（检测技术与自动化装置专业论文）基于超声波的水泥生料料位检测系统的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 根据水泥厂目前采用传统方法检测水泥生料料位存在的一些缺陷，本文介绍 了基于超声波的水泥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，无须调试，工作稳定可靠。弥补了传统测量方 法存在的问题，实现一种新型的且国内唯一的对工厂产品物料位置的测距方法。 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的超声测距系统。文中通过 对超声材料性能的深入研究和讨论，提出了此基础上找出大距离超声波测距的理 论依据。 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。根据水泥生料料位测量 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 和液晶显示模块。发射电路包括数字功率放大器、超声发射探头；接收电路包括 超声接收探头、回波放大滤波电路、比较电路；单片机采用a t 8 9 c 5 1 芯片和8 2 液晶显示电路。为了保证测量精度，还采用数字温度传感器d s l 8 2 0 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。 最后对测距系统进行验证。各主要波形及技术指标均达到设计要求。该系 统对室内有限范围的距离测量具有较高的精度和可靠性，最后文中分析了误差产 生的原因及如何对系统进行完善。 关键词：超声波，测距，料位，单片机，温度传感器 堕堡望三盔堂堕主兰垡堕室 a b s t r a c t a tp r e s e n t , t h ec e m e n tp l a n t sa d o p tt r a d i t i o n a lm e t h o dt od e t e c tt h ec e m e n tc r u d e m a t e r i a lp o s i t i o na n dt h e r ea r es o m ef l a w s t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h ec e m e n tc r u d e m a t e r i a lp o s i t i o nd e t e c t i n gs y s t e mb a s e do nt h eu l t r a s o n i cw a v e t h es t r u c t u r eo f s y s t e mi ss i m p l e a n di t sp e r f o r m a n c ei sr e l i a b l e t h es y s t e mi sa l s op r o v i d e dw i t h c o n v e n i e n ti n s t a l l a t i o n h i g hm e a s u r ea c c u r a c y i ti se a s yt or e a l i z et h ee l e c t r i cc i r c u i t w h i c hh a sn ou s ef o rd e b u g g i n g ，a n di t sw o r ks t a t ei ss t a b l ea n dr e l i a b l e i tr e a l i z e sa n e wk i n do fm e t h o dw h i c hi sa l s oo n l ya th o m ea n dm a k e su pt h el a c ko ft r a d i t i o n a l m e t h o d t h es y s t e mc o n t r o l su l t r a s o n i cl a u n c hi nt u r nb ys i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r , a n dr e a d st h et i m ed i f i e r e n c eo f l a u n c h i n gu l t r a s o n i cw a v ea n dr e c e i v i n gt h ee c h ob y s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e rr e c o r d s ，t h e nc a l c u l a t e st h es u r v e yd i s t a n c e w ed i s c o v e r t h et h e o r yb a s i so fg r e a td i s t a n c eu l t r a s o n i cm e a s u r es y s t e mb a s e do no u rf u r t h e r s t u d yu po nt h es u p e r s o n i cm a t e r i a lp e r f o r m a c e i nt h i sa r t i c l ew ei n t r o d u c et h eb a s i cp r i n c i p l eo fs u p e r