（机械电子工程专业论文）超声波液位远程监控系统研究.pdf

重庆大学硕士论文 中文摘要 摘要 近年来，超声波测距技术得到了越来越广泛的应用，这是主要是由于超声波 测距对被测介质不产生干扰，无污染、无泄漏、无腐蚀，同时具有安装维护简易， 可靠性高等特点。但是，现有的普通超声波测距仪一般只能对测量的距离进行简 单的数字化显示，不能把数据进行存储并进行分析。而且不能根据采样得来的数 据进行控制或不能对参数进行改变，或者存在成本较高的缺点。针对这一现状， 本论文较为系统的分析了超声波测距原理，并根据实际需要，设计了基于对采样 的数据进行分析和远程监控的超声波测距系统，该系统可通过台式机进行动画显 示和超声测距仪参数的远程设置。超声波液位远程监控系统能够在远方的控制中 心实现远程数据采集、监视和控制。它降低了人工劳动强度，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。 本文以超声波液位远程监控系统为研究对象，主要研究和探讨了以下几个方 面的内容：一、对用于检测的超声波特点进行了系统的阐述，并对超声波测距原 理中的脉冲回波法进行了分析，同时对超声波二次反射进行了分析，指出了二次 反射的意义；提出了超声波测距原理中的盲区、近限和远限的问题以及在系统为 了避免这些近限和远限所采取的措旌。二、对远程通信特点进行了深入的研究， 并针对超声波液位远程监控系统的通信特点进行分析，采用了适合该系统的电话 线路连接方式，并对它作了较为深入的研究和对它的软件设计作了洋细的介绍。 三、对于超声波频率的实现途径进行了深入的分析，并选定了适合系统的实现方 案；对超声波传播时间的测量进行了分析，并对盲区的问题进行了讨论，结合实 际情况给出了本系统的盲区；对影响超声波声速最大的温度进行了测量，根据本 实验的具体情况，选用了适合本系统的温度传感器芯片；对下位机的远程通信进 行了详细的描述，分析并给出了r s 2 3 2 电平与t t l 电平的转换电路，并结合本系 统将超声波传播时间和环境温度传送到上位机中：四、上位机将接收到数据进行 计算，根据计算地结果进行简单地动画显示，并将接收到的数据进行存储，以便 进行分析、误差校正等。 最后本文还给出了实验结果和实验数据，并对超声波测距的误差作了较为深 入的研究，对误差的产生作了较为详细的介绍并提出一些避免误差的措旌。 关键词】超声波液位调制解调器远程通信单片机测控系统 重鏖查兰堡主堡奎 蒌苎塑墨 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h et e c h n o l o g yo fu l t r a s o n i cm e a s u r i n gd i s t a n c ei sm o r ea n dm o r e w i d e l ya p p l i e d ，t h i si st h e r e a s o nt h a tt h eu l t r a s o n i cm e a s u r i n gd i s t a n c ed o e sn o td i s t u r b t h em e a s u r i n go b j e c t ，a n dd op o l u t i o n ，n od i v u l g e ，n oc o r r o s i o n ，a n da tt h es a m et i m e c a r lb es i m p l yf i x e da n da s s e r t e d b u tt h ef o r t h c o m i n gn o r m a la p p a r a t u so fu l t r a s o n i c m e a s u r i n gd i s t a n c eo n l y c a r l s i m p l yd i g i t a l l yd i s p i a ym e a s u r i n gd i s t a n c ed o e s n o t p r e s e r v ea n da n a l y s e t h ed a t a f a r t h e n n o r e ，a c c o r d i n gt ot h ed a t ai tc a nn o tc o n t r o la n d c h a n g et h ep a r a m e t e r s ，o r i t sc o s tp r i c ei sm o r eh i g h a i mt ot h ec o n d i t i o n ，t h i sp a p e r s c i e n t i f i c a l l ya n a l y s e st h ep r i n c i p a lo f t h eu l t r a s o n i cm e a s u r i n gd i s t a n c e , a n da c c o r d i n g t oa c t u a lr e q u i r e m e n t , d e v i s e su l t r a s