0267、超声波测距超声波测距

测试测量 口江西理工大学 蔡改贫 孙爱萍 超声波测距传 用于窑体 变形误差检测 的体 采用非接触式测距方式， 可实现在回转窑 工作过程中进行数据采集与处理，使回转窑窑 变形误差从传统的停机检测过渡到定时或实时监 测， 以降低回转窑的停机率， 并可避免重大事故的 发生，保证生产的正常进行。 回 转窑是建材、 冶金等行业的重大设备， 主要用于对散 状 或浆状 物 料进行 力 燃处理， 窑 体 直径为(P 1 .8 一功 6 m 不等， 长度2 4 一1 2 0 m， 它主要由 筒体、 支承装置和传动装 置三大部分组成， 一般以2 %一 5 %的斜度倾斜布置。 这种设 备通常是在低速、重载、高温、露天环境下运行。 回转窑的筒体内砌有一层耐火砖衬( 简称 “ 窑衬，)， 窑 在长期的运转过程中，由于载荷和温度的作用下筒体会发 生径向变形， 其变形误差范围 一般在一 5 0 - + 5 0 m m 之间。 如果窑体径向变形过大将导致内部窑衬的松动和脱落，引 发 “ 红窑” 事故。 此外， 由于窑体的变形和载荷的作用， 用 于支撑回转窑筒体的支座反力必定会大幅度上升， 严重时 将使支座发生破坏，使生产不能正常进行， 甚至酿成重大 故障和事故。 目 前， 国内对回转窑筒体径向变形误差的检测大多采用 停窑检测。 具体的检测方法是: 将回转窑停机后， 先清理回 转窑筒体被测的外表面， 分别 把窑体停置在0 0一 3 6 0 0的若 干角度方位上，然后用百分表手工测出相应点的径向误差 值。 这种静态测量方法所得到的误差测量值， 反映的只不过 是筒体被测截面处的径向变化， 而不是窑体的轴线变形误差 值， 且很难找出窑体变形量最大的截面， 误差检测的可信度 低， 实时性差， 检测工作效率低。 因此， 需要开发出一套能 够对运转中的回 转窑窑体变形误差测量的计算机检侧系统， 采用非接触式测距方式， 可实现在回转窑的工作过程中 进行 数据采集与处理， 使回转窑窑体变形误差从传统的停机检测 过渡到定时或实时监测， 以降低回转窑的停机率， 并可避免 重大事故的发生， 保证生产的正常进行。 系统的工作原理 由于工业回转窑大多数是在温度高， 粉尘多， 噪声大和 湿度高的环境下连续工作， 况且窑体变形也是一个渐变的过 程， 因 此可以将本检测系统设计成便携式， 定时地对窑体变 形误差进行精确监测，便可满足使用要求。 根据以上分析， 采用非接触式的超声波测距传感器进行 数据采集。因 超声波是由 机械振动产生的声波， 它可以在不 同的介质中以不同的速度进行传播， 指向性强， 波长短， 绕 射现象小， 在传播过程中衰减也很小， 可满足本检测系统的 狈 1 距要求。 本系统采用U C M 4 0 压电陶瓷超声波传感器， 由发 射换能器( U C M 4 0 T ) 和接收换能器( U C M 4 0 R ) 两部分组成。 因 频率为4 0 k H z 左右的超声波在空气中传播的效率最佳， 故应 将被发射的超声波通过单片机调制成4 0 k H z 左右的调制脉冲 信号。 当发射换能器发出的超声波在遇到窑体后反射到接收 换能器时， 单片机便可计算出发射和接收回 波的时间差t , 因此可求出传感器到窑体的距离， 即 1 S= 一 v t 2 ( 1 ) 式中， ， 是超声波的波速。 为了 提高检测效率， 减少因频繁安装传感器带来的安装 误差， 采用了8 个超声波测距传感器沿回转窑的轴线方向等 间距布置， 同时对回 转窑的8 个采样截面进行数据采集， 然 后通过多路选择开关进行分时转换， 采样截面数可由窑体的 长度和检测要求而定。 下位机采用A T M E L 公司的A T 8 9 C 5 1 单片机， A T 8 9 C 5 1 对8 路超声波测距传感器进行顺序采集， 并将所采集的数据 送到数据缓冲区进行存储， 然后送到上位机进行处理。 考虑到温度对超声波波速的影响， 采用温度补偿的方法 对波速进行较正， 以获得更精确的测量数据。 上下位机通过串行异步方式通信时，应将下位机的 1 1 8 电 气 时 代2 0 0 4 年 第1 2 期 万方数据 测试测量 T T L电平转换成上位机的R S一2 3 2 C电平，因此需设计接 口电路。 系统的总结构框图如图1 所示。 