s o n i cm e a s u r ed i s t a n c e ， a n da n a l y z et h es t r u c t u r ea n d 丹e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i co fs u p e r s o n i cs e n s o r t h e s y s t e mt a k e st h es u p e r s o n i cp r o p a g a t i o nv e l o c i t yi nt h e a i ra st h ed e t e r m i n a t e c o n d i t i o na n dm a k eh s eo fd i f l u s er e f l e c t i o np r i n c i p l e t h el a u n c h e rs e n d so u tt h e s u p e r s o n i cp u l s er e f l e c t e da n dr e c e i v e db yr e c e i v e ra f t e ra r r i v i n gt h em a t e r i a i p o s i t i o n a c c o r d i n gt ot h er o u n d t r i pt i m eo fs o u n dw a v e i tc a nc a l c u l a t et h em a t e r i a l d i s t a n c eo nc o n d i t i o nt h a ts o n i cs p e e di sk n o w n i nt h i sp a d e rs o m em a i np a r a m e t e r s o fm e a s u r es y s t e mh a v ea l s ob e e nd i s c u s s e d ，f u r t h e rp r o v i d et h er e l i a b l eg i s tf o r m e a s r i n gg r e a td i s t a n c e t h es y s t e mo v e r a l lc o n s t i t u t i o nh a sb e e np u tf o r w a r do nt h ep r i n c i p l eo f s u p e r s o n i cm e a s u r ed i s t a n c e a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ec e m e n tc r u d e m a t e r i a lp o s i t i o n ，w eh a v ed e s i g n e df o u rb i gm o d u l e s ，n a m e l yt h el a u n c hm o d u l e ，t h e r e c e i v i n ga n dm a g n i f n n gm o d u l e ，s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e rc o n t r o lm o d u l ea n d t h el i q u i dc r y s t a ld i s p l a ym o d u l e t h et r a n s m i s s i o nc i r c u i ti n c l u d e st h en u m e r a lp o w e r a m p l i f i e r , t h es u p e r s o n i c l a u n c hp r o b e ；t h e r e c e i v i n gc i r c u i t i sc o n s t i t u t e do f s u p e r s o n i cr e c e i v i n gp r o b e ，t h ee c h oe n l a r g e m e n tf i l t e rc i r c u i ta n dt h ec o m p a r e c i r c u i t ；s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e ra d o p t st h ep l t 8 9 c 5 1c h i pa n d8 x 2l i q u i dc r y s t a l d i s p l a yc i r c u i t i no r d e rt og u a r a n t e et h em e a s u r ea c c u r a c y , w ea l s ou s ed s l8 2 0d i g i t a l t e m p e r a t u r es e n s o rt or e a l i z et e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i n g t h es y s t e mh a s m a d e f u l lu s eo fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e a c c o r d i n gt ot h em