超聲波液位計的設計與實現

　　摘要：本文重點闡述了在利用超聲波檢測中為提高測量精度以及減小測量盲區所采取的軟、硬件措施。
　　
　　1、超聲波原理
　　
　　超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，因此，如果能測出超聲波在空氣中的傳播時間，就能算出其傳播的距離。超聲波測量液位，就是通過測定超聲波傳播的時間間隙來測出聲波傳送的距離。具體方法：見圖1。由安裝于被測容器頂部的超聲波探頭向液面發射一束超聲波，聲波被液面反射后，由探頭接收。控制器測得傳播時間t，根據聲速v，即可得出液面至探頭的空間距離L。在已經探頭至容器底部距離，即安裝高度H的前提下，可得出容器內的液位高度h。計算公式為：
　　
　　H=H-L其中L=v•t/2
　　
　　另外，由于空氣溫度對聲速有一定的影響，所以還應測出環境空氣溫度T，以修正聲速。公式為：
　　
　　v=331.460.61•T（℃）　　
　　2、超聲波液位計的主要電路
　　
　　超聲波液位計由超聲波探頭，發射控制與接收處理電路，控制器和顯示等部分組成。其硬件結構框圖如圖2所示。收發及換能器探頭由壓電式換能器、收發器及溫度補償電路組成；收發器包括發射控制與接收處理電路，主要由超聲波發射脈寬控制、回波信號檢波、比較、微分、整形等信號處理電路組成；顯示電路采用74LS164和LED組成，完成系統參數及液位高度的顯示；控制器是以80C552單片微機組成的應用系統，主要完成按鍵的掃描處理，超聲波的發射控制，接收回波時間的計算，以及液位的換算等。本文重點介紹為了提高測量精度及減小測量盲區對超聲波回波檢測所采取的軟硬件措施。電路如圖3所示。　　
　　當超聲波發射時，發射波或接收的回波皆可經接收回路將信號由In端輸入，通過檢波、放大、比較、微分，在D觸發器的R端形成尖脈沖。該脈沖信號經D觸發器整形得到一個下跳變的窄脈沖，送到80C552的INT端。通過20C552的中斷系統記錄每次中斷時刻，根據相鄰兩次中斷的時間間隔，也就知道了從發射至接收到回波這段時間，即超聲波來回傳播的時間，從而可以計算出傳播的距離。　　
　　3、提高測量精度、縮小測量盲區的措施
　　
　　本文重點闡述了在利用超聲波檢測中為提高測量精度以及減小測量盲區所采取的軟、硬件措施。
　　
　　在超聲波發射以及存在較強余振的時候，是不能同時檢測回波的。因此，在距探頭發射面較近的一定距離內不能正常檢測，形成檢測盲區。一般常見的國內外超聲波儀表盲區范圍大于0.30m。通過對測量精度以及盲區形成原因進行具體的分析，得出盲區的大小主要與發射波的強弱以及回波檢測的方法有關。一般情況下，當距離相同時，發射波強，接收的回波信號就強，但余振也強，盲區就大。反之，則小。當發射波強度相同時，檢測距離愈近，接收的回波信號愈強，盲區愈大。其次，當超聲波探頭向液面發射一束超聲波后，該波在液面與探頭之間多次反射，使接收回路產生多個回波，在80C552形成一串中斷信號。其中發射脈沖寬度對測量精度的影響很大，為此，本儀器在設計時采取以下措施：①自動控制發射波的強弱以減小檢測盲區。具體做法是通過測試性的發射和距離的檢測，使得發射波的弱強隨檢測距離的變化而變化。②在軟件設計中實施一些特殊的處理方法，郡在記錄回波的時刻中，每次測量連續記錄四次回波時刻，在計算回波時間時，以zui后兩次的時刻差作為超聲波的傳播時間。這樣處理就避免了發射脈沖寬度對測量的影響，從而使測量更加準確，并且還可使盲區zui小減到0.05m。
　　
　　另外，為了防止干擾波及發射波寬度和多次回波的重疊對測量的影響，本設計在接收回波的電路中，增加了一個電平可變的門限，該電平由80C552的PWM脈寬調制端通過必要的接口電路形成的D/A轉換器的輸出提供。門限電平的高低應盡量使產生回波的中斷時刻發生在靠近回波波形的中心位置，以減小波形寬度對測量時間的影響。
　　
　　通過上述處理，對于所要求測量范圍0.20m~8m內，測量zui大誤差為0.006m，且重復性好由于本文設計的超聲波液位計，具有硬件結構簡單，工作可靠及上述的特點，因此，它不僅可用于化工、電力、石油等行業的液位測量中，還可以用在其它的測距系統中。