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超声波 水位 检测 设计

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of a s e 50002, 21008, yp is of in of In of on of on of of is in of s an on is of of is is by of at is to of in an of of be to he in is a be by or of of in to a . So it is to to In is to In by of in RT of To of a an on is be in of to of s in , is of a a a a C. by on to it by by AQ of in is a It to 4. of in of in he Cis by 0621000500 6/$2006 of 1 - 23, 2006, of If is in of to or of to of in of is an on of by of is is by In of on of is by of of of h 103kg/m2is of 288h 103kg/m2 of of . So by of be . by to is on a a of (is in D ( (be in be by by it is to in is to be is So in is to of 200of 973by of a 0 of So of (1) It is to is of a a a a C. is AQ (2) be by of of AQ is by a C So at 3) be a be by . F AQ is of to in AQ . of AQ AQ of of of AQ is to an in to of in on of is by of AQ of a of of is is .0 B of .0 in I/O of it to is of of of AQ .0 as (of 9741. To to in 2. To of it on of it of 3. To of by at 4. To 5. To a To of 1) It of 2) It be 3) It at he of a) of b) 3) It 4) It is up of be to . F N is of So is In of on of on of of of is of So up be by of (a) of (b) is an In to of is as in . It is is as of of 12 is in a up of s on at In is . n to of s a is a is of C as a of of to a at it be of it be to he to 1 on n s 2004 2 e, 5003, 3 e, of 2001 4 2003 5 i, of of 2003 a) (b) a)(b)4976无线自供电超声波流量传感器系统的研究 摘 要 本文中，无线自供电超声波流量传感器系统用系统的方法对其进行设计和开发。通过使用小型水力发电机作为商用低功耗微控制器，能量采集电路，和 感器能够在水管道网络内检测水流。这个传感器系统的主要特点在于它的电源管理单元，它能够从安装在水管道小型水力发电机给电池充电。它允许传感器在大范围地区内作为遥感通用无线采集设备维持运作，而之前这种情况下电力运行设备始终是一个问题。本文除了描述系统的总体架构，传感器的硬件和软件，还给出了模块在水管道网络的性能报 告，强调能源问题以及获得自动维持操作的关键。测试有两个阶段：第一个是在实验室里，在特别严重的情况下来验证管理和解决方案，第二阶段在一个水管道网络中。关于传感器测量所采取的措施证实了硬件和软件提议的解决方案确实获得良好的成效。 介 随着 市区的不断 扩大， 传统供水管道网络控制操作 ，其 主要是通过 人工 协调 ， 已不再满足当前供水系统的需要。因此 ， 在城市管网 中 加强远程数据采集和监控的能力是整个城市的发展 具有宏大 和深远的意义。为了提高一个城市的供水质量 ， 提高供水系统的运行效率 ，在 城市供水网络 中 使用基于计算机的监控 系统和通信技术是一个不可避免的发展趋势。但是 ， 由于供水管道网络的测试点太多 ， 而且分布广泛 距离远， 能源监控系统、布线成本 等 不便因素限制了智能传感器的广泛使用。从周围的空间 获得的 能量 来驱动 这些传感器和监控系统是一个正在研究的解决方案 1,2。这些 工作覆盖了 灌溉控制系统 ， 天气和环境监测 ， 温室控制、动物识别和健康监测等领域。但 为了 有效地达到永久操作 ，则需要 进一步增强能量收集和更加高效的功率调节方式 3。 解决上述问题，新型自供电无线超声波流量传感器系统已经被设计和用于城市供水管道网络。它由一个能量收集装置（水力 发电机），电源管理单元，流量传感器接口，线发射器单元 成。自供电的无线超声波流量传感器系统的方框图显示在图 1。本文的组织如下：第二部分介绍了电源的设计管理单元和水力发电机的结构。第三部分研究了 四部分研究了单片机和编程模式。第五部分提出了实验和分析。第六节是本文的研究成果。 图 1 自供电无线超声波流量传感器系统的方框图 当考虑 使用 数组流量传感 器作为 总体结构 ， 能源供应系统是一个至关重要的问题。传统但最常用的方法是 使用可充电 或不可充电 电池。然而 ， 这些 能量接收器只 可以存储有限的能源 ，它 们的更换和维护 更是 一个严重的瓶颈。一些特殊环境中 还存 在更换电池成本和不便。在本文中 ， 我们 采用了 一个安装在水管 中 特殊结构水力发电机作为低功耗经济 微控制器 ， 能量采集电路、流量检测单元和 电源。 A 能量 获取 我们安装了一个特殊的水力发电机结构 来获取管道中水的 流动能量 4。我们 很了解，这种方法没有 研究过将其用来为 城市供水网络 探测系统中的电子设备 提供 电源 。传统小型水力发电机利用 管道中的 水 的流动能量 发电 ， 作为 控制 阀门 值 或自动控制手垫 圈或其他设备 ， 或使用干电池 作为 电力来源产品 的 电力来源 ， 例如 ， 通过电容器充电或蓄电池的产品 。 传统小型水力发电机的结构如下。即一个和水管形成连接和通信的流入端口是外壳的终端，流出端口形成在另一端。一个发电机外壳内部安放着定子和转子部分。叶轮整体安装在转子，叶轮可随着流入端口的水流旋转。因此，转子旋转使定子产生感应电压和电流，使叶轮旋转的水由流出端口通过一条一段穿过转子中心部分通道排出。 然而，根据如上所述传统的小型水力发电机，由于在水管所有的水应用于叶轮产生是使转子旋转的能量，从定子输出的电压增加水流的量比例 ，如图 2所示，即不仅输出的可能不是恒定值的稳定电压，而且当发电机连接到水管流量或高水压力，由于叶轮旋转在比所需的更高速度，支持内侧的叶轮和旋转轴承可能在很短的时间内损坏。 图 2 电压与流量之比曲线 为了解决它的问题，我们选择一个特殊结构的水力发电机，即使水流的数量大或水压力高时，都获得恒定数值的稳定输出电压，如图 3所示。 图 3 水力发电机的纵向区域侧视图 它由一端有流入端口另一端有流出端的套管，安放在套管内由叶轮带动旋转的转子和通过转子的旋转来发电的定子组成。从流入端口到流出端口到旋转着中心 部分的主要通道和一个从流入端口流到出端口从外部绕过定子的旁道为水流提供从端口流入流出端口的通道。在旁路，安排一个由弹簧阻止来自流入端口方向水流的止回阀。因此，当流入套管入口的水流量很小时，水的压力低于弹簧的弹力，所有水流量都用来使叶轮旋转，通过主要通道使转子旋转和发电。