田文成，周西峰，郭前崗

　?。暇┼]電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210023）

　　摘要：超聲波測(cè)距具有一系列優(yōu)點(diǎn)，但影響測(cè)量精度的因素有很多，因此難以達(dá)到較高的精度。在超聲波測(cè)距原理基礎(chǔ)上，針對(duì)單超聲波換能器溫度或溫、濕度補(bǔ)償方案單一，不能在多變、惡劣環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)距的缺陷，以及雙超聲波換能器標(biāo)準(zhǔn)擋板補(bǔ)償方案成本高，不能廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域中的缺陷，設(shè)計(jì)了借助舵機(jī)控制超聲波換能器方向的單超聲波換能器標(biāo)準(zhǔn)擋板補(bǔ)償方案。并針對(duì)無(wú)法精確捕捉第一個(gè)回波前沿的要求，提出了使用可編程增益放大器捕獲不同距離返回的回波前沿。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在7 m范圍內(nèi)，以空氣作為傳播介質(zhì)，反射面為水等具有良好發(fā)射性能物質(zhì)時(shí)，測(cè)量誤差控制在0.4%內(nèi)，該改進(jìn)方法能夠在惡劣多變環(huán)境下實(shí)現(xiàn)低成本的高精度測(cè)距。

　　關(guān)鍵詞： 標(biāo)準(zhǔn)擋板; 可變?cè)鲆?/a>; 高精度; 低成本

　　中圖分類號(hào)：TP216文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.09.023

　　引用格式：田文成，周西峰，郭前崗.一種改進(jìn)的高精度超聲波液位測(cè)量方法的研究［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（9）：78-80，84.

0引言

　　目前，液位測(cè)量的方法有很多，如浮子式液位測(cè)量、投入壓助式液位測(cè)量、微波雷達(dá)液位測(cè)量、紅外液位測(cè)量、激光液位測(cè)量和超聲波液位測(cè)量。其中，以接觸式測(cè)量為代表的壓力式傳感器在多泥沙等場(chǎng)景中使用會(huì)受到污染，繼而產(chǎn)生較大誤差［1］。而對(duì)于非接觸式測(cè)距系統(tǒng)，微波雷達(dá)液位測(cè)量的實(shí)現(xiàn)技術(shù)難度大、成本高；紅外液位測(cè)量成本低、易于實(shí)現(xiàn)，但方向性差、精度低；而超聲波液位測(cè)量既可以做到不接觸液面，避免了液體污染和腐蝕對(duì)測(cè)量設(shè)備的影響，且不受光線、煙霧、電磁干擾，具有分辨率較高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、成本低等優(yōu)勢(shì)［2］。

　　超聲波測(cè)距方法主要有相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法和渡越時(shí)間檢測(cè)法。相位檢測(cè)法雖然精度高，但測(cè)量范圍有限，因而應(yīng)用較少；聲波幅值檢測(cè)法精度低、易受反射波影響；而渡越時(shí)間法介于前兩種方法之間，精度較高、測(cè)量范圍較廣，被廣泛使用［34］。

　　在實(shí)際應(yīng)用中，測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)測(cè)距精度影響很大，因此分析超聲波測(cè)距的工作原理和流程，改進(jìn)測(cè)距的方式和方法，提高超聲波測(cè)距精度的研究越發(fā)引起重視。根據(jù)測(cè)距系統(tǒng)應(yīng)用具體環(huán)境的不同，提高精度的方法也略有差異。本文圍繞減小外界環(huán)境的影響、超聲波頻率的選擇等方面進(jìn)行分析，結(jié)合具體系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，提高了超聲波液位測(cè)量精度。

1超聲波測(cè)距原理

　　用于距離測(cè)量的超聲波，通常是由壓電陶瓷的壓電效應(yīng)產(chǎn)生，這種壓電陶瓷傳感器有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板，當(dāng)兩級(jí)外加脈沖信號(hào)的頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波；當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片產(chǎn)生振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)［56］。

　　超聲波測(cè)距原理如圖1所示。利用已知超聲波在空氣中的傳播速度v，超聲波換能器垂直向液面發(fā)射超聲波，聲波在水面與氣體的分界面發(fā)生反射，并回傳至超聲波換能器，記錄傳播時(shí)間t，即從發(fā)射超聲波信號(hào)到接收到超聲回波信號(hào)所經(jīng)歷的時(shí)間，可得換能器到液面之間的距離L=0.5vt［78］，繼而得出實(shí)際的液面高度為：

　　S=H-L=H-0.5vt(1)

2影響測(cè)量因素及解決辦法

　　根據(jù)式(1)可知，影響超聲波測(cè)距精度的主要因素是超聲波傳播速度和超聲波傳播時(shí)間。此外還有影響測(cè)量范圍和精度的超聲波頻率。這里，不研究討論傳播時(shí)間，只對(duì)其他兩個(gè)方面產(chǎn)生的誤差進(jìn)行研究分析，并提出合理的解決辦法。

