超声波液位计的设计教材.docx
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超声波液位计的设计教材
基于参考声速法超声波
液位的测量
专业：
电机与电器
班级：
06班
姓名：
陈志伟
学号：
2012230
基于参考声速法超声波液位的测量
摘要
目前市场上的超声波液位计品种多样，大多采用温度补偿方法对超声波传播速度进行校正，以提高仪表测量精度。
此方法需在系统外加一个温度测量单元，通过测量环境温度，获得实际声速；由此也引进了温度测量误差，从而限制了系统精度的进一步提高。
本文是利用参考声速法实现声速校正的超声液位测量系统。
设计中采用气介式测量方式，将一个反射性能良好的挡板固定在超声波探头和液面之间，通过测量挡板回波的时间，实现精确的声速校正，从而大大提高液位测量精度。
此系统不但继承了传统超声波液位计的优点，而且无需采集环境温度，避免了由于测温误差引起的系统误差。
文中以超声波原理为理论依据,以超声波传感器为接口部件,利用超声波在空气中传播的时间差来测量距离,从而设计了一套超声波测距系统。
这种新型声速校正方法相对于传统补偿方法，性能更加优越，是今后超声波液位测量的发展方向，具有广阔的发展前景。
关键词：
超声波液位计，探头，声速校正，挡板
第一章绪论
1.1液位测量的意义
近年来，随着电子技术的迅速发展，液位测量仪表中的测量技术经历了有机械向机电一体化再到自动化的发展过程。
结合这两大技术，尤其是将微处理器引进液位测量系统，使得液位计的精度越来越来高，越来越来向智能化、一体化、小型化发展。
在实际应用中，可根据需要选择合适的液位计，满足测量精度、测量环境等多方面的要求。
1.2液位计的种类
根据工作原理的不同，液位计可分为以下几种：
直读液位计，浮子液位计，静压液位计，电磁液位计，超声波液位计，光纤液位计等等。
传统的液位计逐渐被这些新型液位计所取代。
新型液位计无论是在精度稳定性，还是在智能测量方面都比传统液位计有着明显的优势，是今后液位计发展方向。
其中超声波液位计以其低成本高精度非接触式稳定性好等优势受到广泛青睐，发展出了适应不同场合的超声波液位计，广泛应用于石油化工，航空航天，水利，气象，环保医疗卫生，食品饮料等多个领域。
超声波液位计是非接触测量中发展最快的一种。
该技术基于超声波在空气传播速度及遇到被测液体产生反射的原理。
可实现非接触测量、测量范围宽、并且测量不受介质密度、介电常数、导电性等的影响，因此它的使用范围非常广泛，包括水渠、油罐、粘稠、腐蚀性及有毒液体等的液位测量。
我国从就是年代开始将超声波测距技术应用到河流、湖泊等水体的水位测量中，以及油、浆等液体的液位测量中，超声波液位测量技术在越来越来多领域发挥极其重要的作用。
1.3超声波液位计概况
1.3.1国内外的超声波液位计发展
在国际上，把超声波技术用于液位测量己有较长时间，我国从20世纪90年代开始发展，将超声测距技术应用到河流、湖泊、水、渠等水体的水位测量中，以及油、浆等液体的液位测量中。
目前国内高精度超声液位测量仪表的发展主要采用引进加吸收等手段，还有许多合资企业代理国外相应产品。
国内自主研发超声波液位计的公司极少，不足十家，而且在测量范围，死区范围和精度都低于国外超声仪表的平均水平。
有的厂家只有生产设备，没有标定装置。
由此可见，我国在该领域的发展相对国外还有较大差距，在产品性能指标、仪表可靠性、企业技术力量等方面都落后于西方发达国家。
就精度一项指标而言，目前国内超声波液位测量精度目前一般只达到3mm或0.5%，盲区最小为30cm。
影响精度的因素除了超声波传感器本身的制作工艺外，还与发射和接收电路的性能以及误差的修正方法有关。
随着人们对引起测量误差因素的认识以及解决方法的提出，测量精度在逐步提高。
近年来国内相关单位也加大了对这一领域的研究力度。
在北京、上海、无锡、杭州等城市,均有一些公司小批量生产超声液位仪表,并不断开发新产品。
天津中环天仪集团正在推出的超声波液位计具有0.2%的精度，1mm分辨力，是新品的代表之一。
深信不久的将来,我国产品一定会有更加长足的进步。
1.3.2超声波液位计的优点与局限性
与其他种类的液位计相比，超声波液位计具有以下优点：
（1）非接触测量，超声波换能器安装在页面上方，不与被测介质接触，可方便的测量腐蚀性、粘稠性或有毒液体。
（2）适应性强，适用范围广，不受介质密度、介电常数、导电性的影响，对被测液体的物理化学性质的适应性极强。
（3）适用于有毒、有腐蚀、高粘度的液体测量，弥补了其他液位计在此类恶劣性测量环境的不足。
