壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅?它可以將電能轉(zhuǎn)換聲能,同時(shí)它接收到超聲波時(shí),也可以將聲能轉(zhuǎn)換成電能。壓電式超聲波傳感器是利用壓電晶體的諧振來工作的。某些單晶材料的結(jié)構(gòu)具有非對(duì)稱特性,當(dāng)這些材料受到外加應(yīng)力作用而產(chǎn)生應(yīng)變時(shí),其內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)的變化(形變)會(huì)破壞原來宏觀表現(xiàn)為電中性的狀態(tài),產(chǎn)生極化電場(電極化),所產(chǎn)生的電場(電極化強(qiáng)度)與應(yīng)變的大小成正比。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng),它是由居里兄弟于1880年發(fā)現(xiàn)的。隨后,在1881年又進(jìn)一

6、步發(fā)現(xiàn)這類單晶材料還具有逆壓電效應(yīng),即具有正壓電效應(yīng)的材料在受到外加電場作用時(shí),會(huì)有應(yīng)力和應(yīng)變產(chǎn)生,其應(yīng)變與外電場的大小成正比。實(shí)驗(yàn)表明,在一定限度內(nèi)的壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)是線性的。這就是說,在壓電效應(yīng)時(shí),壓電晶體表面電荷密度與應(yīng)變的大小成正比,當(dāng)應(yīng)變改變符號(hào)時(shí),電荷也改變符號(hào),在逆壓電效應(yīng)時(shí),壓電晶體在外電場作用下應(yīng)變的大小與電場強(qiáng)度成正比,當(dāng)電場反向時(shí),應(yīng)變也反向。壓電式換能器是利用某些單晶材料的壓電效應(yīng)和某些多晶材料的電致伸縮效應(yīng)來將電能與聲能進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換的器件。因其電聲效率高、功率容量大以及結(jié)構(gòu)和形狀可以根據(jù)不同的應(yīng)用分別進(jìn)行設(shè)計(jì),在功率超聲領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。超聲波壓電換能器分為單探頭和雙

7、探頭兩種方式。單探頭方式指的是超聲波換能器既用來發(fā)射超聲波又用來接收超聲波的回波信號(hào),即探頭同時(shí)用于發(fā)射與接收。在單探頭工作方式下,當(dāng)發(fā)射超聲波時(shí),需要對(duì)探頭施加十幾伏、幾十伏甚至是上百伏的電壓,使探頭產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng),這種機(jī)械振動(dòng)通過壓電晶片的振動(dòng),將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為聲能,激發(fā)出超聲波。當(dāng)開始接收超聲波時(shí),發(fā)射超聲波而產(chǎn)生的余震不會(huì)立刻消失,發(fā)射信號(hào)的幅值相對(duì)于回波信號(hào)的幅值更加明顯,使得接收端誤將這種震動(dòng)產(chǎn)生的波當(dāng)成是回波而產(chǎn)生測量的失誤,影響測量的準(zhǔn)確性。常規(guī)的做法是停止發(fā)射后,延遲一段時(shí)間,將這段余震的時(shí)間避開再開始接收回波,這就導(dǎo)致了盲區(qū)的產(chǎn)生。雙探頭的工作方式是指發(fā)射超聲波和接收超聲波使用

8、兩個(gè)不同的探頭。從單探頭盲區(qū)產(chǎn)生的這種層面上來分析,采用雙探頭的工作方式可以徹底消除盲區(qū),并且可以增大測量的距離。但是,在實(shí)際應(yīng)用中,由于發(fā)射探頭和接收探頭間的距離很小,并且聲波有衍射的特性,超聲波發(fā)射探頭發(fā)出的波可能不經(jīng)過障礙物的反射,而直接繞道到接收探頭上,造成了誤報(bào),因此,實(shí)際上盲區(qū)仍然是存在的。壓電換能器是超聲波液位傳感器的敏感元件,它利用壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)完成電能與機(jī)械能(聲波振動(dòng))的轉(zhuǎn)換。選擇合適的壓電換能器是制作超聲波儀器儀表的首要工作,需要考慮以下參數(shù):壓電換能器的耐壓值、波束角、諧振頻率、盲區(qū)、回波靈敏度。2.3超聲波測距原理超聲波測距的方法有幾種,相位檢測法、聲波幅值檢測