e t h o d a n dt h er e q u e s to ft h es y s t e ms u r v e y , w ed e s i g nt h ep r o g r a mf o rt h es y s t e m f r o mt h e t r i g g e rp i pp r o d u c t i o n t ot h ed i s c o n t i n u o u sr e c e i v e ，f r o mc o l l e c t i n gd a t aa n d p r o c e s s i n gt h e m t od e m o n s t r a t e ，t h e ya r ea l lr e a l i z e du n d e rt h es o f t w a r ep r o g r a m i i 武汉理工大学硕士学位论文 l a s t l yw eh a v ev a l i d a t e dt h em e a s u r ed i s t a n c es y s t e m e a c hm a i nw a v ea n d t e c h n i c a li n d e xb o t hm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s t h em e a s u r es y s t e mh a sh i g h p r e c i s i o na n dr e l i a b i l i t yt ot h ei i m i t e ds c o p ed i s t a n c ei nt h er o o m t h e na n a l y z et h e o r i g i no f e r r o ra n dh o w t op e r f e c tt h es y s t e m k e vw o r d s ：u l t r a s o n i cw a v e ，m e a s u r ed i s t a n c e m a t e r i a lp o s i t i o n s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ，t e m p e r a t u r es e n s o r i i i 此页菪属实，请申请人及导师签名。 独创性声明 奉人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特刊加以标注和致谢 豹地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书两使 用过豹材料。与我一民工作的弱志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：砸建纽。日期型：生垡 关于论文使雕授权的说弱 本人完全了解武汉理工大学有关保窝、使磊学位论文鹊规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全都内容，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名趣建i 象、导师签名：壅超 注：请将此声明装订在论文的目录前。 7 已强卿6 。喝 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景 第1 章绪论 本课题的研究是为了解决水泥生料料仓物位的测量和显示。水泥厂水泥生料 是水泥生产的主要原料，水泥生料加入一定量的配料及催化剂，进入烧结窑炉烧 结成为标号品质不同的水泥。水泥厂的物位测量是水泥生产线自动化系统一个重 要组成部分，在水泥行业中，料位计主要是用于各种仓物料位置的测量，储存物料 的多少将直接影响到企业生产进度和生产安全，在生产管理中，料位监测是重要且 不容忽视的环节。一般的水泥料仓可以容纳4 0 6 0 吨的生料，有15 0 多米的高 度，又由于水泥生料具有化学性，腐蚀性，对人身的健康有很大的危害性，安全 问题等因素，对料位的测量一直是个难点。 水泥行业应用较多的料位计有重锤式料位计、音叉式料位计、电容式料位计、 超声波料位计、浮球式料位计等。重锤式料位计属接触式计量方式，但重锤及其 链带易被水泥或生料粉粘裹，且受粉料冲刷，从而造成断带、掉锤头等故障，影 响下道工序的安全生产；浮球式料位计时间长了容易被腐蚀，影响测量精度。 工业过程控制系统的各种储罐、料仓检测中常用的超声波料位计，在常压，被测 物料对超声波吸收较小，工作环境温度不太高的_ _ l 二况条件下应用的不少，但是， 在储罐、料仓内有压力被测物料对超声波具有强吸收、高衰减( 如水泥等) 的 工况条件下工作的超声波料位仪尚未见到应用。因此，研制能对水泥物料进行测 量的安全、准确、大量程超声波物位仪器已成为急需。针对这一状况，通过研究， 尝试着采用超声测距原理设计出测量系统来完成对水泥生料料位的测量。 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。 但是，有的电路复杂，技术难度大，有的调试困难，有的元件不易购买。本文 介绍的电路，成本低廉，性能可靠，所用元件易购，并且利用测距原理，结合单片机 武汉理工大学硕士学位论文 的数据处理，使测量精度提高，电路实现容易，无须调试，工作稳定可靠。 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。