另一方面，当套管流入端口的水流量很大时，水压也变得高，水压大于弹簧的压力止回阀内部的旁通被打开，水流通过旁路而不用于叶轮的旋转流出排水口，或换句话说，发电。需要防止大水流量或大于需要的水流量流过叶轮。从第二个喷射孔到叶轮的注射压力很低，它和旁 道内的流速成反比，这样从第一个喷气孔的总水流量它的水压更高并与水压成正比，从第二个喷气孔注射压力可能几乎不变。因此，不仅叶轮的转速几乎保持不变，叶轮速度不会高于所需要的速度，类似轴承损坏的部分也可以避免，而且不管流入流入端口的水流量怎么变，定子输出电压几乎不变，这样转子稳定旋转发电，电压也稳定，如图 4所示。 图 4 电压与流量之比的曲线 B 电源管理单元 一般而言 ， 水力发电机 所 发 的 电是交流电 ， 但真正用于系统设备 是 直流电。所以 ，我们必须将交流电转换为直 流电来 驱动其他单位系统。三种 电源 用于整个系统 ： 5V， 一方面 ， 我们采用了 超大 电容器和蓄电池 作为 备用电源。电源管理 单元模块的 线路图 如 图 5显示 。 图 5 电源管理 单元模块的 线路图 列 的 监管机构 是 单片集成电路 ， 适合步骤 开关式稳压器 这样 简单和方便的设计。 通过优质 负载线和负载调节 器 它能够 驱动 载 。这个设备可以 用来 12V， 15v 的 固定电压 ， 和一个可调输出 模式 。输出电压和电阻的关系 如下所示： 式中 输出电压 ， 考电压。 大约 1千欧的电阻 ，使用 精度为 1%的电阻 器可获得 最佳稳定性。 因此 一个低功率 低压差稳压器。 通过用 件 取代正规的 晶体管 ，可获得 压差减少一个数量级和静态电流超过传统的低压差 的 性能。 定电压 模式 和一个可调 模式 。输入电压范围是 1V， 输出电流是 2A。 输 模块 通用分组无线 服务） 的数据传输通常是 按 每兆字节传输 所需的 流量收取 ，而通过传统的电路 开关以 数据通信连接时间 ，按每分钟 收费 ， 实际上 无论 是否使用独立的容量 都是 处于闲置状态 。探地雷达是一种最优分组交换服务 ， 而不是电路。切换 可以在非移动用户的连接 时 保证一定的服务质量 5， 6。 线传输和 务技术被用于这个项目。 A 导航系统 数据传输单元 ） 可以 实时地 利用 线网络和互联网 与 数据服务中心交换信息。 在 我们的项目 使用了 西门子 端提供高水平凑的 配备所有 标准接口 的 即插即用特性。 六个单位 组成， 源 频部分 ， 测量网络 ， 闪存和 如 图 6所示 。 图 6 B 通用特性 双频 800 输出功率 ： 海尔集团为 （ 2W） 海尔集团 1800年 （ 1W） 供电 C 作流 统 一供电就 开始工作。首先 读取在 初始参数。它们包括拨号代码 ， 对串口波特率 ， 数据中心和接口的 然后， 拨号 成功后 ， 一个随机的 码 （ 通常 为 它 表示功建立了 连接。 统将从 传输到主控制中心。 正确的选择单片机 对 设计 的 成功至关重要。这 个 单片机要求包括有足够的分辨率来跟踪传感器的变化 是的 机载援助转换器 ， 能够调节和处理 从 数据接口 接受的数据 。足够的板载内存是 为了 存储两个运行代码以及 A/ 采样的数据。最重要的是 ，单片机 需要 具备 编码 的能力， 将这些 编码后 数据通过发射机发送到一个串行 口 输出。德州仪器 ， 8满足需求被选为微控制器。表 1显示 其 所有相关特征 表 1 单片机通过编程使它作为状态机运行，有两个不同的可重复编程的操作模式 9。在每一个操作模式在，单片机有以下操作状态：初始化，收集数据，传输数据，以及待命。第一个操作方式是流量计参数的水平监测，如泄漏阈值。当检测到泄漏，单片机发出紧急脉冲给中央监控。第二操作方式进行数据传输。在这种模式下，微控制器从传感器接口接收数据，给数据排序后由 位监控模式和数据传输模式的状态流图如图 7所示。 图 7 （ a） 液位监控模式状态流图 （ b） 数据传输 模式的状态流图 对 这种自供电无线超声波流量传感器 进行 在实验室条件下基于能量分析 的 系统测试 ， 已经开发了一个系统原型显示 如 图 8所示。 为 研究系统的电力需求 ，我们对其 进行能量分析。 我们 所说的 单片机 能达到的最大功率， 也就是说电压和电流的最大 时所 消耗 的 功率 ， 。所以我们可以得出结论 ： 另一方面， 射机 均电流为 300 毫安，峰值是 们能知道就是说在电压和电流是最大时所消耗的功率 10。所以我们可以得出结论： 在 一般项目中，供水管网的水压是 流速度是 s，管道的直径是 200 700毫米。所以我们可以计算出管道网络水流量和动能。 式中， 200毫米 ， s， 是水的密度是 1000千克 /立方米 ， 秒。 我们 得出 水力发电机的效率 通常为 85%， 叶轮的转换效率 通常 为 60%。所以水力发电机的最低功率是 所以 我们可以得 出 结论 ， 水力发电机的功率可以满足 供电要求， 同时 ，也 可以为其他芯片供电。 图 8 自供电无线超声波 流量传感器 的实验评估 论 无线传感器最 近在研究领域中获得了很大的进展 。与传统的传感器相比 它 廉价 且 易于安装 ， 从而打开 给系统配备先进 测量和监视传感器可能性。 关键 问题是缺乏一个长期 然而 没有 满足这种要求的 电缆。所以自 供电 无线电设备传感器将可能 有 无限寿命 11。 在本文中 ， 我们提出了一 种 自 供电 无线超声波流量传感器 的 系统方案 ， 设计了一个系统原型。 我们还给出了 水力发电机的原理和结构和电源管理单元的电路。 我们对 有所介绍 。论文的最后 ，还给出了 系统的 功率 分析 ， 同时 ， 我们得出一个结论 ， 水力发电机 所提供的 功率能满足 电； 此外 ， 它 也 可以为其他芯片供电。 本文几个改进的基本思想是可行的，目前正在研究的一些。例如系统可以记录每个收获的能源，并使用它来预测其未来的可用性。目前还在评估，超级电容器和蓄电池的使用，以减缓电池老化通过吸收瞬态功率。 超声波仪连续测量中子快增殖反应堆 的 钠含量 摘 要 超声波液位测量系统能 连续 读出 3到 180英寸 的数值，还能 在 500 进行测试。 该 系统 精 确 ， 可靠 ，没有 初始预热期 也不用经历漫长的 漂移 期 。 通过 修改可以 使当前的操作温度 提高到 1200 论 超声波液位测量系统能够连续 检测 液态钠 的 钠 液位， 是用来测量 在由（ 放式容器外燃料 传输机 /闭环 装卸机（ 冷墙排热 中的 钠 液位， 并在复合动 设 备中测试钠含量 。 测量系统利用传感器和 改良的 电子元件开发 于 钠 监察 项目。系统的精确等级定为 相当于如果钠维持在 475F 时，表示液位 校准测试水平 92 到 96英寸 的读数 。 系统温度变化在 30000同时 还 保持一个 恒定的 钠 液位高度，说明 了 精度和 温度 存在 线性 关系，而且总是保持 在实际高度 2%以内 。因此 ， 电子温度补偿 将 为昼夜温差大的环境 提供 更高的液位 测量精度。系统 可以 在 3到 180英寸 的 范围准确运作， 测试结果表明 其能 测量 的最小距离范围为 50英尺。 这个系统 除了 已经证明 可 应用 外， 还有许多其他潜在有用的应用程序 ， 精确读出钠液位 的连续数 值是可行的，更 是必要的。 这些测量包括冷却反应堆 容器中的 液态金属 ，钠存储容器、泵 箱 、溢出 堆， 组件清洗和存储容器 ，钠 湿 箱 和许多特殊的液态钠金属 的试验设施。由于传感器是包裹在不锈钢 内，因此 在其他很多类型的液体 内也能进行液位测量。目前 ，它的 工作温度上限 为 550F， 但 已发明的 高温传感器 （ 如 1200将允许 它 整个 介 液态金属冷却反应堆和测试系统需要准确可靠的 液位 测量 ， 以确保反应堆和热传输系统 的合理 操作 范围 。