9、法和渡越時(shí)間檢測法等。相位檢測法測量精度高,但檢測范圍有限；聲波幅值檢測法更易受到反射介質(zhì)的影響；渡越時(shí)間檢測法實(shí)現(xiàn)起來簡單,成本低,可測距離范圍較大。渡越時(shí)間法在短距離范圍內(nèi)會(huì)有一定的盲區(qū)。經(jīng)過比較與分析,本文采用渡越時(shí)間法作為超聲測距方法。渡越時(shí)間法超聲波測距,原理是測量出超聲波從發(fā)射到經(jīng)過障礙物反射的回波到達(dá)發(fā)射探頭的時(shí)間,實(shí)際上是測量時(shí)間。將超聲波液位計(jì)安裝于被測面上方，在單片機(jī)的控制下，探頭向被測面發(fā)射一束超聲波脈沖，聲波在被測面表面反射，部分反射回波由探頭接收并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。從超聲波發(fā)射到重新接收，其時(shí)間與探頭至被測面的距離成正比。設(shè)超聲波從發(fā)出到遇被測面返回經(jīng)歷的時(shí)間為t,可由單

10、片機(jī)定時(shí)器測出，即可得到液位超聲波換能器把液位高度轉(zhuǎn)換成4至20mA電流信號(hào)、1至5V電壓信號(hào)輸入單片機(jī)，由于溫度對(duì)聲速具有極大的影響，所以本設(shè)計(jì)采用DS18B20芯片測量環(huán)境溫度，以修正聲速。3 超聲波測距的總體方案設(shè)計(jì)3.1超聲波測距誤差來源的分析 針對(duì)本課題所研究的高精度超聲波測距系統(tǒng),誤差來源主要有: (1)啟動(dòng)發(fā)射和啟動(dòng)計(jì)時(shí)之間的偏差; (2)收到回波到回波被檢測出的滯后; (3)收到中斷到中斷響應(yīng)停止計(jì)時(shí)之間的滯后; (4)計(jì)時(shí)器本身的誤差;(5)溫度、壓力、濕度對(duì)聲速的影響。 大致為上述五個(gè)來源,逐一分析如下:第(1)項(xiàng)偏差源于單片機(jī)一次只能處理一件事,所以啟動(dòng)發(fā)射和啟動(dòng)計(jì)時(shí)實(shí)際

11、上是先后完成的,存在時(shí)差,但只要指令速度足夠快,其偏差可以忽略,即使需要彌補(bǔ),也有可能。第(2)項(xiàng)誤差源于檢測電路的靈敏度和判斷偏差,從收到實(shí)際回波到電路確認(rèn)并輸出相應(yīng)信號(hào)肯定存在滯后,這和檢測電路原理、回波信號(hào)強(qiáng)弱以及判斷電路的敏感性相關(guān),準(zhǔn)確檢測回波到達(dá)時(shí)刻是超聲波測距的核心。因?yàn)槿绻`敏度過高,則會(huì)將一些干擾信號(hào)誤作為回波,導(dǎo)致測量出錯(cuò),如果過低,又大大限制了檢測距離,因?yàn)榛夭ㄋp是距離的平方關(guān)系。這部分誤差是導(dǎo)致數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的主要來源,因?yàn)榕袛鄿髸?huì)隨著回波的強(qiáng)弱而變化。第(3)項(xiàng)誤差源于單片機(jī)的中斷機(jī)制,收到中斷信號(hào)后,單片機(jī)不可能立刻響應(yīng),至少要完成當(dāng)前的指令,有時(shí)還要等待其它中斷服

12、務(wù)結(jié)束,所以這個(gè)滯后時(shí)間也不確定,從而導(dǎo)致測量結(jié)果的變化。但這個(gè)因素可以通過提高單片機(jī)速度,使用高優(yōu)先級(jí)中斷弱化之。第(4)項(xiàng)誤差源于計(jì)時(shí)器本身,由于目前多數(shù)使用晶體振蕩器,其穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度為2050PPM級(jí)別,對(duì)于音速而言,其帶來的誤差在mm級(jí)(25us對(duì)應(yīng)340m/s的音速)。為減小此項(xiàng)誤差,應(yīng)該提高計(jì)時(shí)的最小單位,從而降低量化誤差,同時(shí)選用質(zhì)量好的晶振。第(5)項(xiàng)誤差是源于環(huán)境的影響,由于溫度、壓力、濕度不同,音速會(huì)變化,計(jì)時(shí)的頻率會(huì)變化,檢測電路的靈敏度也會(huì)變化,所以比較復(fù)雜,但后兩個(gè)變化似乎只能忽略,好在其影響量有限,通常可以借助溫度補(bǔ)償電路修正音速變化。3.2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思想超

