【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 傳播特性等，研制出了超聲波油量測(cè)量?jī)x的硬件部分，編寫了相應(yīng)的軟件程序，并進(jìn)行了調(diào)試和試運(yùn)行。在硬件電路的設(shè)計(jì)中，由于我們需要測(cè)的距離較長(zhǎng)(幾米到十幾米)，針對(duì)超聲波在傳播時(shí)呈指數(shù)衰減的特性，我們采用了最大限度提高驅(qū)動(dòng)能力、對(duì)回波進(jìn)行多級(jí)放大等措施，擴(kuò)大了測(cè)量的范圍。在軟件設(shè)計(jì)中，我們采用模塊化程序設(shè)計(jì)思想，將軟件分為超聲波驅(qū)動(dòng)與數(shù)據(jù)處理模塊和功能模塊，每個(gè)模塊又由若干小模塊組成。對(duì)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。由于本設(shè)計(jì)對(duì)計(jì)算的精度要求較高，所以采用 C51 編程，借助 C 語(yǔ)言的浮點(diǎn)計(jì)算能力，提高計(jì)算精度。另外，為了保證超聲波油量測(cè)量?jī)x工作的可靠性和穩(wěn)定性，在軟、硬件兩個(gè)方面都采取了相應(yīng)的抗干擾措施。 本文討論了產(chǎn)生誤差的各種原因，提出了相應(yīng)的解決辦法，為研制更完善的超聲波油量測(cè)量?jī)x打下了基礎(chǔ)。長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文5第 2 章 超聲波油量測(cè)量?jī)x測(cè)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 20220Hz 之間，就能引起人的聽覺(jué)。在這一頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)稱為有聲振動(dòng)，聲振動(dòng)所激起的縱波稱為聲波。頻率高于 20220Hz 的機(jī)械波叫做超聲波；頻率低于 20Hz 的機(jī)械波叫做次聲波 [3][6]。 與光波不同，超聲波是一種彈性機(jī)械波，它可以在氣體、液體和固體中傳播。我們知道，電磁波的傳播速度為 3ｘ10 8，而超聲波在空氣中的傳播速度為 340m/s，其速度相對(duì)電磁波是非常慢的。超聲波在相同的傳播媒體里(大氣條件)傳播速度相同，即在相當(dāng)大的頻率范圍內(nèi)聲速不隨頻率變化，波動(dòng)的傳播方向與振動(dòng)方向一致。是縱向振動(dòng)的彈性機(jī)械波，它是借助于傳播介質(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)而傳播的，波動(dòng)方程描述方法與電磁波的是類似的 (21))cos()kxtxA??? (22)ae?0 式中 A (x)為 x 處分子的最大位移量，叫做振幅，A 0 常數(shù)，為波源處分子的振幅，ω為圓頻率， x 為傳播距離，一般選波源處為坐標(biāo)原點(diǎn)，即波源處 x=0，k=2π/λ 又為波數(shù)，t 為時(shí)間；又為波長(zhǎng)；a 為衰減系數(shù)。 衰減系數(shù)與聲波所在介質(zhì)及頻率的關(guān)系為 (23)2bfa? 式中，b 為介質(zhì)常數(shù),f 為振動(dòng)頻率，f=ω/2π 在空氣里，b=2ｘ10 13s2/cm，當(dāng)振動(dòng)的聲波頻率 f=40kHz 代入式 (23)可得 a= 4cm，即 1/a=31m；若 f=30kHz，則1/a=56m。它的物理意義是：聲波在空氣媒質(zhì)里傳播，因空氣分子運(yùn)動(dòng)摩擦等原因，能量被吸收損耗。在(1/a)長(zhǎng)度上，平面聲波的振幅衰減為原來(lái)的 e 分之一，由此可以看出，頻率越高，衰減得越厲害，傳播的距離也越短?？紤]實(shí)際工程測(cè)量要求，在設(shè)計(jì)超聲波油量計(jì)時(shí)，選用頻率戶 40kHz 的超聲波，波長(zhǎng)為 。 超聲波傳感器工作原理 超聲波傳感器基本結(jié)構(gòu)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(shuō)話的頻率范圍為 100Hz~8kHz[9][13]。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(qiáng)，為此利用超聲波的這種性質(zhì)就可以制成超聲波傳感器。