超聲波液位計(jì)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1超聲波原理 超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，因此，如果能測(cè)出超聲波在空氣中的傳播時(shí)間，就能算出其傳播的距離。超聲波測(cè)量液位，就是通過測(cè)定超聲波傳播的時(shí)間間隙來測(cè)出聲波傳送的距離。具體方法：見圖1。由安裝于被測(cè)容器頂部的超聲波探頭向液面發(fā)射一束超聲波，聲波被液面反射后，由探頭接收?？刂破鳒y(cè)得傳播時(shí)間t，根據(jù)聲速v，即可得出液面至探頭的空間距離L。在已經(jīng)探頭至容器底部距離，即安裝高度H的前提下，可得出容器內(nèi)的液位高度h。計(jì)算公式為：

H=H-L其中L=v?t/2

另外，由于空氣溫度對(duì)聲速有一定的影響，所以還應(yīng)測(cè)出環(huán)境空氣溫度T，以修正聲速。公式為：

v=331.46 0.61?T(℃)

2超聲波液位計(jì)的主要電路

超聲波液位計(jì)由超聲波探頭，發(fā)射控制與接收處理電路，控制器和顯示等部分組成。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。收發(fā)及換能器探頭由壓電式換能器、收發(fā)器及溫度補(bǔ)償電路組成;收發(fā)器包括發(fā)射控制與接收處理電路，主要由超聲波發(fā)射脈寬控制、回波信號(hào)檢波、比較、微分、整形等信號(hào)處理電路組成;顯示電路采用74LS164和LED組成，完成系統(tǒng)參數(shù)及液位高度的顯示;控制器是以80C552單片微機(jī)組成的應(yīng)用系統(tǒng)，主要完成按鍵的掃描處理，超聲波的發(fā)射控制，接收回波時(shí)間的計(jì)算，以及液位的換算等。本文重點(diǎn)介紹為了提高測(cè)量精度及減小測(cè)量盲區(qū)對(duì)超聲波回波檢測(cè)所采取的軟硬件措施。電路如圖3所示。

當(dāng)超聲波發(fā)射時(shí)，發(fā)射波或接收的回波皆可經(jīng)接收回路將信號(hào)由In端輸入，通過檢波、放大、比較、微分，在D觸發(fā)器的R端形成尖脈沖。該脈沖信號(hào)經(jīng)D觸發(fā)器整形得到一個(gè)下跳變的窄脈沖，送到80C552的INT端。通過20C552的中斷系統(tǒng)記錄每次中斷時(shí)刻，根據(jù)相鄰兩次中斷的時(shí)間間隔，也就知道了從發(fā)射至接收到回波這段時(shí)間，即超聲波來回傳播的時(shí)間，從而可以計(jì)算出傳播的距離。

3提高測(cè)量精度、縮小測(cè)量盲區(qū)的措施

本文重點(diǎn)闡述了在利用超聲波檢測(cè)中為提高測(cè)量精度以及減小測(cè)量盲區(qū)所采取的軟、硬件措施。

在超聲波發(fā)射以及存在較強(qiáng)余振的時(shí)候，是不能同時(shí)檢測(cè)回波的。因此，在距探頭發(fā)射面較近的一定距離內(nèi)不能正常檢測(cè)，形成檢測(cè)盲區(qū)。一般常見的國(guó)內(nèi)外超聲波儀表盲區(qū)范圍大于0.30m。通過對(duì)測(cè)量精度以及盲區(qū)形成原因進(jìn)行具體的分析，得出盲區(qū)的大小主要與發(fā)射波的強(qiáng)弱以及回波檢測(cè)的方法有關(guān)。一般情況下，當(dāng)距離相同時(shí)，發(fā)射波強(qiáng)，接收的回波信號(hào)就強(qiáng)，但余振也強(qiáng)，盲區(qū)就大。反之，則小。當(dāng)發(fā)射波強(qiáng)度相同時(shí)，檢測(cè)距離愈近，接收的回波信號(hào)愈強(qiáng)，盲區(qū)愈大。其次，當(dāng)超聲波探頭向液面發(fā)射一束超聲波后，該波在液面與探頭之間多次反射，使接收回路產(chǎn)生多個(gè)回波，在80C552形成一串中斷信號(hào)。其中發(fā)射脈沖寬度對(duì)測(cè)量精度的影響很大，為此，本儀器在設(shè)計(jì)時(shí)采取以下措施：①自動(dòng)控制發(fā)射波的強(qiáng)弱以減小檢測(cè)盲區(qū)。具體做法是通過測(cè)試性的發(fā)射和距離的檢測(cè)，使得發(fā)射波的弱強(qiáng)隨檢測(cè)距離的變化而變化。②在軟件設(shè)計(jì)中實(shí)施一些特殊的處理方法，郡在記錄回波的時(shí)刻中，每次測(cè)量連續(xù)記錄四次回波時(shí)刻，在計(jì)算回波時(shí)間時(shí)，以最后兩次的時(shí)刻差作為超聲波的傳播時(shí)間。這樣處理就避免了發(fā)射脈沖寬度對(duì)測(cè)量的影響，從而使測(cè)量更加準(zhǔn)確，并且還可使盲區(qū)最小減到0.05m。

另外，為了防止干擾波及發(fā)射波寬度和多次回波的重疊對(duì)測(cè)量的影響，本設(shè)計(jì)在接收回波的電路中，增加了一個(gè)電平可變的門限，該電平由80C552的PWM脈寬調(diào)制端通過必要的接口電路形成的D/A轉(zhuǎn)換器的輸出提供。門限電平的高低應(yīng)盡量使產(chǎn)生回波的中斷時(shí)刻發(fā)生在靠近回波波形的中心位置，以減小波形寬度對(duì)測(cè)量時(shí)間的影響。

通過上述處理，對(duì)于所要求測(cè)量范圍0.20m~8m內(nèi)，測(cè)量最大誤差為0.006m，且重復(fù)性好由于本文設(shè)計(jì)的超聲波液位計(jì)，具有硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠及上述的特點(diǎn)，因此，它不僅可用于化工、電力、石油等行業(yè)的液位測(cè)量中，還可以用在其它的測(cè)距系統(tǒng)中。