（4）通用性好，液位计即可测量开区液位，也可测量大型储油罐等液体液位。
安装拆卸方便。
（5）几乎没有机械可动部件，无磨损，使用寿命长，重量轻。
换能器内的压电元件以声频振动，振幅小，寿命长。
1.3.3超声波液位测量方法
目前，采用超声波测量液位的方法很多，有声波阻断法、脉冲回波法、共振法、频差法等连续液位测量方法，还有连续波阻抗法、连续波穿透式、脉冲反射式和脉冲穿透式等定点液位测量方法。
（1）声波阻断式是利用超声波在气体、液体和固体中被吸收而衰减的情况不同，来探测在超声波探头前方是否有液体或固体存在。
当夜位达到预定高度时，超声波被阻断，即可发出报警信号或进行限位控制。
（2）脉冲回波测距法是利用声波在同一介质中有一定的传播速度，而在不同的密度的介质分界面处会产生反射，从而根据声波从发射到接收到液面回波的时间间隔来计算液位。
根据超声波探头安装的位子不同，该方法可分为气介式、固介式、液介式三种。
液介式：
图1-1a液介式单探头图1-1b液介式双探头图1-1c底置探头
气介式：
图1-2a气介式单探头图1-2b气介式双探头
固介式：
声波经固体棒或金属管传播，经液面发射后再由固体棒传回接收换能器。
这种方法由于由于有一定的局限性，所以应用的很少。
（3）共振法测量液位的基本原理是通过调节超声波的频率，使得探头和液面之间建立共振状态，根据共振频率和介质声速计算出探头至液面的距离。
如果不知道声速，也可以利用某一固定距离测量时的共振，两者比较，计算探头至液面的距离。
第二章系统总体设计方案
2.1超声波
声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。
所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。
譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。
超声波是指振动频率大于20000Hz以上的,其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的上限（20000Hz），人们将这种听不见的声波叫做超声波。
超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。
为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。
完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。
超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。
超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。
2.2超声波换能器
应用超声波进行测量，首先要解决的问题是如何发射和接收超声波，这就要用到超声波换能器。
超声波换能器是整个电路中最关键的器件，又称为超声波探头。
它的作用是完成电能与声能的相互转换。
发射换能器将其他形式的能量转换成超声能量，接收换能器将超声能量转换成其他易于检测的能量。
超声波探头使用最多的是由压电晶片（或压电陶瓷）制成的换能器。
超声波的接收和反射是基于压电晶片的压电效应和逆压电效应。
其工作原理是：
当压电晶片受发射脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，此即逆压电效应。
当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，此为正压电效应。
前者是超声波的发射，后者为超声波的接收。
压电晶片的振动频率即探头的工作频率，主要取决于晶片的厚度和超声波在晶片材料中的传播速度，为得到较高的频率，要使晶片在共振状态下工作，此时晶片厚度为1／2波长。
其中，PVDF压电薄膜材料除了具有良好的物理性能外，在厚度、面积上有很大的选择余地，易于加工且频率范围宽，常用来制成40kHz～300kHz的超声换能器13引。
压电晶片的材料通常有：
锆钛酸铅陶瓷（P），钛酸钡陶瓷（B），钛酸铅陶瓷（T），铌酸锂单晶（L）、碘酸锂单晶
（1）、石英单晶（Q）以及其他压电材料（N）。
表2-2儿种常用压电晶片材料的主要参数
注：
压电材料的居罩点是指压电材料完全丧失压电效应的温度；介电常数反映材料的介电性质，在制造探头考虑阻抗匹配时起作用；压电应变常数是指当压电体处于应力恒定的状态时，由于电场强度变化所产生的应变变化与电场强度变化之比，它关系着晶片发射性能的好坏；压电电压常数是指压电体在电位移恒定时，由于应力变化所产生的电场强度变化与应力变化之比，它关系着品片接收性能的好坏。