特别是对于具有腐蚀原料如：水泥，石灰 等物位的测量显得尤为重要。 为了满足上述要求，可以对物位进行实时检测，同时，对变化的数据进行实 时动态显示，实现超声波测量以及超声波反射技术有机结合，将检测得到的结果 进出并显示出来，以便于进行控制。使系统的功能更趋完善。弥补了传统方法测 量水泥料位存在的一些缺点。 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，设计和工艺人员理应了解：非均的组织结 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t 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，得列了突飞猛进的发展。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，客观的需要毕竞是一种专业可以发展的最大动力l 。 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 武汉理工大学硕士学位论文 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1 9 5 6 年p l 。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、f t 、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p o l a r o i d 、m a s s a ，德国的s i m e n s ， 法国的r o b o s o f t 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。e l 本东京大学的s a s a k i 和t a k a n o 研制了一种由步进电机带动可在9 0 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1 5 2 0 0 m m ，分辨率为0i m m 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1 4 】。 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。 通常频段超声波传输不受烟雾、粉尘的影响。超声测距仪的测量距离和精度 能满足一般工程上的需要，且具有成本低、使用方便等优点，已广泛地使用于工 矿、水文等领域的定向测距。目前国内外对距离的测量，所采用的大多为电容式、 电感式、电阻式等传感器。这些传感器对距离的测量，一般涉及到对转速、电信 号频率测量，来间接得出所需的物位值。这些测距方式是复杂、烦琐的。要考虑 许多细节操作问题，并在对物位值的转换过程中，参数的取值与经验理论有较大 的联系，这样对最终结果造成一定的误差，得不出一个精确值。 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、 武汉理工大学硕士学位论文 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 仪向仪作用距离较近，如10 米左右。据报道在国内超声测距最大距离可以达到 6 0 m ，国外可以达到1 2 6 m 。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耦合，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。派 繁荣景象。 1 3 超声测距优点 物位是水泥工业生产过程的主要测量参数之一，和其他行业不同，在水泥：i ： 业中主要是固体物料的物位测量，液位测量则很少。固体物料种类繁多，有块料、 颗粒状、粉料，这些物料的介电常数、容重、温度、水分含量也各不相同p j 。接 触式测量是过去测量物位的主要手段，由于测量时仪表和物料是接触的，在使用 过程中往往会出现各种问题，如电容的挂料，音叉的堵料等，且日常的维护量很 大。到2 0 世纪9 0 年代，水泥工业开始采用非接触的物位测量，较早成熟的非接 触的测量技术有超声波技术，所以利用超声波物位传感器测量物位有许多优越 性。超声波物位传感器可用于危险场所非接触检测物位，可以测量所有液体和固 体的物位，它不仅可以定点和连续测量，而且能够很方便地提供遥控所需要的信 号；测量精度和换能器寿命长；传感器与物料不直接接触，安装维护方便，价格 便宦：超声波不受光线、料度的影响，其传播速度并不直接与媒体的介电常数、 电导率、热导率有关，因而超声波传感器广泛用于测量腐蚀性和侵蚀行物粒及性 质易变的物位一，。 1 3 1 有源测距技术比较 目前，在有源测距技术中，常用的主动传感器有超声波、红外光、激光雷达 和微波雷达”3 “。 ( 1 ) 超声波传感器( u l t r as o n i cs e n s o r ) 武汉理工大学硕士学位论文 超声波是一种只有少数生物( 如蝙蝠、海豚) 才能感觉的机械波，其频率在 2 0 k h z 以上，波长短，绕射小、能定向传播。它具有纵波( 在气、液、固体中传 播) 、横波( 在固体中传播) 和表面波( 沿固体表面传播) 三种波型，而且遇到 杂质或传播介质的分界面会产生明显反射。这种反射不是严格定向的，具有散射 性。在水泥窑中应用的超声波传感器，是利用超声波在空气中的定向传播和固体 反射特性( 纵波) ，通过接收自身发射的超声波反射信号，根据超声波发出及回 波接收的时间差和传播速度，计算传播距离，从而得到测量系统到水泥料的距离。 