【正文】 的不準(zhǔn)確，因此傳統(tǒng)的比重測量方法操作麻煩、效率低，易受外界因素影響，局限性太大。僅僅依靠傳統(tǒng)的測量 比重的方法己經(jīng)顯得很落后，迫切的需要一種更加快捷方便的測量手段的出現(xiàn)。本文著眼于研究一種方便快捷的測量液體比重的可行性。 本文主要研究了利用超聲波傳感器測量開口式鉛酸蓄電池的比重。目前，傳統(tǒng)的測量開口式鉛酸蓄電池比重的方法是利用比重計，將比重計放進(jìn)電解液要等其在液體中穩(wěn)定后才能讀取比重值，其過程要耗費(fèi)大量的時間，效率不高并且不能實時在線的測量比重值，況且浪費(fèi)人力物力。本文研究利用超聲波測量液體的比重值，用單片機(jī)控制超聲波的發(fā)射和接收，將超聲波在電解液中傳播，然后得到定長的傳播時間差，以此來研究測量液體的比重 值。 研究超聲波測量液體比重的方法的直接現(xiàn)實意義是，可以在線實時測量鉛酸蓄電池中的稀硫酸電解液的比重，著眼于研究一種不同于傳統(tǒng)的、更加方便快捷的測量方法。同時，超聲波測量還具有不受光線、顏色以及電、磁場的影響，能承受有毒、灰塵或煙霧等惡劣環(huán)境。本方法可以有效地提高測量比重的效率 ， 另外，根據(jù)實踐， 20℃ 的相對密度值 ρ 每下降，相當(dāng)于鉛酸蓄電池放電 6%。因此測量比重也可以判斷蓄電池的儲電量和放電程度。 研究現(xiàn)狀 本節(jié)分兩方面進(jìn)行介紹，首先介紹液體比重測量的現(xiàn)狀及主要方法，然后介紹超聲波 感器的研究現(xiàn)狀。 2 佳木 斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院 目前，測量液體比重的物理方法主要有以下幾種 :一是用比重計來測量 (20℃ )，首先放在恒溫箱中恒溫，然后就可以直接讀出溶液比重，也可以用波美比重計來測出波美度，然后根據(jù)波美度用內(nèi)插法計算出比重 ； 二是用移液管移取一定體積的待測溶液，然后用萬分之一的分析天平稱量，算出比重 ； 還有是用帶有溫度表的比重杯來測量，可以精確地觀察到溫度對溶液比重的影響。密度計和比重杯已經(jīng)可以解決大部分要求不是很精確的溶劑和膏狀體，但對蓄電池電解液比重值這樣的 高精確 的測量，顯然不能滿足要求。 隨著電子技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展和 日臻成熟，以及對比重測量要求的不斷提高，電子傳感器測量液體比重逐漸發(fā)展起來。目前主要的方法有以下幾種。 (l) 線陣 CCD 測量航空電纜鉛酸蓄電池電解液的比重。電荷耦合器件 CCD 是一種新型光電轉(zhuǎn)換器件，它具有測量速度快、精度高、可靠性好的優(yōu)點，因而在遙感、信號處理、工業(yè)測量及軍事等方面得到廣泛應(yīng)用。利用線陣 CCD 可 對硫酸比重進(jìn)行非接觸測量，但此種方法一般是針對密封式航空蓄電池，對一般的開口式鉛酸蓄電池，這種方法是一種資源的浪費(fèi)。 (2) 用音叉?zhèn)鞲衅鳒y量液體比重。此種方法是利用微型計算機(jī)控制測量系統(tǒng)，已達(dá)到連 續(xù)測量液體的比重的方法，該方法用的傳感器是一個充滿液體的空心音叉。其測量比重的基本原理是讓此液體成為諧振元件的一部分，從而影響其諧振頻率，裝置的基諧方式的諧振頻率為液體比重的函數(shù)，壓電方法被用來迫使裝置振蕩并記錄此諧振，微型機(jī)控制掃描頻率，探測諧振頻率并將此頻率變換為比重值。此方法因為音叉裝置太大，不方便放進(jìn)蓄電池的單格中，因此也不便用來測量蓄電池電解液的比重。 (3) 光纖 CCD 技術(shù)測量液體比重。應(yīng)用光導(dǎo)纖維及電荷藕合器件技術(shù)測量液體比重，其工作原理是利用半導(dǎo)體激光器或半導(dǎo)體發(fā)光管作為光源，經(jīng)光纖藕合變成 平行光束，高精度玻璃比重計置于平行光路中，由于高精度比重計上端和特制的圓錐體相連，因此當(dāng)液體比重變化時，使得比重計向上或向下移動，置于比重計之上的圓錐體將改變平行光束在 CCD 傳感器上的投影面積，從而改變 CCD 傳感器的輸出信號，上端的錐體的直徑越大， CCD 中的陰影面積越大，也就是表示 CCD 器件上被擋光的光電元素的個數(shù)的多少，再經(jīng)單片機(jī)和控制電路得到錐體寬度和對應(yīng)液體比重數(shù)值。