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基于参考声速法超声波液位计的测量专 业：电机与电器班 级：06班姓 名： 学 号： 基于参考声速法的超声波液位计的设计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 目录第一章 绪论 1.1液位测量的意义 1.2液位计的种类 1.3超声波液位计 1.31超声波液位计的历史、现状与发展 1.32超声波液位计测量方法 第二章 总体设计方案 第三章 硬件 第四章 软件 第五章 结论与展望 第六章第一章 绪论1.1液位测量的意义目前无论是开渠水位的测量、大型油罐液位的测量，还是小型容器液位的测量，或者是其他液位系统的测量，都对测量精度提出了越来越来高的要求。例如，石化部门使用的大型油罐容量一般在1000-100000m3之间，很小的测量误差都将会造成很大的绝对误差，因此提高液位测量精度，不仅对油罐的测量有很重要的意义，在其他液位测量系统中，也处于越来越来重要的地位。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想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液位计的种类经过不断的努力和探索，科技工作者已经开发出种类繁多，各具特色的液位测量仪表。尤其是近二十年来，随着微处理器的引进，测量仪表发生了革命性的变化。液位计的量程从几米到几十米，测量精度也大大提高。根据液位计测量所涉及的液体存储容器、被测介质以及工艺过程的不同，液位计类型的选用也不同。早期的液位测量仪表大多采用机械原理，通过测量某些物理参数，已达到液位测量的目的。随着工业自动化的发展，出现许多新的测量原理，一批具有智能控制功能、可实现非接触测量、高精度、稳定性好的液位计相继问世，并应用到越来越多的工业测量领域，如基于超声波、雷达、光线等技术的测量仪。根据工作原理的不同，液位计可分为以下几种：(1) 直读液位计，直读式液位测量方法直接用于被测量容器连通的玻璃管或玻璃板来显示容器中的液位高度，他是最原始但应用较多的一种液位测量仪表；另外，利用侵入式刻度钢皮尺直接测量液位高度的人工检尺法也是应用较广泛计量方法，尤其是在大型油罐储油量的测量中，也可以作为现场校验其他测量仪表的参考手段。其精度一般为2mm的人为误差。此种方法测量简单直观成本低但测量量程有限且不适与恶劣环境中的测量。(2) 浮子液位计，利用浮子的比重所测液体的比重稍小的特点，使浮子漂在液面上并随着的升高或下降反应液位，它也是一种应用最早并应用范围很广的液位测量仪表；将浮子用一条多孔钢带连接至一个恒转矩装置或平衡锤上，由浮子的重量带动多孔钢带通过齿轮装置推动机械计数器做现场显示，还可以连接到电动变送器，获得远距离显示。由于滑轮机械装置的摩擦力和刚带重量，测量误差一般约为410mm。(3) 静压液位计，利用液柱对某点产生压力，测量该点压力或测量与另一参考点的压力差而间接测量液位的仪表；主要应用于测量精度要求不高的场合。(4) 电磁液位计，这种测量方式是将液位的变化转换为电量变化，从而对液位进行间接测量，如电容式、电感式、电阻式液位计等。电容式液位计是由两块同心的圆柱面板组成，是根据电容量与被测液体和气相介质的相对介电常数、电容传感器侵入液体的深度、电容传感器垂直高度、内外极板圆柱底面半径之间的关系，有已知的其它参数值得出所测液位高度值。电容式液位计价格低，安装容易，且可以应用与高温高压的场合。但电容液位计测量重复精度较低，需要定期维修和重新标定，工作寿命也不长。电阻式液位测量方法特别适用于导电液体。敏感器件具有电阻特性，其电阻值随着液位的变化而变化，因此将电阻变化值传送给二次电路即得到液位高度。电感式液位测量方法同样适用于导电液体的测量，特别是液态金属。其原理是：液位变化时的电感元件自感、互感或导磁率发生变化，故将该变化送往二次电电路即可得等到相应的液位数值。电感式测量应用最广泛的是高频液位计。该液位计的测量原理是，频率调制信号通过射频电缆耦合输送传感器谐振回路，谐振回路的输出电压经过检波电路和射频电缆传送给低通滤波器，然后根据低通滤波器的输出电压控制调谐电路，产生新的振荡频率，直到传感器谐振电路处于完全谐振状态为止，则此时的振荡频率即与传感器的电感量相对应，从而与液位相对应。(5) 超声波液位计，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。(6) 雷达液位计连续式微波液位计通常采用调频雷达原理利用同步调频脉冲技术微波发射和接受器安装在灌顶向液面发射频率调制微波信号当接收到回波信号时由于来回传播的时间延迟发射频率已改变了将两者信号混合处理所得信号频率与灌顶到液面之间的距离成反比(7) 光纤液位计其测量原理与超声波液位计相似，只是用光波代替超声波。即光源发射激光，经过被测液面反射，接收反射光后，将从发射至接收的时间换算成液位。激光的光束是很窄的，在液位计中通过光学系统转换成约20mm宽的光束，这样可使反射光易于被传感器接收。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。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%fs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。1.4本课题拟解决的问题课题设计了一种利用参考声速法实现声速校正的超声液位测量系统。设计中采用气介测量方式，将一个反射性能良好的参考挡板固定在超声波探头与液面之间距离一定的位置，通过测量挡板回波的时间，实现精确的声速校正；并用单片机双定时器对挡板反射回波和液面反射回波进行精确计时，从而大大提高了液位测量精度。