【正文】 分析信號強度和環(huán)境溫度等有關(guān)信息，這樣即便在有擾動條件下讀數(shù)也是精確的。 (5)雷達液位儀 雷達液位 儀 發(fā)明于 60 年代 ，通常采用調(diào)頻雷達原理，利 用同步調(diào)頻脈沖技術(shù)，將微波發(fā)射器和接收器安裝在罐頂，向液面發(fā)射頻率調(diào)制的微波信號。雷達液位 儀 的測量精度較高，而且無需定期維修和重新定標，但是安裝比較復雜且價格不菲。激光液位儀非常適用于開口很 窄 的容器及高溫、高粘度的測量對象。 γ射線液位儀特別適用于傳統(tǒng)測量儀表不能解決的測量問題，因為測量件沒有任何部件與被測物體相接觸。液位開關(guān)信號可現(xiàn)場顯示，還能發(fā)出控制信號，有的還采用二線制，能直接和計算機接口。從計量方法看主要有三種：檢尺法、液位法和靜壓法。[1+(空高 )x3‰] 。目前石化部門使用的大型儲 油 罐大多是立式圓柱形 油 罐或球形 油 罐，其容量一般在 1000～100000m3 之間，很小的測量誤差會造成很大的絕對誤差。這種方法的缺點是測量精度低，速度 慢，勞動強度大，不便于微機管理。激光的傳播速度很快，不便于信號處理。 超聲波在空氣中的傳播速度為 340 米 /秒，與光的傳播速度 (3x108米 /秒 )相比小很多，因此對超聲波信號的處理也容易很多，加之成本較低，所以，超聲波是比較理想信號源。該超聲波油量測 量儀使用簡便，與傳統(tǒng)的測量方法相比具有非接觸、精度高、實時測量 、 可靠性強等優(yōu)點。對軟件的這種處理不但能使軟件的結(jié)構(gòu)清晰，而且有利于軟件的調(diào)試和修改。 長春工業(yè)大學學位學士論文 5 第 2 章 超聲波油量測量儀測量原理 概 述 在彈性媒質(zhì)中，如果波源所激起的縱波的頻率在 20Hz到 20200Hz之間，就能引起人的聽覺。我們知道，電磁波的傳播速度為 3ｘ 108，而超聲波在空氣中 的傳播速度為 340m/s，其速度相對電磁波是非常慢的。它的物理意義是：聲波在空氣媒質(zhì)里傳播，因空氣分子運動摩擦等原因，能量被吸收損耗。 超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強，為此利用超聲波的這種性質(zhì)就可以制成超聲波傳感器。超聲波傳感器的諧振頻率 (中心頻率 )有 23kHz、 40kHz、 75kHz、 200kHz、 400kHz 等。近年來，超聲波的波長范圍已達 181。 人們?yōu)檠芯亢蛻贸暡ǎ?已 發(fā)明設計并制成了許多類型的超聲波發(fā)生器：機械方式和電氣方式產(chǎn)生超聲波發(fā)生器。各種類型的超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲波的功率、頻率和聲波特性都不相同。 共 振 板壓 電 晶 體電 極 板 圖 21 超聲波傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 超聲波傳感器有兩塊壓電晶片和一塊共振板。由圖 22 分析可知， Q 恰好是電路的串聯(lián)支路的 Q 值。它與光電傳感器不同，也可以檢測透明體等。若被檢測物體不是平面形狀，實際使用超聲波傳感器時一定要確認是否能檢測到被測物體。若反射面為固定的平面物體，則可用作回歸反射式超聲波傳感器的反射板。 T/R40 超聲波傳感器 本儀器所采用的 TR4016 型超聲波傳感器的壓電效應曲線如圖 25 所示。1 kHZ 發(fā)射聲壓大于 107Db 大于 112dB 大于 115dB 接收靈敏度 74dB/v/uBar 67dB/v/uBar 64dB/v/ubar 6dB 指向 100deg 80deg 50deg 電容 1100177。 長春工業(yè)大學學位學士論文 10 由這些特性曲線 可知： T/R40 超聲波傳感器在輸入頻率為 40kHz時，各種特性都呈現(xiàn)出最佳狀態(tài)，因此為了得到最佳效果必須使單片機輸出方波的頻率為 40kHz。 接 收 器發(fā) 射 器井 蓋井 壁lhH油 圖 27 為超聲波測量原理圖 儲油罐不是標準的圓柱形或球形，制成以后，計量部門要進行各種測量繪制出油的高度與油量的對應表，以便查對。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強。h為 h的測量誤差， δT為渡越時間的測量誤差， δu為聲速的測量誤差。在這里使 用單片機定時器計數(shù)，間接測量時間，可以把聲波傳播的時間精度提高到所需準確度。 超聲波測距的理論分析 超聲波油量測量儀已經(jīng)廣泛應用于石油化工領域，與傳統(tǒng)的液位 測 量儀表相比，它具有原理簡單、易于微機控制、無接觸測量、價格低廉等優(yōu)點 [1][5]。 