超声波液位传感器

1、课程：矿用传感器与自动检测题目：超声波位移传感器的研究设计1 绪论超声波检测技术是一种典型的非接触测量方式,它基于电子学、材料学、物理学等,应用非常广泛。作为波的一种,超声波具有波的所有性质。超声波检测是通过超声波产生、在介质中传播及接收超声波回波的物理过程来实现的。超声波是由机械振动产生的,可在不同介质中以不同的速度传播。在空气介质中,光线、粉尘、烟雾、电磁干扰和有毒气体几乎对超声波测距传感器的性能没有影响,而且超声波测距传感器价格低廉、使用方便。因此,在液位测量、工业自动控制、建筑工程测量、移动机器人视觉识别、汽车倒车防撞系统等许多领域,都得到了非常广泛的应用。2 超声波测距的基本理论声波

2、是一种机械波,它可以在气体、液体和固体等介质中传播。超声波是指频率高于20KHZ,在弹性介质中传播的一种机械振荡。正常人的听觉可以听到20赫兹(Hz)20千赫兹(kHz)的声波,低于20赫兹的声波称为次声波或亚声波,超过20千赫兹的声波称为超声波。超声波是声波大家族中的一员,和可闻声本质上是一致的,它们的共同点都是一种机械振动,通常以纵波的方式在弹性介质内传播,是一种能量和动量的传播形式,其不同点是超声频率高,波长短,在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。2.1 介质的超声波传播特性 (1)声速 如果忽略空气中的水蒸气和其他杂物的影响,超声波在常温下的传播速度是340m/S,空气中温

3、度、湿度、压强等因素对超声波传播速度产生一定的影响,其中以温度的影响为大。一般情况下,温度每升高1,声速增加约为0.6m/s。波速随温度的变化情况如下表1所示:表1 波速随温度的变化表格 温度()-30-20-10 0 10 2030 100波速m/s313319 325 323338 344 349 386 空气中的声波传播速度可近似地表示为: 式中,T为环境温度（）。 (2)声衰减声音衰减指的是声波在介质中传播时,因波束发散、吸收、反射、散射等原因,使声能在传播中减少的现象。引起超声波衰减的主要原因是波束扩散、晶粒散射和介质吸收。在平面波的情况下,距离声源X处的声压P和声强I的衰减规律为:

4、其中，声源x=0处的声压 声源x=0处的声强 系数，NP/cm (奈培/厘米)。2.2 超声波换能器换能器(探头)是一种实现物理能量相互转换的器件,超声波探头可以将电能转换为声能,也可以将声能转换为电能。实现能量的转换,所以,超声探头又称为超声波换能器,它既可以用来发射超声波,也可以用来接收,是超声波测距系统中的关键部件。超声波换能器主要包括机械式超声波换能器、电动式超声波换能器和电声式超声波换能器三种。其中,电声式超声波传感器主要材料有压电晶体(电致伸缩)及镍铁铝合金(磁致伸缩)两类。根据不同的设计,超声波换能器的形状主要有柱型(前后金属盖板直径相同)、喇叭型(前盖板直径通过弧型过度缩小)、

5、柱型中间有节等结构形状。压电换能器是一种电声换能器,它是基于某些晶体的压电效应和逆压电效应来实现电与声能量转换的。压电式超声波传感器主要由压电晶片组成,压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器,它可以将电能转换声能,同时它接收到超声波时,也可以将声能转换成电能。压电式超声波传感器是利用压电晶体的谐振来工作的。某些单晶材料的结构具有非对称特性,当这些材料受到外加应力作用而产生应变时,其内部晶格结构的变化(形变)会破坏原来宏观表现为电中性的状态,产生极化电场(电极化),所产生的电场(电极化强度)与应变的大小成正比。这种现象称为正压电效应,它是由居里兄弟于1880年发现的。随后,在1881年又进一

6、步发现这类单晶材料还具有逆压电效应,即具有正压电效应的材料在受到外加电场作用时,会有应力和应变产生,其应变与外电场的大小成正比。实验表明,在一定限度内的压电效应与逆压电效应是线性的。这就是说,在压电效应时,压电晶体表面电荷密度与应变的大小成正比,当应变改变符号时,电荷也改变符号,在逆压电效应时,压电晶体在外电场作用下应变的大小与电场强度成正比,当电场反向时,应变也反向。压电式换能器是利用某些单晶材料的压电效应和某些多晶材料的电致伸缩效应来将电能与声能进行相互转换的器件。因其电声效率高、功率容量大以及结构和形状可以根据不同的应用分别进行设计,在功率超声领域应用广泛。超声波压电换能器分为单探头和双