o n i cm e a s u r i n gd i s t a n c es y s t e mw h i c hi sa i m e df o r a n a l y s i n gt h eo b t a i n e dd a t aa n dr e m o t ec o n t r o l l i n ga n ds u p e r v i s i n g t h i ss y s t e mc a n a c f i v i t i l yd i s p i a ya n dr e m o t e l yt r a n s f o r mt h ep a r a m e t e ro f t h ea p p a r a t u so fu l t r a s o n i c m e a s u r i n g d i s t a n c e t h r o u g h t h e c o m p u t e r t h eu l t r a s o n i c r e m o t em o n i t o r i n ga n d c o n t r o l i n gs y s t e mf o rl i q u i dl e v e lc a r lr e a l i z et h er e m o t ed a t a sc o l l e c t i o n ，s u p e r v i s i n g a n d c o n t r o l i n g i tl o w e r s t h ep e o p l el a b o r s t r e n g t h ，a n dr e d u c e st h ew a s t eo f t h e m a t e r i a l a n dt h ef i n a n c i a lp o w e rw h i c hi sg i v e nr i s et ob ya r t i f i c i a ls u p e r v i s i o na n dc o n t r o l ，a t t h es a m et i m e ，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 nw h i c hi s c a u s e db yt h ea r t i f i c i a lr e a d i n gd a t a t h i sp a p e rw h i c hm a k e su l t r a s o n i cr e m o t es u p e r v i s i n ga n dc o n t r o l i n gs y s t e mf o r l i q u i d l e v e la sr e s e a r c h o b j e c t ，m a i n l ys t u d i e s a n dd i s c u s s e ss e v e r a l a s p e c t s a s f o l l o w i n g ： f i r s t l y , i tn o to n l ys y s t e m a t i c a l l yd e s c r i b e st h ef e a t u r eo f t h e u l t r a s o n i cw a v ew h i c h i su s e dt oc h e c k ，a n da n a l y s et h er e v e r t e d p u l s ew a v em e t h o do ft h ep r i n c i p l e o f u l t r a s o n i cm e a s u r i n gd i s t a n c e ，b u ta l s oa n a l y s et h es e c o n dr e f l e x i o no fu l t r a s o n i c ，a n d p o i n t so u tt h es e c o n dr e f l e x f i o nm e a n i n g ；e x p l o u d st h ep r o b l e mo f b l i n dz o n e ，t h el a s t l i m i t a t i o na n dt h eo u t e r m o s tl i m i t a t i o no f t h e p r i n c i p a lo f u l t r a s o n i cm e a s u r i n gd i s t a n c e a n dt h es o l u t i o no f t h el a s ta n do u t e r m o s tl i m i t a t i o n s e c o n d l ni tt h o r o u g h l y r e s e a r c h st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h er e m o t ec o