高精度超聲波微壓差測(cè)量儀設(shè)計(jì)

0 引 言

對(duì)于微小壓差的測(cè)最，傳統(tǒng)的方法是采用U型管壓力計(jì)，該壓力計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，性能可靠，缺點(diǎn)是無法記錄壓力的瞬態(tài)變化，讀數(shù)慢而讀數(shù)誤差大，人工估讀時(shí)，最大精度也只能精確到0.5 mm液柱高度。為了提高靈敏度，減小讀數(shù)誤差，隨之又出現(xiàn)了傾斜管壓力計(jì)，如果傾斜管壓力計(jì)的測(cè)量管傾斜角為30°，則測(cè)量精度可提高1倍。

隨著壓力傳感器技術(shù)的發(fā)展，近年來又出現(xiàn)了電子微壓差傳感器，可將微小壓力直接轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。此類傳感器使用方便，反應(yīng)速度快，精度也可以做得較高，目前比較好的微壓傳感器測(cè)量分辨率已達(dá)到10 Pa左右。缺點(diǎn)是穩(wěn)定性不夠好，溫漂和時(shí)漂都比較大，且價(jià)格昂貴。

上述微壓測(cè)量方法各有利弊，如果要繼續(xù)提高測(cè)量精度，以上測(cè)量裝置已經(jīng)難以勝任。針對(duì)這樣的現(xiàn)狀，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種新型的微壓計(jì)--超聲波微壓計(jì)。這是在保留U型管壓力計(jì)原理、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、直觀等優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，利用超盧波進(jìn)行精確而快速測(cè)量U型管中液柱高度的原理設(shè)計(jì)而成。它具有測(cè)最精度高、讀數(shù)準(zhǔn)確(數(shù)顯)、測(cè)量速度快的特點(diǎn)，可以通過RS-232接口與計(jì)算機(jī)連接，進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)、圖表處理，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 超聲波及超聲波換能器

超聲波是機(jī)械波的一種，足機(jī)械振動(dòng)在連續(xù)介質(zhì)(氣體、液體、固體)中的傳播過程，所以，機(jī)械振動(dòng)是超聲波產(chǎn)生的根源。超聲波是指頻率f>20 kHz的彈性波。

超聲波換能器是發(fā)射和接收趟聲波信號(hào)的關(guān)鍵部件，它可以把電能轉(zhuǎn)換成高頻聲能，或者把盧能轉(zhuǎn)換成電能。超聲波換能器有多種形式，我們選用的是壓電換能器，它足基于某些晶體的壓電效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)電聲能量轉(zhuǎn)換的一種電性換能器。

壓電換能器具有正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。

正壓電效應(yīng)是指當(dāng)對(duì)某電介質(zhì)施加應(yīng)力時(shí)，產(chǎn)生的形變將引起內(nèi)部正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移而產(chǎn)生極化，在介質(zhì)兩端面上出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷，其電荷密度與應(yīng)力成正比。利用正壓電效應(yīng)可將機(jī)械能即聲能轉(zhuǎn)換成電能，這種川來接收盧波的換能器稱為接收換能器。

逆壓電效應(yīng)是指將具有壓電效應(yīng)的介質(zhì)置于電場(chǎng)內(nèi)，由于電場(chǎng)作用引起介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電倚中心發(fā)生位移，這種位移在宏觀上表現(xiàn)為產(chǎn)生了變形(或應(yīng)變)，它與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比。利用這個(gè)效應(yīng)能產(chǎn)生超聲波，即將適應(yīng)的交變電信號(hào)施加到品體上面產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)頻率與交變電壓的頻率相同，從而形成超聲波，發(fā)射聲波利用的是逆壓電效應(yīng)。用米發(fā)射聲波的換能器稱為發(fā)射器。

壓電換能器同時(shí)具有正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。基于此原理，可以用一個(gè)超聲波換能器既做發(fā)射器，又做接收器。

2 超聲波測(cè)壓原理

超聲波測(cè)壓原理見圖1(a)。2根玻璃管形成一個(gè)連通器，在A管的底部安裝一個(gè)超聲波換能器，被測(cè)壓力分別由A、B兩點(diǎn)引入，這種連接方式可測(cè)量兩壓力之間的壓差，如需要測(cè)量表壓，只要將4、B兩壓力中的任意一個(gè)接通大氣即可。