長春工業(yè)大學學位學士論文 12 如果這三種信號都足夠強，就會給信號處理帶來一定的困難，使處理器無法分辨哪個是有用的信號，從而造成測量上的誤差。引起衰減的原因大致有三個： 。我們把超聲波傳感器發(fā)出的超聲波近似看成是平面波，其聲壓不隨傳播距離變化，故忽略擴散衰減。Aω； P 為介質(zhì)密度：軸的正方向； ω為超聲波的圓頻率， ω=2πf； f 為振動頻率； 181。沿著波的傳播方向 10 米處 x=10 處： 7 2 ??? ??? eeAA 就是 說聲波傳播出去 l0m后，振幅衰減了約 1/40[16]。 如圖 28 所示，當聲平面波垂直入射到聲特性阻抗不同的兩種介質(zhì)的平界面時，入射波的能量 I0 的一部分進入介質(zhì) II，透射波能量為 (It)；另一部分被界面反射，仍在 I 中傳播，其能量為 (Ir) 根據(jù)能量守恒定律 0 trI I I?? (213) 聲壓反射系數(shù) 0 2 1 2 1/ ( ) /( )rr p p z z z z? ? ? ? (214) 聲壓透射系數(shù) 0 2 2 1/ 2 /( )tt p p z z z? ? ? (215) 長春工業(yè)大學學位學士論文 13 聲強反射系數(shù) 2 2 20 2 1 2 1/ ( ) / ( )rR I I r z z z z? ? ? ? ? (216) 聲強透射系數(shù) 2 2 2 20 2 0 1 1 2 1 2/ ( / 2 ) / ( / 2 ) 4 / ( )ttT I I p z p z z z z z? ? ? ? (217) 在空氣與液體（如汽油）的界面上，計算 r、 t、 R、 T 3 1 2 11 . 2 9 3 4 0 4 3 9z c k g m m s k g m s? ? ? ? ?? ? ? ?空 氣 空 氣 空 氣 3 3 1 3 2 10 . 7 1 1 0 1 4 0 0 9 8 0 1 0z c k g m m s k g m s? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?汽 油 汽 油 汽 油 波束從空氣中入射到界面， 12z z z z??空 氣 汽 油， 3 3 32 1 2 1( ) / ( ) ( 9 8 0 1 0 4 3 9 ) / ( 9 8 0 1 0 ) 0 . 9 9 9r z z z z k g m? ? ? ? ? ? ? ? r 為正值，說明入射波和反射波相位相同，反射波聲壓占入射波聲壓的 %。由于波的強度正比于振幅的平方，透射波的振幅已經(jīng)很小很小了，以后的傳播過程可以不考慮。 長春工業(yè)大學學位學士論文 14 超聲波的方向性很強，擴散得很少，加上這部分信號多次反射，所以被接收器接收到的可能性很小，可以不作考慮。由超聲波的發(fā)射器發(fā)射超聲波，聲波遇到障礙物后反射，由超聲波接收器接收 。硬件主要包括 AT89C51 單片機最小系統(tǒng)、超 聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、 8279 接口電路、鍵盤顯示電路、打印接口電路和與上位機通信的接口電路等部分 。 工作過程 在超聲波油量測量儀開始測距前需要通過鍵盤輸入一些相關(guān)參數(shù)，以便能按照要求計算出距離，進而計算出油的重量、體積等數(shù)據(jù)。中斷返回 后再發(fā)送下一串脈沖。操作人員可以通過一臺 上位機對多個油量測量儀進行測量、數(shù)據(jù)傳輸以及輸出打印等控制。 超聲波發(fā)射電路的作用是將單片機送來的 40kHz 的脈沖信號放大到 20V,以滿足超聲波發(fā)射傳感器的驅(qū)動要求。由于 CPU的機時比較緊張，所以用 8279 接口電路來管理鍵盤和顯示，它可以獨立于 CPU 自行工作，不占 CPU的機時。 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器 (FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory)的低電壓，高性能 CMOS 8 位微處理器，俗稱單片機。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器， AT89C2051 是它的一種精簡版本。 VCC：供電電壓。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FLASH 編程和校驗時，P1 口作為第八位地址接收。