发 射 传感器 驱动放大电路 沙 上二二以 单 - - - 一- 一 一 一 ， i I片 温度补偿 接 收 传感器 选频放 大 电路 电压比 较电路 RS 2 3 2 接 口 电路 波信号进行放大， 同时现场有一些杂波信号也会被接收换能 器接收， 要排除这些杂波信号的干扰就要采取相应的抗干扰 措施。 针对以上分析， 设计出如图3 所示的超声波接收电 路 ( 略去多路选择开关) ， 它由 选频放大电路、 电 压比较电路、 锁 频输出电路3 部分组成。 各部分作用如下: 1 ) 选频放大电路的作用是仅允许一定频率的信号通 过并放大， 而其他频率的信号将被阻断或衰减。 只要把选 频放大电路工作的中心频率设定为4 0 k H z ，就可以把其 多路选择开关 图1 系统的总结构框图 ( 1 ) 超声波发射电 路 由 单片机发出的4 0 k H z 脉冲信号的功率较低，只有经 过放大电路放大后， 才能驱动发射换能器发出同频率的超声 波， 因此需要在单片机与多路选择开关之间加人驱动放大电 路 控 制U C M 4 0 T o 图2 为单独一路超声波发射电路( 略去多路选择开关) ， 该电路采用三极管共基极进行信号放大。由 单片机产生的 4 0 k H z 脉冲信号驱动3 个晶体管组成的差动功放电 路触发发 射换能器U C M 4 0 T 。 这种发射电路成本少， 功率大， 发射距 离远。 L 5 ko 图2 超声波发射电路图 他频率的干扰信号清除或衰减， 同时把4 0 k H z 的回波信 号放大。 2 ) 由于发射换能器与接收换能器之间的距离很近， 从 发射换能器发出的部分声波未经窑体反射就直接绕射到接 收换能器上， 将产生部分声波的直接串 绕现象。本文采用 电压比较电路避免这种回波干扰。通过设置该电路的阀值 电压， 使高于该电压的有效回 波信号被转换为高电平输出， 而无效的回波信号则被转换为低电平抑制。 这样就可以通 过选择高电平( 或低电 平) 作为有效信号来达到有效除去串扰 信号的目的。 3 ) L M 5 6 7 是带锁相环的音频译码器， 它同 样 具有选频的 功能， 其2 5 m V 的有效工作电压是由电压比较电 路的输出电 压提供的。 当输人信号的频率落在给定的通频带上时， 锁相 环即将这个信号锁定， 同时在输出 端输出一低电平作为中 断 请求信号，向单片机请求定时结束。 ( 3 ) 温度补偿 超声波是一种声波， 其波速v 受到空气中的温度、 湿度、 压强等因素的影响， 其中受温度的影响最大。 由于回 转窑工 作环境温度较高，因此须通过温度补偿的方法来校正波速， 以获得更精确的测量数据。 超声波的传播波速， 与环境温度 T 的关系如式( 2 ) 所示 ( 2 ) 超声波接收电 路 由于超声波在传播过程中会出 现衰减， 必须将有效的回 v=3 3 1 . 5+0 . 6 0 7 T( 2 ) 在测距之前， 先由 温度传感器测出外界环境的温度值， 图3 超声波接收电 路图 电 气 时 代2 0 0 4 年 第1 2 期 1 1 9 万方数据 测试测量 上传给单片机进行计算并保存， 为下一步计算测量距离做好 准备。 ( 4 ) 多路选择开关 单片机通过控制多 路选择开关来选通8 路超声波传感器 数 据采集电路的工作顺序。本系统采用单端8 通道模拟开关 C D 4 0 5 1 。 其中A , B , C 端口 分别 连接A T 8 9 C 5 1 的P 2 .5 , P 2 .6 和P 2 .7 口， 通过A , B , C 三 端口 不同 的输人状态来选通8 路 超声波传感器发射电 路或接收电路中的某一路。 系统的软件设计 本系统软件采用模块化设计，由 主程序、 测距子程序、 窑体变形计算机动态模拟子程序等主要模块组成。 主程序框 图如图4 所示， 测距子程序框图如图5 所示。 其中下位机测 距子程序采用汇编语言编写， 上位机主程序采用V C + + 编写， 窑体变形动态模拟子程序采用V B 编写， 上下位机通过R S 一 2 3 2 串行口 相连。 图4 主程序框图 图5 测距子程序框图 结论 ( 1 ) 本系统利用超声波测距传感器实现非接触式回 转窑窑 体变形误差的检测， 可以满足不同变形程度的误差检测， 检 测系统的使用范围广。 ( 2 )