（控制理论与控制工程专业论文）港航建筑泥沙冲刷远程监控系统的研究与开发.pdf

浙z i ：大学颐七学位论炙 畸文摘要 摘要 本文所研究的课题是2 0 0 7 年度浙江省重点科研社会发展项目，也是国家近几年 重点关注的领域之一。 港航建筑的水毁多数是因为建筑物根基的泥沙冲刷所致，因此，港航建筑局部 冲刷深度的可靠监控是保证它们安全运行的基础。针对这一需求，本文研制了港航 建筑泥沙冲刷远程监控系统。这套自动监测系统通过对港航建筑局部冲刷信息进行 实时采集，传输和处理，解决了相关冲刷情况测报的问题。 本论文较为系统的分析了超声波测距原理和压力测深仪原理，并根据港航建筑 远程监控系统的要求，设计了基于对采样的数据进行分析和远程监控的泥沙冲刷监 控系统。该系统可通过g p r s 在远方的控制中心实现远程数据采集、监视和控制。它 减少了人工监控所耗费的物力和财力，同时也提高了测量精度，避免了人工读数所 引起的误差。 本文一共分为七个部分：第一部分介绍了本文的课题背景，第二部分阐述了港 航泥沙冲刷远程监控系统设计与开发的相关理论基础，第三部分论述了系统总体方 案的设计，第四部分将详细介绍系统下位机硬件部分的设计，第五部分给出整个系 统软件程序的设计，第六部分为实验结果与误差分析，最后给出总结。 关键字：超声波测距，压力测距，g p r s ，远程监控，单片机测距系统 浙江大学顾七学 _ 奇：论文 英文摘要 a b s t r a c t t h ep r o j e c td i s c u s s e di nt h i sa r t i c l ei so n eo ft h ep r o v i n c i a lk e yp r o j e c t so fs c i e n c er e s e a r c ha n d s o c i a ld e v e l o p m e n ti n2 0 0 7a n di sa l s oo n eo ft h ep r o j e c t so u rg o v e r n m e n th a sb e e np a y i n gm u c h a t t e n t i o nt oi nr e c e n ty e a r s t h ed e s t r u c t i o no ft h eh a r b o ra r c h i t e c t u r ei sm a i n l yc a u s e db yt h el o c a ls c o u ra ti t sg r o u n d w o r k ， s ot h er e l i a b l em o n i t o r i n gi st h ef o u n d a t i o nt og u a r a n t e ei t ss a f er u n a i m e da tt h i sn e e d s t h i sp a p e r d e s i g n st h er e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e mf o rs e d i m e n te r o s i o no fh a r b o ra r c h i t e c t u r e b y m e a n so fr e a l t i m ec o l l e c t i o n ，t r a n s m i s s i o na n d a n a l y s i s o ft h ed a t ao fl o c a ls c o u ro fh a r b o r a r c h i t e c t u r e ，t h ea u t o m a t i cm o n i t o rs y s t e ms o l v e dt h ep r o b l e mo fs c o u rm o n i t o r i n g i nt h i sp a p e r , s y s t e m a t i ca n a l y s i so ft h ep r i n c i p l eo fu l t r a s o n i ct e l e m e t e ra n dp r e s s e dw a t e r - d e p t h m e t e r sa r ep r e s e n t e d b a s e do nt h e r e q u i r e m e n t so fr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mf o r t h eh a r b o r a r c h i t e c t u r es a f e t y , t h er e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l s y s t e mb a s e do na n a l y z i n ga n dr e m o t e m o n i t o r i n gt h es a m p l e dd a t ai sd e s i g n e d t h es y s t e mc a nc o l l e c t ，m o n i t o