所需的测量范围相差很大 ， 从几英寸到 50英尺 以上 。 容器外燃料 传输机 /闭环 装卸机（ 在 （ 的 冷墙排热实验需要测量钠 液位。以 防止在测试区溢出或丧失 任何 封闭燃料包 的 冷却剂。为了满足这种需求 ， 研制了 能 使用 于 高昼夜 温差的 超声波液位测量装置 ，为了 目用兼容钠的 超声波换能器和 改良的 电子开发 了 试验结果表明 ， 超声波液位传感器不仅 满足了 测试要求 ，而且它的 测量精度 于其他类型的 液位 传感器 ， 如感应探头类型。此外 ， 因为测量是基于一个众所周知的物理量 ， 例如超声波在液体钠 中的 传播速度 ， 更 高的精度有望 从改进 附加 系统 获得 。 这份报告总结了 液位 传感器 的改进 测试 ， 介绍 了钠和水 液位测量 的结果 ， 并建议其他 用于 改善设备的方法 。 论 钠 作为 液态金属冷却剂用于中子快增殖反应堆 （ 把热量从 核反应 核心 转移 。有必要 了解 反应堆容器 和 许多相关的 容器中的 液态钠 的 准确 液位高度， 以确保 合理操作 ， 监测泄漏 ， 确 保容器不发生 溢出。 由于 钠 可与 许多物质发生反应 ， 它通常 用不锈钢管件密封起来 。因此 液位 测量方法必须使用传感器远程 探测 不锈钢封闭 的内部 。如果传感器 要想 浸 入 钠 中， 它必须能 在 恶劣的环境 正常运行， 在大多数情况下 ，要能在 4002000 测量钠 液位 仪器的参考设计 液位测量 。基于这一原 理 的将被用于测量建造在华盛顿 ， 里奇兰 ， 简约能源研究和发展管理 中的 钠含量快速通量测试设备（ 。感应探头的测量不确定 度 大约为全长 的 5%，约为 使用 0英寸 的距离产生 1 英寸的 误差 。 设备的改良正在进行，要将其 精度 提高到 为 2%。如果需要更长 的测量时间 范围 ，并要在长时间测量中能承受 更大的不确定性 ， 必须使用的 大量的 探针 来 覆盖 反应物涉及 的范围。例如 ，所需要测量的 钠 总深度为 15 英尺 或由于长时间探测所产生的 9 英寸 长的误差，或 与 连接有 9 个 20 英寸感应探测器 的电子设 备和额外探头，这些都是感应探头所需承担的 。 很显然 ， 这样 一个对于 缓慢泄漏系统的检测没有价值。超声波液位传感器 ， 改编自 堆内钠观测（ 端 测距系统 ，在 精度和 测量 范围 方面显示 了出其 优越的性能。超声波钠 液位 传感器 在 液态钠 测量中有 精度 ， 以及 3英尺 到 15英寸 的测量范围 。然而 ， 液态钠 中 在 15英尺 处 信号强度和已知的超声波能量衰减 规律 表明 ，该系统 可以 可测量 的更 高的 钠含量 ， 也许 可高达 50英尺。 这个液位 测量基于在钠 中 已知 的 超声波速度和超声波脉冲 传播 时间。简单 来说，这个液位 传感器由一个 侵 在钠 中贯底式 传感器 ， 向上发出 穿 过液体 的 超声波脉冲信号。当脉冲到达液体 和 气体 交界处时，脉冲 反射到传感器 ，即这个传感器 充当 了 一个接收机和发射机。 液位 是由从传感器和表面传播声脉冲 传播 时间测量。一个相对较小的温度引起的声速 改变 是 可以修正的， 因为在宽的温度范围内 ，在 钠 中 已经 能 相当准确地测量 出声速。 墙试验设施 液位 传感器 的 第一个应用在 ，用来测试（ 克林奇河增值反应堆 中 环 容器外 燃料传送机 （ 和 容器外 燃料传送机排热 性能。这个测试需要准确了解钠 的液位，以 防止在测试区 发生 溢出或 在这个 封闭 区域内 燃料棒束的任何部分 冷却 剂剂量减少 。 提供 包括 在 特殊测试设备 内 两个超声波传感器 用来开展 这些测试 （ 图 1） 。 图 1 安装在 因为钠温度有时会达到 1300F， 而目前的超声波传感器的最大操作温度为 550F，所以需要用到 舷外测量技术。 为了 保 证 传感器的温度低于华氏 550 度 ， 3/4 英寸不锈钢管道建于 与 热 测试 装置 平行处并与其邻近，这样一来， 除了 可以 容易计算由于两者温差 所产生的改变量， 管道中钠的液位和 测试 中 钠 液位也 是一样。两个传感器用于感知 液位；位于较低位置的 传感器是用来测量 在流入和排出时 15 英尺 以上的液位，处于较高位置的传感器用来持续监控 高于海拔 接近 12英寸的钠 液位。（ 见图 1） 。 钠 测试 装置 进行了一系列的测试来 估计 量设备的液位 传感器。测试装置 图 如图 2所示 ， 是为了模拟 它 由一个装配 3/4英寸直径的不锈钢管 ， 15英尺的垂直测试部分 组成 。 图 2 钠测试 的 测试配置 一个溢流管连接到顶部的测试区 （ 180英寸 ）， 也通过在 120英寸 处的 旁通阀。 与 测试部分连接 的 耐热玻璃观察孔 ， 通过查看钠和与 对比 玻璃 上 每隔 准标志 ，可以使液位 传感器的校准范围 在 92间 。从手套 加压罐 的开始 测试区充满了 钠 。 通过 打开连接管罐和测试部分之间的阀 ，以 增加气体压力罐 ，来提高在测试部分钠的液位 。 要 降低钠 的液位，则需 降低气体压力 ，并 通过打开阀门 让 钠流回罐。所有管道加热和绝缘测试区 都采用热电偶 检测。 一个接头套管接头确保在测试区底部的 传感器的接头套管 和 通过 钠所在的管道范围内声脉冲向上传播 。 这个 传感器 用一个接头与电子模块相连接 。 对 此工具测试展示了超声波液位传 感器的出色性能。 第一个 估计 试验确定 了在 92 英寸恒定液面 处， 传感器读数 随 温度 的 变化。温度变化 范围 从 30000F， 而钠 液位 观 在 察窗 测量时始终 维持在一个恒定 值 92英寸。 在200F 的温度 范围 内， 总测量变化 量 仅为 2%。 测试 的结果绘制在图 3 中 ，它表明在 这一范围温度 内，产生的变化是线性的。 图 3 钠 温度在 92”时读数的变化 通过数据点绘制 的 直线是 在 钠 中的 逆声速与 速度的比 。因为 液位 传感器 的 读数随温度 的 变化是线性的 ， 在特定温度下可以获得真正的 液位高度 。 为了获取 准确的数据 需要达到一个平衡温度 ，而这是相当 困难的 ，这就是图 3中数据点分散的原因 。 第二个测试 在常温下进行 。在 475位变化如图 4所示， 钠 液位 测量观察窗的数显指示 图 。通过控制 钠罐内密闭 气力和钠 供给 阀 ， 钠 液位发生变化 。使用玻璃上 度 标志 ，通过 观察孔 读出液位高度 。传感器位置总的 不确定度大约 估计 为 感器读数的最大偏差水平在 9296英寸可见范围内 ，而 观察孔 的则 是 图 4 在 475第三个测试是系统 对 外部振动的敏感 度的 简单评估。在这个测试中 ， 测试部分 先 是轻 轻地 拍，而后慢慢加大力度，最后用力地敲击 。接收到的信号由一个示波器监视 ， 在这个测试 中信号 显示没有变化。因此 ， 正常外部振动源预计不会 干扰到 传感器的操作。 第四个测试 为了 评估 液位 传感器的 测量 范围。钠 液位 多次升高和降低 以 确认传感器连续检测钠 液位 上升或下降的能力。关闭在 120英寸 处的 阀门 ， 钠 液位 可能增加到 180英寸 并会发生溢出 。在 180 英寸返回脉冲信噪比 为 20如 监控示波器上 显示的，它 可以测量 比这更高的液位 。据估计 ， 这些测试 所 使用 2 能器 可测量钠液位 大于 50英尺。传感器 测量液位 的下限 ， 最低 液位为 ，此时传感器可将返回脉冲可与信号的噪声区分开来。 通过调整传感器 /电子系统 ，它 可以测量不到一寸的 液位 。 我们通过 长期测试来确定 经过 长时间操作液态钠是否影响传感器的精度水平。测试的环境条件很糟， 因为钠是静态的 ， 钠接触到不锈钢管表面 很容易在其表明形成氧化物 。厚重 的氧化层可能分散声音 阻碍液位 检测。在 2000 小时 475F 温度 的连续操作 下液位仍然 恒定 ， 传感器 液位读数 无显著变化。 