m m u n i c a t i o n ， a i m i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f u l t r a s o n i cr e m o t es u p e r v i s i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mo f l i q u i dl e v e l ，w ea d o p t st h et e l e p h o n el i n ec o n n e c t i o nm o d e w h i c h a d a p t st h es y s t e ma n d r e s e a r c h st h em o d e t h o r o u g h l y , a n dd e t a i l e d l yi n t r o d u c et h es o f t w a r ed e s i g n ； t h i r d l y , i tt h o r o u g h l ya n a l y s e st h em e t h o do fr e a l i z i n gt h eu l t r a s o n i cf r e q u e n c y , 重庆大学硕士论文 英文摘要 a n dp i c k so u tt h em e t h o dt h a ti sf i tf o rt h es y s t e m i ta n a l y s e st h em o d eo f m e a s u r i n g u l t r a s o n i cs p r e a d i n gt i m e d i s c u s s e st h ep r o b l e mo fb l i n kz o n e , a n di na c c o r d a n c ew i 1 t h ea c t u a lc o n d i t i o nc o n f i r m st h es y s t e m sb l i n kz o n e i tm e a s u r st h es u r r o u n d i n g s t e m p e r a t u r ew h i c hm o s t l ya f f e c tt h eu l t r a s o n i cw a v es p e e d ，a n di na c c o r d a n c ew i t ht h e a c t u a lc o n d i t i o n a d o p t s t h e t e m p e r a t u r e s e n s o r c h i p w h i c h a d a p t s t h e s y s t e m i t d e s c r i b e si n p a r t i c u l a r t h em c u sr e m o t e c o m m u n i c a t i o n ，a n a l y s e s a n do f f e rt h e t r a n s f o r m i n gc i r c u i to fr s 2 3 2v o l t a g ea n d1 v r lv o l t a g e a n dt r a n s m i t st h eu l t r a s o n i c t r a n s m i s s i o nt i m ea n dc o n d i t i o n a lt e m p e r a t u r et ot h e c o m p u t e r f o u t h l y , t h ec o m p u t e rc a l c u l a t e st h ea c k n o l o g i e dd a t a , a n da c c o r d i n gt oc a l c u l a t e d r e s u l t ，s i m p l ya c t i v i t i l yd i s p l a y s ，a n dc o n s e r v e st h ed a t ai no r d e r t oa n a l y s ea n d a d j u s t t h e d e f l e c t i o ne t c a tl a s t ，t h e p a p e rt h o r o u g h l yr e s e a r c h s t h ed e f l e c t i o no ft h eu l t r a s o n i cw a v e m e a s u r i n g ，a n dd e t a i l e d l yi n t r o d u c e st h ec a u s eo f t h ed e f l e c t i o n ，a tt h es a m et i m e ，b i n g s u ps o m em e a s u r e m e n