基于超声波的料位计的检测系统的设计.docx

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基于超声波的料位计的检测系统的设计

摘要

本文介绍了基于超声波的固体生料料位的检测系统，该系统结构简单、性能可靠，安装方便、测量精度较高，电路实现容易，工作稳定可靠。

弥补了传统测量方法存在的问题。

设计由单片机控制超声波的轮流发射，并且通过单片机的记录和读取发射超声波和接收到回波的时间差，进而计算出测量的距离。

本文介绍了超声测距的基本原理，对超声传感器的结构及频率特性进行了分析。

实现了以空气中超声波的传播速度为确定条件，利用漫反射原理，发射器发出超声脉冲，到达物料位置后反射回来由接收器接收，根据声波往返时间，在已知声速的条件下计算出物料的距离。

并对影响测距精度的主要参数进行了讨论，为实现大距离的测量提供可靠依据。

在超声测距原理的基础上，设计出系统的总体构成。

根据固体生料料位测量的特点，通过四大模块构建系统，即发射模块、接收放大模块、单片机控制模块和LED显示模块。

为了保证测量精度，还采用数字温度传感器DS1820实现温度的补偿。

系统是在硬件和软件配合运用下实现距离的测量。

在软件方面根据系统测量的方法和要求，对系统进行了程序设计。

由触发信号的产生到中断信号的接收由完成一次数据的采集通过数据处理到数据的显示，都在软件的编程下实现。

关键词：

超声波；测距；料位；单片机；温度传感器

ABSTRACT

Thisarticleintroducesthesodilcrudematerialpositiondetectingsystembasedontheultrasonicwave.Thestructureofsystemissimple,anditsperformanceisreliable.Thesystemisalsoprovidedwithconvenientinstallation,highmeasureaccuracy.Itiseasytorealizetheelectriccircuitwhichhasnousefordebugging,anditsworkstateisstableandreliable.ThesystemcontrolsultrasoniclaunchinturnbySingleChipMicrocomputer,thetimedifferenceoflaunchingultrasonicwaveandreceivingtheechobyChipMicrocomputerrecords,thencalculatesthesurveydistance.Inthisarticleweintroducethebasicprincipleofsupersonicmeasuredistance,andanalyzethestructureandfrequencycharacteristicofsupersonicsensor.Thesystemtakesthesupersonicpropagationvelocityintheairasthedeterminateconditionandmakeuseofdiffusereflectionprinciple.Thelaunchersendsoutthesupersonicpulsereflectedandreceivedbyreceiverafterarrivingthematerialposition.Accordingtotheround-triptimeofsoundwave,itcancalculatethematerialdistanceonconditionthatsonicspeedisknown.Inthispapersomemainparametersofmeasuresystemhavealsobeendiscussed,furtherprovidethereliablegistformeasringgreatdistance.Thesystemoverallconstitutionhasbeenputforwardontheprincipleofsupersonicmeasuredistance.Accordingtothecharacteristicofthecementcrudematerialposition,wehavedesignedfourbigmodules,namelythelaunchmodule,thereceivingandmagnifyingmodule,SingleChipMicrocomputercontrolmoduleandtheLEDdisplay.Inordertoguaranteethemeasureaccuracy,wealsouseDS1820digitaltemperaturesensortorealizetemperaturecompensating.Thesystemhasmadefulluseofsoftwareandhardware.Accordingtothemethodandtherequestofthesystemsurvey,wedesigntheprogramforthesystem.Fromthetriggerpipproductiontothediscontinuousreceive,fromcollectingdataandprocessingthemtodemonstrate,theyareallrealizedunderthesoftwareprogram.