13、聲波換能器超聲波收發(fā)電路單片機(jī)電路M-BUS通信電路測溫電路3.3 超聲波測距系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.3.1單片機(jī)電路的設(shè)計(jì)由于P89LPC936單片機(jī)集成了看門狗、CCU比較單元、模擬比較器、A/D轉(zhuǎn)換器等部件，因此簡化了電路的設(shè)計(jì)，同時(shí)也節(jié)省了成本。單片機(jī)采用+3V供電，由穩(wěn)壓芯片HT7130提供，使用2.4576MHz的晶振，每一個(gè)機(jī)器周期大約為0.8us。單片機(jī)的復(fù)位方式選擇內(nèi)部上電復(fù)位的方式，在選擇內(nèi)部復(fù)位時(shí)，Pl.5引腳僅作為一個(gè)輸入引腳，接上拉電阻R9，在軟件編寫時(shí)配置UCFG1.6的RPE位為0，即可使用內(nèi)部上電復(fù)位。下圖3.1是P89LPC936單片機(jī)電路圖。圖3.1 單片機(jī)最小系

14、統(tǒng)原理圖3.3.2超聲波發(fā)射電路 超聲波測距系統(tǒng)發(fā)射電路是由超聲波激勵(lì)電路和超聲波換能器(探頭)組成的。超聲波換能器是用來發(fā)射與接收超聲波的器件,是組成超聲波測距系統(tǒng)的最重要的組成部分,其性能指標(biāo)直接影響到發(fā)射和接收超聲波的特性,對(duì)超聲波測距能力起到?jīng)Q定性的作用。激勵(lì)電路的作用是用來激勵(lì)超聲波換能器,將一定形式的電壓激勵(lì)信號(hào)加到換能器上,換能器的壓電晶片將電能量轉(zhuǎn)換成超聲信號(hào)。因此,激勵(lì)信號(hào)也直接影響超聲信號(hào)的特性。圖3.2 超聲波發(fā)射電路3.3.3超聲波接收電路 超聲波接收電路的作用就是用來捕捉超聲波回波信號(hào),接收系統(tǒng)由兩部分組成:其一是信號(hào)調(diào)理部分;其二是信號(hào)采集部分。超聲波傳感器將超聲回

15、波信號(hào)轉(zhuǎn)變成電脈沖信號(hào),但是單片機(jī)無法直接采集該信號(hào),因?yàn)槌暡ㄔ趥鞑鞑ミ^程中以及經(jīng)不同介質(zhì)的障礙物反射會(huì)有一定的損耗,回波信號(hào)幅值隨著障礙物距離的增大而減小,因此在信號(hào)進(jìn)入單片之前需要進(jìn)行放大有效信號(hào),濾除噪聲和干擾,以達(dá)到最大的信噪比,從而能夠得到準(zhǔn)確的信息,最后經(jīng)過比較整形后進(jìn)入單片機(jī)。本文設(shè)計(jì)的超聲波目標(biāo)測距量程是3cm1m,因此在回波信號(hào)的處理過程中要兼顧不同距離反射回來的不同幅值的回波信號(hào)，盡量的放大回波信號(hào)。本文采用TL084CD芯片對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行四級(jí)放大,然后經(jīng)放大器輸出的信號(hào)在進(jìn)行整形濾波。設(shè)計(jì)超聲波接收電路時(shí)，壓電換能器等效成電荷或者電壓等效電路。電壓等效電路適合高頻測量

16、,考慮壓電換能器的絕緣電阻R,以及電纜電容C,壓電換能器電壓等效電路如圖3.3所示。圖3.3 壓電換能器的電壓等效電路3.3.4回波接收及濾波放大電路 超聲波在傳播的過程中回波信號(hào)隨著距離的增大會(huì)減小,本文使用TL084CD芯片來放大信號(hào),TL084CD是一款四輸入運(yùn)放、高性能、低噪聲的運(yùn)算放大器,具有相當(dāng)高的轉(zhuǎn)換率，低輸入偏置和偏置電流，低失調(diào)電壓溫度系數(shù)。 回波接收及濾波放大電路如圖3.4所示:圖3.4 回波接收及濾波放大電路4 總結(jié) 本文介紹了超聲波的類型和介質(zhì)的超聲波傳播特性,超聲波傳感器的類型以及工作方式,介紹了使用渡越時(shí)間法測距的原理，分析了使用單探頭收發(fā)傳感和雙探頭傳感器兩種方式的優(yōu)缺點(diǎn),描述了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，根據(jù)超聲波測距的原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思想和原則,介紹了超聲波測距系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì),著重介紹了單片機(jī)的選型及電路，超聲波發(fā)射電路，超聲波接收電路,包括濾波放大電路。參考文獻(xiàn)1王瑩.高精度超聲波測距儀的研究設(shè)計(jì)D.北京:華北電力大學(xué),20062馮若.超聲手冊(cè)M.南京,南京大學(xué)出版社,1999,103吳超.基于FPGA的超聲波測距系統(tǒng)D.武漢:武漢理工大學(xué),20094鄒軼.近距離高精度超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)D.大連:大連理工大學(xué),20095李茂