P2 口當用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存 儲器進行存取時， P2 口輸出地址的高八位。當 P3 口寫入 ―1‖后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。當振蕩器復位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。另外，該引腳被略微拉高。但在訪 問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 /PSEN 信號將不出現(xiàn)。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。T/2 即可算出超聲波傳感器到障礙物之間的距離，其中 181。 長春工業(yè)大學學位學士論文 20 超聲波發(fā)射電路原理圖 根據(jù)硬件設計思想，這部分電路要將單片機 管腳輸出的 40kHz 脈沖信號的幅度放大 20V 左右，以滿足超聲波傳感器發(fā)射器的要求，所以超聲波發(fā)射電路主要是由一個含有大功率 CMOS 管 IRF640 的放大電路、變壓器和一個超聲波發(fā)射換能器構(gòu)成。變壓器在這里主要起隔離作用。 超聲波 接收電路原理圖 接收部分電路主要由兩個放大電路、一個電壓比較器和一個 D 觸發(fā)器構(gòu)成。 其次，在實驗中還發(fā)現(xiàn)：在接收電路等待回波信號時，由于輸入端懸空，使得電路一直有干擾信號，而且這種干擾，影響回波信號的正常接收，所以在輸入端加了一個電阻 R10，以消除這種干擾。 LM311是一個通用型集成電壓比較器，它具有低的偏置電流和失調(diào)電流 (典型值分別為 100nA 和 6nA )，其響應速度為 200ns。12V的雙電源供電。這樣回波信號最終轉(zhuǎn)換成了 AT89C51 的中斷信號，實現(xiàn)了硬件設計思想。 顯示部分按掃描方式工作，可以連接 8 位或 16 位顯示。采用專用芯片 8279 獨立于 CPU工作對顯示鍵盤自動掃描，可大大提高 CPU的工作效率。 D 觸發(fā)器的 D 端 AT89C51 的 管腳。12V )。 根據(jù)硬件電路的設計思想：最終要將回波信號轉(zhuǎn)換成單片機的中斷信號，所以在對回波信號 (正弦波 )經(jīng)過兩次放大以后，需要將正弦波轉(zhuǎn) 換成方波，于是后面接了一個電壓比較電路和一個 D 觸發(fā)器。所以在放大電路之前接了一個雙向開關(guān) 4066, 4066 的控制端接 AT89C51 的 管腳，當 管腳發(fā)脈沖時，將 管腳置成低電平，雙向開關(guān)導通，即 4066 的 1, 2 管腳接通，使得放大電路的輸入端接地以屏蔽發(fā)射 探頭直接傳過來的干擾信號。 長春工業(yè)大學學位學士論文 21 超聲波接收電路 超聲波接收電路功能 如圖 34 所示，超聲波接收器將接收到回波信號轉(zhuǎn)換成電壓信號 (正弦波 )，經(jīng)過兩級放大以后，被送入電壓比較器進行比較，電壓比較器輸出的方波信號控制 D 觸發(fā)器的時鐘端，將 D 端口上預先設置好的低電平從 Q 端發(fā)送出，該低電平作為AT89C51 外部中斷 0 的中斷信號使 AT89C51 產(chǎn)生中斷，在中斷服務程序中停止計數(shù)器 T1 的計時，并計算出有關(guān)數(shù)據(jù)。由于單片機 P0 口的輸出電壓為 5V,其驅(qū)動能力達不到要求，所以用了一個大功率的 CMOS 管 IRF640 來驅(qū)動超聲波傳感器的發(fā)射器。 由于要測量的距離不固定，可能還是動態(tài)的，所以用 AT98C51 的 管腳，發(fā)出間歇式的脈沖串 (每 20 個脈沖為一串 )，等到接收到回波并計算出距離后再發(fā)下一串脈沖。 超聲波發(fā)射電路設計 超聲波發(fā)射電路功能 超聲波發(fā)射器在幅 度為 20V，頻率為 40kHz 的方波驅(qū)動下，發(fā)出頻率為 40kHz的超聲波，遇障礙物后反射，由超聲波的接收器接收回波。注意加密方式 1 時， /EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當 /EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。 /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下所示： RXD(串行輸入口 ) TXD(串行輸出口 ) /INT0(外部中斷 0) /INT1(外部中斷 1) 1234567891011121314151617181920 21222324252627282930313233