【正文】 ? ? ? 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 %。引起衰減的原因大致有三個： 。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。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。它與光電傳感器不同，也可以檢測透明體等。 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。它的物理意義是：聲波在空氣媒質里傳播，因空氣分子運動摩擦等原因，能量被吸收損耗。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。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。 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。它可以將各種干擾過濾出來，識別多重回波，長春工業(yè)大學學位學士論文 2 分析信號強度和環(huán)境溫度等有關信息，這樣即便在有擾動條件下讀數(shù)也是精確的。浮子的重量足以帶動多孔鋼帶通過齒輪裝置推動機械計數(shù)器作現(xiàn)場顯示，同時帶動電動變送器，以便獲得遠距離顯示。 這套系統(tǒng)軟硬件設計合理、工作穩(wěn)定、性能良好、檢測速度快、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到設計的要求。 Ultrasonic Wave。機械鋼帶式液位儀的優(yōu)點是：結構簡單、價格低；缺點是：僅能測液位，傳動部件多，可靠性較差，又因需要罐內(nèi)安裝，維護困難。2mm，輸出信號符合 HART 協(xié)議或 profibus 總線標準或 FF 總線標準。較典型的是利用超聲波穿透空氣及液體時衰減率的顯著差別來檢測液面的超聲液位開關；利用空氣和液體對振動體的阻尼差別 來檢測液位的振動式液位開關；以及利用空氣和液體電導率的不同來檢測液位的電導式液位開關。 人工檢尺法是利用浸入式刻度鋼皮尺測量液位，操作人員需要爬到儲罐的頂部進行測量。在軟件設計中，我們采用模塊化程序設計思想，將軟件分為超聲波驅動與數(shù)據(jù)處理模塊和功能模塊，每個模塊又由若干小模塊組成。 超聲波傳感器工作原理 超聲波傳感器基本結構及工作原理 人們可以聽到的聲音頻率為 20Hz～ 20kHz，即為可聽聲波，超出此頻率范圍的聲音，即 20Hz以下的聲音稱為低頻聲波， 20kHz以上的聲音稱為超聲波，一般說話的頻率范圍為 100Hz~8kHz[9][13]。電氣方式類型包括：壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械式方式有：氣流旋笛、液哨、加爾統(tǒng) 笛等。若被檢測物體相對傳感器的檢測面為傾斜時，則有時不能檢測到被測物體。25%PF 允許輸入電壓 20V 20V 20V (4)典型特性曲線 聲壓電平和靈敏度特性曲線如圖 2圖 26 所示。因此，實現(xiàn)聲波測距必須避開直 接測量時間的方法， 才能獲得實用的測量精度。 某一點 (x 處 )瞬間所具有的壓強，與沒有聲波存在時該點的靜壓強之差，稱為該點的聲壓 (P)。 由此可知，在此界面上雖然透射波的聲壓比較大，但是波的能量非常小，幾乎都被反射回空氣介質中。如采用看門狗電路防止系統(tǒng)進入死循環(huán)，對信號的處理采用了放大、濾波等措施。 根據(jù)設計要求： ① 在測量前 需要先輸入一些參數(shù)； ② 系統(tǒng)計算出油的體積、重量后要通過顯示器實時地顯示出來； ③ 需要有一些控制按鈕來執(zhí)行不同的操作，因此需要用到 4 個 7 段碼顯示器和一個 3ｘ 4 的鍵盤陣列。當 P1口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。 RST：復位輸入。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V編程電源 (VPP)。 由此可見，接收電路完成了超聲波回波信號的轉換、信號的放大和整形以及產(chǎn)生中斷信號等功能。平時該管腳置成高電平，當 AT89C51發(fā)送完驅動脈沖串以后，在允許外部中斷 0 中斷的同時，將 置成低電平；當接收到回波信號，并將其轉換成 D 觸發(fā)器的時鐘信號后， D 管腳的低電平將通過 D 觸長春工業(yè)大學學位學士論文 22 發(fā)器的 Q 端送出，作為 AT89C51 的外部中斷 0 的中斷信號。在本系統(tǒng)中采用了 177。它的工作原理是這樣的： 管腳輸出頻率為 40kHz的方波，用來控制 Q3 的導通與截止，從而在變壓器的輸入端得到一個幅度將近 20V 的方波，使得超聲波的發(fā)射器得到足夠的能量。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次 /PSEN 有效。 P3 口： P3 口管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL門電流。 (2)芯片的引腳描述 ： CHMOS 制造工藝的 89C51 單片機采用 40 引腳的雙列直插封裝（ DIP 方式），在單片機的 40 條引腳中有 2 條專用于主電源的引腳， 2 條外接晶體的引腳， 4 條控制與其它電源復用的引腳， 32 條輸入 /輸出（ I/O）引腳。 它的各部分電路的說明如下： 89C51 單片機 最小系統(tǒng)是超聲波油量測量儀的核心部分，其主要任務是 ① 發(fā)出 40KHz的脈沖串用來驅動超聲波發(fā)射換能器發(fā)出超聲波； ② 通過定時器 T1 對超聲波的傳輸時間進行計時： ③ 根據(jù)測出的時間和有關參數(shù)計算出距離、體積等數(shù)據(jù)； ④控制參數(shù)的輸入和數(shù)據(jù)的顯示。 與上位機通訊接口單片機系統(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 圖 31 超聲波油量測量儀的總體設計框圖 超聲波油量測量儀是由硬件和軟件兩部分組成。 下面討論波被反射、折射時的情況。 我們知道，超聲波在實際介質中傳播時，其能量將隨距離的增大而逐漸減小，這種現(xiàn)象稱為衰減。 如圖 27 所示，要測量儲油罐內(nèi)油 面 的高度 h，可先測量罐頂?shù)接兔娴木嚯x，又轉化為測量渡越時間 T，若超聲波的傳播速度為 u，罐的總高度為 H，則 2/uTHh ?? (29) 由下式計算測量誤差 2/2/ uTT Tuu ??? ??? (210) 式中，占 181。1 kHZ 40177。