通过 每天加增加 和减少加 热器功率 ， 观察窗的液位 发生了 轻微 的变化 ， 但是传感器本身没有偏离预期的 读数并维持 一个特定的 液位 。如果温度增加 ， 钠 膨胀其 液位 略有增加 ， 但水平传感器 能 显示切实的变化。 在测试 中 产生 了 大部分错误 都是由于 声速 对 温度依赖性 造成的 。即便如此 ，这种误差也 是可 测量 的 ，而且 改进 后的 系统可以提供自动调节系统来补偿温度 所 引起声波速度的变化。 水 测试 在水中的测试证实了测量仪器可以获得优于 测量精度， 超声波声速 足可以满足高精度的系统 。水测试观察钠系统的发展期间在一个开放的配置 的 大柜 中 进行 ，这样一来 声音不局限于一个钠液位传感器测试管 内 。一个短距离测试 （ 6英寸 ）， 反射器和传感器之间的实际距离是 表明了 系统 的 精度 （ 忽视频 率选择振荡 器的 轻微误差 ）优于 在 9又 1/2英尺长距离 测试 中， 显示系统准确 度在 机械测量误差 1/32英寸或 范围内。这个 长距离 测试再次忽略了振荡器 的 频率误差。电子系统 在 飞行时间测量 中 估计精度 为 试 复合反应堆组件测试活动 （ 钠 管道 用于 钠堆内 应堆组件 的示范 。 直径 为 15英尺 ， 包含一个全尺寸模拟 三分之一。在最 近 ， 超声波液位传感的概念在另一个配置 进行 测 试 （ 见图 5） 。测距 ”传感器安装在 垂直于 钠表面 的显示器 用来 显示 钠 的液位 。 无侧限 光 束 液位 传感器 的 钠 堆内钠 操作 图 5 钠液位传感能力 虽然 并不知道在 道内 钠 的 实际深度 ，但 深度显示在容器设计深度 的 一英寸 处； 统 能 渗透最深 达 166 英寸。在 管道内 现有 液位 测量技术的 不 准 确， 排除了使用 试数据的准确性 ， 但是 液位 传感器的测试演示了在不采用导管超 声能量配置 中的 使用。这个测试给 出了液位 传感器的多功能性 的评估 。 也许 阻碍 这种类型 液位 传感器 得到 广泛应用最大 的一个 因素是缺乏高温传感器。 在这些测 量中 传感器仅限于低于华氏 550度 的温度下使用 。然而 ， 利用铌酸锂活性元素 的高温传感器 在 钠 测量中得到使用 。水平传感器的合理 扩展 工作将包括超声波传感器的开发和 液位 传感器 测量 在温度高达 1200F 的 应用。 结论 超声波 液位 传感器 的 全面 测量 表明它 能 在大范围 测量保证精确度 和 在既定的 测 量条件下 保持 稳定。 由于传感器和 温度 的相关性， 传感器的准确 度 是 传 感器的 测量 范围大约 15英尺 到 3英寸 ，更有甚者其 测量 液位 从 0 英尺 以上 。传感器不受振动的影响可以 在测量区内 正常使用 ， 在 2000 小时 内的液位测量中读数显示 并没有 出现 漂移。通 过 电子 补偿 温度变化和改善 校正 方法的准确性 ， 传感器 可以获得更高的精确度 。超声波液位传感器操作 满足 壁测 量要求， 它 的 设计 可 提供一个钠 液位的连续显示。 传感导管 对于 钠液位 测量来说 是 无 必要的。 超声波液位传感器在精度和可靠性 最 重要 的 钠环境中 的 应用前景 具有 巨大的潜力。安装传感器其他配置应该 给予示范以 增加传 感器的多功能性 ， 发展高温传感器 对在 温度高达 1200态金属快中子增殖反应堆 （ 能给出 连续准确 的液位显示 是至关重要的。液位 传感器 测试 应该在 钠箱 和 钠的大管道中进行， 确定最佳配置监测 管内钠 液位以及确保 没有底部缝隙。 超声波密封容器液位测量的仪器开发 摘 要 超声波在液位测量领域是一种高效的方法。超声波传播过程中，在两种不同的介质的界面会发生反射和折射。反射系数取决于两种介质的相对声阻抗。超声波的这种特性应用于密封容器的液位测量和基于程序软件开发的仪表系统。首先，系统的结构和工作原理的实现；随后的发射和接收电路设计；在此之后，此软件被二次开发的数据采集卡改进；最后改进的仪器被应用于客运列车的空调压缩机的液位测量中。开发工具提供了一个对于密封容器的液位测量的有效方法。由于这种仪器是模块化结构，它可以很容易应用于其他相关领 域。 关键词 ：超声波；液位测量；发射和接受回路；二次开发 介 在中国用于客运列车的空调压缩机通常是一个密封的容器，它发生故障可能是由于机械故障、电气故障或其他类型的故障。但维修车间的反馈表明，其大部分的故障发生，是由于容器内的冷冻机油减少到水平定线以下 1。所以保持它的液面高度足以确保空调正常运行很重要的。本文采用超声波检测方法来实现液位测量。传统的超声波测试系统的诊断结论通常是由观察回声波探伤仪的 示。为了进一步分析回波信号，得出更准确的结论，开发出了基于一种编程软件的仪器。信号数据不 仅可以在屏幕上显示，而且能进行存储以进一步分析，提高了测量的可靠性。 如图 1 所示 ，该 仪器主要由一个换能器 ， 发射 与 接收电路 ， 数据采集 ） 和一个笔记本电脑。发射电路 产生 高压电子脉冲 作用 在超声换能器激发 其 发射超声波。回波 被 接收电路 和 采集卡 放大并接收 。分析这些获得的数据 ，并 在计算机 应用 程序中执行 2。 图 1 系统结构框图 超声换能器是一种可逆的 部件 。它 的工作原理基于 压电效应 ，压电效应 包括 正压电效应 和 逆压电效 应 34。超声波 的 发射 原理根据 逆向效应 ， 回波信号的接收 则遵循正压电 效应 。压电效应的原理 如 图 2所示 。如果它的电极加 上电压， 压电晶体将 发生 振动 ，厚度 变化 方向根据电压的正 极 或负 极 。这 对 工件 的 振动 最终导致 材料的粒子振动 ， 因此超声波 得以 传播。接收回波信号 则 是一个 完全 相反的过程。反射波 引起 压电晶体的振动 ，然后压电晶体的振动所产生的电信号 被 放大和 接收 。电声转换 由发射 电路 完成 。 图 2 压电效应 在超声波传播的过程中，它会在不同媒介的界面会发生反射和折射。反射系数取决于两种介质的相对声阻抗。由于气体的声阻抗（ 03kg/m2完全不同与石油（ 288103kg/m2钢气界面的反射声强度和钢液界面不同，特别是经过多次反射后 1。因此通过分析反射回波，就可确定液位。 被 控制脉冲 触发后， 发射电路产生大范围窄脉冲激励换能器发射超声波。 发射 电路需要 的 高电压 由 一个较大电容器和一个场效应晶体管 （ 提供 。发射电路的工作原理 如图 3 所示 。当 G（ 门 极）处于 高 电 平 ， D（漏极） 和 S（ 源 极） 将 导通， 电容器放电。由于 电容器 电荷不能突变 ，故 将 产 生高压负脉冲 ，晶体会因受到此 负脉冲 的激发发出超声波 。 、 图 3 发射电路 的工作原理 回波信号在 压电晶体 被 转换成电信号 后， 被接收电路 接收 。虽然使用集成运算放大器 来设计 接收电路很容易 ，但其 输 出效果 不 佳 的 ， 因为被放大 后 的信号微弱 ， 频带 也宽 。所以在本文中 ， 使用分立元件 （三级复合管）实现 第二级放大。 通过 这两级放大后 ， 信号另外 再 由集成运算放大器 测试结果看 ，改进后的 接收电路性能稳定 ，信号 放大达到 60分贝。接收电路的原理图 如 图 4所示 。 图 4 接收电路的原理图 仪器的硬件结构 有 以下 特性： （ 1） 它 造价并不 昂贵。硬件主要由传感器 ，发射 和接收电路 ，数据 采集卡和一个笔记本电 脑 组成 。模拟信号是 通过 采集卡转换成数字信号 ， 通过平行端口与计算机通信。 （ 2） 由于其供电模式 ，此 仪器 也 可以 完成户外工作 。采集卡和传输接收电路的电源是由铅蓄电池 提供的， 笔记本电脑 也 都自己的充电电源 ，因此 仪器可以 在 没有商 用电源的 情况 下工作 。 （ 3）此 系统可以集成 为一个 便携式仪器 ， 很多分析可以通过开发软件 完成 。 数据 采集卡通过并行端口与计算机 进行 通信 ， 由多路 转接器， 放大器 ， 采样 保持器，模数转换器等 组成 。