【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 介紹了各部分硬件電路的實(shí)現(xiàn)辦法以及一些芯片的介紹；第四章介紹了系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)思路；第五章是是系統(tǒng)的調(diào)試過程以及調(diào)試結(jié)果和系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)論。 基于多傳感器融合的復(fù)雜邊界液面高度測(cè)量裝置的研究 第 5 頁 共 48 頁2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)在復(fù)雜的液位邊界條件下，液位表面通常不平整，此時(shí)，若采用單個(gè)傳感器測(cè)距，測(cè)量結(jié)果的誤差較大，所以在精度要求高的場(chǎng)合，需要多個(gè)傳感器測(cè)量多組數(shù)據(jù)，經(jīng)過一定算法，得到更加與實(shí)際液位高度更接近的結(jié)果。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想按系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)在液位的上方固定多個(gè)測(cè)距傳感器，如圖 21 所示。在圖21 中，若只是單點(diǎn)測(cè)距，傳感器按在 A、B、C 三點(diǎn)的任一點(diǎn)，則測(cè)距顯示正常，但是在 D 點(diǎn)早已超出警戒要求。所以，本設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)多個(gè)測(cè)距傳感器位于液位上方，測(cè)量多組數(shù)據(jù)，最后基于一定算法，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜邊界液面條件下所測(cè)距離的最佳精確，所測(cè)的實(shí)時(shí)液位高度滿足 。其中，S S S n 為 n 點(diǎn)測(cè)量的距離，),.(321nSfH?f 是算法函數(shù)。圖 21 復(fù)雜邊界液面的多點(diǎn)測(cè)量示意圖現(xiàn)在具體系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就在于選擇每點(diǎn)測(cè)距方案，以及選擇所測(cè)多點(diǎn)數(shù)據(jù)的融合算法，而提高每點(diǎn)測(cè)距的精確度又是提高系統(tǒng)最終測(cè)量結(jié)果的關(guān)鍵。對(duì)比所有可能的液位測(cè)量方案，本文在每一點(diǎn)測(cè)距方案上選擇超聲波測(cè)距技術(shù)，采用三點(diǎn)法測(cè)距，在液位上方選用三個(gè)超聲波探頭，每組探頭測(cè)量若干組數(shù)據(jù)，然后基于一定算法處理結(jié)果。超聲波測(cè)距技術(shù)現(xiàn)在也越來越成熟，并且超聲波測(cè)距不受光線、被測(cè)對(duì)象顏色等 基于多傳感器融合的復(fù)雜邊界液面高度測(cè)量裝置的研究 第 6 頁 共 48 頁因素的影響，對(duì)于被測(cè)物體處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下具有一定的適應(yīng)能力和很高的分辨力，因而其準(zhǔn)確度也較其它方法為高；而且超聲波傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、信號(hào)處理可靠、技術(shù)成熟、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，對(duì)于本科生而言，更加易實(shí)現(xiàn)。 超聲波的傳播人的耳朵能分辨在 20HZ~20KHZ 之間的聲波頻率，頻率大于 20KHZ 或小于 20HZ的聲波是聽不見的。因此，我們將頻率高于 20KHZ 的聲波稱為超聲波。發(fā)射的超聲波頻率和周期 T 通常只和觸發(fā)超聲波的聲源振動(dòng)頻率和周期有關(guān)，因此超聲波的頻率和周期是與介質(zhì)本身特性無關(guān)的量 [12]。超聲波的波長(zhǎng)是指超聲波的波峰與波峰( 或波谷與波谷) 之間的距離，波長(zhǎng)與頻率成反比，與速度成正比，關(guān)系如(2l)所示。 (21)fc?? 在公式 21 中，λ 為超聲波波長(zhǎng)。C 為超聲波傳播速度 。f 為超聲波的頻率。 超聲波的傳播速度 C 和聲波波形只與傳播介質(zhì)的彈性常數(shù)及介質(zhì)密度有關(guān)。在相當(dāng)大的頻率范圍內(nèi)，速度和頻率變化無關(guān)，即不同頻率的超聲波在相同的傳播介質(zhì)中速度相同。