此方法也是因為要把浮子放進(jìn)被測液體中，同樣存在液體粘滯性導(dǎo)致讀取誤差過大。同時此方法要保持 CCD 器件窗口玻璃清潔，灰塵和污物的附著會影響 測量的結(jié)果。 超聲波是一種機(jī)械波，能夠在氣體、液體、固體中傳播。根據(jù)聲波頻率的范圍，把聲波分為次聲波、聲波、超聲波和微波。其中，頻率在 16～ 20200Hz 之間能為人耳所聞的機(jī)械波，3 佳木 斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院 微波 稱為聲波 ； 頻率低于 16Hz 的機(jī)械波，稱為次聲波 ； 頻率高于 20200Hz 的機(jī)械波，稱為超聲波。聲波頻率的界限如圖 11 所示，其中，一般工業(yè)探測使用的頻率約為 105～ 106Hz。 圖 11 聲波的頻率界限圖 隨著超聲波傳感器技術(shù)的日臻成熟，隨之的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷的擴(kuò)展，目前超聲波傳感器主要應(yīng) 用于超聲探傷、超聲測距、超聲清洗、超聲診斷 等， 下面分別對其進(jìn)行說明 。 (l) 超聲探傷 ： 運(yùn)用超聲檢測的方法檢測的儀器稱之為超聲波探傷儀。它的工作原理是超聲波在被檢測材料中傳播時，材料的聲學(xué)特性和內(nèi)部組織的變化對超聲波的傳播產(chǎn)生一定的影響，通過對超聲波受影響程度和狀況的探測了解材料性能和結(jié)構(gòu)變化的技術(shù)稱為超聲探傷。超聲探傷方法通常有穿透法、脈沖反射法 和 串列法等。 (2) 超聲測距 ： 它的工作原理是超聲波換能器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接 收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為 340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間 t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離 s，即 s=340*(t/2)， 這種方法又稱為時間差測距法。超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度己知，測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間，根據(jù)發(fā)射和接收的時間差計算出發(fā)射點到障礙物的實際距離。 (3) 超聲清洗 ： 它的工作原理是由超聲波發(fā)生器發(fā)出的高頻振蕩信號，通過換能器轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振蕩而傳播到介質(zhì)，清洗溶劑中超聲波在清洗液中疏密相間的向前輻射，使液體流動而產(chǎn)生數(shù)以萬計 的微小氣泡，存在于液體中的微小氣泡 (空化核 )在聲場的作用下振動，當(dāng)聲壓達(dá)到一定值時，氣泡迅速增長，然后突然閉合，在氣泡閉合時產(chǎn)生沖擊波，在其周圍產(chǎn)生上千個大氣壓力，破壞不溶性污物而使它們分散于清洗液中，當(dāng)團(tuán)體粒子被油污裹著而粘附在清洗件表面時，油被乳化，固體粒子即脫離，從而達(dá)到清洗件表面凈化的目的。 (4) 超聲診斷 ： 它的工作原理為 :首先將超聲波發(fā)射到人體內(nèi)，當(dāng)它在體內(nèi)遇到人體組織超聲波 f/Hz 101 102 103 104 105 106 聲波 107 次聲波 語言 音樂 探測 4 佳木 斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院 的界面時會發(fā)生反射及折射，并且在人體組織中可能被吸收而衰減。因為人體各組織的形態(tài)與結(jié)構(gòu)是不相同的，因此其反射與折射以及吸收超聲波 的程度也就不同，醫(yī)生們正是通過儀器所反映出的波型、曲線，或影像的特征來辨別它們。此外再結(jié)合解剖學(xué)知識、正常與病理的改變，便可診斷所檢查的器官是否有病。 在未來的應(yīng)用中，超聲波將與信息技術(shù)、新材料技術(shù)結(jié)合起來，將出現(xiàn)更多的智能化、高靈敏度的超聲波傳感器。 