压电片的振动方式有很多种，如：
薄片的厚度振动，纵片的长度振动，横片的长度振动，圆片的径向振动，圆管的厚度、长度、径向和扭转振动，弯曲振动等。
其中，以薄片厚度振动用的最多。
由于压电晶片本身较脆，并因各种绝缘、密封、防腐蚀、阻抗匹配以及防护不良环境要求，压电元件往往装在一壳体内构成探头。
2．2.1基本原理
以石英晶体作为压电材料的超声波换能器，利用压电晶片的压电效应和逆压电效应来实现超声波的接收和反射。
逆压电效应是指：
当压电晶片受发射脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，此为超声波的发射。
正压电效应是指：
当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，此为超声波的接收。
压电晶片的振动频率即探头的工作频率，主要取决于晶片的厚度和超声波在晶片材料中的传播速度。
压电陶瓷晶片有一个固有的谐振频率，即中心频率f0，为得到较高的频率，要使晶片在共振状态下工作。
发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率f。
一致；接收超声波时，作用在其上面的超声机械波的频率也要与它的固有频率一致。
这样，超声传感器才有较高灵敏度。
在所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便的改变其固有谐振频率。
利用这一特性可制成各种频率的超声传感器。
用于超声测距的超声换能器的中心频率一般为40kHz。
超声波换能器的压电晶片安装在一个小型外壳里，外壳的前面由一种声波很容易通过的金属丝网组成，在换能器的背面有两个电接头。
将两个压电晶片粘在一起，它们的每个外表面都有作为施加电位用的镀银电极。
制作过程中，在晶体片上形成电荷偶极子，并使其校准在一个确定的方向上，即“极化方向’。
在双压电晶片组成的板里，两个压电片的极化方向是相反的。
一个沿极化方向上所施加的外电场，将使晶体片随电场的极性发生膨胀或收缩，从而引起整个组件的弯曲。
其工作原理如图2-1所示。
一个交流电场将引起晶体片快速振动，从而将能量发射出去。
图2-l双压电晶片示意图
超声波换能器有一个特定的机械共振频率，即压电晶片的谐振频率，只有在相当接近这个共振频率时，才能有效地工作。
所以必须用一个接近共振频率的交流频率信号施加到发射换能器上，以便使它发射适当强度的超声波，而当反射回换能器的超声波偏离共振频率较远时，则接收换能器产生的响应就小。
2.2.2超声换能器的主要参数
超声波换能器的参数主要有：
（1）中心频率：
是指超声波发射换能器的谐振频率
（2）灵敏度：
接收换能器灵敏度为施加0.1Pa声压时，所产生的电压相对于lv／0.1Pa的分贝数；发射换能器灵敏度为施加1V电压所产生的声压相对于0．1Pa／lV的分贝数。
（3）带宽：
中心频率处灵敏度最高。
当离开中心频率，灵敏度下降，当下降到一定值（dB数）时，两频率之间隔为带宽。
（4）发射角：
发射超声波具有一定的指向性。
（5）电容：
压电陶瓷片两极间的等效电容。
（6）电阻：
压电陶瓷片两极问的电阻值。
另外，还有一些极限参数，如允许输入电压、温度范围、耐湿性等。
本设计中选用T／R40-16型超声波换能器。
T一发射，R一接收，40-中心频率，16一外壳直径（mm）。
如图2—2所示，超声换能器由压电晶片、锥形喇叭、底座、引线、金属外壳及屏蔽网组成。
其中，压电晶片是换能器的核心，锥形喇叭使发射和接收超声波的能量集中，并使换能器有一定的指向角，金属网可防止外界力量对压电晶片和锥形喇叭的损害，金属网也起保护作用，但不影响发射和接收超声波。
图2—2超声波换能器内部结构
其性能指标：
中心频率40±1KHZ，发射声压大于115dB，接收灵敏度大于64Db／v／ubar，-6dB指向为50deg，电容2400±25％PF，允许输入电压20v。
其发射换能器频率特性曲线图如图2．3所示。
15
图2-3超声发射换能器频率特性
由图可知，在中心频率40kHz处，超声发射器所产生的超声机械波最强，即在fo处所产生的超声声压能级最高。
而在fo两侧，声压能级迅速衰减，因此超声波发射时要用非常接近中心频率f0的交流电压来驱动。
同样，接收换能器在中心频率f0处输出电信号的幅度最大，即在fo处接收灵敏度最高。
因此，超声波接收换能器具有很好的频率选择特性。