从发射波束特性知，由于扩散角的原因，使超声波的角度分辨率较低，但距离分 辨率较高( 1 c m 左右) ，目前最大探测距离约为15 m ，最小盲区0 ，3 0 4 m 。超 声波传感器具有反应灵敏、探测速度快( 一个测量周期仅需几卜毫秒) 的优点， 而且结构简单，体积小，成本低。根据单个传感器扩散角和反射特性，确定合理 的密度，来覆盖要求的探测区。 ( 2 ) 红外传感器( i n f r ar e ds e n s o r ) 红外线也是一种少数生物( 如响尾蛇) 才能感觉到的光波，其波长为l n m 1 0 0 0 n m ，具有定向传播和反射能力。尽管自然环境中各种物体均能不同程度的红 外能量，但其由于波长及大小很难准确分辩，因此红外传感器角度分辨率高，而 距离分辨率低。 ( 3 ) 微波雷达( m i c r o w a v er a d a r ) 微波是一种电磁波，其波长为8 1 02 8xl05 m m ，频率为9 108 1x10 ” h z 。定向传播及反射性能介于超声波和激光之间。作为新型测距传感器，其工作 原理与超声波传感器相同，角度分辨率高于超声波和红外传感器，低于激光传感 器，距离分辨率略高于超声波传感器。目前最大探测距离介于超声波和激光测距 之间，最小探测盲区距离略小与超声波传感器。 微波雷达的优点是因目标的颜色、材质等不同而引起的反射率变化小，对物 体的透过率高，受灰尘、雾和雨的影响小，在各种目标和气候条件下都能比较稳 定的进行探测。缺点是不能进行高精度测角。 ( 4 ) 激光雷达( l a s e rr a n g er a d a r ) 近年来，激光雷达因具有测量速度快、测程远、测距精度高、方向性好、镜 武汉理工大学硕士学位论文 面反射小、造价适中等优点而受到广泛重视。激光调制波的强度大，有利于远处 目标的距离测量以及目标与背景的区分；光速窄、平行性好、散射小，保证了很 好的测距方向分辨率；一般为单一频率的光波，光谱比较纯，保证了较高的信噪 比。通过二维或三维的扫描激光柬或光平面，激光测距雷达能够以相对高的频率 提供大量准确的距离数据。但对水泥料位的测量只是实时监控有无生料，对精度 没有太高要求，所以测量精度高的激光雷达不适用测量水泥的料位。 1 3 2 测距传感器的选择 由于在本课题研究中，需要对水泥窑工作环境状态有清楚的了解。同时，由 于涉及到一些的特殊工作场合，成本的高低，安装条件等限制，在设计过程中， 排除了用其他外部的测量。因此，设计的系统应依靠自身携带的传感器，通过主 动探测的方式来完成对外部环境的感知。为了能够实现对障碍物准确判别，测量 系统与障碍物之间的距离是关键因素。因此，对于传感器的选择，也集中在测量 距离这一参数上。根据理论和实践具体要求，通过一些传统实验的对比，对测距 传感器也做了一定的比较，以对测距传感器做出准确的选择1 7j 。 ( 1 ) 电磁类测距传感器 电磁类测距传感器主要有三种类型，它们分别基于电磁感应、霍尔效应、电 涡流原理。电磁感应测距传感器的核心由线圈和永久磁铁构成，当传感器远离或 靠近铁磁性材料时，会引起永久磁铁磁力线的变化，从而在线圈中产生电流。当 传感器与被测物体相对静止时，由于磁力线不发生变化，因而线圈中没有电流。 因此这种传感器只是在外界物体与之间产生相对运动时，才产生输出，且随着距 离的增大，输出信号明显减弱，因而这种类型的传感器只能用于很短的距离测量。 电涡流测距传感器的最简单形式只包括一个线圈，线圈中通人交变电流，当 传感器与外界导体接近时，导体中感应产生电流，及电涡流效应，传感器与外界 导体的距离变化能够引起导体中所感应产生电流的变化。通过适当的检测电路， 可从线圈中耗散功率的变化中，得出传感器与外界物体之间的距离。霍尔效应测 距传感器则因其应用原理而得名，当传感器原理被测导体时，在特定导体上较强 的磁场；当其靠近时，磁场变弱磁场的变化引起特定的导体两端电压的变化，根 据这个原理可实现对距离的测量。 6 武汉理工大学硕士学位论文 由以上对于集中感应视窗暗器的分析可以看出，它们存在一些缺陷：这类传 感器一般对于铁磁材料比较敏感；检测信号( 电压、电流等) 与被测量( 距离) 之间不是线性的对应关系；外界电磁对测量的干扰较大；可测量的范围较小，距 离较近，一般仅为零点几毫米。显然，它们都不适用于水泥窑测量上。 ( 2 ) 电容式测距传感器 此类传感器通过检测外界物体靠近传感器所引起的电容变化来反应距离信 息。最基本的用来检测电容变化的电路中，将电容作为振荡电路中的一个元件， 只有在传感器电容值超过一定阀值时，振荡电路才开始振荡，将此信号转换成电 压信号，即可表示与外界物体的距离。电容式传感器只能用来检测很短的距离， 一般仅为几毫米，超过这个距离，传感器的灵敏度将急剧下降；并且由于内部采 用阀值判断，不能起到精确测量的作用，而可能实现开关的工作方式。因此，不 适合精确的测距用途。 ( 3 ) 红外和光电传感器 这类测距传感器是依靠红外线或其他不可见光的直线传播特性。通过光敏元 件来发射和接收信号，从而判断障碍物的存在与否。由于光线的传播速度极快， 通常难以通过简单的装置估算其传播距离，因此在简单、低成本的应用中，这类 传感器也主要用于状态的判断( 障碍物的有无、物料是否到位、液面是否过高等) 而无法实现对距离的实时测量。 ( 4 ) 超声波测距传感器 超声波与光波、电磁波、射线等检测相比，其最大特点是穿透力强，几乎可 以征任物体中传播，了解被测物体内部情况。超声检测设备还具有结构简单，成 本低廉的特点，有利于工程实际使用。在排除了以上几种测距传感器的条件下， 选择了超声波测距传感器，作为测量系统的传感部件。 