rd a t aa n dp e r f o r mc o n t r o l t h r o u g hr e m o t ec o n t r o lc e n t e rb a s e do ng p r s i td e c r e a s e st h ec o s t ，i n c r e a s e st h em e a s u r i n ga c c u r a c y a n da v o i d st h ed e f l e c t i o no fr e a d i n gd a t ac o m p a r i n gt ot h ea r t i f i c i a lm e a n s ， t h i sp a p e ri n c l u d e ss e v e nc h a p t e r s i nt h ef i r s tc h a p t e r t h er e l e v a n tb a c k g r o u n do ft h i sp r o j e c ti s p r e s e n t e d c h a p t e r2i n t r o d u c e st h eb a s i ct h e o r yo ft h er e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e mf o r s e d i m e n te r o s i o no fh a r b o ra r c h i t e c t u r e t h ed e s i g no fw h o l ec o m p u t e rs y s t e mw i l lb ed e t a i l e di n c h a p t e r3 c h a p t e r4i n t r o d u c e st h ed e s i g no fl o w e rc o m p u t e r sh a r d w a r ei nd e t a i l t h ed e s i g no ft h e w h o l es y s t e m ss o f t w a r ei si n t r o d u c e di nc h a p t e r5 c h a p t e r6i n c l u d e sr e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t sa n d a n a l y s i so fe r r o r s a tl a s t ，ac o n c l u s i o na b o u tt h ep r o j e c tw i l lb ep r e s e n t e d k e yw o r d s ：u l t r a s o n i ct e l e m e t e r ，p r e s s e dw a t e r - d e p t hm e t e r ，g p r s ，r e m o t em o n i t o r i n g ， m i c r o c h i pm e a s u r es y s t e m i l 浙江大学硕十学位论文第一章绪论 1 1 研究目的和意义 第一章绪论 依靠科技进步开发海洋资源、争取海洋空间，很多情况下需要海洋工程来实现。 开发海洋油气资源，必须建设海洋平台，并埋设输油、输气管道；发展信息产业， 须在海底埋设通信光缆；岛屿输水与供电，必须在海底埋设输水管道和电缆；发展 远洋运输，必须建设深水港口；完善陆一岛高速公路运输体系，必须建设跨海大桥 等等。特别是最近几十年，中国的桥梁和各种深水港口建筑物的数量以呈惊人的速 度在发展。这些港航建筑物因处于复杂的海洋环境中，建筑物周围的泥沙冲刷常常 导致港航建筑物变形甚至毁坏，是海洋工程面临的关键技术难题。 水毁一直是各国港航建筑物，特别是桥梁所面临的最大自然灾害。据统计，桥 梁的水毁是超载毁坏的6 倍，是地震毁坏的2 0 倍。桥墩泥沙冲刷破坏也有统计的历 史数据。例如：1 9 5 6 年郑州黄河老桥在一次洪峰后，7 号墩桥墩周围冲深达8 m ，向 下游倾斜5 0 r a m ；6 号墩桥墩周围冲深达1 2 4 m ，向下游歪5 5 m m ：之后又一次大洪峰致 使某n 号墩桥墩周围冲深达1 4 m ，致使该墩向下游倾倒。另外，京广线淖沱河大桥， 采用1 3 m 深的沉井修建新墩，在施工中一次洪峰将刚刚建成的巨形桥墩冲倒三个， 冲歪一个。由此可见，桥墩的泥沙冲刷是桥梁冲毁的罪魁祸首，冲刷深度的预测和 实时测量是保证它们安全运行的基础。 因此，为了保证港航建筑物的安全稳定，必须对泥沙冲刷引起足够的重视，对 港航建筑泥沙冲刷深度的可靠监控是保证它们安全运行的基础。针对这一需求，本 文研制了港航建筑泥沙冲刷远程监控系统。这套自动监测系统通过对港航建筑局部 冲刷信息进行实时采集，传输和处理，解决了相关冲刷情况测报的问题。不仅如此， 水底冲刷的实时监测资料还可为冲刷预报技术的发展提供科学的依据。因此，作为 2 0 0 7 年度浙江省重点科研社会发展项目，研究港航建筑的泥沙冲刷远程监控系统有 着重要的现实意义。 