软件首先初始化端口基地址。采集卡的缓冲区 与 内存连接 着 数据 的采集和存储 5。采 集卡的驱动程序实现控制采集卡和计算机之间的通信。数据采集的结构 如 图 5所示 。 图 5 数据采集的结构 采集卡 二次开发的主要任务是开发 友好 用户界面 的 应用程序。 动态链接库 ）在应用程序 中用以 驱动硬件卡 ，它能 获取内存中的数据并 将其 显示在计算机屏幕上。通过采集卡的二次开发 的 应用程序 ， 可以自动完成数据采集和一些特殊的分析功能。测试时 ，该 仪器不仅可以获得 原始 数据 ，而且还能给出 回波信号的实时分析和 换能 器 与 液位之间相对位置 的 结 果 。因此液位测量是容易 并且是 自动 完成的 。 仪器软件 随着 适用于 测量组件提供了 在 使用 的 些控件包括接口控制、数据分析和信号处理功能 ， 数据采集和仪器控制 的 I / 些控件的使用扩展 了 使它 成为 更容易开发 的 软件。图 6是数据采集部分的用户界面。 图 6 数据采集组件图 使用 集卡二次开发的主要步骤如下 ： （ 1） 在 态链接库） 驱动硬件和设置全局参数和 端口 基地址 。 （ 2） 开发 能 实现数字示波器功能 的 数据采集程序。这个模块可以存储信号并将其显示在计算机的屏幕上 ，此外 它 还 有一些数据处理的函数。 （ 3） 编程出 信号分析和处理的功能。这些函数 可以按 要求 进行编程， 可以分析实时和 历史 信号。 （ 4） 设计文件管理和数据维护模块。这个模块包括报告生成和打印部分 ， 数据存储部分和测量记录数据库。 （ 5） 将 开发项目打包成一个安装程序。 总之 ， 仪器 的 开发软件具有以下优点 ： 1） 可以实现数字示波器的功 能 ； 2） 具有友好的用户界面 ， 很容易地操作 ； 3） 它可以分析实时和 历史 数据 ， 显示传感器和液位之间的相对位置 ； 3） 它以 自动生成测试报告 ； 4） 它是由几个独立的模块 ， 可以很 方便应用于 其他相关领域。 直接接触测量方法不适合压缩机密封条件下的液位测量。因此需采用应用超声波的非接触测量方法。超声波传播过程中，会在两种不同介质的界面发生反射和折射。反射系数取决于两种介质的相对声阻抗。钢汽接口的多次反射回声的振幅远高于钢液接口的。所以当上下移动换能器时，通过对回 波信号的实时分析可观察到液位高度，图 7（ a）显示了传感器的位置。图 7（ b） 是一个非密闭压缩机容器。 （ a） 传感器的放置 （ b） 非密闭压 缩机容器 图 7 传感器的放置和传感器压缩机 为了提高测量的精度，其采用如图 8所示的交叉换能器。这是一种线聚焦；焦距为5毫米，这和容器的壁厚相同。换能器的型号是 12 感器是固定在一个可以沿容器的壁上下运动的移动装置上。测量的工作人员固定传感器显示其高度；同时仪器分析实 时获得的信号，并显示传感器和液位之间的位置，采用这种方法完成测量。下面的图 9显示了上液面和下液面的回波。 图 8 超声波传感器 图 9（ a） 下液面的回波 （ b） 上液面的回波 论 针对空调压缩机的密封容器液位测量 ， 介绍了一种可行的测 量 方法和 开发 基于超声波测 量 系 统的软件 。使用笔记本电脑 作为仪器 工具 的一部分 在一定程度上提高 了 超声检测的自动化水平。开发工具可以获得超声信号 并能进行 实时和事后分析。友好的用户界面使其 便于 操作 ， 仪器的模块化结构使它可 方便应用 到其他相关领域。 摘 要 液位测量在石油、化工、气象等领域均可寻得其踪迹。众多液位测量 方案中，超声波液位计是发展较快 、应用较为广泛的一种液位测量仪表。它属于非接触式的测量方式，其原理基于两点，其一超声波 在同种介质中传播速度相对恒定，其二它碰到障碍物能反射。与其他方法相比，它不受被测对象的某些特性的影响，如光线，对象颜色 等 。它还具有非接触、高精度、价格低廉等优点， 是作为水位测量的理想手段 。近年来，数字信号处理技术与微处理器技术的进步使得超声波液位计得到完善。 本课题详细介绍了超声波传感器的原理和特性，以及 司的 在深入理解超声波测距原理的基础上，指出了水位测量系统设计思路和所需注意的问题，设计 出 了以 片机为控制中心的超声波水位检测 仪的硬件及软件实施方案。该系统可实时控制，还具有工作稳定、性能良好、测量精度高等优势。通过盲区消除、温度补偿以及软件上的中值滤波，提高 了 系统的测量精度，该系统的测量精度已经达到工业使用指标。本课题的研究内容主要有以下几个方面： 介绍与超声波测距相关的技术，分析超声波测距的可行性以及用超声波测量的重难点；阐述超声波水位测量系统的设计方案；说明了环境 温度对测量精度产生的影响并设计补偿校正方案。 关键词 ： 单片机；超声波；温度补偿；高精度测距 s be in is It is a of is on is is in of is it is by to as of it a of it is an of In of in of CU of on to of it a as of of be in so of we of it of of of of of of of an of of to a 第 1 章 绪论 题背景，目的和意义 工业生产中，需要不间断地对系统液位或物料高度进行检测，尤其对某些 具有腐蚀性液体的液位测量，对测量系统的要求更高。如传统电极法采，它是由电极通过电脉冲来完成监测液面，电极长期浸泡在腐蚀性液体中，极易因电解被腐蚀，导致其灵敏性大大降低。因此对于此种液位测量环境，测试设备要具备抗腐蚀性。而对于超声波液位检测系统来说，这种方案是非接触性测量的，因此进行高度检测时其本身不会受到腐蚀性物质的损害。超声波液位检测系统能满足工业上测量精度的要求，因此它的应用前景相当可观。 实现生产过程的检测和实时控制的基本要求是必须保证液位测量的准确性，故选择适宜要求的液位检测方案至关重要。某些具有高 温、辐射、毒性、易挥发易爆等特性的液体，如果采用传统测量方法测量，会因测量过程中出现电脉冲极易引发事故，所以在这种情况下应采用超声波的检测方案进行液位检测，此种非接触式液位测量方案能保证较高的生产安全系数。 位测量国内外发展的现状 最近几年，由于电子与信号处理技术研究取得重大成就，液位测量技术也得到了迅猛发展，短阶段 期间里就历经了 机械式向机电一体化 发展趋势， 再到自动化的发展历程。有了这两大技术的有力推动液位测量技术得到了更好的完善，如微处理器的引进，使得液位计的精度得到了很大的提高，更使得液位测量 仪表趋向智能化、一体化、小型化等跨越式功能的方向发展。 自上世纪八十年代开始，发达国家将诸如计算机、超声波、传感器等高科技的研究成果整合应用到液位测量领域，测量方法因此得到更新。而电子式测量方法是其已经更新的方法之一。机械式液位测量逐渐被电子式测量方法取代，电子式测量具有高精度，可靠性强，维护安装便捷简单的优点。在各类型储罐液位测量的电子式技术中，应用最为广泛的五种测量技术有压电式、超声波式、应变式、浮球式以及电容式，它们的应用范围约占总体的 60%以上。其中，超声波式测量技术 在这几种技术中 的 市场应用率 最大 。 位测量系统的发展前景 随着工业的发展和研发技术的进步，测量技术涉及越来越多的学科，诸如材料、工程科学、能源科学、电子技术等。目前发展趋势有以下几点： （ 1）高精度，低功耗。能源问题素来为各个国家所关心的，怎样在降低功耗的条件下，改善液位检测仪的性能是当前研究 所专注的核心要点 。 （ 2）产品数字化。 当前液位测量技术的一个重要发展趋势是 纳取高端 的信息化数字测量技术 为己用，以此来提升测量的性能 。 （ 3）运行过程运用监控和在线监测技术。综合运用图像、光纤、数字技术等来实现实时探测、智能化观察被测介 质的功能。 （ 4）液位测量系统也将由于新材料、新器件的开发变得更加优质。