測(cè)量前需進(jìn)行摹準(zhǔn)零位校驗(yàn)，將A、B兩點(diǎn)都接通大氣，此時(shí)因A、B兩壓力相等，連通器兩管中的液柱等高，測(cè)量出此時(shí)超聲波換能器發(fā)射面到液面之間的高度h0，該高度為基準(zhǔn)高度(也稱為零點(diǎn)高度)。測(cè)量時(shí)，將B點(diǎn)接通大氣(測(cè)量表壓)，被測(cè)壓力由A點(diǎn)引入,因A、B兩管存在壓差，則兩液柱形成高度差2△h，設(shè)兩玻璃管中的液體是純凈水，那么用mmH2O(1 mmH2O=9.806 65 Pa)來表示壓力，被測(cè)壓差為：

只要精確測(cè)量出h0和h1，就可準(zhǔn)確測(cè)量出壓力。由式(1)可知，該壓力與超聲波換能器的安裝位置無關(guān)。

利用超聲波測(cè)量水柱高度，超聲波由換能器發(fā)射，遇到液面后反射，反射波再返回?fù)Q能器，由換能器產(chǎn)生電脈沖，只要精確測(cè)量超聲波由換能器發(fā)射到反射波回到換能器這期間的時(shí)間△t即可。如采用24 MHz高頻脈沖作為時(shí)間測(cè)量單位，設(shè)△t時(shí)間內(nèi)共得到脈沖數(shù)為n，則：

設(shè)超聲波通過2h0路程需要時(shí)間為△t0，共記錄n0個(gè)脈沖;經(jīng)過2h1長的路程需時(shí)間為△t1，共記錄n1個(gè)脈沖，超聲波在水中的傳輸速度為ν，則被測(cè)量壓力為：

環(huán)境溫度為25℃時(shí)，超聲波在水中的傳輸速度約為1 483 H1/s，根據(jù)理論計(jì)算，該微壓計(jì)的對(duì)水柱高度測(cè)量的分辨率為：

如需進(jìn)一步提高測(cè)量精度，可提高記數(shù)脈沖的頻率或使用比重較小的液體。如純酒精作為測(cè)量液體，純酒精的比重為O.8，則此時(shí)的測(cè)量分辨率為：

由此可見，該微壓計(jì)的測(cè)量精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于目前使用的測(cè)量方法，能滿足絕大多數(shù)場(chǎng)合微小壓力的測(cè)量。

另外，這種方法測(cè)量速度很快，可以每秒300次左右的速率測(cè)量，因此能捕捉壓力的瞬態(tài)變化。而U型管壓力計(jì)或傾斜管壓力計(jì)讀一點(diǎn)數(shù)據(jù)至少需要1 s，在被測(cè)壓力急劇波動(dòng)時(shí)無法讀取數(shù)值。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 超聲波發(fā)射電路

超聲波發(fā)射電路較為簡(jiǎn)單，由于發(fā)射和接收是同一換能器，且測(cè)壓液柱較短，所以這里不宜采用連續(xù)波發(fā)射，我們采取單脈沖波發(fā)射方式，由單片機(jī)發(fā)出啟動(dòng)脈沖，經(jīng)過微分電路，使得三極管瞬間導(dǎo)通，在超聲波換能器上得到一個(gè)前沿很陡的高壓脈沖，由此換能器向液面發(fā)出超聲波脈。

3.2 超聲波接收、放大電路

由微分放大電路組成輸入級(jí)，來自超聲波換能器第1反射波(4點(diǎn))得到進(jìn)一步放大，同時(shí)使第1反射波信號(hào)變得更尖陡(B點(diǎn))，該信號(hào)再經(jīng)精密檢波電路檢波、濾波后，得到反射波的包絡(luò)線(C點(diǎn))，為消除地線及雜波等干擾信號(hào)，同時(shí)增強(qiáng)信噪比，C點(diǎn)的信號(hào)再經(jīng)過一個(gè)帶有域值比較的放大器進(jìn)一步放大，得到一個(gè)比較干凈而幅值足夠大的第1反射波信號(hào)(D點(diǎn))，最后經(jīng)電壓比較器，輸出觸發(fā)信號(hào)(E點(diǎn))給計(jì)數(shù)系統(tǒng)，使其停止計(jì)數(shù)。至此，完成反射波信號(hào)的放大與處理任務(wù)。