1 2 国内外研究现状和发展趋势 要实现泥沙冲刷的实时监测，必须对建筑物周围的液位数据和水深数据进行实 浙江大学硕士学位论文港航建筑泥沙冲刷远程监控系统研究与开发 时测量，并将有效数据传输到监控计算机进行各种处理。 本文水上液位数据采用超声波测量u 1 的方法，该方法通用性好，适用性强，并 采取非接触式测量，易于维护。超声波技术应用于液位测量在国际上已有较长时间， 在我国从2 0 世纪9 0 年代也开始发展。国内与国外相比，在测量精度上还有一些差距。 目前国外超声波测量液位的精度可以达至u l m m ，最小盲区可达5 - 1 0 c m ：而国内超声波 液位测量精度目前只能达至r j 2 m m ，盲区最小为3 0 c m 。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u 。j j 。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。 测量水深常用的方法有测杆测深、悬索测深、超声波测深以及压力测深。其中 测杆测深、悬索测深两种方法操作复杂，不易于进行水深的测量，因此超声波测深 和压力测深已成为目前最主要的测深手段。但是超声波测量水深要求较高，如果反 射物形状发生变化或者形状不规则或者水中出现漂浮物的遮挡，都回影响测量结果。 因此本文采用压力测深的方法。在压力测量传感器方面，国外的压力测量技术起步 较早，且投入资金雄厚，发展非常迅速，到目前为止国外许多公司都研制出许多功 能齐全、自动化智能程度高的测量体系与产品系列。美国的n o v a s e n s o r 公司与 d r e x e l b r o o k 公司以及日本、加拿大等国公司研制开发的产品在国际市场上占有很大 的比重。据统计d r e x e l b r o o k 公司至今在全世界己经有3 万多例成功的现场应用，还 有其它国家和公司研制的压力传感器等产品广泛应用于工业、食品等行业，并大量 地进入我国压力测量领域。在我国由于受到历史原因影响，液位传感器的研制开发 技术都比较落后，各个基础行业的资金投入不协调，以及一定时期的人才青黄不接 导致了相关配套领域发展迟缓，甚至于停滞不前，这使得我国的压力测量技术测量 方法远远落后于其它发达国家。测量系统的自动化程度不高、精度可靠性功能等多 方面都不如国外同类产品。 近几年来随着改革开放的不断深入，我国的经济的迅猛发展，国家也加大了这 些方面的投入，测量技术得到了全面发展和更新，使得我国的压力、超声波测量技 术发展比较迅速，我国许多科研单位及企业共同研制开发了有关压力测量方面的传 感器，这些产品在性能指标上功能上都比以前有了很大程度的提高，有望在不久的 将来达到国际先进水平。 2 浙江大学硕七学位论文第一。章绪论 1 3 课题研究中的关键技术 在本课题实施的过程中有几个需要解决的关键技术问题： ( 1 ) 精度设计。从传感器选择、测量距离算法设计、数据采集电路设计等方 面综合考虑，以达到精度要求。 ( 2 ) 低功耗设计。低功耗是进行系统设计要着重考虑的一个问题，应从硬件 电路方面和程序编写方面都要充分考虑到系统低功耗的要求。 ( 3 ) 高可靠性、稳定性设计。由于仪器要求可应用于江河湖海等水域，并可 进行长时间水位监测，仪器的可靠性稳定性就成了系统设计要考虑的一个方面。 1 4 课题主要研究内容 一个设计的完成需要考虑到成本、研发周期、精度、稳定性等各个方面的因素。 本课题研究开发的目的就是能准确测得所测水域的深度以及水位的变化，并将水位 和水域深度的变化实时的传送至远程监控上位机，从而可以完成对冲刷前后水域深 度对比，从中获得冲刷深度信息。 本论文主要有以下一些研究内容： 1 ) 研究超声波传感器、压力传感器的原理和温度补偿方法。 2 ) 研究g p r s 的原理，熟悉g p r s 模块的使用方法，应用g p r s 模块完成测量数 据的无线传输。 3 ) 研究2 3 2 总线构成和原理，分析其电气特性和机械特性，熟悉其使用方法。 4 ) 分析系统各个模块的需求和解决方法，提出可行的设计方案。 5 ) 硬件电路设计，根据系统各个模块的功能需求进行设计，硬件电路以m c u 为 核心采用模块化设计。 6 ) 上位机人机界面设计，用v i s u a lc + + 编写上位机软件，可实现数据的实时 显示、存储、查询、打印等功能。 浙f l ：大学硕七学位论文港航建筑泥沙冲刷远程监控系统研究与开发 第二章系统实现的理论基础 港航建筑泥沙冲刷远程监控系统的理论基础由超声波测距技术、压力式测深技 术和g p r s 远程数据通信技术三部分组成，下面将逐一进行介绍。 2 1 超声波理论基础 2 1 1 超声波概述 我们生活的世界充满了各种可听的声信号。在科学史上，人们很久以前对声音 信号就有了认识，声学是最早发展的学科之一。我国两千多年前的先秦时期，在乐 律和乐器的研究方面，对声学的发展作出了重要的贡献。在国外，1 9 世纪，声学已 成为具有现代意义的科学并发展到相当高的水平。然而由于超声是人耳听不到的信 号，直到1 8 世纪，人们在研究蝙蝠、海豚等动物时，才推测自然界中存在超声。人 们可听到的声音频率为2 0 h z - 2 0 k h z ，超出次频率范围的声音，即2 0 h z 以下的声音 称为低频声波，频率高于人类听觉上限频率( 约2 0 k h z ) 的声波，称为超声波，或称 超声。