另外，超聲波在空氣中傳播的速度長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文6較慢，約為 330m/s，這就使得超聲波傳感器使用變得非常簡(jiǎn)單。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個(gè)超聲波傳感器也可以具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用，即為可逆元件。一般市場(chǎng)上出售的超聲波傳感器有專用型和兼用型，專用型就是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接收器用作接收超聲波；兼用型就是發(fā)送器和接收器為一體傳感器，即可發(fā)送超聲波，又可接收超聲波。超聲波傳感器的諧振頻率( 中心頻率 )有 23kHz、40kHz、75kHz、200kHz 、400kHz 等。諧振頻率變高，則檢測(cè)距離變短，分解力也變高。用超聲波作為感知或檢測(cè)物體的媒介，有非破壞性、遙控性、實(shí)時(shí)、可穿透等優(yōu)點(diǎn)，在許多方面體現(xiàn)了其它方法所沒(méi)有的獨(dú)到之處。很早以前，人們便掌握了超聲波探傷與聲納的技術(shù)。近年來(lái)，超聲波的波長(zhǎng)范圍已達(dá) 181。m 級(jí)，頻率已擴(kuò)大到GHz 領(lǐng)域，分辨率達(dá) 181。m 量級(jí)的超聲波顯微鏡已實(shí)用化。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(jìn)步將對(duì)電子學(xué)的發(fā)展起重要作用。 人們?yōu)檠芯亢蛻?yīng)用超聲波，已發(fā)明設(shè)計(jì)并制成了許多類型的超聲波發(fā)生器：機(jī)械方式和電氣方式產(chǎn)生超聲波發(fā)生器。實(shí)質(zhì)上，超聲波發(fā)生器即是超聲波換能器：它將其它形式的能量轉(zhuǎn)換成超聲波的能量(發(fā)射換能器來(lái)完成)和使超聲波的能量轉(zhuǎn)換成其它易于檢測(cè)的能量(接收換能器來(lái)完成)。一般是用電能和超聲能量相互轉(zhuǎn)換。電氣方式類型包括：壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械式方式有：氣流旋笛、液哨、加爾統(tǒng)笛等。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。目前使用較多的是電氣類中的壓電型超聲波發(fā)生器。 壓電型超聲波傳感器的工作原理：它是借助壓電晶體的諧振來(lái)工作的，即陶瓷的壓電效應(yīng)。其結(jié)構(gòu)原理如圖 21 所示。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。給它的兩電極加脈沖信號(hào)(觸發(fā)脈沖) ，當(dāng)其頻率等于晶片的固有頻率時(shí)，壓電晶片就會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文7動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波。相反，電極間未加電壓，則當(dāng)共振板接收到回波信號(hào)時(shí)，將壓迫兩壓電晶片振動(dòng)，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，此時(shí)的傳感器就成了超聲波接收器。超聲波傳感器用等效電路(如圖 22 所示)來(lái)分析共振頻率附近的超聲波換能器的特性：R0C1C0L1. ...Z1 圖 22 超聲波傳感器等效電路 換能器的能量用 Qm，電能用 Qe 表示。由圖 22 分析可知，Q 恰好是電路的串聯(lián)支路的 Q 值。設(shè)換能器在空載(Z 1=0)和有載(Z 1R1)時(shí)的 Q 值分別為 QM0、Qm，則有： （24）1010mLRC?? （25）10101()Q?? （26）0e? （27）01()CR?超聲波換能的工作效率為： （28）10???