Keywords：

Ultrasonicwave；Measuredistance；MaterialPosition；

SingleChipMicrocomputer；Temperaturesensor

1绪论

1.1课题研究的背景

上世纪20年代，声学和超声学的理论大厦已经完全建立起来。

Rayleigh,Lamb,

Knott,Macelwane,Stonely和Jeans等学者详细论述了声波的反射、折射、波型转换、衍射、散射、衰减等规律。

在全球，超声波广泛运用于诊断学、治疗学、工程学、生物学等领域。

工程学方面利用超声波测量物料的料位以大距离测量为目标要求，进行设计和实验。

距离是在不同的场合和控制中需要检测的一个参数，所以测距就成为数据采集中要解决的一个问题，尽管测距有多种方式，比如激光测距、微波测距、红外线测距和超声波测距等，但是，超声波测距不失为一种简单可行的方法。

虽然超声波测距电路多种多样，甚至已有专用超声波测距集成电路。

随着技术的进步，人们对物位的测量精度要求也越来越高。

人们不仅仅局限于对物位进行数字显示，而是要求直观显示出某一点的物位，对于物位的变化也要实时地显示出来。

而且还要根据已测得的数据，总结出一定的规律，以便于对以后出现的状况进行预测，最大限度利用有利因素，避免造成伤害的不利因素。

1.2国内外超声检测发展

高速度，高效率是现代工业的标志，而这是建立在高质量的基础之上的。

最早的超声传感技术应用于无损检测、设计，工艺人员理应了解，非均一的组织结构，随机出现的微观、宏观缺陷，常常可以有时甚至是只能依靠无损检测技术的运用方可予以发现、评价。

当然，这与数十年来多方的重视和广大从业人员的艰辛努力，使无损检测技术在这方面已具有一定的能力有关。

现在，在工业发达国家，无损检测在产品的设计、研制，使用部门已被卓有成效的运用。

随着现代社会的快速发展，超声波被应用到多个领域，得到了突飞猛进的发展。

其中检测技术在一切科学实验和生产过程，特别是在自动检测和自动控制系统占有重要的地位。

在工程实践和科学实验中提出的检测任务是正确及时地掌握各种信息，大多数情况下是要获取被测对象信息的大小，即被测量的大小。

这样，信息采集的主要含义就是测量、取得测量数据。

目前是现代化快速发展阶段，无损检测正在以迅猛之势向纵深发展，客观的需要毕竟是一种专业可以发展的最大动力[1]。

近些年来，随着超声技术研究的不断深入，再加上其具有的高精度、无损、非接触等优点，超声的应用变得越来越普及。

目前已经广泛的应用在机械制造、电子冶金、航海、航空、宇航、石油化工、交通等工业领域。

此外在材料科学、医学、生物科学等领域中也占据重要地位。

它不但可以保证产品质量、保障安全，还可起到节约能源、降低成本的作用。

近十几年来，由于微机技术、现代电子技术、信号处理术以及超声波产生和接收新技术的发展，突破了常规超声检测的限制，进一步开拓其适用范围，而我国，关于超声的大规模研究始于1956年[2]。

迄今，在超声的各个领域都开展了研究和应用，其中有少数项目已接近或达到了国际水平。

超声技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的，各行各业都要使用的通用技术之一，它是通过超声波产生、传播及接收的物理过程完成的。

目前，超声波技术广泛应用于冶金、船舶、机械、医疗等各个工业部门的超声探测、超声清洗、超声焊接、超声检测和超声医疗等方面。

我国无损检测技术是从无到有，从低级阶段逐渐发展到应用普及的现阶段水平。

超声波检测仪器的研制生产，也大致按此规律发展变化。

近十年来，国外用于工业自动化和机器人的超声测距传感器的各种研究开展得十分广泛，处于领先地位的有美、法、日、意、德等国家。

目前国外已形成产品的超声测距传感器及其系统主要有美国的Polaroid,Massa，德国的Simens,法国的Robosoft等。

我国近年来也在超声测距、导航方面开展了一些研究。

目前超声测距传感器主要应用于工业测量和避障等。

日本东京大学的Sasaki和Takano研制了一种由步进电机带动可在90度范围内进行扫描的超声测距传感器，它可以获得两维的位置，如配合手臂运动，可进行三维空间的探测，从而得到环境中物体的位置。

