（检测技术与自动化装置专业论文）超声波物位计的研制.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本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 除了文中特别加以标注和致谢的地 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 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意 虢高睿 日期 2 吖矿年3 月2 日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留 使用学位论文 的规定 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘 允许论文被查阅和借阅 本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或 扫描等复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后应遵守此规定 签名 丝导师签名 日期 2 o 1 b 摘要 摘要 近年来 随着科学技术的不断发展 物位测量在工 农业生产和人们的生活 中占据了越来越重要的地位 其中 最常用的一种物位测量方法是利用超声波物 位计进行非接触检测 与其他方法相比 超声波物位计具有结构简单 安装方便 实时性好 对恶劣环境适应性较强 不易受光线 粉尘 烟雾和电磁干扰的影响 等优势 在越来越多的领域发挥了无可替代的作用 目前 国内生产的超声波物 位计虽然种类和数量繁多 但质量参差不齐 和国外产品相比尚存较大差距 因 此 研究精度更高 稳定性更好和成本更低的超声波测量方法 依然是充满挑战 性和具有现实意义的课题 作者在查阅国内外大量文献资料 深入研究超声波特 性 经过不断的调研和分析的基础上 研制出具有国内先进水平的超声波物位计 本课题是在力求结构简单 成本合理的前提下 尽量完善其功能 实现高精 度和稳定测量 系统采用 时差法 的原理 以1 6 位超低功耗单片机m s p 4 3 0 f 1 4 9 作为控制核心 首先 驱动电路产生的高频脉冲激励电压驱动超声波换能器发射 超声波 同时单片机开始计时 回波经被测物体反射后被换能器接收 经过信号 调理电路的前置放大 带通滤波 噪声抑制 峰值采样 自动增益控制 得到稳 定的回波电压信号 当电压比较电路检测到回波到达时 触发单片机计时结束 再通过温度补偿等措施校验出实时声速 从而根据超声波的传播时间便可计算出 物位高度 课题对超声波物位计进行了理论研究和验证 软硬件设计 整机调试和误差 修正 达到了预定的设计目标 完成了对物位的精准测量 并设计了通讯接口 l c d 显示模块和上位机在线监测软件 系统界面友好 具有较大的市场潜力和广 阔的应用前景 关键词 超声波 物位 换能器 温度补偿 m s p 4 3 0 一 0 a b s t r a c t a b s t r a c t r e c e n t l y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y 1 e v e lm e a s u r e m e n t p l a y sa l li n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l ei nt h ei n d u s t r y a g r i c u l t u r ea sw e l la si np e o p l e s d a i l yl i f e i nt h el e v e lm e a s u r e m e n tf i e l d s t h em o s t l yw i d e l y u s e dm e a s u r e m e n tm e t h o d i st h eu l t r a s o n i cl e v e lm e t e rf o rn o n c o n t a c td e t e c t i o n c o m p a r e dw i t ho t h e rm e t h o d s t h i sm e t h o dh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sc h e a p s i m p l i c i t y h i g hr e a l t i m e f l e x i b l e a p p l i c a t i o n a n ds t r o n ga d a p t a b i l i t y n o t a f f e c t e d b yl i g h t d u s t s m o k e a n d e l e c t r o m a g n e t i s m c u r r e n t l y m a n yt y p e sa n dq u a n t i t i e so fd o m e s t i cu l t r a s o n i cl e v e l m e a s u r i n gp r o d u c t sh a v