归结主要有以下几方面的优点： a 测距方式原理简单，便于实现。 b 测距范围可以从几厘米一直到几f - 米，完全满足窑长的要求。 c 测距精度高，整体误差可以控制在量程的0 5 范围内。 d 超声波传感器有一定的覆盖性，因此，可以用较小数量的传感器覆盖较大 武汉理工大学硕士学位论文 的测量范围。 e 被测物体的最d , v 寸可以通过选择测量用超声波传感器( 频率) 来决定。 1 4 本课题研究的内容 基于超声波的水泥生料料位检测系统，主要是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 的控制下来探测水泥料位，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，并由液晶屏显示出结果。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： 系统构成设计： 采用单片机控制超声波传感器完成对水泥料位的探测。 系统功能设计： 以超声波传感器和单片机为主要部分，完成对水泥生料距离的探测，使液晶 屏显示出测量结果。 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。 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。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章超声测距原理的分析 超声波是一种频率超过2 0 k h z 的机械波。超声波作为一种特殊的声波，同 样具有声波传输的基本物理特性一反射、折射、干涉、衍射、散射。超声波具有 方向性集中、振幅小、加速度大等特点，可产生较大力量，并且在不同的媒质介 面，超声波的大部分能量会反射。利用超声波检测往往比较迅速，方便，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，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。 超声波在不同介质的分界会产生反射、折射；超声波的传播速度在同一介质 中是相同的，但声速随温度的不同而改变，由于声波的传播速度与温度有关，为 准确地计算声速，必须测量空气的温度以进行波速的温度补偿。超声波在不同介 质中传播时会被介质吸收而强度减弱，在气体中衰减最大，液体中次之，固体中 衰减最慢。 超声波在散粒体料位的连续测量中，是利用网波测距的原理进行的。超声波 换能器在电脉冲的激励下，定时向料面发射超声脉冲。当被测量的是固体料面时， 总具有一定的静止角，其表面粗糙( 粗糙度取决于颗粒尺寸) 。当被测物料的颗 粒尺寸大于超声波长 的( 4 - 6 ) 倍时，声波入射在物料表面会产生漫反射现象， 这样，在料面具有一定斜度时，有一部分能量可以反射回换能器，但是该能量很 微弱，所以测量固体料位的超声系统要采用大功率、高指向性的发射接受换能 器时，其波长为3 4 c m ，当物料粒度在8 m m 以上时表面就能较好地产生漫反射， 粒度再小，就要提高频率，传播损耗也随之增大瞄! 。 2 1 超声测距原理及方法 超声波测距是一种传统而实用的非接触测量方法，和激光，涡流和无线电测 距方法相比，具有不受外界光及电磁场等因素的影响的优点，在比较恶劣的环境 中也具有一定的适应能力，且结构简单，成本低，因此在工业控制，建筑测量，机器 人定位等方面得到了j 、泛的应用。但由于超声波传播声时难于精确捕捉，温度对 声速的影响等原因，使得超声波测距的精度受到了很大的影响，限制了超声测距 系统在测量精度要求更高的场合下的应用。为此，本文提出一种改进后的超声测 距方法，并设计了以单片机为核心的超声测距系统一j 。 武汉理工大学硕士学位论文 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 和机数据采集系统以及温度补偿。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束实现。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。超声波测距原理是通过超声波发射器向 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 碰到障碍物就立即反射来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时f i 。超声波 在空气中的传播速度为c ，而根据计时器记录的测出发射和接收回波的时间差 t ，就可以计算出发射点距障碍物的距离s ，即：s = ct 2 。在使用时，如 果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通 过温度补偿的方法加以校正。由于超声波也是一种声波，其声速c 与温度有关。 声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离，这就是超声波测距的 原理。如图2 1 所示： 瞬蝴辘 图2 1 超声波测距原理 超声波测距的方法有多种，如有相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间枪 0 武汉理工大学硕士学位论文 测法等。所谓的渡越时间检测法是时间差测距法，即测取超声波从发射地至目的 地传输所经过的时间，也称渡越时间检测法。渡越时间的测量有多种方法，应用 最普遍的是脉冲回波法，此外，还有调频法、相位法、频差法等。