此系统不但继承了传统超声波液位计的优点，而且由于无需采集环境温度，避免了由于测温误差引起的系统误差，还简化系统结构，降低生产成本，进一步提高了系统精度。主要技术指标（1）液位量程:040m；（2）测量误差:0.5%；（3）显示方式：led动态显示液位高度；（4）环境温度:-1060；（5）电源：220vac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超声波换能器超声波传感器千差万别，即使对于相同种类的测定量也可采用不同工作原理的传感器，应此，要根据需要选用最适宜的传感器。本设计综合考虑了测量条件、传感器的性能和传感器的使用条件三个方面，选用t/r40-16型超声波传感器。传感器的标称频率为40khz,这是压电元件的中心频率，实际上发送超声波时是串联谐振与并联谐振的中心频率，而接收时各自使用并联谐振频率。超声波传感器的符号及等效电路如图2-1所示： 图2-1 传感器符号及等效电路图超声波传感器的带宽较窄，大部分在标称频率附近使用，为此，要采用措施扩展频带，比如，接入电感等。另外，发送超声波时输入功率要大，温度变化使谐振频率偏移是不可避免的，为此，对于压电陶瓷元件非常重要的是要进行频率调整与阻抗匹配。图2-2为t/r40-16型超声波传感器的频率特性，由图知，发送与接收的灵敏度都是以标称频率为中心逐渐降低，为此，发生超声波时要充分考虑到这一点以免溢出标称频率。 图2-2传感器频率特性图2-3为t/r40-16型超声波传感器的方向性特性，传感器在较宽范围内具有较高的检测灵敏度,因此，适用于物体检测与防范报警装置等。 图2-3传感器方向性特性图2-4表示传感器的温度随频率的变化特性，对于这种传感器，温度越高，中心频率越低，为此，在宽范围环境下使用时，不仅在外部进行温度补偿，在传感器内部也要进行温度补偿。 图2-4 温度频率特性曲线图图2-5表示阻抗随频率变化的特性。图2-5 阻抗频率特性曲线图经分析可知，频率为40khz左右的超声波在空气中传播的效率最佳，同时，为了方便处理，发射的超声波被调制成40khz左右、具有一定间隔的调制脉冲信号。 2.3单片机的选用2.3.1 at89s51单片机本课题选用at89s51单片机。at89s51是一个低功耗，高性能cmos 8位单片机，器件采用atmel公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准mcs-51指令系统及80s51引脚结构，at89s51具有40个引脚，4k bytes flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（ram），32个外部双向输入/输出（i/o）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（wdt）电路，片内时钟振荡器。2.3.2 引脚图如图2-6所示： 图2-6 at89s51引脚图2.3.3 各引脚简介1.vcc：电源电压。2.gnd：地。3.p0口：p0口是一组8位漏极开路型双向i/o口，也即地址/数据总线复用口，作为输出口用时，每位能驱动8个ttl。逻辑门电路，对端口写：“1”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在flash编程时，p0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。4.p1口：p1是一个带内部上拉电阻的8位双向i/o口，p1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个ttl逻辑门电路，对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（iil）。5.p2口：p2是一个带有内部上拉电阻的8位双i/o口，p2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个ttl逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（iil）。6.p3口：p3口是一个带有内部上拉电阻的8位双向i/o口，p3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个ttl逻辑门电路。对p3口写入“1”时，它们被内部的上拉电阻拉高并可作为输入端口，作输入端时，被外部拉低的p3口将用上拉电阻输出电流（iil）。p3口除了作为一般的i/o口线外，更重要的用途是它的第二功能。如表3-1所示： 表2-1 p3口介绍端口引脚第二功能p3.0pxd（串行输入口）p3.1txd（串行输出口）p3.2int0（外中断0）p3.3int1（外中断1）p3.4t0（定时/计数器0）p3.5t1（定时/计数器1）p3.6wr（外部数据存储器写选通）p3.7rd（外部数据存储器写选通）7.rst：复位输入。当振荡器工作时，rst引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。wdt溢出将使该引脚输出高电平，设置sfr auxr的disrto位（地址8eh）可打开或关闭该功能。disrto位缺省为reset输出高电平打开状态。8.ale/prog：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ale（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ale仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ale脉冲。