本文的研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu) 本文在充分研究超聲波傳感器有關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用單片機(jī)作為控制核心，利用一對超聲波換能器，外加相應(yīng)的發(fā)射驅(qū)動和接收驅(qū)動電路組成超聲波傳感器，通過將超聲波在液體中定長傳播來測得傳播時間，再通過數(shù)據(jù)分析來研究液體的比重。具體過程為 ，由 晶振電路輸出的方波脈沖信號經(jīng)過超聲波發(fā)射換能器，引起發(fā)射換能器的諧振片發(fā)生機(jī)械振動，發(fā)射換能器的諧振片發(fā)出的機(jī)械振動就使被測液體發(fā)生受迫振動。接收換能器接收到經(jīng)被測液體傳遞過來超聲波能量，引起接收換能器的諧振片發(fā)生共振，再經(jīng)內(nèi)部轉(zhuǎn)換將機(jī)械振動再次轉(zhuǎn)換成電脈沖信號。當(dāng)被測液體的比重發(fā)生變化時，超聲波傳播定長距離的發(fā)射和接收波形的相位及傳播時間都會有所不同，就是根據(jù)這一原理來研究液體比重測量的。 本文結(jié)構(gòu)如下 : (1) 第 1 章 緒論：介紹課題的研究背景、目的和意義，研究現(xiàn)狀及本文的研究內(nèi)容。 (2) 第 2 章 總體設(shè)計方案：先介紹開口式鉛酸蓄電池的基本情況，又對組成超聲波傳感器的換能器做了詳細(xì)的分析說明，這兩小節(jié)為下面的設(shè)計要求做了鋪墊；接著給出了工作原理的結(jié)構(gòu)框圖，并對各部分提出了具體的要求，最后提出軟件實現(xiàn)的要求。 (3) 第 3 章 超聲波 比重測試的硬件 設(shè)計：本章主要涉及到硬件電路的具體設(shè)計，給出了發(fā)射電路、接收電路、 單片機(jī)的外圍電路 和電源電路，并對各個部分進(jìn)行了調(diào)試，給出了詳細(xì)的設(shè)計電路圖，見附錄。 (4) 第 4 章 超聲波比重測試的軟件設(shè)計 ：首先 給出主程序流程圖，并附加了中斷程序流程圖和溫度傳 感器測溫程序流程圖，并根據(jù)流程圖編寫了相應(yīng)程序，見附錄。 5 佳木 斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院 第 2 章 總體設(shè)計方案 本章在研究鉛酸蓄電池的工作原理和超聲波換能器的基礎(chǔ)上，給出了超聲波測量比重的總體設(shè)計方案，概述了整體框架及軟硬件部分的總體要求，本章對后續(xù)章節(jié)起到總綱的作用。 鉛酸蓄電池工作原理 本文利用超聲波傳感器測量液體的比重，主要是為測量開口式鉛酸蓄電池中的電解液比重而服務(wù)的。 鉛酸蓄電池的正極活性物質(zhì)是二氧化鉛，負(fù)極活性物質(zhì)是粉狀的金屬鉛，主要特點是采用硫酸做電解液進(jìn)行充放電反應(yīng)來工作的，也就是本系統(tǒng)所要完成的測量稀硫酸的 比重，電解液的密度為 ～ 。荷電狀態(tài)下，正極主要成分為二氧化鉛，負(fù)極主要成分為鉛 。放電狀態(tài)下，正負(fù)極的主要成分均為硫酸鉛。在鉛酸蓄電池中要求稀硫酸濃度為 177。(25℃ 時 )，因此在鉛酸蓄電池中，電解液稀硫酸的濃度大小對蓄電池中電能的存儲和蓄電池的使用壽命影響很大。 鉛酸蓄電池的工作方式分為充電工作方式和放電工作方式兩種，這兩種工作方式分別對應(yīng)不同的化學(xué)反應(yīng)，同時也與稀硫酸的比重有著極為密切的關(guān)系。當(dāng)其進(jìn)行工作時，正、負(fù)極上發(fā)生的形成放電電流的主導(dǎo) 的電化學(xué)反應(yīng)被稱為成流反應(yīng)。實際電池體系往往很復(fù)雜，但比重值與儲存電能是有關(guān)系的，本文就是通過測量其電解質(zhì)的比重來監(jiān)測鉛酸蓄電池的最佳工作狀態(tài)。 鉛酸蓄電池的工作過程也就是里面的電解液和電極發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的過程。其中，充電反應(yīng)的化學(xué)方程式為 : PbSO4+2H2O=Pb(負(fù)極 )+PbO2(正極 )+2H2SO4 放電過程反應(yīng)的化學(xué)方程式為 : Pb(負(fù)極 )+PbO2(正極 )+2H2SO4=PbSO4+2H2O 公式 (21)、 (22)的正確性可從 以下三個方面得到證 實： (l) 用化學(xué)分析等方法確認(rèn)正極活性物 質(zhì)的組成為 PbO2，負(fù)極活性物質(zhì)的組成為 Pb。 (21)(22)6 佳木 斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院 (2) 當(dāng)通過 2F 電量時，測量 H2SO4濃度的變化，相當(dāng)于消耗了 2 個克當(dāng)量的 H2SO4并生成了 2 個克當(dāng)量的 H2O，這與電池的總反應(yīng)一致 。 (3) 根據(jù)熱力學(xué)數(shù)據(jù)計算電池的電動勢，與測量值一致。 由以上分析可以道，電解液比重對蓄電池起著至關(guān)重要的作用，電解液比重的過大或者過小都會對蓄電池的正常工作帶來不良的影響。對單格電池，當(dāng)比重值達(dá)到一定數(shù)值就代表充電結(jié)束。因此，測量開口式鉛酸蓄電池的電解液比重，以維持鉛酸蓄電池的最佳工作狀態(tài)，了解電解液密度及其與放電程度和鉛 酸蓄電池端電壓的關(guān)系。 超聲波換能器 超聲波換能器是組成超聲波傳感器的重要部件，在超聲系統(tǒng)中是實現(xiàn)電能和聲能相互轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵，其參數(shù)直接決定著超聲波傳感器的外圍電路設(shè)計和工作情況，其性能直接影響著檢測能力及檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性。超聲換能器 由 三部分組成 ： 換能器 ； 增幅器 (又稱二級桿、變幅桿 )； 焊頭 (又稱焊模 )。其最基本的功能是能把電壓信號轉(zhuǎn)換成超聲波，完成電能與機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換。目前工業(yè)探測用的超聲波換能器頻率多為 1～ 10MHz。圖 21 為工業(yè)檢測用的超聲波換能器。 圖 21 超 聲波換能器 超聲波換能器是一種可逆換能器，又稱為超聲波探頭 ，它 是利用超聲波特性研制而成的。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能器晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠定向傳播 。 另外超聲波傳感器還具有性價比高、硬件實現(xiàn)簡單等優(yōu)點。超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在不7 佳木 斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院 透明的固體中，可用作工業(yè)探傷。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。 超聲換能器的核心是 其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個探頭的性能是不同的，我們在選用換能器之前必須預(yù)先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括 ： (1) 工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率，當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的功率和能量最大，靈敏度也最高。 (2) 工作溫度。由于壓電材料的居里點一般比較高，特別是診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間的工作而不失效。而醫(yī)療用的超聲波探頭的溫度比較高 ，需要單獨(dú)的制冷設(shè)備。 (3) 靈敏度。主要取決于制造晶片本身 ， 機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高 ； 反之，靈敏度低。 超聲波換能器按其工作原理，可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等。下面主要介紹本系統(tǒng)所選用的壓電式超聲波換能器。 目前最常用