當(dāng)交變電信號(hào)從引線加到超聲波發(fā)射器件中，由壓電陶瓷片和諧振片組成的振子會(huì)彎曲振動(dòng)，驅(qū)動(dòng)錐形輻射器發(fā)出超聲波，當(dāng)空中傳來(lái)的超聲波被接收器件的錐形輻射器會(huì)聚后，驅(qū)動(dòng)振子產(chǎn)生彎曲振動(dòng)，從而在電極間輸出與此波動(dòng)相對(duì)應(yīng)的交變電信號(hào)，通過(guò)對(duì)此信號(hào)的處理，可實(shí)現(xiàn)各種檢測(cè)。 超聲波傳感器的檢測(cè)方式長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文8當(dāng)物體在發(fā)送器與接收器之間通過(guò)時(shí)，檢測(cè)超聲波束衰減或遮擋的情況從而判斷有無(wú)物體通過(guò)。這種方式的檢測(cè)距離約 1m，作為標(biāo)準(zhǔn)被檢測(cè)物體使用100mm100mm 的方形板。它與光電傳感器不同，也可以檢測(cè)透明體等。當(dāng)發(fā)送超聲波束碰到被檢測(cè)物體時(shí)，僅檢測(cè)電位器設(shè)定距離內(nèi)物體反射波的方式，從而判斷在設(shè)定距離內(nèi)有無(wú)物體通過(guò)。若被檢測(cè)物體的檢測(cè)面為平面時(shí)，則可檢測(cè)透明體。若被檢測(cè)物體相對(duì)傳感器的檢測(cè)面為傾斜時(shí)，則有時(shí)不能檢測(cè)到被測(cè)物體。若被檢測(cè)物體不是平面形狀，實(shí)際使用超聲波傳感器時(shí)一定要確認(rèn)是否能檢測(cè)到被測(cè)物體。在距離設(shè)定范圍內(nèi)放置的反射板碰到發(fā)送的超聲波束時(shí)，則被檢測(cè)物體遮擋反射板的正常反射波，若檢測(cè)到反射板的反射波衰減或遮擋情況，就能判斷有無(wú)物體通過(guò)。另外，檢測(cè)范圍也可以是由距離切換開關(guān)設(shè)定的范圍?；貧w反射式超聲波傳感器的檢測(cè)方式與穿透超聲波傳感器的相同，主要用于發(fā)送器設(shè)置與布線困難的場(chǎng)合。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。另外，光電傳感器所用的反射板同樣也可以用于這種超聲波傳感器。這種超聲波傳感器可用脈沖市制的超聲波替代光電傳感器的光，因此，可檢測(cè)透明的物體。利用超聲波的傳播速度比光速慢的特點(diǎn)，調(diào)整用門信號(hào)控制被測(cè)物體反射的超聲波的檢測(cè)時(shí)間，可以構(gòu)成限定距離式與限定范圍式超聲波傳感器。 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(yīng)曲線如圖 25 所示。(1)超聲波傳感器型號(hào)代碼例 ： T 4 0 1 6 外殼直徑 （ m m ）中心頻率T ： 發(fā)射 ， R ： 接收(2)超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文9(3)性能指標(biāo) T/R4010 T/R4012 T/R4016中心頻率 40177。1 kHZ 40177。1 kHZ 40177。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/ubar6dB 指向 100deg 80deg 50deg電容 1100177。25%PF 2500177。25%PF 2400177。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。長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)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(shí)，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(jī)輸出方波的頻率為40kHz。 超聲波油量測(cè)量?jī)x測(cè)量原理 測(cè)量原理超聲波測(cè)距的方法有很多種，如相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法和渡越時(shí)間檢測(cè)法等。相位檢測(cè)法雖然精度高，但檢測(cè)范圍非常有限；聲波幅值檢測(cè)法易受反射波的影響。本超聲波油量測(cè)量?jī)x采用渡越時(shí)間檢測(cè)法。 