声波的速度越高，越与光学的某些特性如发射定律、折射定律相似。 由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向不同，声波的波形也不同。 一般有以下几种： 1 ) 纵波 质点振动方向与传播方向一致的波，称为纵波。它能在固体、液体和气体中传 播。 2 ) 横波 质点的振动方向与传播方向相垂直的波，称为横波。它只能在固体中传播。 3 ) 表面波 质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随着深度的增加而迅速 地衰减，称为表面波。表面波只在固体地表面传播。 当声波从一种介质传播到另一种介质时，在两介质的分界面上，一部分能量反 射回原介质的波称为反射波：另一部分则透过分界面，在另一介质能继续传播的波称 为折射波，如图2 - 1 所示。 4 浙江大学硕七学位论文 第二章系统实现的理论基础 入射波反射波 ， ， 口7 p y 介质1 、 、 介质2 o 图2 1 超声波的反射和折射 其反射与折射满足如下规律： 1 ) 反射定律 入射角口的正弦与反射角倪的正弦之比，等于波束之比。当入射波和反射波形 一样时，波速一样，入射角口即等于反射角口。 2 ) 折射定律 入射角口的正弦与反射角口。的正弦之比等于波速之比。当波在界面处产生折射 时，入射角口的正弦与折射角的正弦之比，等于入射波在第一介质中的波速c - 与 折射波在第二介质中的波速c z 之比，即 丽2 瓦 ( 2 1 ) 3 ) 反射系数 当声波从一种介质向另一种介质传播时，因为两种介质的密度不同和声速在其 中传播的速度不同，在分界面上声波会产生反射和折射，反射声强j ，与入射声强厶之 比，称为反射系数，反射系数厅的大小为 尺2 去篆c o s 丝口+ z 筹c o s f l j r 亿2 ， 厶l z 2。 、 式中：i 反射声强：r l 入射声强： 5 浙江大学顾十学位论文港航建筑泥沙冲刷远程监控系统研究与开发 z l 、z ：第一介质、第二介质的声阻抗： 在声波垂直入射时，甜= = 0 ，上式可化简为： 尺= 丢= 鬻 2 3 ， 厶【z 2 + z - j 、。 若声波从中传播到空气，在常温下它们的声阻抗约为z l = 1 4 4 x 1 0 6 ， z 2 = 4 x 1 0 2 ，代入上式则得r = 0 9 9 9 。这说明当声波从液体或固体传播到气体，或 相反的情况下，由于两种介质得声阻抗相差悬殊，声波几乎全部被反射降5 1 。 2 1 2 声波的衰减 声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，其衰减的程度与 声波的扩散、散射及吸收等因素有关。其声压和声强的衰减规律为 只= p o e 一 ( 2 4 ) l = i o e 屯“ ( 2 5 ) 式中：p x 、i x 距声源x 处的声压和声强； x 声波与声源间的距离； 口衰减系数，单位为n p c m ( 奈培厘米) 。 声波在介质中传播时，能量的衰减决定于声波的扩散、散射和吸收。在理想介 质中，声波的衰减仅来自于声波的扩散，即随声波传播距离增加而引起声能的减弱。 散射衰减是指超声波在介质中传播时，固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮 粒子使声波产生散射，其中一部分声能不再沿原来传播方向运动，而形成散射。散 射衰减与散射粒子的形状、尺寸、数量、介质的性质和散射粒子的性质有关。吸收 衰减足由于介质粘滞性，使超声波在介质中传播时造成质点间的内摩擦，从而使一 部分声能转换为热能，通过热传导进行热交换，导致声能的损耗。由于声波在介质 中传播时会被吸收而衰减，气体吸收最强而衰减最大，液体其次，固体吸收最小而 衰减最小，因此对于一给定强度的声波，在气体中传播的距离会明显比在液体和固 体中传播的距离短。另外声波在介质中传播时衰减的程度还与声波的频率有关，频 率越高，声波的衰减也越大，因此超声波比其他声波在传播时的衰减更明显。衰减 的大小用衰减系数口表示，其单位为d b m ，通常用1 0 q d b m m 表示。在一般探测频 6 浙江大学硕十学位论文第二章系统实现的理论基础 率上，材料的衰减系数在一到几百之间，如水及其他衰减材料口为( 1 4 ) x 1 0 3r i b r a m 。假如优为l d b m m ，则声波穿透l m m 距离时，衰减为1 0 ：穿透2 0 r a m 距 离时，衰减为9 0 【4 1 。 2 1 3 超声波传感器结构 超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强，为此， 利用超声波的这种性质就可制成超声波传感器。它是一种将其他形式的能转变为所 需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。目前常用的超 声传感器有两大类，即电声型与流体动力型。电声型主要有：1 压电传感器：2 磁致 伸缩传感器：3 静电传感器。流体动力型中包括气体与液体两种类型的哨笛。由于工 作频率与应用目的不同，超声传感器的结构形式是多种多样的，并且名称也有不同， 例如在超声检测和诊断中习惯上都把超声传感器称作探头，而工业中采用的流体动 力型传感器称为“哨”或“笛 5 - 6 。