随着太空科技，纳米技术以及生物工程技术的飞跃性发展，未来液位测量将会频繁出现 纳米技术和生物技术的身影 ，更具精密性的生物芯片会应运而生，使测量系统更趋便捷化和微型化。 章小结 本章是全文的开篇概述，主要阐述了本设计研究的背景和意义，介绍了液位测量系统的现状以及液位检测技术的发展方向。分析说明了利用超声波作为液位检测手段的优越性。为下文的深入研究做了充分地铺垫。 第 2 章 超声波测液位系统总体设计方案 统设计内容 和功能 本设计是基于单片机超声波液位测量系统，其组成部分主要有：单片机最小控制系统、超声波发射和接收电路、温度补偿电路、 示电路和报警电路 6。本课题运用的是模块化思想进行设计，最终形成了一个以单片机 控制核心将其他模块有机联系在一起的统一整体，共同完成液位测量这项功能。 题设计的任务和要求 1、 查找资料找出多个可行的超声波液位测量方案并进行方案比较，以期待能设计 出最为合理可行的超声波 测距方案 。要完成在进行 相关软硬件仿真 成功后制作出硬件实物，以及在板子完成后要进行 调试 等工作 ； 2、 该设计要求的 主要技术参数：主要技术参数：供电 220距距离 5m，精度 10%； 3、 用 行软硬件系统的仿真； 4、 用计算机绘制相关硬件的原理图、制版图、电气安装接线图各一份； 5、 制作出的超声波液位检测系统 应方便设备的调试与使用。 声波与超声波发生器 声波 物体振动产生声能，每秒钟振动的次数成为声音的频率，它的单位是赫兹（ 我们人类耳朵能辨别出的声音 频率范围在 20 20000，这种波称为声波。 声波的分类与振动频率有关，如果振动频率小于 20 就是 次声波， 而 高于 20000声波。 声波传感器基本结构及工作原理 由于超声波的各项特性，故在其在作为检测物体的媒介有几个特点：无破坏性、遥控性、实时性、可穿透等。本设计使用的压电式超声波传感器的组成并不复杂，也就是两块压电晶片和一块共振板。它产生超声波的过程也是相当简单的，当它的两个电极加上与晶体的固有频率相同的脉冲信号的时候，压电晶片就会发生共振现象同时带动那块共振板振动。 若是 我们 从能量转换的角度看，这个类型的传感器 在作为超声波发生器是个将电能转换成机械能的过程。类似的，传感器作为超声波接 收器时，将机械能转换为电信号。当电极未加电压，回波信号会使共振板振动压迫两压电晶片振动，从而发出电信号。 电式超声波发生器原理 压电型超声波传感器的之所以能将能量进行某种程度上地转换是由于它是基于压电效应 .。什么叫做压电效应？通常来讲它分为逆效应和顺效应两种现象，下面我们来 分别介绍这两种现象。以最典型的例子来讲，超声波传感器的发送器便 是基于压电逆效应原理。首先要明白的是如果在压电元件的 两端加上一定频率的电压它就会发生变形，这种情况也叫作应变。压电效应的原理图（图 2果在图 a 所示的已经极化了的压电陶瓷两端上加上图 b 中极性的电压 ，这个时候就会产生这样的现象：电压产生的正电荷会跟压电陶瓷本已经极化的正电荷相排斥，同样的道理，电压的负电荷与已经极化的负电荷相排斥。这样一来，双重的相斥作用力度极强，导致压电陶瓷的厚度变薄，长度变长。反之，施加电压极性变反 的时候 ， 就会出现如图 c 所示那样 的现象 ，压电陶瓷 的 厚度变厚， 而 长度 却相应的 缩短。 图 2压电逆效应图 统测量方案的选择 此小节 我们分析比较气介式、液介式测量方案的优缺点，以及就传感器的收发方式的优劣进行比较，选择出最适合本设计的测量方案。另外还给出了采用气介式超声波检测采用温度检测的必要性分析与计算。 介式超声波水位测量 液介式超声波 水位测量方式，顾名思义可推知它的 传播媒介是液体。此种测量方式，超声波传感器安装在水底，超声波的传播路径是从下至上向水面发射，波束遇到分界面时发生反射，传播过程耗时为 t。超声波在水中的传播速度 v 已知 ， 有了这些已知量就可根据公式求出水位高度 。液介式水位测量具有一定的局限性，其超声波传感器需具有 高防水性和防腐蚀性，而且测量精度会因水中泥沙及悬浮物等杂质而大大降低。此外，超声波在水中传播能量损耗大，要想测量更深地水位超声 波传感器需更大功率来驱动。夜介式顾名思义，该方案中的传感器 是需要安装在水下，可想而知测量系统的安装和维护将会非常地不方便，而 这些因素 显然 限制着液介超声波式水位测量的发展。 介式超声波水位测量 由液介式可推知气介式传播媒介是空气，这种方式需测量超声波在空气中往返的时间。气介式超声波水位测量的局限性在于系统需要知道容器的高度才能确定水位。但是鉴于工业用途的容器高度都是已知的， 因而气介式超声波水位测量适用范围还是较为广泛的。气介式超声波水位测量系统的安装和维护都很便捷，其还可用于距离测量，本设计应用的就是气介式。 介式超声波测定水位原理 气介式超声波测定水位的基本原理如图 2示，采用的是回波测距原理，只需测定超声波在空气中传播往返时间，即液位高度。 由图可知，所要测量的液位高度为： h H S （ 2 式中， S 可由 超声波系统测量得到； H 一般为容器的高度，需要提前 测定。由此可知测量液位的关键在于测出 S。 图 2超声波水位检测 原理图 采用较为广泛的是回波检测法。回波检测所应用的测量 原理 需要计算 超声波发射波遇到障碍物反射后的回波 之间间隔 的时间， 先是由超声波传感器发出超声 波脉待测液体 超声波测距模块 H 冲， 为了准确计算间隔时间，在超声波发射之时就开始 计时，只要收到遇到障碍物反射而来的回波时马上停止计时，这段时间 t 称为渡越时间。根据当前环境条件下超声波传播速度，即可通过式（ 2计算被测物与传感器的距离。原理如图 2示，其中 t = 超声波传播距离公式： 2S v t （ 2 式中 S 是测得的距离值， v 是超声波在空气中的 传播速度， t 为渡越时间。 图 2超声波水位检测 原理图 介式超声波检测采用温度检测的必要性 超声波是由机械振动产生的，它 在空气中传播是以纵波的方式传播的 ，质点的振动方向与传播方向一致 。 因此超声波的传播速度不可避免得会受到与 空气 相关的某 些特定因素的影响，比如温度、湿度、气压、 分子成分等因素。 在这些环境中的空气因素里，超声波传播速度 C 受到温度的影响最严重 。超声波在空气中的传播速度跟当前环境温度的关系式如式 （ 2所示。 y R （ 2 超声波在不同介质的传播速度是不同的，在固体，液体，气体中的传播速度依次减小。其中在空气中传播受温度的影响最大，温度与声速的关系表达式如式 （ 2示。 0 1 ( m / s )273 （ 2 气温为 0时的超声波波速可以由上面的公式计算出来 : 33l m/s （ 2 2 工业测量中计算超声波在空气中的传播速度所用的公式 （ 2所示 : 331 + （ 2 由此式可绘出超声波传播速度随温度变化的关系曲线图如下图 3示：由图可知超声波在空气中传播时，即使在通常环境温度变化（ 040 ）的条件下，传播速度也会出现高达 8%的误差。因此，必须根据当前环境温度进行声速修正以保障测量精度。这就是在系统中增添温度校正环节的原因。 图 2空气中声速随温度变化曲线图 以上就采用气介式还是液介式的测量方式进行了分析，还需解决的就是探头工作方式的选择：虽然单探头方式的液位计算公式和检测系统都简单，但是问题在于我们用的是压电陶瓷式传感器，它的余震是比较严重的，这就导致了单探头测量出现比较大的检测死区大。因此本系统采用双探头的设计，传播介质为气体。综上所述，本设计应采用气介式双探头设计。 统总体方案设计 基于单片机的超声波液位测量仪系统主要由单片机核心控制电路，超声波发射与接收电路， 示电路，温度检测以及报警电路模块组成。本液位测量系统的软件设计运用的是层次清晰，条理清楚的模块化设计思想，硬件系统是以 它们成为一个有机的整体。硬件电路的系统框图如下所示： 单片机主控芯片是 52 系列中的 发 射电路通过单片机输出 40波信号 经由 收电路使用 其工作过程如下：系统发出超声波并同时开始计，避过盲区检测接收第一个回波脉冲时，关闭中断停止计数，这样就得到超声波的往返时间 t。