0 引 言
對于微小壓差的測最，傳統(tǒng)的方法是采用U型管壓力計，該壓力計結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，性能可靠，缺點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，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，如果傾斜管壓力計的測量管傾斜角為30°，則測量精度可提高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量分辨率已達到10 Pa左右。缺點是穩(wěn)定性不夠好，溫漂和時漂都比較大，且價格昂貴。
上述微壓測量方法各有利弊，如果要繼續(xù)提高測量精度，以上測量裝置已經(jīng)難以勝任。針對這樣的現(xiàn)狀，我們設(shè)計了一種新型的微壓計--超聲波微壓計。這是在保留U型管壓力計原理、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、直觀等優(yōu)點的基礎(chǔ)上，利用超盧波進行精確而快速測量U型管中液柱高度的原理設(shè)計而成。它具有測最精度高、讀數(shù)準(zhǔn)確(數(shù)顯)、測量速度快的特點，可以通過RS-232接口與計算機連接，進行相關(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
超聲波是機械波的一種，足機械振動在連續(xù)介質(zhì)(氣體、液體、固體)中的傳播過程，所以，機械振動是超聲波產(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)對某電介質(zhì)施加應(yīng)力時，產(chǎn)生的形變將引起內(nèi)部正負電荷中心發(fā)生相對位移而產(chǎn)生極化，在介質(zhì)兩端面上出現(xiàn)符號相反的束縛電荷，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)置于電場內(nèi)，由于電場作用引起介質(zhì)內(nèi)部正負電倚中心發(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)，它與電場強度成正比。利用這個效應(yīng)能產(chǎn)生超聲波，即將適應(yīng)的交變電信號施加到品體上面產(chǎn)生振動，振動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。
壓電換能器同時具有正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)?；诖嗽?，可以用一個超聲波換能器既做發(fā)射器，又做接收器。
2 超聲波測壓原理
超聲波測壓原理見圖1(a)。2根玻璃管形成一個連通器，在A管的底部安裝一個超聲波換能器，被測壓力分別由A、B兩點引入，這種連接方式可測量兩壓力之間的壓差，如需要測量表壓，只要將4、B兩壓力中的任意一個接通大氣即可。
測量前需進行摹準(zhǔn)零位校驗，將A、B兩點都接通大氣，此時因A、B兩壓力相等，連通器兩管中的液柱等高，測量出此時超聲波換能器發(fā)射面到液面之間的高度h0，該高度為基準(zhǔn)高度(也稱為零點高度)。測量時，將B點接通大氣(測量表壓)，被測壓力由A點引入,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，被測壓差為：
只要精確測量出h0和h1，就可準(zhǔn)確測量出壓力。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，反射波再返回換能器，由換能器產(chǎn)生電脈沖，只要精確測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間△t即可。如采用24 MHz高頻脈沖作為時間測量單位，設(shè)△t時間內(nèi)共得到脈沖數(shù)為n，則：
設(shè)超聲波通過2h0路程需要時間為△t0，共記錄n0個脈沖;經(jīng)過2h1長的路程需時間為△t1，共記錄n1個脈沖，超聲波在水中的傳輸速度為ν，則被測量壓力為：
環(huán)境溫度為25℃時，超聲波在水中的傳輸速度約為1 483 H1/s，根據(jù)理論計算，該微壓計的對水柱高度測量的分辨率為：
如需進一步提高測量精度，可提高記數(shù)脈沖的頻率或使用比重較小的液體。如純酒精作為測量液體，純酒精的比重為O.8，則此時的測量分辨率為：
由此可見，該微壓計的測量精度遠遠優(yōu)于目前使用的測量方法，能滿足絕大多數(shù)場合微小壓力的測量。