eb e e nm a n u f a c t u r e d b u tt h ed e v e l o p m e n to f u l t r a s o n i cp r o d u c t i so b v i o u s l yl a g g e dt oa d v a n c e df o r e i g nr e s e a r c hi nt h i sf i e l d a c c o r d i n g l y i ti ss t i l l e v e ni nt h ef u t u r e o n eo ft h ec h a l l e n g i n ga n ds i g n i f i c a n tp r o b l e m si nu l t r a s o n i cf i e l dt o d e v e l o pt h eh i 曲p e r f o r m a n c ea n dl o w c o s tu l t r a s o n i cl e v e lm e t e r a f t e ra d e q u a t e r e s e a r c ha n da c c e s st oal a r g en u m b e ro fd o m e s t i ca n df o r e i g nl i t e r a t u r ed a t a a sw e l la s a n a l y s i s t h e q u a l i t yo f u l t r a s o n i ca n dc o m p a r i s o no fv a r i o u sl e v e lm e a s u r e m e n t i n s t r u m e n t a d v a n c e du l t r a s o n i cl e v e lm e t e rw a sd e v e l o p e d t h ed e s i g ng o a li st oi m p r o v ei t sf u n c t i o n su n d e rt h ep r e m i s eo fs i m p l i c i t ya n d r e a s o n a b l ec o s t i nt h es y s t e m 1 6 一b i tu l t r a l o w p o w e rm i c r o c o n t r o l l e rm s p 4 3 0 f 1 4 9 c o n t r o l st h ee n t i r es y s t e mw h i c hb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fu l t r a s o n i ct i m ed i f f e r e n c e m e t h o d t h i sp a p e rd e s i g n sh i 曲f r e q u e n c yp u l s ed r i v i n gc i r c u i tt or a i s ed r i v i n g a b i l i t y g r e a t l y a c c o r d i n gt o t h e u l t r a s o n i c c h a r a c t e r i s t i co fi n d e xa t t e n u a t i o nw h e ni t s s p r e a d i n gb e c a u s ew e n e e dt om e a s u r el o n g e rd i s t a n c e t h es i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l a r c o n s i s to fp r e a m p l i f i e rc i r c u i t b a n d p a s sf i l t e rc i r c u i t n o i s es u p p r e s s i o nc i r c u i t p e a k v a l u es a m p l i n gc i r c u i t a u t o m a t i cg a i nc o n t r o lc i r c u i t t h r e s h o l dd e t e c t i o nc i r c u i t i n a d d i t i o n t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n i st a k e nt oe n h a n c ep r e c i s i o n a sw e l la s a n t i i n t e r f e r e n c em e a s u r ei su s e di nb o t hs o f t w a r ea n dh a r d w a r ei no r d e rt os a t i s f yt h e r e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo fu l t r a s o n i cl e v e lm e t e r i nt h es t u d y i ta c c o m p l i s h e st h er e s e a r c hi nt h e o r y t h ed e s i g ni nh a r d w a r ea n d s o f t w a r e t h es y s t e md e b u g g i n g u l t r a s o n i cs e n s o rc a l i b r a t i o n m e a s u r e m e n td a t a a n a l y s i s i na d d i t i o ne r r o rc o r r e c t i o n k e y b o a r da n dl c da r ed e s i g n e df o rc o n v e n i e n t t t i t r i j 一 a b s t r a c t f i e l do p e r a t i o n a l s om u l t ic o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e sa r ep r o v i d e df o ro n l i n em o n i t o r i n g l e v e la n dr e a l t i m ep r o c e s s i n g s o f t w a r ei n c l u d e sm c up r o g r a ma n dm o n i t o r i n g s o f t w a r eo fh o s tc o m p u t e r t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ei n s t r u m e n tw o r k ss t a b l y a n d r e l i a b l y a n dh a sh i g hm e a s u r e m e n tp r e c i s i o n t h i sk i n do f u l t r a s o n i cl e v e lm e t e r m e e t s d e s i g nr e q u i r e m e n t s ot h a ti th a sh u g em a r k e tp o t e n t i a la n d w i l la p p l yw i d e l y k e y w o r d s u l t r a s o u n d l e v e l t r a n s d u c e r t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n m s p 4 3 0 i l l 0 目录 目录 第一章绪论 厶 1 1 i 课题研究背景及应用意义 1 1 2 国内外超声波物位测量仪表行业现状及发展趋势 2 1 3 本课题主要研究工作及内容安排 3 第二章超声波物位测量理论分析 5 2 1 超声波及其特性 5 2 2 超声波换能器的研究 6 2 2 1 压电效应和压电换能器 7 2 2 2 超声波换能器的主要性能 8 2 2 3a t 5 0 超声波换能器 9 2 3 超声波物位测量的几个关键因素 1 0 2 4 超声波物位测量方法 1 5 2 5 本章小结 19 第三章超声波物位计系统的总体设计 2 0 3 1 超声波物位计系统设计概述 2 0 3 2 系统总体设计 2 1 3 2 1 系统的设计思想 2 1 3 2 2 设计的关键问题分析 2 2 3 3 超声波物位计的工作过程 2 3 3 4 本章小结 2 4 第四章超声波物位计硬件系统设计 2 5 4 1 超声波换能器驱动电路设计 2 5 4 1 1 换能器特性及其阻抗匹配 2 5 4 1 2 高频脉冲变压器设计 2 8 4 1 3 功率推挽放大电路设计 3 0 4 2 信号调理电路设计 3 2 4 2 1 回波接收及前置放大电路 3 2 目录 4 2 2 滤波放大电路 3 3 4 2 3 噪声抑制电路 3 6 4 2 4 峰值保持电路及a d 采样 3 7 4 2 5d a 转换及电压调整电路 一3 9 4 2 6 自动增益控制 a g c 电路 4 1 4 2 7 门限电压检测电路 4 3 4 3 单片机接口电路设计 4 4 4 3 1m s p 4 3 0 f 1 4 9 的主要特性 4 4 4 3 2 单片机最小系统设计 4 5 4 4 电源电路设计 4 6 4 5 温度补偿电路及l c d 模块设计 4 7 4 5 1 温度补偿电路设计 4 7 4 5 2l c d 模块设计 4 9 4 6 通讯接口设计 4 9 4 6 1 串行通信接口电路 4 9 4 6 2 短距离无线通讯 5 0 4 7 本章小结 5 1 第五章系统软件程序设计 5 2 5 1 单片机程序设计总体方案 5 2 5 2 单片机各子程序介绍 5 3 5 2 1 系统初始化子程序 5 4 5 2 2 超声波传播时间测量子程序 5 5 5 2 3 温度补偿子程序 5 6 5 2 4 物位计算子程序 5 8 5 2 5l c d 显示子程序 