因?yàn)槌暡ㄔ谝褐鶅?nèi)會(huì)產(chǎn)生多次反射，而我們只需要第1反射波，因此在對(duì)完成第1反射波處理后，就必須立刻停止計(jì)數(shù)，這部分由控制電路完成。

3.3 脈沖計(jì)時(shí)電路

控制系統(tǒng)采用MCS-51系列單片機(jī)，當(dāng)單片機(jī)采用12 MHz晶振時(shí)，其最高記數(shù)頻率為500 kHz，而超聲波記時(shí)系統(tǒng)采用的是24 MHz高頻脈沖，因此通過74LS

393把24MHz高頻脈沖進(jìn)行256分頻后變成93.75 kHz，再送給單片機(jī)計(jì)數(shù)。

在讀取時(shí)鐘脈沖數(shù)時(shí)，由74LS393讀取低8位，高16位由單片機(jī)內(nèi)部記數(shù)器讀取，這樣記數(shù)值可達(dá)到二進(jìn)制24位。理論計(jì)算最大測(cè)量水柱高度為：

4 軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)著重解決實(shí)時(shí)和同步問題。首先，在發(fā)射超聲波的同一時(shí)刻啟動(dòng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù);其次，接收到第1反射波的同時(shí)，立刻停止計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù);再次，由于發(fā)射和接收是同一超聲波換能器，所以超聲波的發(fā)射端和接收放大電路的輸入端連接在同一點(diǎn)，在發(fā)射波發(fā)出的同時(shí)，接收放大電路同樣收到發(fā)射信號(hào)，如不采取措施，會(huì)誤將發(fā)射波當(dāng)做有效的反射波，計(jì)數(shù)器在啟動(dòng)的瞬間就會(huì)被關(guān)閉，造成誤操作，所以此時(shí)要采取必要的措施，對(duì)放大器的輸入端進(jìn)行屏蔽處理。

另一方面，發(fā)射的電脈沖信號(hào)有一定的寬度，對(duì)超聲波的激勵(lì)是利用發(fā)射脈沖的前沿，加之電路存在延時(shí)效應(yīng)，根據(jù)上述情況，應(yīng)在發(fā)射后的一段時(shí)間內(nèi)需要屏蔽放大電路的輸入端，延時(shí)一段時(shí)間后再開放，以免誤觸發(fā)。因此，從發(fā)射信號(hào)到開放接收電路之間產(chǎn)生一個(gè)固定的時(shí)間差，必然存在一個(gè)測(cè)量死區(qū)，當(dāng)液位高度小于死區(qū)高度時(shí)是無法測(cè)量的。

5 結(jié)束語

該測(cè)量系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)際使用，完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，曾在上海交通大學(xué)熱能工程系風(fēng)洞壓力場(chǎng)應(yīng)用中取得了很好的應(yīng)用效果。由于超聲波在液體中的傳輸速度隨著環(huán)境溫度的變化而變化，我們?cè)陔娐分性O(shè)計(jì)了環(huán)境溫度檢測(cè)電路，通過軟件進(jìn)行溫度補(bǔ)償，同時(shí)，液柱體積也會(huì)隨溫度變化而有所變化，而折合成高度的變化量很小，可以忽略不計(jì)。經(jīng)溫度補(bǔ)償后，該測(cè)量系統(tǒng)非常穩(wěn)定，測(cè)量數(shù)據(jù)精確，速度快，讀數(shù)方便，體積小巧，并可進(jìn)行多點(diǎn)聯(lián)級(jí)使用，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)測(cè)量，便于捕捉壓力瞬態(tài)變化值，例如在上海交通大學(xué)熱能工程系風(fēng)洞壓力場(chǎng)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了128點(diǎn)快速測(cè)量。如果U型管壓力計(jì)人工估讀精度為0.5 mm，超聲波微壓測(cè)量儀以0.03 mm測(cè)量精度計(jì)算，其測(cè)量精度提高16倍。U型管道壓力計(jì)測(cè)量一點(diǎn)的壓力最快也需1 s，而該超聲波微壓計(jì)每秒可測(cè)量300點(diǎn)，由此可知，其測(cè)量速度提高300倍，完全可取代常規(guī)的U型管道壓力計(jì)或傾斜管壓力計(jì)，是很好的更新?lián)Q代的產(chǎn)品，市場(chǎng)前景廣闊。