另外，這種方法測量速度很快，可以每秒300次左右的速率測量，因此能捕捉壓力的瞬態(tài)變化。而U型管壓力計或傾斜管壓力計讀一點數(shù)據(jù)至少需要1 s，在被測壓力急劇波動時無法讀取數(shù)值。
3 硬件設(shè)計
3.1 超聲波發(fā)射電路
超聲波發(fā)射電路較為簡單，由于發(fā)射和接收是同一換能器，且測壓液柱較短，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，由單片機發(fā)出啟動脈沖，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，來自超聲波換能器第1反射波(4點)得到進一步放大，同時使第1反射波信號變得更尖陡(B點)，該信號再經(jīng)精密檢波電路檢波、濾波后，得到反射波的包絡(luò)線(C點)，為消除地線及雜波等干擾信號，同時增強信噪比，C點的信號再經(jīng)過一個帶有域值比較的放大器進一步放大，得到一個比較干凈而幅值足夠大的第1反射波信號(D點)，最后經(jīng)電壓比較器，輸出觸發(fā)信號(E點)給計數(shù)系統(tǒng)，使其停止計數(shù)。至此，完成反射波信號的放大與處理任務(wù)。
因為超聲波在液柱內(nèi)會產(chǎn)生多次反射，而我們只需要第1反射波，因此在對完成第1反射波處理后，就必須立刻停止計數(shù)，這部分由控制電路完成。
3.3 脈沖計時電路
控制系統(tǒng)采用MCS-51系列單片機，當(dāng)單片機采用12 MHz晶振時，其最高記數(shù)頻率為500 kHz，而超聲波記時系統(tǒng)采用的是24 MHz高頻脈沖，因此通過74LS
393把24MHz高頻脈沖進行256分頻后變成93.75 kHz，再送給單片機計數(shù)。
在讀取時鐘脈沖數(shù)時，由74LS393讀取低8位，高16位由單片機內(nèi)部記數(shù)器讀取，這樣記數(shù)值可達到二進制24位。理論計算最大測量水柱高度為：
4 軟件設(shè)計
該系統(tǒng)的軟件設(shè)計著重解決實時和同步問題。首先，在發(fā)射超聲波的同一時刻啟動計數(shù)器計數(shù);其次，接收到第1反射波的同時，立刻停止計數(shù)器計數(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，在發(fā)射波發(fā)出的同時，接收放大電路同樣收到發(fā)射信號，如不采取措施，會誤將發(fā)射波當(dāng)做有效的反射波，計數(shù)器在啟動的瞬間就會被關(guān)閉，造成誤操作，所以此時要采取必要的措施，對放大器的輸入端進行屏蔽處理。
另一方面，發(fā)射的電脈沖信號有一定的寬度，對超聲波的激勵是利用發(fā)射脈沖的前沿，加之電路存在延時效應(yīng)，根據(jù)上述情況，應(yīng)在發(fā)射后的一段時間內(nèi)需要屏蔽放大電路的輸入端，延時一段時間后再開放，以免誤觸發(fā)。因此，從發(fā)射信號到開放接收電路之間產(chǎn)生一個固定的時間差，必然存在一個測量死區(qū)，當(dāng)液位高度小于死區(qū)高度時是無法測量的。
5 結(jié)束語
該測量系統(tǒng)經(jīng)過實際使用，完全達到設(shè)計要求，曾在上海交通大學(xué)熱能工程系風(fēng)洞壓力場應(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，我們在電路中設(shè)計了環(huán)境溫度檢測電路，通過軟件進行溫度補償，同時，液柱體積也會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。經(jīng)溫度補償后，該測量系統(tǒng)非常穩(wěn)定，測量數(shù)據(jù)精確，速度快，讀數(shù)方便，體積小巧，并可進行多點聯(lián)級使用，實現(xiàn)多點同時測量，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)洞壓力場應(yīng)用中實現(xiàn)了128點快速測量。如果U型管壓力計人工估讀精度為0.5 mm，超聲波微壓測量儀以0.03 mm測量精度計算，其測量精度提高16倍。U型管道壓力計測量一點的壓力最快也需1 s，而該超聲波微壓計每秒可測量300點，由此可知，其測量速度提高300倍，完全可取代常規(guī)的U型管道壓力計或傾斜管壓力計，是很好的更新?lián)Q代的產(chǎn)品，市場前景廣闊。
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