温度测量模块开始工作，利用采集到的现场环境温度对声速进行修正，由式（ 2（ 2到被测距离。在测量前可利用键盘模块预设液位报警高度。最后经由单片机处理后，将液位高度等信息在 示模块上显示。 声波传感器的测距原理 超声波传感器 的工 作原理 是基于超声波的特性 ，即它是依据此 设计而成的。超声波的产生是通过在换能晶片的两端施加电压使其发生共振并带动共振板产生的。相比于声波，超声波 具有 可穿透液体、固体进行传播 的特性 。超声 波 在传播过程中如果 遇到介质分界面 就 会发生反射。采用超声波作为检测手段，需要解决的关键核心问题是如何产生以及接收超声波，而超声波传感器就是为了解决这类问题应运而生的。 用于测距的超声波探头其核心结构就是超声波传感器，这个传感器是 由压电陶瓷晶片组成 的 。当压电陶瓷晶片两端有施加电压时，其会随电压的频率的变化发生机械形变；而当压电陶瓷晶 片发生振动时，它将产生一个电荷； 我们将 这两种现象分别叫做 压电顺 效应和压电 逆效应。由这一原理我们能得知，当对压电陶瓷施加电信号产生共振的时候，它会发生弯曲变形振动产生超声波；当压电陶瓷接收到超声波能量的时候，它会发生振动产生电信号，如此一来我们便解决了测距中超声波发片机 超声波接收 超声波发送 示 报警系统 图 2系统组成 温度检测 供电电源 射与接收的问题。 声波发生器的选择 对超声波发生器的频率的选择也是相当讲究的，它的选择是否恰当直接决定了它的工作性能的好坏，我们知道 超声波发生器按发生方式分为电气式和机械式。本设计属于量程较小的短距离测量，故采用压电式超声波换能器就能达到 测距要求。 超声波传感器的选择对测距仪的分辨率起着至关重要的决定性作用。超声波传感器的工作原理是压电效应，其通常使用的材料是压电式陶瓷。由于超声波是一种声波， 不难得知无论在什么 介质中传播 都是 会产生衰减 ，而在空气中传播衰减现象是最为厉害的 。超声波在 介质 传播过程中它的衰减程度与自身的频率有关，而测量仪的分辨率与超声波频率有关。所以我们在选择超声波传感器频率的时候就不得不综合考虑分辨率和衰减程度二者之间的矛盾了。由上面的分析得知，短距离测量时应该选择高频率的传感器，而在长距离测量的情况下选用低频率的传感器。本设计选择的是低频率的传感器。 区测量误差 超声波的发射原理是：当所加电信号与压电晶体的频率相同时，压电晶体 会 发生共振 现象 同时带动了共振板发生振动产生超声波。由这个原理我们可以推知，压电晶片是否振动，振动的频率是多少都是由外加信号来控制的，当信号停止发射时，晶片并不能立即停止振动，而是在惯性的带动下保持一定时间的振动后才能停止振动。在这段时间内超声波发射换能器仍持续发射超声波，因此不能接收回波，我们把这段时间称为盲区。 对盲区问题普遍处理方法的核心是对绕射的虚假信号进行屏蔽，屏蔽的方式有很多种，总体上分 为硬件和软件。我们从软件上采用信号滤波或者延时接收的方式对绕射信号进行屏蔽。在超声波发射开始直到“虚假反射波”结束的这段时间，采取关闭中断的方法，这样一来即使超声波接收探头接收到虚假信号也不会发生中断申请，便成功达到了躲避绕射干扰的目的。为了让测量更为精准，在软件中还对测量结果采用了中值滤波的方法。软件方法应用简单，只需编程即可完成。 章小结 本章介绍了超声波液位测量系统超声波传感器理论基础，以及运用超声波液位检测的测距原理等，并分析了环境因素对测量产生的影响，设计出系统总体方案。 第 3 章 各单元硬件电路设计 这一章中将对系统的硬件电路的各个模块进行阐述，包括硬件的核心控制部分片机，超声波接收与发射模块等。 片机 片机系统概述 单片机（ 单片微控制器的简称，它是一种半导体集成芯片。通常，这块集成芯片的基本结构有：微型计算机的基本功能部件 央处理器）、 I/O 接口电路和存储器、定时 /计数器及中断系统等。单片机无论从组成还是从其逻辑功能上来看都具有微机的特 征，但其毕竟只是一块芯片。因此其需要外加所需的输入输出设备才能构成实用的单片机应用系统。单片机内部结构如图 3示。 图 3单片机内部结构 片机 一款低功耗，高性能 位单片机，片内含 4k 7，该器件与标准 8051 指令系统兼容。该单片机集成了 8位通用微处理器以及 序存储器；该存储器可进行在线编程（ 采用传统方法进行编程。 片机的性价比高，并适用于多种控制领域。 部分引脚在本设计中的功能说明 ： ： 既可作数据传输又可以作为地址传送口。设计中该口用作输出口外接 10 R O M / E P R O M 定 时 / 计 数 器T 0 、 T 1并 行 I / O 接 口特 殊 功 能 寄 存 器（ S F R ）串 行 接 口 中 断 系 统C P 源 ：其内部有上拉电阻， 为按键的输入口不用在外部接电阻；其作输入口时，在读取数据前也要对端口进行写“ l”操作。 ： 别作为与报警模块和温度检测模块交流信息的 I O 口，也不用外接电阻直接使用即可。 ： 在大多数场合应用 到的都是它的第二功能。 在本设计中用到了它的第二功能引脚 有 ： 部中断 0 引脚用作 40波信号发射， 部中断输入 1 引脚作为超声波回波接收，这两个引脚都与中断有关。 片机最小系统 该设计中，单片机最小系统的供电也是由总系统的电源模块供电的，所以以下着重介绍组成单片机最小系统复位电路以及时钟电路的设计。 1、 复位电路设计 单片机的复位电路包括上电复位和按键复位两种，如下图所示为上电复位 和按键复位的综合使用。不管是何种复位电路，都是通过外部由电阻和电容组成的复位电路产生高电平有效的复位 信号，经过 脚 将这个复位信号 送到 单片机 内部的复位电路 得以进行复位操作 。 图 3复位电路 很显然上电复位电路是利用电阻和充电 电容来实现复位。在上图中我们可看出，上电的瞬间 的电位与 电位， 高电平随着电容充电电流的减少， 电位不断下降，其充电时间常数为 10 1010 103s=100时间常数足以使在 持高电平的时间内完成复位操作。 上图的按键复位属于按键电平型，当按下 电容两端等电位， 高电平， 实现复位操作。按键释放后电容经电阻放电 完毕后 ， 恢复低电平。 2、 时钟振荡电路设计 单片机的工作是靠对一条条指令按时序有条不紊的执行实现的。时序就是计算机指令执行时各种微操作在时间上的顺序关系。计算机的每一个操作都是在时钟信号的控制下进行的。由此可见时钟震荡电路设计的必要性所在了。 时钟脉冲由时钟振荡器产生， 时钟振荡器是由它内部的反相放大器在外面接一个晶体振荡器、两个微调电容组成的一个三点式振荡器，一般来说单片机内部带有振荡电路， 需要使用 12晶体振荡器及 两个电容作为振荡源。将晶体振荡器接到 即可产生自激振荡。通常振荡器输出的时钟频率 6节微调电容就可以调节振荡频率 然可使用外部时钟。如下图所示：三点式振荡器。 图 3钟电路 声波传感器的选取 超声波传感器按结构分类，可分成直探头、斜探头、自发自收单探头和一发一收双探头等。超 声波传感器的主要性能指标有工作频率、工作温度、灵敏度、指向角这四 个 ，在选择超声波传感器的时候都应按实际情况斟酌选择这几 项指标。此外，一般常见的超声波传感器有单收单发传感器和一发一收双传感器两种， 其中收发单传感器就是既可以发射超声波，也可以接收超声波 ； 一发一收双传感器中一个用于超声波发射，另一个用于超声波接收 1。根据前述（ 本系统实际应用的情况分析，本设计适用一发一收双传感器的探头的测量方式，采用通用型 40型为接收传感 器。其参数如表 3 表 3超声波发射接收传感器的主要参数 型号 40用方式 发射 接收 工作温度 20 至 60 20 至 60 工作频率 400敏度 755向角 60o15 60o15 声压 11270最大输入电压 60V 60V 声波发射电路与接收电路 声波超声波发射电路 超声波发射电路该硬件电路至关重要的组成部分，其设计方案的优劣直接影响到某些测量性能的好坏，比如量程范围。