5 8 5 2 6 通信子程序 5 9 5 3 上位监测软件的设计 6 1 5 4 本章小节 6 2 第六章系统调试与误差修正 6 3 6 1 系统硬件电路调试 6 3 6 2 测试结果及数据分析 6 5 6 3 误差分析及修正方法 6 9 v 目录 6 3 1 系统响应误差及其修正方法 6 9 6 3 2 环境的影响及温度 压力补偿 7 0 6 3 3 测量时间的波动误差及其修正方法 7 0 6 3 4 随机误差修正 7 1 6 4 本章小结 7 2 第七章结论与展望 6 9 j 致谢 7 5 参考文献 7 6 攻硕期间发表的学术论文 7 9 附录 8 0 v l 第 章绪论 第一章绪论弟一早三百t 匕 1 1 课题研究背景及应用意义 物位测量在自动化控制领域中占据着举足轻重的地位 l 它的应用范围越来越 广泛 例如 冶金 矿山 选煤 粮仓等工农业生产的物位测量 以及江河湖海 水位监测 污水处理 酒厂 石油 制药等部门的液位测量 3 j 尤其是现代工 农 业生产的规模大 节奏快 严格地监控物位是稳定生产和保证安全的重要指标 从而确保生产在最佳的状态下进行 早期的物位测量方法大多采用传统的机械原理 近些年来随着科学技术的进 步 物位测量方法如百花齐放 一批具有智能化 自动控制 高精度 稳定性好 等特性的物位计 液位计 应用到工农业各种领域 成为不可或缺的检测手段 根据测量原理的不同 常用的物位 液位 测量方法主要有如下几种 4 5 1 6 7 8 9 1 人工检尺物位计 它的测量原理是 通过检尺等测量工具 直接地观测 出物面位置的高度 计算得到物位值 从而推算出物料或液体的体积或重量 这 种方法测量精度较低 受观测者的主观因素影响较大 一般存在 2 r a m 的人为误差 而且方法原始 繁琐 无法满足自动化需求 特别是在恶劣的环境下会给工作人 员带来不便和不安全因素 因此对使用环境有一定的限制 2 压力式液位计 它的测量原理是 当液面高度变动的时候 容罐底壁或 侧壁上的压力也会随着发生改变 通过压力表测量出压力 再转换成对应的液位 高度 这种测量方法受制于压力表的精度的影响 而且不同的压力表适用于不同 的环境 有一定的局限性 否则测量结果会存在较大的误差 3 浮力式液位计 它的测量原理是 当液面有波动时 浮在液体表面上的 悬浮物会随之发生位置改变 只需测出悬浮物的位移便知道液位高低 这种测量 方法虽然简单 但是精度并不高 并且对于波动的液体产生的测量误差会更大 4 电容式物位计 它的测量原理是 利用电容物位传感器进行测量 其内 部电容器的电容量会随着物位的高低而相应变化 再通过检测电容值 便可换算 出物位高度 该方法可适用于高温 高压的场合 测量滞后小 但是仪表电路的 线路比较复杂 造价也较昂贵 而且在酸碱性物质测量中 要特别做好电容物位 电子科技大学硕士学位论文 传感器的防腐蚀工作 5 激光物位计 这种测量方法是利用激光干涉原理来实现的 理论上激光 物位测量的精度特别高 可是 激光的波长很小 很容易受到尘埃 雾气 蒸汽 的影响 从而导致实际测量的精度也并不高 并且较少采用 6 雷达物位计 这种测量方法一般采用调频微波或脉冲回波反射的原理来 进行测量的 雷达物位计的测量适用于对测量精度要求高的环境 使用带有导波 杆的导波雷达物位计进行测量 可进一步提高精度和测量范围 但是 液体的泡 沫和流动会导致微波信号衰减严重 固体物质很容易对它产生干扰回波 严重的 甚至导致其无法正常工作 而且其设计成本较高 另外 对于导波雷达物位计 要考虑到待测物质对导波杆的腐蚀作用和电磁噪声影响 7 超声波物位计 超声波物位计是利用超声波的独特特性来进行物位测量 的 超声波与微波 激光相比 它的传播速度相对慢很多 因而对其信号进行处 理也更加容易 用超声波作为测量的手段在近些年应用越来越广泛 它在很多方 面体现了其优点 精度较高 对人体没有辐射危害 不会改变被测物质的性质 不易受光线 粉尘 烟雾和电磁干扰等恶劣环境因素导致的影响 目前 物位检测中最常用的一种方法是利用超声波物位计进行非接触测量 它能够解决人工检尺测量的不便和繁琐 弥补了由压力式液位测量 浮子式液位 计 电容式物位计 激光物位计 雷达物位计等测量方式带来的精度不太高或 易堵塞 易泄漏 易腐蚀 维护不便 价格昂贵等缺陷 特别是近些年来 随着 超声波换能器研究的深入以及计算机 信号处理技术和电子技术等高新技术的快 速发展 超声波物位计的测量精度进一步有所提高 功能也更加完善 它具有其 他物位测量手段无可替代的优势 2 是一种性价比高 操作简便 精度高 实时性 好 适应范围广 可靠性高的非接触测量手段 具有非常乐观的应用前剽1 0 因 此 深入研究超声波特性 设计出新型的超声波物位计 探讨新的超声波信号处 理方法 对推动超声波的广泛应用与超声波物位测量技术的发展 都具有重要的 意义 1 2 国内外超声波物位测量仪表行业现状及发展趋势 在超声波物位测量领域的研究及应用中 国外的技术比较成熟和领先 以德 国v e g a s o n s i e m e n s 公司 美国a i r m a r e h 公司 h o n e y w e l l 等公司为代表 2 第一章绪论 已经取得了举世瞩目的成就 它们生产的超声波物位测量产品具有技术先进 稳 定性好 测量精度高 自动化程度高 测量范围广等特点 例如e h 公司生产的 超声波变送器产品采用多个探头进行物位测量的方式 