tt oa v o i dt h ed e f l e c t i o n a d d i t i o n a l l y , t h ep a p e rp r o v i d et h e e x p e r i m e n t a l r e s u l ta n d e x p e r i m e n t a ld a t a k e y w o r d s ； u l t r a s o n i c ，l i q u i dl e v e l ，m o d e m ，r e m o t e c o m m u n i c a t i o n ，m c u m e a s u r i n g a n d c o n t r o l i n gs y s t e m 1 i i 重庆火学硕士论文 i 绪论 1 绪论 1 1 问题的提出及研究意义 1 1 1 问题的提出 随着远程通信技术的讯速发展，通信技术讯速进入工业控制领域，使各种设 备除了完成原来的功能以外，还能进行远程通信，使其功能更加完善，而且许多 原来无法实现自动控制的设备现在也能实现自动控制。远程监控系统的出现使人 们能够在远方实现对控制系统的监视并采集数据，避免了人们在恶劣的环境下对 设备的监视，其好处是显而易见的。现在工业控制领域广泛使用的通信技术有近 距离和远距离之分，有有线通信和无线通信之分，如：红外线技术、蓝牙技术、 调制解调器、无线数传m o d e m 、手机和g s m 、g p r g 的短消息和无线数据通信等。 液位的检测越来越受到重视，随着检测手段的提高，检测的精度要求也越来 越高。特别是对于水文检测来说，在多个地点设立一个水位检测点，可以预先估 计洪峰来临的时间，减少损失，同时可以根据往年的资料，大致估算出洪水期和 枯水期。而在石化行业、医药行业，特别是有毒易挥发性液体在装载时为了避免 液体的溢出，也要对液位进行测量。 由于远程通信非常成熟，给我们对液位进行远程监控创造了条件。 1 1 2 研究的意义 为了降低工人的劳动强度，改善工人的工作环境，节省财力、物力，避免资 源的浪费，特别是对一些具有高温、高压、低温、低压、有辐射性、毒性、易挥 发易爆等液体，就要对液位进行检测，而且液位的检测显得尤为重要。而对于这 些影响身体健康的液体，不能在现场直接进行检测，也无法人工检测，必须通过 一定的技术，将检测得到的结果送出并显示出来，以便于进行控制。对于本系统 所研究的水位，由于测量的距离比较远，而且比较分散，也可以通过这种方法迸 行多点检测，显示检测的结果，并通过显示的结果进行远程控制。 1 2 国内外研究现状 常用的液位测量方法及仪表很多，如浮力式液位计、差压式液位计、电容式 液位计、超声式液位计、光纤式液位计和激光式液位计等等。 浮子式液位传感器因其结构简单，性能稳定，工作可靠，使用及维修方便而 重庆大学硕士论文 l 绪论 被，“泛使用，但是浮子与液面直接接触，使得浮子法的可维护性差，使用寿命短。差 压法主要存在沉淀物和孝占稠液阻塞罐底或池底的引压管线，及密度变化造成的误 差，需要定期清洗，维护量较大，一般精度也不太高。压力式液位传感器采用扩 散型硅压阻传感器作为敏感元件，内含温度补偿功能，因此测量精度高，但对泥 沙含量大的水流，测量精度会受到影响。超声波液位传感器为非接触式水位测量 装置，不怕淤积、腐蚀，但价格高，精度受气候、波浪等外界因素的影响，且存 在一定的测量盲区。 下面简单介绍几个液位测量方法：以浮子式为代表的磁致伸缩液位传感器测 量液位，基于半导体传感器的差压式液位测量方法。 磁致伸缩液位传感器基于磁致伸缩和逆磁致伸缩效应。磁致伸缩效应是指磁 化使铁磁材料产生机械应变的效应。反过来，铁磁材料受到机械应力之后，其磁 化状态也会发生改变，称之为逆磁致伸缩效应。 磁致伸缩液位传感器结构如图l 所示，主要由外管、波导管、磁性浮子和测 量头组成。其中测量头内装电子部件，波导管安装在不锈钢外管内。磁性浮子 套在外管上可随液位沿波导管滑动。 咀i 璀致伸疆馥晓传葛墨铸托承t 咀 碑l 轴帖岫* m 忡。f “蜘蚶瞄啪 b 畔l - m z 仪表工作时，测量头中的脉冲发射电路不断向波导 管发射询问电流脉冲，该电流产生周向磁场并沿波导管 传播，与磁浮子形成的轴向磁场相交时矢量叠加，形成 螺旋磁场。在该磁场作用下，波导管发生磁致伸缩效应 而产生波导扭曲，该应变波以超声波速沿波导管向两端 传播，当传回测量头一端时，基于逆磁致伸缩效应，通 过回波接收线圈转换为电脉冲。 由于电流以光速传递，从发射端到磁浮子之间电流传递时阍可忽略不计，因 此只要测出发射电脉冲与返回应变脉冲之间的时间间隔，即可得到浮予距检测零 点的距离h ，实现液位检测。这个过程是连续不断的，所以，每当磁浮子随液位 移动时，新的液位就被检测出来，如下式： h = t v( 1 ) h = 三一r 矿( 2 ) 式中h 为液位；l 为罐高；t 为时差；v 为应变波传播速度。 测量头内含单片机控制系统，可以探测到同一询阊脉冲所产生的连续返回脉 冲，所以可以在同传感器上安装两个浮子，同时进行液位、界面的测量。若在 波导管底部( 罐底) 也固定个磁环，还可完成自校准功能，消除温度对波速v 的影响。如图2 所示。 