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。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。 传感器的主要组成部分是压电晶片，当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动， 即可发射声脉冲。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。前者用于超声波的发射，后者即为超声波的接收。超声波传感器一般采 用双压电陶瓷晶片制成。这种超声传感器需要的压电材料较少，价格低廉，且非常 适用于气体和液体介质中。在压电陶瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时， 根据压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向在 一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。也就是说，在压电陶瓷晶片上加 有一定频率的交流电压，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气等 媒介，便会发出超声波。如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用，这将会使其产 生机械变形，这种机械变形是与超声机械波一致的，机械变形使压电陶瓷晶片产生 浙江大学硕士学位论文港航建筑泥沙冲刷远程监控系统研究与开发 频率与超声机械波相同的电信号【7 1 。 超声波传感器的结构1 如图2 - 2 所示，它采用双晶振子，即把双压电陶瓷片相 反极化方向粘在一起，在长度方向上，一片伸长另一片则缩短。在双晶振子的面涂 敷薄膜电极，其上面用引线通过金属板( 振动板) 接到一个电极端，下面用线直接接 到另一个电极端。双晶振子为正方形，正方形的左右两边由圆弧形凸部分支撑着。 这两处的支点就成为振子振动的节点。金属板的中心有圆锥形振，发送超声波时， 圆锥形振子有较强的方向性，因而能高效率地发送超声波：接收超声波时，超声波的 振动集中于振子的中心，所以能产生高效率的高频电压。 金属壳 吸收块 保护 图2 2 压电式超声波传感器结构 2 1 4 超声传感器的主要参数及选择 导电螺杆 接线片 压电晶片 一、主要参数 1 中心频率 中心频率，即压电晶片的谐振频率。当施加于它两端的交变电压频率等于晶片 的中心频率时，输出能量最大，传感器的灵敏度最高。中心频率最高，测距越短， 而分辨力越高。常见超声波传感器的中心频率有有3 0 k h z 、4 0 k h z 、7 5 k h z 、2 0 0 k h z 、 4 0 0 k h z 等。 2 灵敏度 灵敏度的单位是分贝( d b ) ，数值为负，它主要取决于晶片材料及制造工艺。 8 浙江大学顾十学位论文第二章系统实现的理论基础 3 指向角 指向角是超声波传感器方向性的一个参数，指向角越小，方向性越强。一般为 几度至几十度。 4 工作温度 工作温度是指能使传感器正常工作的温度范围，其温度上限应远于居里点温度。 以石英晶片为例，当温度达到+ 2 9 0 时灵敏度可降低6 。一旦达到居里温度点( + 5 7 3 ) ，就完全丧失压电性能。供诊断用的超声波传感器的功率较小，工作温度不高， 在一2 0 。c + 7 0 温度范围内可以长期工作。治疗用的超声波传感器温度较高，必须 采取冷却降温措施。 二、超声传感器的选择 超声波传感器【9 也】有多种结构形式，可分成直探头( 接收纵波) 、斜探头( 接收 横波) 、表面波探头( 接收表面波) 、收发一体式探头、收发分体式双探头等。超声波 传感器分通用型、宽频带型、耐高温型、密封放水型等多种产品。一般电子市场上 出售的超声波传感器常见的有收发一体式和收发分体式两种。其中收发一体式就是 发送器和接受器为一体的传感器，即可发送超声波，又可接受超声波：收发分体式是 发送器用作发送超声波，接受器用作接受超声波。在超声波测量系统中，频率取得 太低，外界的杂音干扰较多：频率取得太高，在传播的过程中衰减较大，检测距离越 短，分辨力也变高。木文中选用的探头是4 0 k h z 的收发分体式超声传感器，由一支 发射传感器u c m t 4 0 k 1 和一支接收传感器u c m r 4 0 k 1 组成【1 3 】，其特性参数如表2 1 所示： 2 1 5 超声测距原理与方法 超声测距方法有脉冲回波法、共振法和频差法。其中脉冲回波法测距最为常用， 它主要基于超声测距回波信号的识别，多采用模拟方法，用电路来实现【1 4 】。 