接收器發(fā)射器井蓋井壁lhH油圖 27 為超聲波測(cè)量原理圖儲(chǔ)油罐不是標(biāo)準(zhǔn)的圓柱形或球形，制成以后，計(jì)量部門要進(jìn)行各種測(cè)量繪制出油的高度與油量的對(duì)應(yīng)表，以便查對(duì)。現(xiàn)在常用的人工檢尺法就是用鋼卷尺測(cè)出油長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文11的高度，查表得到儲(chǔ)油量。下面僅以標(biāo)準(zhǔn)的圓柱形油罐為例進(jìn)行說(shuō)明，其他形狀的油罐通過(guò)改變計(jì)算公式同樣可以進(jìn)行油量測(cè)量。本次設(shè)計(jì)的超聲波油量?jī)x的發(fā)射器和接收器是固定在一起的，安裝在罐中表井的蓋子上，也就是罐的頂部。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(qiáng)。用超聲波測(cè)量?jī)?chǔ)罐內(nèi)的油量，實(shí)際就是要測(cè)量罐頂?shù)接兔娴木嚯x，由此算出儲(chǔ)油罐內(nèi)油面的高度，進(jìn)一步計(jì)算出油的體積和重量 [2][7]。從超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波，經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播到接收器的時(shí)間，就是渡越時(shí)間。如圖 27 所示，要測(cè)量?jī)?chǔ)油罐內(nèi)油面的高度 h，可先測(cè)量罐頂?shù)接兔娴木嚯x，又轉(zhuǎn)化為測(cè)量渡越時(shí)間 T，若超聲波的傳播速度為 u，罐的總高度為 H，則 (29)2/THh??由下式計(jì)算測(cè)量誤差 (210)//uTTu????式中，占 181。h 為 h 的測(cè)量誤差，δ T 為渡越時(shí)間的測(cè)量誤差，δ u 為聲速的測(cè)量誤差。如要求 h 的測(cè)量誤差小于 1cm，已知聲速 181。=344m/s ( 20℃時(shí))，忽略聲速誤差，則測(cè)量時(shí)間的誤差 suT ?????顯然，直接用秒表測(cè)時(shí)間是不現(xiàn)實(shí)的。因此，實(shí)現(xiàn)聲波測(cè)距必須避開直接測(cè)量時(shí)間的方法，才能獲得實(shí)用的測(cè)量精度。在這里使用單片機(jī)定時(shí)器計(jì)數(shù)，間接測(cè)量時(shí)間，可以把聲波傳播的時(shí)間精度提高到所需準(zhǔn)確度。具體的做法是，每隔一段時(shí)間發(fā)射一串超聲波脈沖，在發(fā)射脈沖串的同時(shí)開始單片機(jī)定時(shí)器記數(shù)，在超聲波接收器接收到反射信號(hào)時(shí)，停止單片機(jī)計(jì)數(shù)。單片機(jī)定時(shí)一器所計(jì)的時(shí)間，就是渡越時(shí)間，代入式(29)中，就可以算出油量。由于超聲波是一種聲波，其速度與溫度有關(guān)，u≈(+)m/s，t 為攝氏溫度，在使用中，根據(jù)環(huán)境溫度的變化，要經(jīng)常進(jìn)行標(biāo)定，否則將會(huì)有比較大的誤差，這也是本儀器需要改進(jìn)之處。 超聲波測(cè)距的理論分析 超聲波油量測(cè)量?jī)x已經(jīng)廣泛應(yīng)用于石油化工領(lǐng)域，與傳統(tǒng)的液位測(cè)量?jī)x表相比，它具有原理簡(jiǎn)單、易于微機(jī)控制、無(wú)接觸測(cè)量、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn) [1][5]。由于液位測(cè)量?jī)x一般安裝在儲(chǔ)油罐的井蓋上，測(cè)量的空間非常窄小，而超聲波又是不可見波，超聲波傳感器的接收器接收到的信號(hào)，是否正好是從液面反射的信號(hào)，無(wú)法確定，一般存在三種可能情況：（本測(cè)量?jī)x也適用于一般的液體，故做一般性討論) (1)從液面反射的信號(hào)。 (2)儲(chǔ)油罐井壁反射的信號(hào)。長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文12 (3)超聲波傳感器的發(fā)射器發(fā)出信號(hào)，經(jīng)液面上方的氣體層，穿過(guò)液體層，在罐底反射，再經(jīng)過(guò)液體、氣體，直到被接收器接收。 如果這三種信號(hào)都足夠強(qiáng)，就