最大测量量程达7 0 m v e g a s o n 公司生产的超声波液位计的测量精度高达测量量程的0 2 在功能上 除了常规的r s 2 3 2 r s 4 8 5 通讯 4 2 0 m a 电流环输出外 还采用h a r t 协议 p r o f i b u s 总线标准等通讯协议 在信号处理上 国外超声波物位测量技术能够对回 波信号作精准的信号处理和分析 采用先进的滤波算法和硬件滤波技术将各种干 扰 电噪声等滤除 代表了世界先进水平 l2 1 当前国内精度较高的超声物位测量产品主要是对国外同类先进技术采取引 进 消化 吸收 创新的方法 国内自主研发超声波物位计的公司和厂家很少 在测量量程 盲区 测量精度 稳定性和国外同类产品相比都还有相当大的一段 差距 l3 1 精度不高的因素包括传感器制作工艺档次低 超声波收发电路的性能欠 佳 信号处理方法和误差修正手段相对落后 但是通过不断的技术创新 国内生 产的超声波物位计的测量量程 精度已经取得了很大的进步 特别是近些年来 随着超声波应用研究的不断深入和技术引进 以及超声换能器与工艺技术的进步 国内超声波物位测量技术发展态势迅猛 取得了很好的社会效益和经济效益 纵观近些年国内外超声波物位测量新推出的产品 其在功能上更加完善 通讯 协议和总线接口的可选择性更加多样 结合国外著名公司的先进产品的相关资料 来看 超声波物位计的发展动态如下 1 功能更加完善 引入新兴技术以确保稳定性更好 精度更高 量程更广 集成度更高 自适应和故障诊断能力更强 并且满足多种通讯接口协议需求 2 贴近市场需求 以用户需求为原则 研发出适应于不同环境的产品 3 工艺水平将不断提高 尤其是超声波换能器的制作工艺会不断改进 进 一步提高测量仪表的各项指标 1 3 本课题主要研究工作及内容安排 本课题是在查阅了国内外大量的相关科技文献 深入调研部分超声波测量仪表 生产厂家 对国内超声波相关产品深入研究 对行业发展现状进行综合分析的前 提下 经过反复论证和不断试验 最终确定了以1 6 位超低功耗单片机m s p 4 3 0 f 1 4 9 作为控制和信号处理核心 利用超声波 时差法 的原理进行物位测量的系统方案 3 电子科技大学硕士学位论文 研制出超声波物位计 并对其设计过程中各个技术专题展开了系统的理论研究 设计分析和试验验证 本论文每个章节的主要内容的安排简介如下 第一章主要介绍了课题的研究背景及应用意义 着重介绍了国内外超声波物位 测量仪表行业的现状及发展趋势 最后简述了论文各个章节的内容安排 第二章介绍了超声波物位计设计的理论依据 包括 对超声波及其特性的介绍 详细研究了超声波压电换能器的原理 性能和特点 着重阐述了超声波物位测量 的几个关键因素及超声波物位测量的方法 第三章首先概述了本课题总体方案设计 介绍了设计思想 分析了系统设计过 程中的关键问题 最后简单叙述了超声波物位计的工作过程 第四章详述超声波物位计硬件系统的设计过程 对于超声波换能器驱动电路的 设计 课题采用了阻抗匹配 高频脉冲升压 功率推挽放大等技术 提高了驱动 功率和效率 后端信号调理电路的研究包括前置放大 带通滤波 噪声抑制 峰 值保持和a d 采样 d a 转换 电压调整 自动增益控制和门限电压检测电路的 设计 之后 详细叙述了单片机最小系统 电源电路 温度补偿电路 l c d 显示 模块及通讯接口的设计 第五章详细介绍了系统软件程序的设计 包括单片机各个子程序的实现和在线 监测软件的设计 第六章首先对系统硬件电路进行了调试 然后对超声波物位计的测试结果和数 据进行了分析 最后探讨了系统存在的各种误差及其修正方法 第七章陈述了本课题的研究成果 并且总结了系统研发过程中需要着重关注 亟待提高的问题和作者设计经验 体会及建议 4 第二章超声波物位测量理论分析 第二章超声波物位测量理论分析 超声波物位测量是一门以物理学 材料学 传感器技术 电子技术和信号处 理技术等学科相互交叉的技术 深入了解与超声波物位测量相关的物理概念 理 论研究和它在工作过程中的原理和特性 对j 下确应用超声波进行物位测量 保证 测量目的的实现是非常有必要的 1 4 2 1 超声波及其特性 人耳可听的声音频率范围是2 0 h z 2 0 k h z 频率高于2 0 k h z 的声波被称为 超 声波 不同频率范围的各种声波本质上都属于机械波 表2 1 不同声波的频率范围 单位 h z 次声波人耳可听声波超声波特超声波 0 2 02 0 2 x 1 0 42 1 0 4 1 0 x 1 0 1 0 1 0 x 1 0 1 0 超声波的频率较高 在声速恒定的情况下 于是波长相对较短 因此其衍射 能力也较差 只要传播介质均匀 它就能以直线定向进行传播 并且容易聚集声 能 传播更远的距离 穿透力也越强 超声波物位测量正是利用超声波这种独特 的方向性和束射性来实现的 5 3 在应用中 产生超声波最常用的一种方法是采用高频电脉冲驱动超声波换能 器 让它内部的压电晶片机械振动 这种机械振动可以在它周围所接触的介质 如 空气 水等 中传播 这样便产生了超声波 物位测量中所用的超声波基本上是 以纵波的方式在弹性介质中以能量传递的方式进行传播 因此 超声波随着传播 距离的增加会逐渐衰减 l5 1 超声波的特性有很多种 传播速度决定着测量的准确 性和可靠性 传播衰减影响着超声波物位计的测量距离 因此 以下仅简单介绍 