如图2 3 所示，其原理是超声传感器发射超声波，在空气中传播至被测物，经 反射后由超声传感器接收反射脉冲，测量出超声脉冲从发射到接收的时间，在己知 超声波声速v 的前提下，利用： s ：去玎 ( 2 6 ) 即可计算得传感器与反射点之间的距离舅测量距离： 9 浙江大学硕七学位论文港航建筑泥沙冲刷远程监控系统研究与开发 当s h 时，则d = s ，即 d = d ：三旧 2 表2 - 1传感器特性参数表 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 型号 u c m t 4 0 k1u c m r 4 0 k 1 结构开放式开放式 使用方式发射接收 中心频率4 0 1 k h z3 8 l k h z 频带宽 2 0 5 k j - i z2 0 5 i z d q z 灵敏度 l lo d b v u b a r 6 5 d b v u b a r 声压1 1 5 d b m i l 3 ( 0 d b = 0 0 2 m p a )一7 0 d b m i1 3 ( o d b = l v u b a r ) 指向角 7 5 o 8 0 o 容量 2 5 0 0 + 2 5 p f2 5 0 0 2 5 p f 最低使用温度 - 2 0o c- 2 0o c 最高使用温度 + 6 0o c + 6 0 0 c 最大输入电压 2 0 v p 一p2 0 v p p 图2 - 3 超声测距原理图 1 0 目 标 浙江大学硕七学位论文第二章系统实现的理论基础 2 1 6 系统主要参数考虑 1 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，记 为口，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a ，传 感器半径，有关。 ( 2 万旯) r s i n ( o 2 ) = 1 6 1 5( 2 9 ) 选f o = 4 0 k h z 时，彳= c i f o = 8 5 m m 。当厂。选定后，指向角臼近似与传感器半径 成反比。指向角秒愈小，空间分辨率愈高，则要求传感器半径愈大。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 产现有压电传感器片最大半径r = 6 3 m m ，故 g = 2 x a r c s i n ( 1 6 1 5 去) - 7 5 。 ( 2 1 0 ) 2 测距仪的工作频率 扫文献t 1 5 】可知，空气中超声波的衰减系数为： t z = t z a g s r , s = a f 2 + 髟4 ( 2 1 1 ) 所以，空气中超声波的衰减对频率，很敏感，要求合理选择超声波频率，一般 在4 0 k h z 左右，太高频率的超声波在空气中是无法传播开去的。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。 工作频率的确定主要基于以下几点考虑： 1 ) 如果测距的能力要求很大，声波传播损失就相对增加，由于介质对声波的吸 收与声波频率的平方成正比，为减小声波的传播损失，就必须降低工作频率。 2 ) 工作频率越高，对相同尺寸的换能器来说，传感器的方向性越尖锐，测量障 碍物复杂表面越准，而且波长短，尺寸分辨率高，“细节”容易辨识清楚，因此从测 量复杂障碍物表面和测量精度来看，工作频率要求提高。 3 ) 从传感器设计角度看，工作频率越低，传感器尺寸就越大，制造和安装就越 困难。 综上所述，本测距仪选择工作频率在4 0 k h z 。这样传感器方方向性尖锐，且避 开了噪声，提高了信噪比，虽然传播损失相对低频有所增加，但不会给发射和接收 1 1 浙江大学硕士学位论文港航建筑泥沙冲刷远程监控系统研究与开发 带来困难。 3 温度对声速的影响 声速的大小线性的决定了测距系统的测量精度。空气中传播的超声波是由机械 振动产生的纵波，由于气体具有反抗压缩和扩张的弹性模量，气体反抗压缩变化力 的作用，实现超声波在空气中传播。因此，超声波的传播速度受气体的密度、温度 及气体分子成份的影响，即： c s = 扣历 ( 2 1 2 ) 式中：c s 为超声波声速：b 为气体的弹性模量：p 为气体的密度。 气体弹性模量，由理想气体压缩特性可得： b = z p( 2 1 3 ) 式中：y 为定压热容与定容热容的比值，空气为1 4 0 ；p 为气体的压强。气体 的压强公式为t r tr t p p 2 一v2 盲 2 “) 式中：月为普适常量8 1 3 4 k g m o l ：t 为气体温度麒绝对温度) t 为气体分子量： 空气为2 8 8 x1 0 一k g m o l 。 所以： c s = 晤 ( 2 1 5 ) 由上式可知，温度对超声波在空气中的传播速度有明显的影响，其公式为： c s = 2 0 0 6 7 4 t ( m s )( 2 1 6 ) 式中：，为气体温度( 绝对温度) 。 由于该测距系统用于室内测量，且量程也不大，温度可以看作定值。在常温2 0 矿- f ，声音在空气中的传播速度可依据上式计算出为3 4 4 m s 。但当需要精确确定超 声波传播速度时，必须考虑温度的影响。 4 测量盲区 在以传感器脉冲反射方式工作的情况下，电压很高的发射电脉冲在激励传感器 的同时也进入接收部分。此时，在短时间内放大器的放大倍数会降低，甚至没有放 大作用，这种现象称为阻塞。不同的检测仪阻塞程度不一样。根据阻塞区内的缺陷 1 2 浙i i ：大学硕十学位论文第二章系统实现的理论基础 回波高度对缺陷进行定量评价会使结果偏低，有时甚至不能发现障碍物，这是需要 注意的。由于发射声脉冲自身有一定的宽度，加上放大器有阻塞问题，在靠近发射 脉冲一段时间范围内，所要求发现的缺陷往往不能被发现，这段距离，称为盲区， 具体分析如下： 当发射超声波时，发射信号虽然只维持一个极短时间，但停止施加发射信号后， 探头上还存在一定余振( 由于机械惯性作用) 。