相位检测法虽 然精度高，但检测范围有限；声波幅值检测法易受反射波的影响川。本系统采用 超声波渡越时间检测法，因为渡越时间检测法的工作方式简单，赢观，在硬件 控制和软件设计上都非常容易实现。 图2 2 为实际水泥料位进行测量的示意图。图中采用超声波探头以4 5 度弧 度扇型发射超声波为例，探头发射的a 角度的超声波线发射后，传播到料位面后 反射回来能被超声波接收探头接收，接收电路放大并处理。探头发射的c 角度的 超声波线是不可被接收的超声波，探头发射的b 角度的超声波线为发射的声波不 能接触到水泥料，b 、c 线表示的声波均为不可测。d 为水泥料仓的总高度，以a 为例，通过测量得出水泥料与料仓口的距离s ( 实验中要测的距离) ，从而可以 得出水泥料位的高度即d = d s 。 超声波发射 图2 2 水泥料位测量 2 2 超声传感器介绍 2 2 1 超声传感器的原理及结构 接收探头 超声传感器是一+ 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心j 。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。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：l 压电传 武汉理工大学硕士学位论文 感器；2 磁致伸缩传感器；3 静电传感器。流体动力型中包括有气体与液体两种 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”h 3 。 2 2 1 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，铌酸锂等，属于压电陶瓷的有锆钛酸铅，钛酸钡等。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【”i 。 压电材料是弹性体，应力t 与应变s 成正比，比例系数为弹性模量c ；压 电材料同时又是电介质，电感强度d 与电场强度e 成正比，比例系数为介电系 数。从而有力学关系式为： t = c sf 2 1 ) 电学关系式： d = e ( 2 2 ) 压电材料存在压电效应和逆压电效应，力学量( t 、s ) 和电学量( d 、e ) 之间存 在压电关系式： t = c 5 s e e f 2 3 1 d = e s + c 8 e( 2 4 ) 式中：c 。一一e = o 时的弹性模量 e5 一- - s = 0 时的介电系数 e 一一压电应力电场恒量，也叫压电发射系数 ( 2 ) 超声波动方程 假定x 轴是超声波的传播方向，0 0 为振动角频率，原点x = 0 处的质点振动状 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 态l02 m 0 c o s 0 3 t ，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 ( x ，t ) 2 m o c o s c o ( t x c )f 2 5 1 一个周期t 内超声波所行进的距离为波长 九= c t = c f = - 2 ，t c c o f 2 6 、 式中7f 一一超声波频率 ( 3 ) 声速 由式( 2 6 ) 可推导出波动方程偏微分形式： 筵：r ：业 ( 2 7 ) a t a x 。 从偏微分方程形式n n ：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”1 。由更进步的 分析可知： 在流体中只能传播超声纵波，声速c = ( b p ) ”2( 2 8 ) 在气体中超声纵波声速可以进一步表达成c = ( yr t i t ) “2( 2 9 ) 在固体中既可以传播纵波，声速c i = ( e p ) “2 ( 2 1 0 ) 也可以传播横波，声速c t = ( g 0 ) m f 2 1 1 ) 式中：c 、c i 、c t 一声速 p 一一媒介密度 b 一一流体体积弹性模量 e 一一固体伸长弹性模量 g 一一固体切变弹性模量 y 一一气体定压比热和定容比热的比值 u 一一气体分子量 r 一一理想气体常数 t 一一绝对温度 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： 武汉理工大学硕士学位论文 p 2 p c m ( c o t 一妒) 2 p c u( 2 一1 2 ) 声强i 是超声波通过单位时间单位面积传递的能量的平均值： 1 2 p u = p m z 2 p c( 2 一1 3 ) 式中：p 一媒介密度 c 一一媒介中的声速 。一一媒介中质点振动位移的振幅 u 一一媒介质点振动的速度 一一振动的角频率= 2 丌f p m 一一声压的幅值 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 2 1 2 振动模式和频率 压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器 内部结构如图2 3 所示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极# l , m 脉冲 信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动 共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未#