超声波液位计的设计与实现

超声波在空气中的传播速度为340m/s，因此，如果能测出超声波在空气中的传播时间，就能算出其传播的距离。超声波测量液位，就是通过测定超声波传播的时间间隙来测出声波传送的距离。具体方法：见图1。由安装于被测容器顶部的超声波探头向液面发射一束超声波，声波被液面反射后，由探头接收。控制器测得传播时间t，根据声速v，即可得出液面至探头的空间距离L。在已经探头至容器底部距离，即安装高度H的前提下，可得出容器内的液位高度h。计算公式为：

H=H-L其中L=v·t/2

另外，由于空气温度对声速有一定的影响，所以还应测出环境空气温度T，以修正声速。公式为：

v=331.46 0.61·T(℃)

　　　　2超声波液位计的主要电路

超声波液位计由超声波探头,发射控制与接收处理电路,控制器和显示等部分组成。其硬件结构框图如图2所示。收发及换能器探头由压电式换能器、收发器及温度补偿电路组成;收发器包括发射控制与接收处理电路,主要由超声波发射脉宽控制、回波信号检波、比较、微分、整形等信号处理电路组成;显示电路采用 74LS164和LED组成,完成系统参数及液位高度的显示;控制器是以80C552单片微机组成的应用系统,主要完成按键的扫描处理,超声波的发射控制,接收回波时间的计算,以及液位的换算等。本文重点介绍为了提高测量精度及减小测量盲区对超声波回波检测所采取的软硬件措施。电路如图3所示。

　　当超声波发射时,发射波或接收的回波皆可经接收回路将信号由In端输入,通过检波、放大、比较、微分,在D触发器的R端形成尖脉冲。该脉冲信号经D触发器整形得到一个下跳变的窄脉冲,送到80C552的INT端。通过20C552的中断系统记录每次中断时刻,根据相邻两次中断的时间间隔,也就知道了从发射至接收到回波这段时间,即超声波来回传播的时间,从而可以计算出传播的距离。

3提高测量精度、缩小测量盲区的措施

本文重点阐述了在利用超声波检测中为提高测量精度以及减小测量盲区所采取的软、硬件措施。

在超声波发射以及存在较强余振的时候,是不能同时检测回波的。因此,在距探头发射面较近的一定距离内不能正常检测,形成检测盲区。一般常见的国内外超声波仪表盲区范围大于0.30m。通过对测量精度以及盲区形成原因进行具体的分析,得出盲区的大小主要与发射波的强弱以及回波检测的方法有关。一般情况下, 当距离相同时,发射波强,接收的回波信号就强,但余振也强,盲区就大。反之,则小。当发射波强度相同时,检测距离愈近,接收的回波信号愈强,盲区愈大。其次,当超声波探头向液面发射一束超声波后,该波在液面与探头之间多次反射,使接收回路产生多个回波,在80C552形成一串中断信号。其中发射脉冲宽度对测量精度的影响很大,为此,本仪器在设计时采取以下措施：①自动控制发射波的强弱以减小检测盲区。具体做法是通过测试性的发射和距离的检测,使得发射波的弱强随检测距离的变化而变化。②在软件设计中实施一些特殊的处理方法,郡在记录回波的时刻中,每次测量连续记录四次回波时刻,在计算回波时间时,以最后两次的时刻差作为超声波的传播时间。这样处理就避免了发射脉冲宽度对测量的影响,从而使测量更加准确,并且还可使盲区最小减到0.05m。

另外,为了防止干扰波及发射波宽度和多次回波的重叠对测量的影响,本设计在接收回波的电路中,增加了一个电平可变的门限,该电平由80C552的PWM 脉宽调制端通过必要的接口电路形成的D/A转换器的输出提供。门限电平的高低应尽量使产生回波的中断时刻发生在靠近回波波形的中心位置,以减小波形宽度对测量时间的影响。

通过上述处理,对于所要求测量范围0.20m~8m内,测量最大误差为0.006m，且重复性好由于本文设计的超声波液位计,具有硬件结构简单,工作可靠及上述的特点,因此,它不仅可用于化工、电力、石油等行业的液位测量中,还可以用在其它的测距系统中。