重庆大学硕士论文 涮量共澉位幂弹子界面磁浮 噩谁i l 卧 ili 图2 中t t 、l 和t 。分别代( 爿垩三乏蠢 = = = 二= _ 韫n 表扭转弹性波从液位磁浮子、 ! 。i 辍证瞄硇# 鼻甜薄袖* 蛙t 礁m l i 界面磁浮子和校准磁环返回的 静，二葑二诲一二醐， 时间，则h - 2l ( 1 一t - t 3 ) ，车= 兰d 曼 ，| t h 产l ( 1 一t ：t ，) 式中h ：表f i = 蔫瓣篙蔫兰_ 示液位，h ：表示界面高度，通过 嘟“”“呐”一”砷一 t ，t 3 和t 。t 3 项，可消除温度对弹性波传播速度的影响。 由磁致伸缩传感器工作原理可知，传感器是通过测量应变脉冲传播时间来确 定液位的，从式h = tv 可知，液位测量误差h = t a v + v t 其中应变波 速v 由波导管材料的弹性模量g 和密度p 决定。对于具体的波导管来说，在 定的温度范围之内，6 - 和p 都是恒定的，因此v 可以认为是恒定的，那么液位 测量误差主要由时间量检测的误差所决定，h = v t ，时间分辨力越高，液 位测量误差越小。所以高分辨力的时间量检测是传感器实现高精度测量的关键。 要提高时间分辨力，提高计数器脉冲源的频率是有效的方法。如图3 所示， 在发射脉冲电流的同时，触发计数器开始对计数器脉冲源计数，产生的回波脉冲 经整形放大后对计数器复位，使其停止计数，则时间间隔t 为计数器的计数值n 与计数脉冲源的频率f 倒数的乘积。时间分辨力： a t = = 彤 ( 3 ) 所对应的当量距离为： 厶日= f a t = v f ( 4 ) 从( 3 ) 、( 4 ) 式可以看出，时间量检测的分辨力取决于计数器输入脉冲源频 率f ，计数器脉冲源的频率越高，单位计数脉冲所对应的当量距离越小，时间分 辨力越高。 削 1 以常用几种规范频率的时钟晶振作为计数 鬈一可 脉冲源，所对应的时间量分辨力及当量距离列 舯：= 二二二二j 卜出。可见，要使时间量检测电路给液位测量带 嚣七：二o 来的误差ah 限定在0 1 唧，那么计数源频率 i 懂i 山山u l l l l l j - f要在3 0 m h z 以上。 嘲m 一。r t 一一磁致伸缩技术应用于长度计量，已有几十 年的历史，在液位检测方面则是近十年开始的。 磁致伸缩液位传感器具有可靠性高、精度高、可以同时测量产品的液位、界面( 双 浮子) 、不用定期标定和维修、安全性好、安装容易等优点，因此在国外已广泛 应用于石油、化工、纺织、轻工、电力、医药、食品、国防等部门，特别已被广 重庆大学硕士论文1 绪论 泛用于易燃、易爆、易挥发、有腐蚀的物料液面测量。然而磁致伸缩液位传感器 进入我国较晚，目前我国处于引进国外产品进行使用、研究及国产化开发阶段。 基于半导体传感器的液位测量 测量系统示意图如下图1 和图2 所示，其中图l 是开口容器的情况，图2 是 密封容器的情况。 t 出盛 对于开口容器来说，设有一根两端开口的管子，将其中一端与开口容器的地 步相连( 或直接垂直插入) ，则管中的液位正好与容器中的液位相同。如果上端 口被密封，且在管中封入定量的空气，则管中的压力将与容器中液位的变化有 一定的函数关系。 若用一只差压传感器一边与管子上端相连，另一端与周围大气相通，该传感 器测量差压的大小，即可间接测量出容器中液位的变化。对于密封容器也有类似 的结论，只是压力传感器的另端还需通过另一根管子与密封容器中的气相相 连。 数学推导过程如下：设初始时大气压力为p o 。，环境温度为t o ，被测介质密 度为p ，管子均匀且截面积为s o ，同时管子要求与地面垂直，管内封入的空气部 分长度为b 。如液位高度0 变到h ，此时管内空气部分长度变为l 1 ，环境温度 为t l ，环境大气压力为p i ，现求液位h 与管内绝对压力p 之间的关系，g 为重力 加速度。 根据气体状态定律可 p o l o s o ：墨矗从而上：鱼堑( 5 ) t o f 1p t o 考虑到压力平衡关系有： p l + 户岵= p + k z _ 1 ) p g ( 6 将( 5 ) 带入( 6 ) 得： ：垒1 也型当地二刍型哩 ( 7 ) 式( 7 ) 反映了液位与管内绝对压力之间得关系。为了找出液位和传感器得 4 至壅盔堂堡圭笙奎 一l ! 量鱼 输入差压之间得关系，对式( 7 ) 进行变换可得： t o ( p p i ) 2 + ( 。t o p g + p 1 气一h t o p g x p p 1 ) + ( 。p 1 t o p g 一物l f o p g l c p o t l p g ) = 0 令a p = p p l ，并求解上面得方程得： 血：二皇丝二堡 ( 8 ) 。 2 厶 其中，b = k t o p g + p l t o h t 0 9 9 ，c ：l o p t t o p g - h p l t o p g h p i t o p g 。 对于密封容器液位测量，也可通过上式( 8 ) 描述。 图3 给出了不同温度下液位h 与差压p 之间的关系，其中假定环境压力不 变。从图3 可以看出，在一定环境温度和环境压力下，差压p 与液位h 之间基 本成线性关系，且随环境温度得的升高曲线上移。 