因此，在一段较长时间内，加在接收 放大器输入端的发射信号幅值仍具一定幅值高度，可以达到限幅电路的限幅电平： 另一方面，接收探头上接收到的各种反射信号却远比发射信号小，即使是离探头较 近的表面反射回来的信号，也达不到限幅电路的限幅电平。当反射面离探头愈来愈 远，接收和发射信号相隔时间愈来愈长，其幅值也愈来愈小。在超声波检测中，接 收信号的衰减总是比发射信号余振衰减慢的多。为保证一定的信噪比，接收信号幅 值需达到规定的阈值，亦即接收信号的幅值必须大于这一阈值才能使接受放大器 有输入信号。 2 2 压力式测深技术原理 2 2 1 压力式测深的依据 我们知道，液体内部的水压随着水深的增加会不断变化，其关系为： p = , o g h ( 2 1 7 ) 根据这一原理，我们就可以由液体压强来推出水深，通常用对压力敏感的器件 感应水压，由此来测量水深。最常用的敏感元件为硅单晶材料，硅单晶材料优良的 压阻效应与完美的微加工技术相结合，被广泛用于制备压力传感器 16 1 。 2 2 2 压阻式压力传感器的基本原理 压阻式压力传感器是利用半导体材料的压阻效应制成的器件。硅单晶材料在受 到外力作用产生极微小应变时，其内部原子结构的电子能级状态会发生变化，从而 导致其电阻率剧烈变化。用此材料制成的电阻也就出现极大变化，这种物理效应称 为压阻效应。利用压阻效应原理，采用集成工艺技术经过掺杂、扩散，沿单晶硅片 上的特点晶向，制成应变电阻，构成惠斯登电桥，利用硅材料的弹性力学特性，在 浙江大学硕士学位论文港航建筑泥沙冲刷远程监控系统研究与开发 同一块硅材料上进行各向异性微加工，就制成了一个集力敏与力电转换检测于一体 的扩散硅传感器。有压力作用时，膜片产生相应的弹性形变，应变电阻由于单晶硅 压阻效应使其阻值发生相应的改变，电桥失去平衡，输出电压与膜片上感受的压力 成比例，从而实现了对压力的测量。 电桥一般采用恒压源或恒流源方式供电。压力传感器等效电路如图2 4 所示， 电阻r 1 ，r 2 ，r 3 ，r 4 为电桥的四个桥臂电阻。 o u t 图2 4 压力传感器等效电路 图中扩散硅压力传感器等效电路桥电桥输出电压为： 卢u 。墨! 墨= 墨坐 ( 2 1 8 ) ( r l + r z ) ( r 3 + r 4 ) 半导体压敏电阻具有各向异性的特性，设计使电桥电阻r 1 ，r 3 具有正增量，电 阻r 2 ，r 4 具有负增量，再设计成各个桥臂电阻相等，并且变化量也相等，对上式微 分并求增量，整理后得出： 阢：竺孤 ( 2 1 9 ) 其中，r = _ _ = 二一，a r = z k r z 一! k e 2 + a r 3 一a r 4 ，得知电桥输出电压仉肼4 f r l + r 2 + r 3 + r 4 ) 与输入电压成正比关系，是恒定电压。 扩散硅压力传感器是利用半导体平面工艺在硅杯对应的表面上做成阻值相等的 四个p 型电阻连接成惠斯登电桥，利用硅材料的压阻效应，通过惠斯登电桥进行压 1 4 浙江大学硕十学位论文第二章系统实现的理论基础 电转换及测量。电桥平衡条件是相对桥臂电阻之积相等，即r i * r 3 = r 2 * r 4 ，此时电 桥输出玑= o 。而实际上四个扩散应变电阻很难做到r i * r 3 = r 2 * r 4 ，这样必然存在着 一个零点误差。另一方面，当温度变化时，由式2 1 9 可以看出，由于r 不等于零， 所以仉珊也不为零。 硅压力传感器满量程输出g 与压力为满量程时应变电阻的最大变化量r m a x 成正 比，即与扩散硅p 型电阻的压阻系数成正比，而压阻系数随温度的上升而减小，则 灵敏度必然随温度的上升而下降，引起灵敏度温度漂移。灵敏度温度系数可用下式 表示： = 然g n ( t 2 ( 2 2 。) 一丁1 1 、 式中g n 为t 1 温度下满量程输出，g r 2 为t 2 温度下满量程输出，表示温度变 化1 时满量程输出的相对变化量。灵敏度温度系数主要是由压阻系数随温度变化 而决定的【17 1 。 2 2 3 压力传感器的温度补偿方法 扩散硅压力传感器的温度补偿一般分内补偿和外补偿。内补偿通过传感器的设 计、制造工艺，封装材料、形式来减小零点和满量程的温度系数，特别是通过控制 扩散阻条的掺杂浓度，使传感器的满量程温度系数控制在0 7 5 f s 全温区，在一般 应用中做到满量程免补偿。由于内补偿有局限性，所以必须进行外补偿。外补偿的 形式多样，归纳一下大致有三种方法【l 酬： ( 1 ) 通过在测量桥路上串连或并联固定( 热敏) 电阻或其它电路网络的方法进行 补偿，数字液位变送器采用的扩散硅压力传感器就采用了这类外补偿方法，其补偿 后零点和满量程的温度系数最大为0 7 5 f s 7 0 0 c ( o 7 0 0 c ) 。这种方法简单易行， 但很明显，其补偿效果不能达到较高的要求，并且有一定的温度范围。 ( 2 ) 采用压阻式传感器专用信号调理芯片( s s c ) 。压阻式传感器专用信号调理 芯片( s s c ) 的温度补偿方法与单片机的智能多点补偿类似，通过温度传感器检测环境 温度，温度值经a d 转换作为地址指针，储存在存贮器中此地址的零点和满量程的 温度修正系数经d a 转换成模拟量，修正传感器输出信号中零点和满量程的温度漂 移。