和超声波物位测量最相关的传播速度和衰减两种特性 2 1 1 超声波的传播速度 声速与传播介质的弹性模量 密度等性质紧密相关 对于特定的均匀介质 5 k 电子科技大学硕士学位论文 在恒定的环境中 弹性模量和密度也恒定 因此声速是固定值 不同的介质中 弹性模量和介质的密度差异较大 因而其中的声速也有所不同 例如 在常温下 超声波在空气中的速度约为3 4 4 m s 在水中声速约为1 4 4 0 m s 理论上来说 超声波在相同的介质中传播速度也一样 然而由于各种原因引 起介质材料的不均匀 密度等性质的变化 会引起相同介质中的声速有所差异 此外 对声速影响最大的一个因素是介质温度的变化 比如 超声波在空气传播时声速c 随着环境温度r 变化的关系式是 仁3 3 1 4 4 1 t 么 2 7 3 2 1 超声波在水中传播时 声速c 随着水温丁的变化可以用下式来表示 c 1 5 5 7 一o 0 2 4 5 7 4 一r 2 2 2 2 1 2 超声波的传播衰减 超声波在传播过程中 随着传播距离的增加 能量相应地逐渐衰减 这种现 象称为超声波的传播衰减 其衰减多少和超声波的扩散 散射和吸收有关 l 7 1 理 想介质中超声波的衰减只来自于超声波的扩散 也就是传播距离越远超声波的衰 减便越严重 散射衰减一般是由固体介质中的颗粒或者液体介质中的悬浮粒子所 导致的 吸收衰减是由于介质的粘滞性 热传导等性能导致介质吸收声能并转换 为热能而产生的 气体吸收最强 因而衰减最大 液体次之 固体的吸收衰减最 小 因此 对于一样强度的超声波 它在液体和固体中的传播距离要比气体中的 传播距离要远 当超声波的频率越高 衰减就越大 因此超声波要比其他的频率较低的声波 在传播时的衰减更加明显 此外 介质的粘滞系数越大衰减系数也越大 衰减就越 严重 对于衰减问题 要特别警惕的是 可能会存在当传播距离越大时 换能器 频谱中的高频成分也衰减越严重 从而会导致中心频率的降低 2 2 超声波换能器的研究 超声波换能器是用来产生超声波和接收其回波的一种传感器 超声波换能器 能够将电能转换成声能 也能将声能变成电能 超声波换能器是组成超声波物位 计的关键部件 它的性能直接影响着发射的超声波的强度 接收的回波信号的强 6 第二章超声波物位测量理论分析 度 信噪比 物位计量程 最直接的影响是决定着超声波物位计能否正常工作 5 4 超声波是由高频电脉冲激励超声换能器而产生的 反射回来的超声能量又被换能 器转换为电压信号 实现电声能量转换最常用的方法是利用压电换能器实现的 压电换能器里的压电晶片具有压电效应 2 2 1 压电效应和压电换能器 选用压电换能器实现超声波和电压信号的转换 利用的正是其内部的压电晶 片的压电效应 压电效应有正压电效应和逆压电效应之分 正压电效应指的是 压电晶片在受到超声波声压的振动作用下 发生形变 形成与声压同步变化的电 荷 晶片受力所产生的电荷正比于外力的大小 若没有振动 则压电晶片所带的 电荷就消失 相反地 若压电晶片在交变电场的作用下 沿着晶片纵向将会产生 和所加的交变电压频率相对应的机械振动 从而实现电能和声能的转换 向外发 射超声波 这便是逆压电效应现象 压电换能器内部的结构如图2 1 所示 它由压电晶片 匹配层 阻尼块 保 护膜 外壳和电缆线等组成 14 1 l 图2 1 压电换能器内部结构 其中 阻尼块是由一些阻尼材料配置而成 粘附在压电晶片后面 它主要有 三个方面的作用 首先 对压电晶片的振动起阻尼作用 压电晶片在高频高压脉 冲的激励下作用后 由于振铃响应的产生 晶片会持续振动一段时间 从而可能 掩盖回波 导致盲区的增大 阻尼块的阻尼作用正是缩短的压电晶片的振动时间 当没有驱动脉冲时 使压电晶片尽快恢复平静 从而减少盲区 但是 并不是阻 尼作用越大越好 当阻尼效果越强时 压电晶片对回波的灵敏度也会大打折扣 因此 要选择最适宜的阻尼作用 以使压电晶片的性能最佳 其次 当压电晶片 向其背面发射超声波时 阻尼块可以吸收这些多余的超声波 这是由于压电晶片 7 电子科技大学硕士学位论文 受到高频脉冲电压激励产生振动而发射超声波时 并没有方向性 正向发射超声 波的同时也会向其背面发射 从而产生杂乱噪声信号 影响压电晶片接收回波信 号 阻尼块能吸收压电晶片背面的超声波 减少噪声 另外 阻尼块对压电晶片 还有支垫作用 此外 不可忽略电缆线的作用 超声波换能器需要通过高频同轴电缆线与超 声波驱动电路板和回波接收电路板进行联接和阻抗匹配 这种专用的电缆线可以 屏蔽外部各种干扰噪声等对超声波换能器的驱动脉冲和回波信号的干扰 并且可 以避免激励换能器工作的超声波频率的驱动脉冲以电波的形式向外辐射 2 2 2 超声波换能器的主要性能 超声波换能器的主要性能指标包括 工作频率 相对灵敏度 频率响应 品 质因素 电阻抗 声场特性等 现将各个指标的特点介绍如下 1 4 1 6 1 工作频率 厂超声波换能器的工作频率是由压电晶片的谐振频率 也是换 能器发射的超声波的频率所决定的 超声波换能器工作在此频率下输出的能量最 大 传播距离也最远 2 品质因素q超声波换能器内部包括机械部分和电路部分 因此 和普通 的l c 电路有所区别的是 超声波换能器的品质因素q 由电路部分的品质因素和机 械部分的品质因素来综合决定的 3 方向特性 图2 2 是a t 5 0 换能器的方向特性图 它体现了a t s 0 超声波换能器发射声能 的集中程度 方向特性图中的主瓣的尖锐程度决定着超声波探索区域范围 