图4 给出了压力p l 取不同值时液位h 与差压p 之间的关系，其中假定环境 温度不变。从图4 可以看出，随着压力p 。的升高，曲线下移。 用半导体压力传感器测量液位的方法具有测量精度高、成本低、使用方便及 信号便于远传等优点，而且它既适用于密封容器的液位测量，也适用于开口容器 中的液位测量。从工作原理上来说，该方法与差压式液位计较为接近，所不同的 是它采用的测量元件不同，而且传感器不与被测介质接触，这正好适合采用半导 体传感器。 注意事项 为了保证压力传感器的长期稳定性，要求传感器的实际位置高于被测介质 的最高液位，同时也不能有有害气体进入传感器。 如果传感器离测量仪表近，则可采用四线制接线，如果传感器离测量仪表 远，则必须 采用六线制接线，即用电压区馈来消除由于供电电压不稳所带来的测量误 差，典型的方法是比率测量。 由于环境温度、环境压力和介质密度等对测量都有一定的影响，因此，在 有些场合，为了保证定的测量精度，还需对测量结果进行补偿。 另外，还有光纤式、激光式液位测量方法，在此不做介绍。超声波液位测量 方法将在下一章重点介绍。 1 3 本文研究目的和内容 1 3 1 本文的研究目的 重庆大学硕士论文 l 绪论 随着技术的进步，人们对水位的测量精度要求也越来越高。人们不仅仅局限 于对水位进行数字显示，丽是要求动态直观显示出某一点的水位，对于水位的变 化也要实时地显示出来。而且还要根据已测得得数据，总结出一定得规律，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。特别是一些不便于人工直接检测地地方。特别是对于多点控制下水位测量显 得尤为重要。 为了满足上述要求，我们对水位进行了远程监控，同时，在台式计算机中将传 送的数据进行实时动态显示，实现了远程通信技术、v b 动画显示技术超声波测 量以及超声波二次反射技术有机结合，使系统的功能更趋完善。 1 3 2 本文的研究内容 远程通信技术调制解调器在超声波液位测量系统中的应用。 超声波液位的原理及其测量结果的误差处理 通超声波二次反射原理及其在液位测量系统中的意义 计算机通信技术上位机采用v b 的d s c o m m 控件进行m o d e m 控制，并通过p s t n 同下位机进行数据传输 1 4 超声波液位远程监控系统的组成 整个系统由上位机、m o d e m 、下位机、超声波传感器部分组成，如下图1 。 下位机与m o d e m 之间，以及上位机与m o d e m 之间都使用r s 2 3 2 接口连接。在 系统中，下位机负责从采集超声波发送接收所需时间以及环境温度，并将其存放 在e 2 p r o m 中，同时负责m o d e m 拨号、连接、传送、挂断等功能，将采集得到 的数据送入上位机。上位机在接收到下位机传送的数据后经温度补偿、误差等计 算处理后，在其界面上实现实时的显示，并可以通过修改参数实现控制。 本文研究的超声波液位远程监控系统由液位控制和显示系统( 由计算机和上 网设备组成) 、超声波液位测量系统两部分组成。超声波液位测量系统主要是采 集超声波在空气中传播的时间，同时还测量对超声波速度影响最大的环境温度。 并将上述两个参数通过m o d e m 送入台式计算机。控制和显示程序则将接收到的 时间经过处理，通过温度补偿和误差补偿，在v b 生成的界面上进行动画显示。 下位机系统原理图如下图2 所示。 重庆大学硕士论文l 绪论 图1 系统结构图 图2 下位机硬件系统原理结构框图 7 重庆大学硕士论文 2 超声波测距原理及远程通信 2 超声波测距原理及远程通信 近年来，超声波测距技术得到了越来越广泛的应用，这是主要是由于超声波 测距对被测介质不产生干扰，无污染、无泄漏、无腐蚀，同时具有安装维护简易， 可靠性高等特点。但是，现有的普通超声波测距仪一般只能对获取的信号进行简 单的数字化显示，不能把数据进行存储并进行分析。而且不能根据采样得来的数 据进行控制或不能对参数进行改变，或者存在成本较高的缺点。我们针对这现 状，设计了基于对采样的数据进行分析和远程监控的超声波测距系统，该系统可 通过台式机进行动画显示和超声测距仪参数的远程设置。因此，必须对超声波、 超声波测距原理和远程通信的概念有一定的了解。在本章中，对超声波、超声波 测距原理以及远程通信进行详细的介绍。 2 。1 超声波测距原理及其相关概念 超过入耳能听到的物体振动的声音的频率范围的声波叫超声波。按超声振动 辐射大小不同大致可分为：用超声波使物体或物性变化的功率应用，称为功率超 声；用超声波得到若干信息，获得通信应用，称为检测超声( 利用其来采集信号) 。 在本实验中，我们通过超声波检测液位，所以属于检测超声。要使用超声波检测 液位，首先要对超声波进行一定的了解。下面对检测超声中的概念进行介绍。 2 1 1 超声检测声物理特性 超声检测中的声物理特性主要有：应电压或暂态特性、超声波的反射和折射、 超声的吸收、换能器的辐射方向特性、超声场及其特性、圆片中心轴线上的声压 特性。 应电压或暂态特性：它是讨论换能器在己知电脉冲激励下，在负载中产生的 超声波脉冲响应特性。压电陶瓷片在电场不连续处将产生应力，形成扰动源形 成表面做双面辐射。