　　2.1超聲波傳播速度

　　大多文獻(xiàn)提出使用溫度校正方法對(duì)聲速進(jìn)行補(bǔ)償，其傳播速度公式為v=331.5+0.607T，其中，T為溫度(℃)。而后，文獻(xiàn)［9］提出了溫度、濕度雙補(bǔ)償方法，其傳播速度公式為：

　　其中，pw為水蒸氣的分壓強(qiáng)，p為大氣壓強(qiáng)，T0為絕對(duì)溫度，t為測(cè)量的空氣溫度，v為經(jīng)補(bǔ)償后的超聲波波速。筆者認(rèn)為實(shí)際空氣并不是完全干燥的，對(duì)空氣平均摩爾質(zhì)量和比熱比值進(jìn)行修正，該方法雖然比文獻(xiàn)［10］多考慮了濕度對(duì)聲速的影響，但實(shí)際環(huán)境條件下，傳播速度還與傳播介質(zhì)、風(fēng)速、壓強(qiáng)等因素有關(guān)，因此測(cè)量結(jié)果仍存在較大誤差。

　　基于環(huán)境對(duì)傳播速度的影響，有文獻(xiàn)提出標(biāo)桿測(cè)量方法，其原理是采用雙通道的方法，一個(gè)通道用于測(cè)量超聲波傳播速度，在超聲波換能器前安置一個(gè)已知距離的標(biāo)準(zhǔn)擋板，通過(guò)測(cè)量超聲波到達(dá)該擋板的時(shí)間差以計(jì)算超聲波在該環(huán)境下的傳播速度；另一通道仍按正常測(cè)量方法測(cè)量距離。于是，文獻(xiàn)［11］提出如圖2所示的標(biāo)準(zhǔn)擋板安裝方式，該方法可以實(shí)現(xiàn)較高精度測(cè)量，且適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境，但對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)擋板的安裝有嚴(yán)格的要求，因此相應(yīng)計(jì)算比圖3雙超聲波換能器安裝位置圖較繁雜，且實(shí)際環(huán)境的不確定性可能導(dǎo)致超聲波到達(dá)擋板的過(guò)程中經(jīng)多次反射產(chǎn)生無(wú)用超聲波，影響測(cè)量精度。于是，文獻(xiàn)［12］提出采用雙超聲波換能器，如圖3所示。一個(gè)用于測(cè)量傳播速度，一個(gè)用于測(cè)量傳播時(shí)間，互不影響。雖然該方法減小了計(jì)算復(fù)雜度，且消除了無(wú)用超聲波，提高了測(cè)量精度，但兩個(gè)換能器的成本比較大，不利于普及。

　　基于上述研究分析，本文提出采用舵機(jī)控制單超聲波換能器方向的方法，不僅將影響傳播速度的影響因素考慮在內(nèi)，還降低成本，利于在各個(gè)領(lǐng)域中普及。如圖4所示，標(biāo)準(zhǔn)擋板垂直放置，且與超聲波換能器置于同一水平線上，兩者之間距離固定，且大于超聲波換能器盲區(qū)的距離；由舵機(jī)控制超聲波換能器的方向，單片機(jī)發(fā)送指令使舵機(jī)控制換能器垂直面向液面，并發(fā)送超聲波測(cè)得傳播時(shí)間，繼而控制換能器轉(zhuǎn)動(dòng)90°，垂直面向標(biāo)準(zhǔn)擋板，并發(fā)送超聲波測(cè)得傳播速度。

　　2.2超聲波頻率

　　超聲波在空氣中傳播的波動(dòng)方程為：

　　其中，A為超聲波換能器接收的振幅，A0為超聲波換能器發(fā)射的初始振幅，x為超聲波的傳播距離，ω為超聲波的角頻率，t為超聲波的傳播時(shí)間，λ為超聲波波長(zhǎng)，α為超聲波的衰減系數(shù)，其公式為α=bf2，其中，b為介質(zhì)常數(shù)，f為超聲波頻率。

　　根據(jù)式(3)可知，超聲波在空氣中的傳播距離達(dá)到0.5α?xí)r，超聲波的振幅衰減為原來(lái)的1/e。超聲波頻率越高，衰減越嚴(yán)重，可檢測(cè)的距離范圍越小，但發(fā)射的超聲波擴(kuò)散角越小，波束越細(xì)，指向性越好。

　　文獻(xiàn)［13］提出使用雙比較器整形以確定回波前沿的方法，但由于實(shí)際測(cè)量環(huán)境的不確定性，設(shè)置的兩個(gè)比較器閾值可能都太小或太大，導(dǎo)致測(cè)量精度降低。基于此，本文提出使用可編程增益放大器PGA112，通過(guò)多次的增益校正提高捕獲第一回波前沿的精度。

3軟件設(shè)計(jì)