因此 方向特性直接决定着超声波物位计的工作范围和量程 主瓣角是超声波方向特性 中最重要的指标 超声波的频率越高 主瓣角越小 超声波换能器的声能越集中 但是声束范围也越窄 4 频率响应超声波换能器的频率响应是指某一反射物体 换能器收到的回 波信号的频率特性 超声波换能器的频谱图可以通过频率分析仪测得 从而可知 中心频率 带宽等参数 5 相对灵敏度相对灵敏度是指超声波的回波经换能器转换后输出的回波 信号电压的峰 峰值和施加在换能器上的驱动脉冲电压的峰 峰值的比值 相对灵敏 度是衡量超声波换能器电能和声能相互转换效率的一种度量 6 阻抗特性由于超声波换能器的特性 要求其与驱动电路之间实现阻抗匹 8 第二章超声波物位测量理论分析 配 以达到最理想的驱动能量和回波接收信号 实现机电阻抗匹配和声学阻抗匹 配 是让超声波换能器实现其最佳性能所要研究的重要内容 2 2 3a t 5 0 超声波换能器 根据设计要求 本系统选用a i r m a r 设计的超声波换能器a t 5 0 作为超声波物 位计的探测前端 6 0 9 0 6 0 9 0 图2 2a t 5 0 超声波换能器波束方向特性图 图2 2 体现了a t 5 0 超声波换能器的波束方向特性 主瓣反映了换能器声能的 集聚特性及声束范围 旁瓣表征了换能器声能的分散特性 a t 5 0 的主要特征 规 格参数如下 5 6 谐振频率 5 0 k h z 4 最小发射灵敏度 1 0 6 d br e l 工t p a v a tl m 最小接收灵敏度 1 6 2 d br e 1 v p p a 空载电容 1 k h z 5 7 0 0 p f 5 0 0 矿 声波宽度 一3 d b 全角度 1 2 2 最大驱动电压 2 占空比脉冲束 1 5 0 0 k p 工作温度范围 一4 0 c 9 0 图2 3 是a t 5 0 超声波换能器的外观和它的尺寸图 a t 5 0 超声波换能器的外 壳采用聚酯玻璃 探头表面采用强化环氧玻璃的材料 具有坚固的表面封装和方 便多方面应用的柱形设计 换能器重量为1 6 0 9 对高温 腐蚀等恶劣环境有较强 的适应性 适用于各种工农业生产现场的物位测量 9 电子科技大学硕士学位论文 图2 3a t 5 0 超声波换能器及其尺寸 a t 5 0 超声波换能器的发射电压响应测试及接收电压响应测试如图2 4 所示 图2 5 描述的是a t 5 0 换能器阻抗的频率响应 须翠 t v r r v r 耥擀黝 发射电压响疲 接收电压响应 图2 4a t 5 0 发射 接收电压响应 2 3 超声波物位测量的几个关键因素 慨频响应一 糖频响应一 图2 5a t 5 0 阻抗频率响应 在系统的设计过程中 需要综合考虑换能器的性能 超声波在不同环境中的 特性以及协调电路各个指标之间的平衡 超声波换能器的工作主要受传播介质 环境和电子器件本身的影响 实际应用中要选择一个合适的换能器需要考虑到很 多因素 以下简述应用超声波换能器进行物位测量的一些关键因素 1 8 1 量程 量程即是换能器的最远测量距离 它受很多的因素影响 超声波换能器的测 量距离是通过声脉冲群回波脉冲的测量得到的 设计超声波系统时 传感器本身 以外的许多因素要被考虑 包括 大气环境 激励 接收电路和信号处理等 1 0 第二章超声波物位测量理论分析 2 温度 压力和湿度的影响 温度的变化引起了超声波在空气中传播速度的变化 本系统中所选的a i r r n a r 超声波传感器最佳工作温度被标定在2 2 c 在非常高或非常低的温度下工作可以 导致传感器声学匹配层的去谐和共振频率的偏移 从而降低了传感器的工作性能 共振频率偏移大约 0 8 每1 0 c 或o 8 每 1 0 c 灵敏度的降低在大多数应用 下是允许的 但是在温度变化范围很大的环境中必须要修正 式2 1 2 2 分别表 示了超声波在空气和水中传播时 声速随温度的变化关系 虽然压力会对超声波换能器的工作状态有所影响 但是它不会直接导致声速 的变化 这是由于压力的变化会引起温度的变化 从而会影响声速的变化 压力p 和温度丁之间的关系可以表示为 t 盯尸 r 为常数 压力从只变化到只 温度 从z 到正的对应关系是 7 1p l n i 1 4 l n 玉 2 3 互 相对湿度 1 0 一2 0 3 0 一4 0 一5 0 一 8 7 6 袁 减 d s m 4 3 2 1 4 0 2 002 04 06 08 01 0 0 温度口c 图2 6空气中一个大气压下信号衰减 超声波在空气中的特性随着环境的改变而变化 如图2 6 所示 超声波信号的 衰减是温度 湿度 频率和空气压力的函数 空气中声音的传播速度是温度的主 函数 如式2 1 所示 而湿度对声音传播速度影响较小 下图中温度范围内湿度对 声音传播速度的影响小于o 6 a i r m a r 超声波传感器提供可供选的内部热敏电阻 以对声波进行补偿 而外部温度传感器可在更加宽的范围内进行更精确的校准 电子科技大学硕士学位论文 3 气流和水汽的影响 最远测量距离受空气扰动的影响 空气扰动可使声波偏移 也可干扰超声波 传播 降低回波信号的质量 气流总是试图让声波顺流而行 大气流可以使声波 完全偏离方向 从而探测不到被测目标 声波传播路径上的雪和雨也会削弱声波 从而缩短探测距离 低频传感器发射的超声波波长较长 它受雨雪的影响没有高 频传感器的大 当超声波传感器浸湿在水中时 