当在压电片上加一个电脉冲时，压电片两个表面昌盛4 个声 脉冲，两个脉冲是晶片表面向外辐射，两个是从表面向晶片内辐射。向内辐射的 脉冲经反射和透射后，产生有周期的脉冲序列。压电晶片发射的超声场 超声波分布的空间称为超声场。压电晶片在高频电场作用下产生振动，如在 压电晶片和工件之间通过耦合，工件表面产生振动并向工件材料内传播超声波。 由圆形平面压电晶片发射的超声场有以下特点：定向发射，有主瓣和副瓣之分： 大部分能量集中在主瓣内；靠近声源( 压电晶片) 的区域声压分布不规则，在远 离声源一定距离后，声压有规律地随距离增大而下降。 重庆大学硕士论文 2 超声波测距原理及远程通信 描述声场的特征量有声压、声强、介质的特性阻抗等。 声压：超声场中某一点在某一时刻的具有的医力p 与及没超声存在时的静压 力p 之差称为声压p ，单位为帕p a ，p 的表示式为： p = p c 蝣。c o s ( c o t 一爷1 = p e v 式中p 为介质密度，c 为介质中的声速，li i 1 为介质质点振动唯一的振幅，v 为 介质质点振动的速度，。为振动的角频率，。= 2 nf 从中知道声压的幅值p 。与声速c 和振动频率。成正比。 声强：超声波的声强i ，是指在垂直于行进波的传播方向上每平方厘米每秒 所传送的能量即： f s t e 为能量，s 为面积，t 为时间。进一步可导出： ，= 三胪国2 厶= 圭= ；譬 从声强的公式可知，声强与质点振动唯一振幅的平方成正比，与质点振动的 角频率平方成正比，也与质点振动振速振幅的平方成正比或与声压振幅的平方成 正比。 若。相同，频率越高，其声强易达到大于人耳可听到的强度。 特性阻抗( 声阻抗率) ：pc 的乘积称为介质的特性阻抗。由声压公式可知， 在相同的声压下，pc 与质点振动速度成反比，9c 越大，v 越小，反之亦然。 因此pc 反映介质的声学性质，它是超声场中重要的物理量之一。如果相邻的两 种介质声阻抗率不同，在这两种介质中超声波传播的情况就不同，超声波入射这 两种介质交界面( 界面) 时，就会引起反射、透射等现象。 反射和折射：一平面声波，传播到两种特性阻抗不同的介质的平面分界面上 时，一部分声波被反射，一部分被折射到相邻的介质内，可求得反射系数： r ：c o s o 1 c 。o s 0 2 - ，p 2 c 。2 p 、1 c l c o s 0 2 c o s o l + p 2 。2i p l c l 透射系数 超声波的束射特性：由于超声波的波长短，超声波射线可以和光线一样，能 够反射、折射，也能聚焦，而且遵守几何光学上的定律。即超声波射线从一种 物质表面反射时，入射角等于反射角，当射线透过一种物质进入另一种密度不同 的物质时就会产生折射，也就是要改变它的传插方向，两种物质的密度差别愈大 则折射也愈大。 重庆大学硕士论文 2 超声波测距原理及远程通信 t ：! 鱼型旦刍! ! ! 璺 c o s 幺+ 户2 c 2 n c i 式中o l 为入射角，82 为折射角，p l 。l 和p2 c 2 为两介质特性阻抗。0 1 ，02 与c i ，c 2 满足折射定律得关系式s i n o 1 s i no2 = c l c 2 。 当超声波垂直入射到界面上时，0i = 02 = 0 ，则： r ：! 二旦鱼! 旦鱼 1 1 + p 2 c 2 岛q r ：! 鱼垒! 旦刍 1 + 见c 2 p l q 通过上面的式子，我们可以知道： 当两者的声阻抗率相同时，不产生反射汲，可以视为全透射： 当两者基本相同时，则可认为基本上不产生反射波； 当透射系数大于反射系数时，超声波由声阻抗率高的介质射向声阻抗率 低的介质，反射声压与入射声压符号相反，表示声波相位产生变化，且 透射声压大于反射声压。 当反射系数大于透射系数时，超声波由声阻抗率低的介质射向声阻抗率 高的介质，反射声压与入射声压符号相同，表示声波相位不变，反射声 压大于透射声压。 如果s i n 0 1 ，c l c z ，入射波完全被反射，在相邻介质中没有折射波。如果声波 斜入射到两固体介质面或两粘滞弹性介质面时，一列斜入射得纵波不仅产生反射 纵波和折射纵波，而且也产生反射得横波和折射得横波。 当入射声波透过界面传入介质中，又经介质反射返回原介质时，返回声压与 入射声压之比称为声压往复透过率。可表示为： z 2 再4 p 丽l c l p 2 c 2 式中d ，声压往复透射率； pc 一介质的声阻抗率； 声场指向性：使声源与工件材料接触，将声波传给工件材料时，超声波的声 压集中于一个方向发射，这一特性为声场指向性。声场指向性常用表示指向性尖 锐程度的角表示。 有线晶片尺寸的平面声源发射的超声波束以一定的角度向外扩散。在声束横 截面上，中心轴线上的声压最大，随扩散角增大两减小，当声压减小到零时的参。 散角称为第一零辐射角( 也称半扩散角) ，常用0 。表示，有下列关系： 1 0 重庆大学硕士论文 2 超声波测距原理及远程通信 岛= a r c s i n ( 1 2 2 告j 式中 波长；d 压电晶片直径。 圆晶片oo 7 0 d ( o ) 从式中可以看出： 1 声波频率越高，波长越短，半扩散角 越小，声场指向性越好； 2 压电晶片尺寸越大，半扩散角越小， 声场指向性越好。 右图为圆片超声波换能器的指向性： 魂 科 鲋 畛 声束中。