超声波发射电路设计方案按工作原理分为震荡。中小功率且频率不高的超声波系统通常采用震荡 电路由震荡电路和放大电路两部分构成，震荡电路的作用是产生超声波传感器所需工作频率的信号，放大电路将震荡电路产生的信号放大后，通过超声波传感器进行发射。 以下是发射方案的比较： 方案一：采用 荡产生 40方波信号。它基于硬件的基础上构成的振荡、调制、激励电路，具有直观且易于观察的特点，有利于电路的检测。我们可以通过示波器观察到的 40波。 图 3555构成的超声波发射电路 方案二：通过单片机定时器产生 40脉冲信号，再通过 动，将40脉冲信号发射出去。相比于方案一，由于是软件控制，故准确度比较高。 T R I O L S C H S E E A K E T 图 3超声波发射电路 经比较发现，在这两个发射电路中，方案一的设计是比较方便，但由于本设计要求测量精度在 1内。而方案二中采用软件控制的方式发射超声波，时间能控制得比较精确，而且发出的超声波频率准确度比较高。在方案二中我们通过芯片单片机发出的信号进行放大处理。因此我们选用的是能保证测量结果准确度的方案二，此外在整个系统中我们都会采用单片机做计算和显示。 本设 计采用方案二。该方案中的超声波发射电路主要由 加强发射超声波驱动能力的 反相器 集成芯片 负责发射超声波的 超声波换能器 T 组成。单片机的定时器定时器产生 40方波信号将其从 发出，该信号经过推挽电路增大它的功率后加到超声波换能器的两极，这样做可提高超声波的发射强度，该推挽电路以反相器 核心。 声波接收电路 （ 1）由运算放大器构成 测量过程中，超声波反射回来的回波由于各种因素的影响会产生一定的衰减，所以超声波的接收电路除 了信号整形滤波部分，在这些个部分之前将信号放大的放大电路是很有必要的 。 我们需要选择具有放大功能的器件来进行本电路的放大，而 具有放大功能的器件，我们 通常 首先会想到运算放大器。如图 3电路形式很实用很常见。 该电路用单电源供电，且输出端的静态电位由同相输入端的点位来确定，而 2的分压作用为了加到运放的同相输入端的电位为 1/2电源电压。超声波接收传感器的输入端的输入阻抗要尽量大，这样才能保证信号输入的完整性，使电路对信号有足够的灵敏性以及充分发挥自生选频作用；这个电路用了 同相端输入的方式，输入阻抗高能满足实际应用的需要。另外，该放大电路还通过电容 量减少电路受到噪音的干扰。 453122 7 运放构成的超声波接收电路 （ 2）以 超声波接收电路的功能是要将接收到的声波能量转换成频率为 40需要对这个 电 压信号进行放大与整形等处理程序，然后得到 一个规范的脉冲信号用于触发单片机中断。由于接收器收到的回波信号比较弱会导致其输出信号也弱，所以需要对接收到的信号进行放大较高的倍数， 还有该接收器输出阻抗很高的解决方案也需要考虑。按常规思路，我们会采用多级放大电路来解决这个问题，但是这个方案存在容易产生自激振荡这个隐患，故不可取。在综合分析以上的情况查阅各种各种资料后，我们找到了与该电路性能相匹配的 用 到了该电路的设计要求。 超声波发射电路的原理接线图如 3电路模块的亮点 在于它 除了使用在芯片的输出端增加了由两个三极管和几个电阻组成的推挽输出电路；保证在电路未接收到超声波 回波时，它的 7脚对单片机 V 范围内，即起到电平标配的作用。 图 3超声波测距接收单元 度补偿模块的电路设计 由前述 析可知温度补偿对超声波速度的修正是很有必要的，故本系统使用 行温度测量对声速进行校正。 种智能温度传感器。它的性能指标如下表： 表 3性能指标 由上图可知 需单线就能进行测温，所以在这个模块的电路设计上只需要解决的是其供电方案的选择问题。 多种测温电路可供选择，下面列举 3种方案进行比较，选择出最适合本设计的方案。 （ 1）寄生电源供电方式 如下面图 4 所示，单线信号线为 供电能，当信号线 于高电平时， 内部电容会能量储存，为信号线处于低电的时候为自身提供电能做好准备，直到下一个高电平到来，如此循环。这也就是该供电方式的基本工作原理。 寄生电源供电无需本地电源也可进行远距离测温，由于它仅用一根 I/O 口即可实现测温， 不仅 大大简化了电路结构 ，而且使用起来也相当简单 。但是当多个温度传感器同在一根 I/靠 将导致无法进行准确的转换温度。该电路不适用多点测温，由电池 供电的系统 同样也不适用。其系统工作电源必须保证 5V，否则无法保证温度转换准确性。这就是采用寄生电源供电的局限性。 图 3寄生电源供电方式 （ 2） 生电源强上拉供电方式 寄生电源供电增强版，采用强拉电源供电如下面图 5 所示。我们在电路中多加了个 ，它起到的作用是在温度检测的时候将 I/O 线的电位上拉到 动态转换周期提供足够的电流。单片机 启动温度转换的指令后，该模块在 10s 内将 I/O 线转换到强上拉状态 10。解决单线电流供应不足的问题后，该电路也适用于多点测温，只是该方案多占用了一根 I/O 口线。 图 3寄生电源强上拉供电方式 （ 3） 用外部电源供电方式 该方式下 脚直接与外部电源连接了，根本不存在将 I/O 线强上拉的问题。因此不会出现工作电流供应不足的隐忧，这样便保证了温度转换精度，由此推知该供电方式下也 可满足多点测温的条件。 图 3外部供电方式单点测温电路 经由上面几个方案的比较分析得知，外部电源供电是 最佳供电方式。也适用多点温度监控的场合。该供电方式即使电源电压发生波动时， 可正常工作，温度测量的精度不会因此受到影响。 解决了该模块的供电方案选择问题后，它的所做的工作是：对环境温度测量得到数据后，进行处理将其通过 给单片机进行温度修正。 示电路设计 本系统采用 晶模块显示所测距离值。如图 3晶显示与为单片机的信息交换口是 ，由 于 部是一个 8 位漏极开路型双向 I/O，所以在硬件电路设计中 接 10上拉电阻。电路中 个电位器的作用是调节液晶显示的亮度。 晶在使用时还需注意：每次写指令、读 /写数据操作之前单片机均需要检测忙碌信号 ，以确保数据交流的准确性防止错误的出现 。 图 3显示单元图 主要技术参数及引脚说明如下图所示： 图 3脚说明 电电路设计 系统中所有器件工作都需要能量，而整个系统的能源中心是电源，因此供电电源的质量与单片机系统工作稳定性息息 相关。本本设计中供电模块的作用是将 220V 的交流转换为单片机系统的供电电源 5V 直流电。 一般情况下，所需直流电压值和电网电压的幅值相差较大，需要通过变压对电网电压进行降压，在对较低等级的交流电压进行整流处理，这样对整流电路的要求就没有那么严苛了。而滤波电路的主要作用就是滤去整流输出电压中的纹波，它起到的效果就是平波，目的是为了输出恒稳的直流电。而本设计采用的是电容输入式滤波电路。 正常工作时，系统工作电流约为 30 45保证系统正常工作，系统的供电方式主要交流 9V。为调试方便，系统也可直接由电 脑 供电。 6V 交流是经过整流桥整成脉动直流后，再经虑波电容 波成直流电，最后经由三端称压集成电路 行稳压后，稳压输出端再经过 波，输出 5V 的直流电供整个系统用电。下图为供电单元电路图： 图 3供电单元电路图 警电路设计 报警的作用是为了提醒人们对某些紧急状态或反常工作状态的注意，以便及时采取措施。报警信号通常有闪光，鸣音，语音三种类型。本设计采用压电式蜂鸣器作为报警电路设计。 压电式蜂鸣器报警电路需要 10电流才能驱动其正常工作，要产生 3右的蜂鸣声音需要它的两端加上 3直流电压。在图 3，蜂鸣器正极直接接在正 5V 电源上，所以它的驱动电压是可以达到要求的，而往往容易为我们忽略的是器件所需要的驱动电流。该模块中的 三极管正是为了保证蜂鸣器有足够的驱动电流而存在的。当初始状态下 高电平时，三极管截止，蜂鸣器不响。故需要报警时，程序对端口 零即可，可以通过延时程序实现蜂鸣器响时长短的控制。 图 3报警电路 控系统 系统的主控由单片机最小系统的电源电路、上电复位电路以及按键复位电路、时钟震