虽然不会损坏传感器 但其有效 面的流体会使匹配层去谐 从而降低传感器的特性 传感器表面有持续的水流时 将会削弱传感器的性能 4 电 声干扰 超声波传感器易受r f i 射频干扰 和e m i 电磁干扰 的影响 在特定的环 境中需要进行有效的屏蔽和选择有效的屏蔽线 高压力出风口 如 吹风机 鼓风机等 引起大量的超声波干扰噪音 这些 噪音有很宽的频带 很难被滤掉 所以应该避免将超声波探头安装在吹风机等相 关器械附近 安装在振动设备上的传感器也可能接收到一些耦合干扰 如果传感 器易受到振动 应该把振动装置传递给超声波传感器的振动降低到最小 5 被测目标物体 超声波物位计回波信号的强度取决于被测物体的表面特性 所有的被测介质 对超声波都有反射 吸收和传输的现象 实际测量中 液体界面的回波远远好于 固体介质 这是由于固体介质的表面颗粒密布 就导致回波比较分散 与发射波 束垂直的硬的 平滑的 平坦的目标物体返回的回波信号强度最强 这样可以探 测到更远的距离 例如 液体 玻璃 瓷砖地板和金属物体等介质 反射波豪 平沿的反射目标物体 图2 7 超声波以入射角反射 1 2 第二章超声波物位测量理论分析 如果表面是粗糙且不规则的目标物体 那么由于超声波的散射使返回的声波 振幅杂乱无章 这类目标的缺点是返回信号太弱 但它的优点是使得目标阵列不 再重要 另外 不同的材料有范围很广的不同的反射声波的能力 例如 纺织品 和泡沫表面有最低的反射率 导致回波振幅也很低 因此 降低了传感器有效探 测的距离 需要说明的是 如图2 7 所示 如果波束不垂直 即使目标物体非常理 想 波束将会以入射角度被反射 这种情况下 超声波传感器将接收不到回波 例如 如果目标偏移了2 5 0 传感器波束角度1 0 的信号将会以3 d b 的速度衰减 6 波束角度 超声波传感器以一定的波束模式传输能量 大部分能量被集中在主瓣 主瓣 决定着波束的宽度 主瓣外部的能量集中在旁瓣 旁瓣由于产生幻影回波会掩饰 目标的正确位置 任何超声波传感器都无法彻底消除旁瓣 但可以尽量使传感器 的旁瓣降低 本系统所选的a i r m a r 超声波传感器旁瓣水平低于主瓣1 7 d b 图2 2 描述了a t 5 0 超声波换能器波束方向特性图 波束宽度定义为波束方向 特性图一3 d b 水平的全角度 波束角度宽的传感器会降低传感器探测距离 且与窄 波束角度的传感器相比有较弱的目标辨别能力 宽波束在更广的范围内扩散了声 波能量 因此与窄波束传感器相比 从目标返回的声波能量更小 与宽波束相比 在不规则表面返回的回波 窄波束回波振幅变化很大 就像是波动的流体目标一 样 7 环境条件 本系统所用超声波传感器是基本用于空气中对液位或物位进行测量 浸入液 体中使用的 需选用耐腐蚀 防渗漏的特殊材料包装 并且与液体有良好耦合特 性的专用传感器 它可在大部门环境中使用 但是不能接触腐蚀性物质或放在浓 度较高的环境中 大部分化学蒸汽不会损坏该传感器 除了酮 若需要安装在腐 蚀性化学环境或破坏性蒸汽中长期工作的传感器 需要选用专门的材料的超声波 传感器 8 盲区 超声波换能器内部包含一个或者多个压电晶体 以产生压电效应和逆压电效 应分别发射和接收超声波 当压电晶片受到高频电脉冲激励时 会产生一段时间 的共鸣 振铃现象 随着电脉冲的减弱和消失 压电晶片的振动能量会相应减弱 振幅最终将趋向于零 若在接收回波信号期间 共鸣现象依然存在 共鸣会将回 波信号掩盖 从而导致超声波换能器无法准确判定回波 这段时间导致无法测量 的距离范围被称为盲区 共鸣时间越长 盲区越大 1 3 电子科技大学硕士学位论文 盲区是指换能器的表面到被测物位 液位 的最小测量距离 在盲区内 回 波被发射噪声所掩盖而无法识别 盲区是由于振铃现象 r i n g i n g 所产生的 而 振铃现象是因为电脉冲激励作用于压电换能器的压电晶片而造成的持续振动 由 于压电陶瓷的特性和换能器设计的局限性 换能器工作时总会有大量的振铃时间 当脉冲激励停止时 而振铃现象或多或少耗费了部分机械能和电能 超声波换能器振铃的大小是由其设计情况而决定的 相同设计的不同换能器 也由于制造工艺的差别而导致振铃的大小有所差异 用于驱动换能器的不同种类 的电脉冲对于振铃现象也有很大的影响 换能器有很多种类的振动 一些振动和 空气有很大的关系 而一些和空气没有关系 当设计一个超声波系统时 其目标 是以和空气有很大关系的频率驱动换能器 而避免外部的共振 因此 使用窄带 宽的声脉冲群是非常有效的方式 相反地 使用宽带宽的脉冲群会激发非常不理 想的振动 当各种频率的噪声被激发出来时 振铃时间也会随之增加 l 3 43 6 4 04 24 44 6 频率 r i i z 图2 8 邻近二次反应图 所有的空气超声波传感器都有一个二级谐振 它邻近于理想谐振的频率 二 次谐振是为了让压电陶瓷晶片更好地与空气耦合而使用声匹配层的结果 如图 2 8 二次谐振与理想谐振相比 它与空气耦合得更弱而且振铃现象更严重 9 传感器的安装 由于超声波传感器属于机电类型的仪器 一些振动能量被传入传感器的安装 支座 这些刚性支座会加强振动从而延长了振铃时间 传感器在安装时 不应该 被固定在一个承压的安装位置 比如 可以将传感器粘贴在一个滑动的安装孔上 最好仅与传感器的前面或后面的边缘接触 其安装示意图如图2 9 左图所示 如果 传感器需要安装在狭小的空间内 则需要用软的密封胶