7、探头两种方式。单探头方式指的是超声波换能器既用来发射超声波又用来接收超声波的回波信号,即探头同时用于发射与接收。在单探头工作方式下,当发射超声波时,需要对探头施加十几伏、几十伏甚至是上百伏的电压,使探头产生机械振动,这种机械振动通过压电晶片的振动,将机械能转换为声能,激发出超声波。当开始接收超声波时,发射超声波而产生的余震不会立刻消失,发射信号的幅值相对于回波信号的幅值更加明显,使得接收端误将这种震动产生的波当成是回波而产生测量的失误,影响测量的准确性。常规的做法是停止发射后,延迟一段时间,将这段余震的时间避开再开始接收回波,这就导致了盲区的产生。双探头的工作方式是指发射超声波和接收超声波使用

8、两个不同的探头。从单探头盲区产生的这种层面上来分析,采用双探头的工作方式可以彻底消除盲区,并且可以增大测量的距离。但是,在实际应用中,由于发射探头和接收探头间的距离很小,并且声波有衍射的特性,超声波发射探头发出的波可能不经过障碍物的反射,而直接绕道到接收探头上,造成了误报,因此,实际上盲区仍然是存在的。压电换能器是超声波液位传感器的敏感元件,它利用压电效应与逆压电效应完成电能与机械能(声波振动)的转换。选择合适的压电换能器是制作超声波仪器仪表的首要工作,需要考虑以下参数:压电换能器的耐压值、波束角、谐振频率、盲区、回波灵敏度。2.3超声波测距原理超声波测距的方法有几种,相位检测法、声波幅值检测

9、法和渡越时间检测法等。相位检测法测量精度高,但检测范围有限；声波幅值检测法更易受到反射介质的影响；渡越时间检测法实现起来简单,成本低,可测距离范围较大。渡越时间法在短距离范围内会有一定的盲区。经过比较与分析,本文采用渡越时间法作为超声测距方法。渡越时间法超声波测距,原理是测量出超声波从发射到经过障碍物反射的回波到达发射探头的时间,实际上是测量时间。将超声波液位计安装于被测面上方，在单片机的控制下，探头向被测面发射一束超声波脉冲，声波在被测面表面反射，部分反射回波由探头接收并转换为电信号。从超声波发射到重新接收，其时间与探头至被测面的距离成正比。设超声波从发出到遇被测面返回经历的时间为t,可由单

10、片机定时器测出，即可得到液位超声波换能器把液位高度转换成4至20mA电流信号、1至5V电压信号输入单片机，由于温度对声速具有极大的影响，所以本设计采用DS18B20芯片测量环境温度，以修正声速。3 超声波测距的总体方案设计3.1超声波测距误差来源的分析 针对本课题所研究的高精度超声波测距系统,误差来源主要有: (1)启动发射和启动计时之间的偏差; (2)收到回波到回波被检测出的滞后; (3)收到中断到中断响应停止计时之间的滞后; (4)计时器本身的误差;(5)温度、压力、湿度对声速的影响。 大致为上述五个来源,逐一分析如下:第(1)项偏差源于单片机一次只能处理一件事,所以启动发射和启动计时实际

11、上是先后完成的,存在时差,但只要指令速度足够快,其偏差可以忽略,即使需要弥补,也有可能。第(2)项误差源于检测电路的灵敏度和判断偏差,从收到实际回波到电路确认并输出相应信号肯定存在滞后,这和检测电路原理、回波信号强弱以及判断电路的敏感性相关,准确检测回波到达时刻是超声波测距的核心。因为如果灵敏度过高,则会将一些干扰信号误作为回波,导致测量出错,如果过低,又大大限制了检测距离,因为回波衰减是距离的平方关系。这部分误差是导致数据不稳定的主要来源,因为判断滞后会随着回波的强弱而变化。第(3)项误差源于单片机的中断机制,收到中断信号后,单片机不可能立刻响应,至少要完成当前的指令,有时还要等待其它中断服