9.ea/vpp：外部访问允许。欲使cpu仅访问外部程序存储器（地址为0000h-ffffh），ea端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位lb1被编程，复位时内部会锁存ea端状态。如ea端为高电平（接vcc端），cpu则执行内部程序存储器中的指令。10.psen：程序储存允许（psen）输出是外部程序存储器的读选通信号，当at89s51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期为两次psen有效，即输出两个脉冲。当访问外部数据存储器，没有两次有效的psen信号。11.xtal1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。12.xtal2：振荡器反相放大器的输出端。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，水塔整体高度为h，如图所示图2-7超声波测距原理根据挡板回波的时间，计算出参考声速即超声波在空气中的速度v，一段时间后液面回波时间，有h=h-v*/2。这就是所谓的时间差测距法。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离。超声波测距系统的结构框图如图所示图2-8超声波测距系统的结构框图第三章 硬件设计超声波液位测量系统以at89s51型单片机为控制核心，其外围硬件包括哦超声波发射电路、超声波接收电路、显示电路和键盘电路等。3.1 发射电路的设计方案一：利用超声波专用发生电路或通用发生电路产生40khz的超声波信号，并直接驱动发生器产生超声波。这种方法的特点是无需驱动电路，但缺乏灵活性。方案二：利用软件产生超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经驱动器驱动后推动探头产生超声波。这种方法的特点是充分利用软件，灵活性好，但需要设计一个驱动电路。3.2接收电路的设计3.2.1几种常见接收电路方案一：采用集成锁相环ne567对放大后的信号进行频率监视和控制。一旦探头接到回波，若接收到的信号频率等于振荡器的固有频率（此频率主要由值决定），则其输出引脚的电平将从“1”变为“0”（此时锁相环已进入锁定状态），这种电平变化可以作为单片机对接收探头的接收情况进行实时监控。这种方法的特点是电路简单，但锁相环接收的频带较窄，不易锁相。 方案二：采用红外线检波接收的专用集成芯片cx20106a，它常用于电视机红外遥控接收器，由于红外遥控常用的38khz载波与测距用的40khz超声波接近，当它没有接收到信号时输出为高电平，当它接收相近频率的信号时输出为低电平。因此它可以用来作为超声波检测接收电路。这种方法的特点是不仅灵敏度很高，抗干扰能力很强，而且还不需要放大电路，可使系统电路更为简洁。 方案三：采用集成运放芯片（lm324）作为比较器对放大后的信号进行波形变换。当输入信号的电压大于基准电压时，输出为“1”；当输入信号的电压小于基准电压时，输出为“0”；这样就起到对输入信号进行变换的目的。这种方法的特点是电路简单（主与放大电路共用一块芯片），但选择比较电压非常关键。 因为采用cx20106a电路相对简单，所以用方案二会比较好。2.3.2cx20106a专用芯片cx20106a芯片是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38khz 与测距超声波频率40khz 较为接近，可以利用它作为超声波检测电路，超声波接收头将机械能转换为电信号。但这个电信号非常微弱，必须经过放大，cx20106a芯片完成放大调制的功能。实验证明，cx20106a芯片具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。内部电路由前置放大器、自动偏置电平控制电路、限幅放大器、带通滤波器、峰值检波器和整形输出电路组成。接收的回波信号先经过前置放大器和限幅放大器，将信号调整到合适的幅值；再经过带通滤波器滤波得到有用信号，滤除干扰信号；最后由峰值检波器和整形电路输出到锁相环路，实现准确的计时。k1（rx（s）为超声波接收头，当收到超声波时产生一个下降沿，接到单片机的外部中断int0 上。当超声波接收头接收到40khz 方波信号时，将会将此信号通过cx20106a 驱动放大送入单片机的外部中断0 口。单片机在得到外部中断0 的中断请求后，会转入外部中断0 的中断服务程序进行处理。如图3-2所示：图3-2cx20106a芯片用于接收电路2.3.3引脚简介1脚：超声信号输入端，该脚的输入阻抗约为40k。2脚：该脚与地之间连接rc串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻r1或减小c1,将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但c1的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为r1=4.7，c1=1f。3脚：该脚与地之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3f。4脚：接地端。5脚：该脚与电源间接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。例如，取r=200k时，f042khz，若取r