传感器的探测距离为15-200mm，分辨率为0.1mm这些性能指标使超声波测距传感器在最小探测距离和精度上都有所突破[3]。

超声测距系统在工业控制，勘探测量，机器人定位和安全防范等领域内具有良好的应用前景。

但由于种种原因，传统的系统测量距离有限，精度不高，因而使它的推广应用在一定程度上受到了限制。

近年来，人们不断对超声测距系统进行了改进。

国内外有各类超声测距测向仪产品，这类仪器依靠目标回波来测定目标的距离，并依换能器的指向性来探测目标的方位。

超声测距仪已广泛地使用于工矿、交通和水文等领域，也有使用于某些战车及运动机器人的报导。

通常的超声测距仪作用距离较近，如10m左右。

据报道在国内超声测距最大距离可以达到60m，国外可以达到126m。

测向的精度为23度，特别是此类仪器所使用的超声传感器采用了膜片振动方式，虽然易于与空气介质祸合，发射效率和接收灵敏度均较高，但其稳定性较差，更不能使用于风沙、雨雪和环境恶劣的地方。

随着检测技术研究的不断深入，对超声检测仪器的功能要求越来越高，单数码显示的超声检测仪测读会带来较大的测试误差。

进一步要求以后生产的超声仪能够具有双显及内带有单板机的微处理功能。

随后具有检测、记录、存储、数据处理与分析等多项功能的智能化检测分析仪相继研制成功。

超声仪研制呈现一派繁荣景象。

1.3本课题研究的内容

主要以单片机和超声波探头为主通过对与单片机相配合的电路的设计实现对料位的测量。

超声波传感器在单片机的控制下来探测物料的料位，接收电路收到的回波信号触发单片机动作，由软件实现对测量距离的算出，并由LED显示器显示出结果。

为了能够利用超声波传感器实现大距离的测量，还必须了解超声波传感器的工作原理以及结构构成和频率特性。

超声测距在测量的过程中与之相关的一些参数，这些参数对测量精度的重要性，通过参数的改变如何实现大距离的测量。

根据相关知识和了解，通过硬件和软件的设计，构成超声测距系统来达到对大距离测量的要求。

本课题研究主要包括以下内容：

（1）系统功能设计。

以超声波传感器和单片机为主要部分，完成对物料距离的探测，用LED显示出测量结果。

（2）系统硬件设计。

传感器的选型、超声波传感器发射接收电路、单片机接口电路设计和温度测量等硬件部分的设计。

（3）系统软件设计。

主程序、中断程序、显示程序、数据采集部分和数据处理部分的软件程序设计。

2超声测距的基础理论

2.1超声波测距原理及特点

超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好，能够成为射线而定向传播等特点。

利用超声波进行距离测量在工业生产、科学研究中得到广泛应用，并取得了可喜的成果。

目前国内外利用超声波测距原理的检测仪器中，超声测距回波信号的识别，多采用模拟方法用电路来实现，精度低，测量不稳定。

本文设计了基于单片机的超声波测距系统，包括超声波发射电路，回波接收电路和温度补偿。

它具有精度高、通用性强、结构简单、灵活等特点，超声波由于其指向性强、能量消耗缓慢、传播距离较远等优点，而经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。

超声波测距主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如液位、井深、管道长度等场合。

利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在测控系统的研制上得到了广泛应用。

超声测距从原理上可分为共振式、脉冲反射式两种。

由于共振法的应用要求复杂，在这里使用脉冲反射式。

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。

超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离S。

2.2超声传感器的介绍

2.2.1超声传感器的原理及结构

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。

超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。

超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。

超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。

因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。

完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头[4]。

　　超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。

小功率超声探头多作探测作用。

它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。

超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。

构成晶片的材料可以有许多种。

晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。

超声波传感器的主要性能指标包括：

（1）工作频率。

工作频率就是压电晶片的共振频率。

当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。

（2）工作温度。

由于压电材料的温度一般比较高，诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不产生失效。

医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。

　（3）灵敏度。

主要取决于制造晶片本身。

机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。

2.2.2超声传感器工作原理

当电压作用于压电陶瓷时，就会随电压和频率的变化产生机械变形。

另一方面，当振动压电陶瓷时，则会产生一个电荷。

利用这一原理，当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器，称谓双压电晶片元件，施加一个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。