12、务结束,所以这个滞后时间也不确定,从而导致测量结果的变化。但这个因素可以通过提高单片机速度,使用高优先级中断弱化之。第(4)项误差源于计时器本身,由于目前多数使用晶体振荡器,其稳定度和准确度为2050PPM级别,对于音速而言,其带来的误差在mm级(25us对应340m/s的音速)。为减小此项误差,应该提高计时的最小单位,从而降低量化误差,同时选用质量好的晶振。第(5)项误差是源于环境的影响,由于温度、压力、湿度不同,音速会变化,计时的频率会变化,检测电路的灵敏度也会变化,所以比较复杂,但后两个变化似乎只能忽略,好在其影响量有限,通常可以借助温度补偿电路修正音速变化。3.2 系统的总体设计思想超

13、声波换能器超声波收发电路单片机电路M-BUS通信电路测温电路3.3 超声波测距系统的硬件设计3.3.1单片机电路的设计由于P89LPC936单片机集成了看门狗、CCU比较单元、模拟比较器、A/D转换器等部件，因此简化了电路的设计，同时也节省了成本。单片机采用+3V供电，由稳压芯片HT7130提供，使用2.4576MHz的晶振，每一个机器周期大约为0.8us。单片机的复位方式选择内部上电复位的方式，在选择内部复位时，Pl.5引脚仅作为一个输入引脚，接上拉电阻R9，在软件编写时配置UCFG1.6的RPE位为0，即可使用内部上电复位。下图3.1是P89LPC936单片机电路图。图3.1 单片机最小系

14、统原理图3.3.2超声波发射电路 超声波测距系统发射电路是由超声波激励电路和超声波换能器(探头)组成的。超声波换能器是用来发射与接收超声波的器件,是组成超声波测距系统的最重要的组成部分,其性能指标直接影响到发射和接收超声波的特性,对超声波测距能力起到决定性的作用。激励电路的作用是用来激励超声波换能器,将一定形式的电压激励信号加到换能器上,换能器的压电晶片将电能量转换成超声信号。因此,激励信号也直接影响超声信号的特性。图3.2 超声波发射电路3.3.3超声波接收电路 超声波接收电路的作用就是用来捕捉超声波回波信号,接收系统由两部分组成:其一是信号调理部分;其二是信号采集部分。超声波传感器将超声回

15、波信号转变成电脉冲信号,但是单片机无法直接采集该信号,因为超声波在传播传播过程中以及经不同介质的障碍物反射会有一定的损耗,回波信号幅值随着障碍物距离的增大而减小,因此在信号进入单片之前需要进行放大有效信号,滤除噪声和干扰,以达到最大的信噪比,从而能够得到准确的信息,最后经过比较整形后进入单片机。本文设计的超声波目标测距量程是3cm1m,因此在回波信号的处理过程中要兼顾不同距离反射回来的不同幅值的回波信号，尽量的放大回波信号。本文采用TL084CD芯片对回波信号进行四级放大,然后经放大器输出的信号在进行整形滤波。设计超声波接收电路时，压电换能器等效成电荷或者电压等效电路。电压等效电路适合高频测量

16、,考虑压电换能器的绝缘电阻R,以及电缆电容C,压电换能器电压等效电路如图3.3所示。图3.3 压电换能器的电压等效电路3.3.4回波接收及滤波放大电路 超声波在传播的过程中回波信号随着距离的增大会减小,本文使用TL084CD芯片来放大信号,TL084CD是一款四输入运放、高性能、低噪声的运算放大器,具有相当高的转换率，低输入偏置和偏置电流，低失调电压温度系数。 回波接收及滤波放大电路如图3.4所示:图3.4 回波接收及滤波放大电路4 总结 本文介绍了超声波的类型和介质的超声波传播特性,超声波传感器的类型以及工作方式,介绍了使用渡越时间法测距的原理，分析了使用单探头收发传感和双探头传感器两种方式的优缺点,描述了系统的总体设计，根据超声波测距的原理及系统设计的思想和原则,介绍了超声波测距系统的硬件电路设计,着重介绍了单片机的选型及电路，超声波发射电路，超声波接收电路,包括滤波放大电路。参考文献1王莹.高精度超声波测距仪的研究设计D.北京:华北电力大学,20062冯若.超声手册M.南京,南京大学出版社,1999,103吴超.基于FPGA的超声波测距系统D.武汉:武汉理工大学,20094邹轶.近距离高精度超声波测距系统的设计D.大连:大连理工大学,20095李茂