2．3时差法超声波液位计的基本原理
时差法超声波液位计的工作原理是首先由发射探头发射出超声波，在被测液体介质或其他借以测量的传声介质中传播至液面，经液面反射后，反射回波被接收探头所接收，测量超声波从发射到接收所经过的时间，根据介质中的声速，可计算出探头至液面的距离，进而得出液位高度。
根据超声波换能器的工作方式的不同，超声波液位计可分为一发一收的双探头模式和自发自收的单探头模式。
根据传声介质的不同，又分为气介式、液介式和固介式三种安装方式。
本文主要以气介式安装双探头超声波液位计作为研究对象。
其中，H表示探头与容器底部的距离，L表示超声波传输距离的一半，v表示超声波声速，t表示超声波传播时间，h即所测液面实际高度。
在两探头相距非常近时，可将超声波传播路径看成是与液面垂直的直线距离。
由上述可知，超声波液位计测液位需要知道超声波在空气中的传播速度和传播时间，以计算得出液位高度。
因此，超声波液位计的精度取决于超声波声速和传播时间的计时精度。
2.4超声波测距原理
超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。
假设超声波在空气中的传播速度为v，根据计时器记录的时间t，液位高度为H，如图所示
图2-7超声波测距原理
根据挡板回波的时间t计算出参考声速即超声波在空气中的速度v，一段时间后，有h=H-L=H-v*t2。
其中，H表示探头与容器底部的距离，L表示超声波传输距离的一半，v表示超声波声速，t表示超声波传播时间，h即所测液面实际高度。
在两探头相距非常近时，可将超声波传播路径看成是与液面垂直的直线距离。
由上述可知，超声波液位计测液位需要知道超声波在空气中的传播速度和传播时间，以计算得出液位高度。
因此，超声波液位计的精度取决于超声波声速和传播时间的计时精度。
第三章超声波液位计的整体设计
3．1超声波液位计系统结构
超声波液位测量系统基于“回波测距”的原理。
由超声波的发射探头发射超声波，声波遇到障碍物后反射，由超声波接收探头接收。
测出从超声波发射脉冲串至接收到回波信号的传输时间，及超声波在介质中的实际传输速度，就可算出液位高度。
为了尽可能的提高系统精度，本测量系统将超声波检测技术与计算机技术相结合，对连续及定点液位进行自动测量，并能显示和打印出液位数据。
由上述章节可知，超声波在介质中的传播速度不是固定值，随温度的变化而变化，因此很多超声波液位计测量系统通过温度补偿，实现高精度的测量。
在本设计中，采用设置参考挡板对声速进行校正，不需采集环境温度。
利用挡板进行声速校正的超声波液位计的系统结构如图3-1所示。
在超声波探头与液面之间设置一个反射性能良好的挡板，挡板与探头之间的距离是固定的。
探头选用R／T40—16型，即一发一收双探头模式，中心频率40KHz，探头外壳直径16mm。
首先，通过测得超声波从发射探头经挡板反射回到接收探头的传播时间差，可获得测量环境下超声波实际声速，以此作为液位计算中的参考声速，达到声速校正的目的，从而实现高精度的液位测量。
3.1液位测量系统原理框图
系统工作原理：
上电后，单片机管脚p2.0组40kHz的方波，经发射电路升压放大后激发超声波发射探头T40发射超声波，接收探头R40接收到反射回波后经接收电路放大滤波，将正弦波转换成方波信号，作为单片机计时的外部中断信号。
单片机接收两次中断信号，分别是挡板回波中断和液面回波中断，分别由单片机定时器T0和T1计时。
挡板回波计时只为了获得参考声速，由液面回波计时和参考声速来计算探头与液面的距离，进而由单片机计算出实际液位值，最后由数码管显示。
发射探头和接收探头呈一定角度安装，挡板固定在探头下方距离一定的位置。
当两探头水平安装位置相距很近时，可近似垂直液面安装。
3．2探头和参考挡板的安装方式
本设计中采用了设置声速校正具的方法获得参考声速，这里的声速校正具是一个反射性能良好的挡板。
挡板与探头之间的距离固定，以获得测量环境下的实际超声波声速。
此设计中的关键问题是如何安装超声波探头与参考挡板，包括两探头之间的距离、探头中心轴线与垂直方向的夹角、探头与挡板的距离以及挡板的大小等问题。
下面将对此做出详细讨论。
探头与挡板安装结构图，如图3．2所
图3-2探头和挡板安装位置示意图
3.3.发射电路的设计
发射电路的主要目的是驱动超声波发射探头内的压电晶片振动，使之发出超声波，并且发射的超声波具有一定的能量，可传播较远的距离，实现测量的目的。
驱动超声发射探头工作的方式很多，只要在探头上施加一串其频率与探头中心频率一致且能量足够大的脉冲即可。
发射脉冲可以由单片机或振动器来实现。