0 轴线上的声压分布规律为 撂羚接辘 嘲獠商挺 一叫舻+ 等一s ) 式中卜声场中某处的声压；n 圆周率： p o 压电晶片发射的声压； 波长； p 一压电晶片直径； 卜计算声压处距压电晶片的距离 超声波衰减：超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、散射及吸收有关。 超声波在一种介质中传播，其声压和声强按指数函数规律衰减。在平面波的 情况下，距离声源x 处的声压p 和声强i 的衰减规律如下： p = p o e 一“ i = 厶p 4 “ 式中 p o ，i o _ 一距离声源x = o 处的声压和声强； x 超声波与声源间的距离； a 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。散射衰减是固体介质中的颗粒界面或流体介质 f 舶悬浮粒子使声波散 射。吸收衰减是由介质的导热性、粘滞性及弹性滞后造成的，介质吸收声能并转 换成热能。 气体对超声能量的吸收是由于粘滞效应和热传导。然而，分子平动、转动、 和振动能量间达到平衡的迟后对超声能量的吸收也是重要作用。声能的吸收随着 重庆大学硕士论文 2 超声波测距原理及远程通信 频率升高而迅速增大。 在固体中，超声波的吸收可以归因为晶格的不完整性、铁磁和铁电性能、电 子光予的相互作用、热效应、晶粒边界损失，热弹性弛豫、声电效应以及核磁共 振。 超声波在水中可以比在空气或固体中以更高的频率传得更远。超声波在液体 中的衰减和吸收是比较低的。声能的吸收可以起因于水结构不均匀性所引起的散 射效应。 超声波传播速度：由于声波在截止重施力方向与波在介质中传播方向不同， 声波的波形也不同，当质点振动方向与传播方向一致的波，称为纵波，在气体和 液体中没有横波，只能传播纵波。超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有 关也与环境条件有关。 对于液体及气体，其传播速度c 为： c - 仔云 式中p 介质的密度( 千克米3 ) b 体积弹性模量系数( e e 顿，米2 ) p 绝热压缩系数 特别的，在空气中超声波传播速度与温度有关，在空气中的传播速度c 为： c ：3 3 1 4 、瓜了万西 式中卜环境温度 液体的声速一般在9 0 0 1 9 0 0 m s 之间。水的体积弹性模量b = 2 1 1 0 9 牛顿 米2 ，水的密度p = 9 9 8 千克米3 ( 温度为2 0 。c ) 时，其速度为c = 1 4 8 0 米秒。 水的声速随温度的升高而增加，到7 5 。c 8 5 c 时最大，蒸馏水的实验声速公式为： c = 1 5 5 7 0 0 2 4 5 ( 7 4 一，1 2 式中t - 一水温 对于固体，其传播速度c 为： c 一拦编 式中e 固体的弹性模量； u 泊松比； 重庆大学硕士论文 2 超声波测距原理及远程通信 2 1 2 超声波换能器 超声波换能器，又称为超声波传感器或超声波探测器，是利用超声波在超声 场中的物理特性和各种效应而研制的装置。其实质上是一种可逆的换能器，将电 振荡的能量转变为机械振荡，形成超声波：或者由超声波能量转变为电振荡。 一般压电式超声波换能器有两个共振频率：低频共振频率叫串联共振频率 ( c ) ，此时阻耗( r ) 最小，用于发送超声波；商频的共振频率称为逆共振频率 ( f a ) ，主要是产生共振，用于接收超声波。而在串联共振频率( 丘) 处发送灵敏 度最高，在逆共振频率( f a ) 处接收灵敏度最高。所以选用一对超声波换能器， 使其效率最高。 超声波传感器产生振荡的方法很多，主要有以下几种：1 由外部电路产生振 荡，如n e 5 5 5 低频振荡器调制4 0 k h z 的高频信号高频信号通过超声波传感器 以声能形式辐射出去；2 采用单片机内部的定时器或直接使用程序产生固定的脉 冲，通过放大处理后经电感线圈驱动发送超声波传感器振荡；3 使用工业用小功 率超声波收发控制集成电路l m l 8 1 2 驱动发送超声波传感器振荡。 2 1 3 超声波测距原理 超声波液位测量方法很多，如脉冲回波法、共振法、频差法以及声衰减法等。 其中应用最广泛的是脉冲回波法。 根据声学原理，当声波从一种介质向另一种介质传播时，在两种密度不同， 声速不同的介质分界面上，传播方向会发生改变，一部分被反射，另一部分折射 入相邻介质内，其反射率为： r ：! ! ! 鱼! 竺! 垦二鱼垒! 鱼! ! c o s 岛e o s o , + p 2 c 2 n c l 由上式知，当声波从气体传播到液体或固体时，或在相反的情况下，由于两 种介质的密度相差悬殊，故r 近似等于1 。 利用这一特性，在被测介质上方安装一个超声波换能器，通过单片机控制超 声波换能器的发送和接收可以获得超声波在空气中传播的时间，利用这一时间可 求出液位的高度。 脉冲回波法就是基于上述理论形成的。它的基本原理是：超声波换能器由脉 冲信号激励发出超声波，声波在介质中传播到达液面时，经液面反射形成反射波， 反射波再经介质传播返回到抉能器，换能器把声信号转换成电信号。由二次仪表 测出超声波传播速度和换能器的安装高度，就可计算液位高度。从下图可看出， 其