这类芯片的存贮器的类型有r o m ，e p r o m ( s c a 2 0 9 5 ) ，e e p r o m ( m a x l 4 5 7 ) 型：有片外， 浙江大学硕士学位论文港航建筑泥沙冲刷远程监控系统研究与开发 也有集成在片内( s c a 2 0 9 5 ) 的。温度传感器有的集成在片内，有的外接，还有的利用 扩散硅压力传感器桥路电阻的温度敏感性来感应温度。这种方法对传感器进行了补 偿，克服了通过单片机智能补偿带来的量化噪声和低频响，响应时间可达l m s ，缺 点是这种方法加大了电路板面积。本文所选用的传感器就是利用这一原理进行温度 补偿的。 ( 3 ) 通过单片机的智能多点补偿( 智能变送器) 。随着计算机技术的发展，变送 器内置微处理器技术变得越来越成熟，使对扩散硅压力传感器的离散性和非线性及 温度特性进行专门的补偿成为可能。这种新的补偿技术可以减小误差，每个压力芯 片在它的整个压力范围和温度范围内。由于温度对传感器输出的影响非常复杂，很 难建立起温度对传感器影响的精确数学模型，因此传感器压力非线性和温度非线性 一般通过实验给出，每隔一定温度进行压力标定测试，由此产生的数据被存储在微 处理器的存储器中作为转换曲线，实际的读数与转换曲线比较加以补偿和修正。 2 2 4 压力式水深传感器数据外部校正 压力式水深传感器一般都是以密度为1 的水为基础设计的，为了提高精度，本 系统在接收到传感器的信号时，在外部又进行了一次校正，这样得到的水深数据可 用下式表示。 d 印历= a j g + b ( 2 2 1 ) 其中d e p t h 为最终取得的水深数值，x 为直接从传感器读取的水深数值，a 称为 介质系数，其值为所测水域的水的密度的倒数，用来校正由于水域不同或温度变化 引起的水的密度变化所引起的误差，b 为微调系数，用来校正由于大气压等其它因 素所引起的误差。 2 3g p r s 通信技术基础 2 3 1g p r s 的工作原理与技术优势 g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ( 通用分组无线业务) 简称为g p r s ，它经常被 描述成”2 5 g ”，也就是说这项技术位于第二代( 2 g ) 和第三代( 3 g ) 移动通讯技术之间， 是一种以g s m ( 全球手机系统) 为基础的数据传输技术。它突破了g s m 网只能提供 电路交换的思维方式，只通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改 1 6 浙江大学硕七学位论文第二章系统实现的理论基础 造来实现分组交换，这种改造的投入相对来说并不大，但得到的用户数据速率却相 当可观【1 9 - 2 0 1 。 具体来说，构建g p r s 网络一方面需要对g s m 系统相关单元进行软件升级；另一 方面要在g s m 系统引入g p r s 业务支持结点s g s n ( s e r v i n gg p r ss u p p o r t i n gn o d e ) 、 g p r s 网关支持结点g g s n ( g a t e w a yg p r ss u p p o r tn o d e ) 、分组控制单元p c u ( p a c k e t c o n t r o lu n i t ) 等组件( 如图2 - 5 所示) 。s g s n 的主要作用是记录移动台的当前位置 信息，并且在移动台和g g s n 之间完成移动分组数据的发送和接收。g g s n 主要是起 网关作用，它可以和多种不同的数据网络连接，如i s d n 、p s p d n 和l a n 等【2 1 1 。 图2 5g p r s 网络组成 g p r s 基本工作原理是：利用分组业务传输数据时，多个用户可共享一个时隙， 一个用户亦可使用八个时隙。实际传输时，数据信息被包封到很短的分组里，每个 分组含一个报头，报头中包括分组始发地址、目标地址。来自多用户的分组可交错 传输，即按需分配传输容量，并在无分组传输时释放容量，使原来采用电路交换模 式的g s m 传输数据方式发生根本性变化，在无线资源稀缺情况下尤为重要。用户只 在发送、接收数据期间才占用资源，即多用户可共享同一无线信道，资源利用率显 著提高弘引。g p r s 用户的计费以通信的数据量为主要依据，体现了“得到多少、支 付多少”的原则。实际上，g p r s 用户的连接时问可能长达数小时，却只需支付相对 低廉的连接费用。目前，g p r s 的传输速率可提升至5 6 甚至11 5 k b p s ，意味着g p r s 用户通过便携式电脑能和i s d n 用户一样快速上网浏览，同时也使对传输速率敏感的 移动多媒体应用成为可能。当前，g p r s 还仅仅是对g s b l 的补充，不会取代g s m 网络。 g p r s 的另一方面的技术优势是接入网络的时间非常短：由于建立新的分组交换 1 7 浙江大学顾十学位论文港航建筑泥沙冲刷远程i 监控系统研究与开发 接入时间仅为1 秒( 即几乎无需为每次数据的访问建立呼叫连接) ，因而用户随时都 可与网络保持联系，做到“永远在线”。因而g p r s 可以提供快速实时连接，大幅度 提高远程监控、信用卡核对等的效率，并可使已有的e - m a i l 、网页浏览等操作更便 捷、流畅。此外g p r s 还