而要获得足够大的能量，则可用三极管、场效应管、变压器等实现。
本设计中采用的是由单片机发出40kHz的方波，并由三极管和变压器对其升压放大，驱动超声波发射探头发射出能量足够大的超声波。
实验所用的超声波探头为T／R40．16型，它在频率40kHz，幅值20V的电压驱动下，才能发挥最佳性能。
由于单片机P2．0管脚输出的方波电压只有5V，其驱动能力无法达到驱动超声波换能器的要求，系统选用三极管9013对单片机发出的方波信号进行放大，并用变压器升压，使得加在超声波发射探头上的电压达到驱动其工作的能力，并且发射出的超声波能量足够大，可传播较远的距离，达到测量的目的。
发射电路如图3．3所示。
由单片机AT89S52的p2．O管脚发出频率40kHz的方波，经由2．2KQ的电阻与三极管9013基极相连，组成共射基放大电路将信号放大，再利用变压器为其升压。
驱动超声波发射探头T40发出能量足够大的超声波，并传播较远的距离，实现测量的目的。
3．4收电路的设计
超声波接收探头在接收到回波信号后，压电晶片将信号转换成了电压信号（正弦波）。
因此需要将正弦波转换为方波信号，所以这罩使用了电压比较器LM311，输出方波信号控制D触发器的时钟端，D触发器将中断信号送至单片机，在中断服务程序停止定时器T，从而获得超声波传播时间，进而计算出液位高度。
超声波信号在传播过程中，由于介质吸收、声束扩散等原因会发生衰减，因此接收到的回波信号很弱，需要先经接收电路进行两级放大。
因此，接收电路实现超声回波信号的滤波放大、整形及产生中断信号的功能。
超声波接收电路原理框图如图3-4所示。
图3-4接收电路原理图
接收探头接收到回波信号后，经由运算放大器LM833N组成的比例放大电
路实现信号放大，以满足长距离测量的要求。
放大电路图如图3．5所示。
图3-5接收电路放大部分电路图
因为送往单片机的需是方波信号，而超声波接收探头接收信号后获得的是正弦波信号，所以需要整形电路完成正弦波到方波信号的转换。
电路中采用集成电压比较器LM311将正弦波转换为方波信号其输出信号作为D触发器的时钟信号。
在放大电路与电压比较器之间连接一个变阻器，这是由于随着超声波传播距离的增加，回波信号由于衰减变弱，近距离回波信号与远距离回波信号电压相差很大，可通过调节变阻器来调节输入信号电压值。
集成电压比较器LM311的工作原理图如图3-6所示。
图3-6LM311工作原理图
回波信号经放大电路放大后，由电压比较器LM311将正弦波转换为方波，其输出信号作为D触发器的时钟信号。
D触发器的D端接单片机的P1．2管脚。
平时该管脚置成高电平，当单片机发送完方波信号后，在允许外部中断0中断的同时，将P1．2置成低电平；当接收到回波信号，并将其转换成D触发器的时钟信号后，D管脚的低电平将通过D触发器的Q端送出，作为单片机的外部中断信号，实现对回波信号计时的目的。
3．3．4远程通讯接口设计
超声波液位计用于室外环境或不便于工作人员操作的场合时，远程通讯功能可满足人们对超声波液位计的实时监控，本系统采用RS232C串行通讯接口实现单片机与上位机的远程通信。
RS232C147是美国电子工业协会正式公布的串行总线标准，是应用最早、也是目前最常用的串行接121标准，用来实现计算机之间、计算机与外设之间的数据通讯。
但它采用单端驱动非差分接收电路，因而存在传输距离不太远（最大传输距离15m），传输速率不太高（最大数据速率19．2kpbs）的问题。
结合超声波液位计的应用环境，采用RS232C可满足一般的工业现场要求，且成本低，是比较合适的选择。
RS232C标准规定接口有25根连线，采用25针或9针的连接器，通常只有9个信号经常使用。
本设计中选用9针D型连接器。
9针与25针连接器之间引脚对应关系及引脚功能见表3．16所示。
表3．16D型连接器各引脚功能表
由于RS232C采用负逻辑，要求高低电平有较大幅度，作为驱动输出时，逻辑负（即数字0）为+3一+15V，逻辑正（即数字1）为⋯315V，其用J下负电压表示逻辑状态与单片机以TTL高低电平表示逻辑状态的规定不同；因此要实现上位机与单片机之I’日J的通讯，必须进行电平转换。
本设计使用的是MAX202芯片来实现这一电平转换功能。
串行通讯接口电路如图3-9所示。
图3-9串行通讯接口电路图
MAX202的9、10管脚分别连接单片机串行接口的接收数据端RXD和发数据端TXD，7、8管脚连接Pc机串行El的接收端和发送端。
另外没有使用通道全部接地。
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