這種方式的檢測距離約 1m，作為標準被檢測物體使用 100mm100mm的方 形板。在這種頻率范圍，超聲波敏感元件成為薄膜狀，與傳統(tǒng)的形狀大相徑庭，它的進步將對電子學的發(fā)展起重要作用。 衰減系數(shù)與聲波所在介質及頻率的關系為 2bfa? (23) 式中， b 為介質常數(shù) ,f 為振動頻率， f=ω/2π 在空氣里， b=2ｘ 1013s2/cm，當振動的聲波 頻率 f=40kHz 代入式 (23)可得 a= 104cm，即 1/a=31m；若 f=30kHz，則1/a=56m。為了克服這些缺點，本課題利用單片機 AT89C51 為核心，控制超聲波對油量進行自動檢測和數(shù)據(jù)處理，提供了一個帶顯示，鍵盤和微型打印機的人機對話界面，且能與 PC 機通信。 超聲波油量測量儀的研究目的及意義 在石油化工領域中，儲油罐中油量的 測 量越來越顯示出其重要地位 。由于液位與 γ射線衰減量是非線性關 系，所以必須通過統(tǒng)計標定。智能化的超聲波液位 測量 儀帶有一個功能很強的智能回波分析軟件包。這種液位儀采用一個又大又重的浮子，由一條多孔鋼帶將浮子連接至一個 恒轉矩裝置或平衡錘。軟件設計中，我們采用模塊化程序設計思想，將軟件分為超聲波驅動與數(shù)據(jù)處理模塊、功能模塊兩大類。 Liquid Level Measurement 長春工業(yè)大學學位學士論文 III 畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。適用范圍為存儲非腐蝕液體的常壓罐、高壓罐。 (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，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。液位開關信號可現(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。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。對軟件的這種處理不但能使軟件的結構清晰，而且有利于軟件的調(diào)試和修改。 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就可以制成超聲波傳感器。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。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。 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。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。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。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。 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)。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。 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。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。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 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)器構成。這樣回波信號最終轉換成了 AT89C51 的中斷信號，實現(xiàn)了硬件設計思想。12V )。由于單片機 P0 口的輸出電壓為 5V,其驅動能力達不到要求，所以用了一個大功率的 CMOS 管 IRF640 來驅動超聲波傳感器的發(fā)射器。 /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。 P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 (1) AT89C51 的主要性能包括： 1. 與 MCS51 微控制器產(chǎn)品系列兼容； 2. 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器 ； 3. 編程所需的所有時序和電壓，均不需外部電路供給； 4. 存儲器可循環(huán)寫入 /擦除 1000 次； 5. 存儲數(shù)據(jù)保存時間為 10 年； 6. 全靜態(tài)工作：可由 0Hz到 24MHz ； 7. 程序存儲器具有 3 級鎖存保護； 8. 128ｘ 8 位內(nèi)部 RAM ； 9. 32 條可編程 I/O 線； 10. 2 個 16 位定時器 /計數(shù)器； 11. 具有 5 個中斷源； 12. 可編程串行通道 13. 空閑狀態(tài)維持低功耗和掉電狀態(tài)保護存儲內(nèi)容。 超聲波油量測量儀的硬件設計思想 按設計要求，根據(jù)超聲波測距原理，以 AT89C51 單片機系統(tǒng)為核心，開發(fā)超聲波油量測量儀。 根據(jù)設計要求，本油量檢測儀需要將超聲波檢測技術與計算機技術相結合，對儲油罐中的油量進行自動測量，并能顯示和打印出有關數(shù)據(jù)，還能與上位機進行通訊便于監(jiān)控和管理 [19][23]。 )/(2 cpI ?? (212) ρc為聲特性阻抗，記作 Z=ρc 由 (211)， (212)式知， I≤A2,那么聲波傳播出去約 10 米后，聲強就衰減了 1/2，這就要求在處理超聲波接收器接收到的信號時采 取多級放大的辦法。下面將就此問題進行討論。 從超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波，經(jīng)氣體介質的傳播到接收器的時間，就是渡越時間。1 kHZ 40177。 超聲波傳感器的 檢測方式 當物體在發(fā)送器與接收器之間通過時，檢測超聲波束衰減或遮擋的情況從而判斷有無物體通過。m 量級的超聲波顯微鏡已 實用化。是縱向振動的彈性機械波，它是借助于傳播介質的分子運動而傳播的，波動方程描述方法與電磁波的是類似的 )c os ()( kxtxAA ?? ? (21) axeAxA ?? 0)( (22) 式中 A (x)為 x處分子的最大位移量，叫做振幅， A0常數(shù)，為波源處分子的振幅，ω為圓頻率， x為傳播距離，一般