相反，当双向压电晶片元件施加超声振动时，就会产生一个电信号。

基于以上作用，便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。

利用常规双压电晶片元件振动器的弯曲振动，在频率高于70kHz的情况下，是不可能达到此目的的。

所以，在高频率探测中，必须使用垂直厚度振动模式的压电陶瓷。

在这种情况下，压电陶瓷的声阻抗与空气的匹配就变得十分重要。

压电陶瓷的声阻抗为2.6×107kg/ms，而空气的声阻抗为4.3×102kg/ms。

5个幂的差异会导致在压电陶瓷振动辐射表面上的大量损失。

一种特殊材料粘附在压电陶瓷上，作为声匹配层，可实现与空气的声阻抗相匹配。

这种结构可以使超声波传感器在高达数百kHz频率的情况下，仍然能够正常工作。

1.超声波产生和接收

（1）压电方程和参量

压电传感器属于超声传感器中电声型的一种。

探头由压电晶片、楔块、接头等组成，是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件，是超声波检测装置的重要组成部分。

压电材料分为晶体和压电陶瓷两类。

属于晶体的如石英，妮酸铿等，属于压电陶瓷的有错钦酸铅，钦酸钡等。

其具有下列的特性:

把这种材料置于电场之中，它就产生一定的应变；相反，对这种材料施以外力，则由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场。

所以，只要对这种材料加以交变电场，它就会产生交变的应变，从而产生超声振动。

因此，用这种材料可以制成超声传感器[5]。

（2）超声波动方程

假定X轴是超声波的传播方向。

为振动角频率，原点X=O处的质点振动状态

媒介中超声传播速度（声速）为c，则坐标x处的质点振动状态，即超声波动方程为:

　　　　　　　　　　（2.1）

一个周期T内超声波所行进的距离为波长:

　　　　　　　（2.2）

式中:

f为超声波频率。

（3）声速

由式（2.2）可推导出波动方程偏微分形式:

　　　　（2.3）

从偏微分方程形式可知:

媒介中声速与超声波的频率和振幅无关，声速是媒介的自身固有的性能指标，但与媒介中超声波质点振动形式有关。

由更进一步的分析可知：

在流体中只能传播超声纵波，声速:

　　　　　　　　　　（2.4）

在气体中超声纵波声速可以进一步表达成:

　　　　　　　　　　　　　（2.5）

在固体中既可以传播纵波，声速:

　　　　　　　　（2.6）

也可以传播横波，声速:

　　　　　　　（2.7）

式中:

C、C1、CT为声速、

：

媒介密度、

：

流体体积弹性模量、

：

固体伸长弹性模量、G：

固体切变弹性模量、

：

气体定压比热和定容比热的比值、

：

气体分子量、

：

理想气体常数、

：

绝对温度。

由以上公式可知，气体中的声速受温度变化影响非常显著。

（4）声压和声强

声压P是超声场中某一点在某一时刻叠加在静压力之上的，由于超声波引起来的交变压力:

　　　　　　（2.8）

强

是超声波通过单位时间单位面积传递的能量的平均值:

　　　　　　（2.9）

式中:

：

媒介密度、

：

媒介中的声速、

：

媒介中质点振动位移的振幅、

：

媒介质点振动的速度、

：

振动的角频率

、pm：

声压的幅值。

声压和声强代表了超声波所携带的能量大小，是在超声检测技术中衡量超声波能传播的并足够引起传感器响应的范围的指标。

2.超声传感器等效电路

在共振频率附近，超声传感器的阻抗持性和共振特性与LC电路的阻抗特性和共振特性非常相似。

因此，利用机电类比的方法，可以用一个由相应电子元件所构成的LC电路来表示超声传感器的等效参数和特性。

这样的电路即为超声传感器的等效电路。

对于一个通过逆压电效应激发的超声传感器来说，在任何共振频率附近，其电行为可以用LC电路来描述[6]。

压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率。

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一致。

这样，超声传感器才有较高的灵敏度。

当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。

超声波传感器的内部结构由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金属壳及金属网构成，其中，压电陶瓷晶片是传感器的核心，锥形辐射喇叭使发射和接收超声波能量集中，并使传感器有一定的指向角，金属壳可防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损坏。

金属网也是起保护作用的，但不影响发射与接收超声波。

2.3超声测距主要参数

2.3.1声速

超声波在空气中传播时，空气的温度、大气压力、湿度等影响超声波的声速其中空气的温度对超声波声速影响最大。

由于超声波检测迅速、方便、计算简单，且不受光线、电磁波、粉尘等的干扰，其测量精度较高，常用于桥梁、涵洞、隧道、水泥窑的距离检测中。

但值得注意的是，超声波在空气中传播速度会随介质温度的升高而增大。

实验表明超声波受温度和压力等因素的影响，受温度的影响尤为明显，而测距精度由超声传播时间和声速决定如表2.1，所以必须对声速进行温度补偿。

表2.1声速与温度关系

温度℃-30-20-100102030100

声速m/s313319323325338344349386

因此，为了减小误差，避免因环境温度而带来的偏差，必须对环境温度进行检测，并通过计算消除环境温度所引起的偏差。

测量环境温度时，直接以“一线总线”的数字方式传输，可以大大提高系统的抗干扰性。

超声波在空气中传播速度会随介质温度的升高而增大，气温每上升1度，声波速度增加0.6m/s，所以在测量中要考虑温度变化的因素，进行温度补偿修正，减少测量误差。

2.3.2传感器的工作频率

传感器的工作频率是:

测距系统的主要技术参数，它直接影响超声波的扩散和吸收损失、障碍物反射损失、背景噪声、并直接决定传感器的尺寸。

对于不同占空比的超声波，其发送接收效率不同。

一般60%的占空比发送接收效果比较好。

在本实验中，尽量使超声波占空比达到或接近50%。

为了实现输出频率的精确性，根据上面对频率的论述，采用40kHz的振荡频率。

2.3.3传感器的指向角

传感器的指向角是声束半功率点的夹角，是影响测距的一个重要技术参数，它直接影响测量的分辨率。

对圆片传感器来说，它的大小与工作波长入，传感器半径

有关。

由

。

选f0=40KHz时.

，当

选定后，指向角8近似与传感器半径成反比。

指向角e愈小，空间分辨率愈高，则要求传感器半径r愈大。

鉴于目前电子市场的压电传感片规格有限，为降低成本，在不降低空间分辨率的条件下，选用国产现有压电传感器。

2.3.4发射脉冲宽度

发射脉冲宽度决定了测距系统的测量盲区，也影响测量精度，同时与信号的发射能量有关。

根据资料显示，减小发射脉冲宽度，可以提高测量精度，减小测量盲区，但同时也减小了发射能量，对接收回波不利。

但是根据实际的经验，过宽的脉冲宽度会增加测量盲区，对接收回波及比较电路都造成一定困难。

在具体设计中，比较了

（1个40KHz脉冲方波），

（5个40KHz脉冲方波），

（10个40KHz脉冲方波），

（30个40KHz脉冲方波）的发射脉冲宽度作为发射信号后的接收信号，最终选用

（10个40KHz脉冲方波）的发射脉冲宽度。

此时，从接收回波信号幅度和测量盲区两个方面来衡量比较适中。

2.4大距