　　3.1程序設(shè)計(jì)思想及相關(guān)注意點(diǎn)

　　為實(shí)現(xiàn)高精度液位測(cè)量，該軟件要完成的工作：（1）產(chǎn)生40 kHz超聲波；（2）測(cè)量超聲波的傳播時(shí)間；（3）控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向，以達(dá)到控制超聲波換能器發(fā)射、接收端方向；（4）測(cè)量超聲波的傳播速度；（5）根據(jù)距離的遠(yuǎn)近選擇適當(dāng)?shù)某暡l率作為檢測(cè)對(duì)象；（6）計(jì)算液位高度，進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示等相應(yīng)動(dòng)作。該裝置40 kHz的脈沖串由軟件產(chǎn)生；對(duì)超聲波的傳播時(shí)間和傳播速度的測(cè)量，以及舵機(jī)的轉(zhuǎn)向控制采用單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器完成。

　　編寫系統(tǒng)程序時(shí)考慮硬件連接的同時(shí)，還要考慮設(shè)置存儲(chǔ)空間、寄存器和外部中斷引腳的使用等。另外，因?yàn)橛杏嗾窈驼凵洳ɡ@射的存在，因此在發(fā)射超聲波結(jié)束后需要延時(shí)一段時(shí)間才能接收回波進(jìn)行相應(yīng)處理。

　　3.2主程序流程

　　系統(tǒng)采用模塊化程序設(shè)計(jì)，包括主程序模塊、超聲波傳播時(shí)間測(cè)量模塊、舵機(jī)轉(zhuǎn)向模塊、超聲波傳播速度測(cè)量模塊、液位計(jì)算模塊、數(shù)據(jù)顯示等相應(yīng)動(dòng)作模塊。系統(tǒng)初始化后，使用while(1)語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)如下無(wú)限循環(huán)：首先調(diào)用超聲波傳播時(shí)間測(cè)量模塊，發(fā)射超聲波的同時(shí)，打開(kāi)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，并關(guān)閉外部中斷。延時(shí)1 ms，再打開(kāi)外部中斷，等待回波。當(dāng)檢測(cè)到回波時(shí)，在外部中斷程序停止計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，把定時(shí)器的值存儲(chǔ)起來(lái)，同時(shí)回波接收標(biāo)志位置1。接著調(diào)用舵機(jī)轉(zhuǎn)向模塊，打開(kāi)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，且控制位置1，當(dāng)脈沖寬度大于2.5 ms，控制位置0；計(jì)數(shù)滿3 ms，則計(jì)數(shù)器清零，使舵機(jī)轉(zhuǎn)向90°。然后調(diào)用超聲波傳播速度測(cè)量模塊，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)擋板的固定距離計(jì)算得出聲速。舵機(jī)轉(zhuǎn)向模塊中，設(shè)置脈沖寬度為1.5 ms，使得舵機(jī)轉(zhuǎn)向0°。最后單片機(jī)調(diào)用液位計(jì)算程序并進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示等相應(yīng)動(dòng)作。其中，軟件設(shè)計(jì)的測(cè)距程序流程如圖5所示。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

　　本系統(tǒng)將軟件固化到STC12C5A60S2單片機(jī)上。為驗(yàn)證超聲波液位測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量效果，在室外選取一個(gè)流速相對(duì)平穩(wěn)的水罐進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)控制閥門實(shí)現(xiàn)水位變化，該系統(tǒng)安裝在距離罐底7 m的位置。采用3次測(cè)量取平均值的方法，減小系統(tǒng)隨機(jī)誤差。

　　測(cè)量結(jié)果與水尺測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量和誤差分析，該系統(tǒng)測(cè)量盲區(qū)為30 mm，測(cè)量誤差基本控制在0.4%，實(shí)現(xiàn)了高精度測(cè)距，能夠滿足工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的測(cè)量需求。

5結(jié)束語(yǔ)

　　超聲波液位測(cè)量系統(tǒng)中，在充分分析超聲波測(cè)距誤差原因的基礎(chǔ)上，針對(duì)超聲波傳播速度的測(cè)量，根據(jù)環(huán)境因素的影響以及成本問(wèn)題的考慮，提出了利用舵機(jī)控制超聲波換能器方向以達(dá)到節(jié)約成本、簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)又全面考慮環(huán)境影響因素的擋板補(bǔ)償修正方法，該方法是目前在液位測(cè)量相關(guān)文獻(xiàn)中尚未提及的方法和技術(shù)手段。針對(duì)第一超聲回波前沿的精確捕獲，采用了增益可編程方法，提高了對(duì)第一回波前沿的捕獲，從而提高了測(cè)距的精度。在以節(jié)能環(huán)保簡(jiǎn)約為主題的工農(nóng)業(yè)應(yīng)用中，該改進(jìn)方法以其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，成為超聲波液位測(cè)量的新思路。

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