超聲波是借助于傳播介質(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)而傳播的，在傳播過程中，由于空氣分子運(yùn)動(dòng)摩擦、空氣中雜質(zhì)等原因，超聲波能量在傳播過程中被吸收損耗，超聲波能量會(huì)發(fā)生衰減，衰減系數(shù)與超聲波所在介質(zhì)及頻率的關(guān)系為: (22)2af???在公式 22 中:α 為衰減系數(shù)。a 為介質(zhì)常數(shù)。f 為振動(dòng)頻率。由此可以看出，當(dāng)頻率越高時(shí)衰減系數(shù)越大， ，超聲波在傳播過程中衰減得越厲害，傳播距離也會(huì)越短。因此，選用合適頻率的超聲波便成為了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)至關(guān)重要的問題。當(dāng)使用的超聲波頻率較小時(shí)，盡管衰減系數(shù)較小，傳播距離遠(yuǎn)，但脈沖的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，從而影響測(cè)量的精度。例如，當(dāng) f=40kHz 時(shí)，波長(zhǎng)為 厘米。 當(dāng) f=20kHz 時(shí)，波長(zhǎng)為 厘米，顯然，系統(tǒng)的測(cè)量精度就會(huì)降低一倍。因此在設(shè)計(jì)超聲波液位測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該綜合考慮測(cè)量精度和接收時(shí)的強(qiáng)度這兩個(gè)方面的因素。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)通過參數(shù)比較后，為了達(dá)到測(cè)量精度的要求，也滿足接受強(qiáng)度等一系列條件，選用了 40kHz 的超聲波作為液位測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量介質(zhì)。 基于多傳感器融合的復(fù)雜邊界液面高度測(cè)量裝置的研究 第 7 頁 共 48 頁 超聲波測(cè)距原理陶瓷的壓電效應(yīng)是超聲波傳感器工作的基本原理。給超聲波傳感器一個(gè)電脈沖信號(hào)之后，超聲波發(fā)射探頭便發(fā)出與電脈沖頻率相同的超聲波信號(hào)，后經(jīng)固體或液體物體表面反射后折回，回波信號(hào)的振動(dòng)能量引起接收傳感器的機(jī)械振動(dòng)，通過壓電效應(yīng)變成電信號(hào)。目前，超聲波測(cè)距系統(tǒng)基本上采用回波法，通過接收和分析回波信號(hào)測(cè)量出整個(gè)超聲波的飛行時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)距離的測(cè)量。根據(jù)超聲波傳感器工作方式的不同，可分為一發(fā)一收雙傳感器方式和自發(fā)自收單傳感器方式；根據(jù)超聲波傳播介質(zhì)的不同，超聲波測(cè)量技術(shù)又可分為氣介式和液介式兩種類型。液介式超聲波液位測(cè)量是以液體作為超聲波的傳播媒介。通過在水底或者其他液體底部安置超聲波傳感器，從下向上定向朝液面發(fā)射超聲波，超聲波到達(dá)液面后，在液面反射回?fù)Q能器，測(cè)得傳輸過程消耗的時(shí)間為 t。但是，在液位很深的情況下，液介式不易于安裝和維護(hù)此設(shè)備。氣介式 [13]超聲波液位測(cè)量是以空氣作為傳播媒介，采用空氣聲學(xué)回聲測(cè)距原理，根據(jù)超聲脈沖在空氣傳播過程中的往返時(shí)間來測(cè)量液位。氣介式超聲波液位測(cè)量系統(tǒng)是非接觸式測(cè)量，系統(tǒng)安裝維護(hù)方便。本文設(shè)計(jì)的就是采用氣介式超聲波傳感器的液位測(cè)量系統(tǒng)。氣介式超聲波測(cè)距的基本原理如圖 22 所示。首先，超聲波傳感器向空氣中發(fā)射超聲波脈沖，超聲波在遇到被測(cè)液面后反射回來，若測(cè)出第一個(gè)回波達(dá)到的時(shí)間與發(fā)射脈沖間的時(shí)間差 t，利用公式 ，即可算得傳感器與反射點(diǎn)間的距離 s[14] 。測(cè)量tv21s?距離 ，若 時(shí)，則 d≈s ；若采用收發(fā)同體傳感器，故 h≈0，則2d????????hshS?。tv1 圖 22 超聲波測(cè)距原理 基于多傳感器融合的復(fù)雜邊界液面高度測(cè)量裝置的研究 第 8 頁 共 48 頁 復(fù)雜液面條件下影響超聲波測(cè)量精度的因素由公式 知，影響超聲波液位計(jì)液位測(cè)量精度的主要因素是聲速與傳播時(shí)間，tv21d?除此之外受外部條件影響產(chǎn)生液位波動(dòng)等也會(huì)造成測(cè)量誤差。 空氣溫度因素對(duì)于氣介式超聲波測(cè)距系統(tǒng)而言，已產(chǎn)生的超聲波借助于空氣以縱波的形式平行于振動(dòng)面?zhèn)鞑?。由于氣體具有擴(kuò)張和反抗壓縮的彈性性質(zhì)，在空氣分子受到超聲波振動(dòng)面交替的擴(kuò)張與壓縮時(shí)，空氣分子具有自恢復(fù)力，超聲波的傳播也就相當(dāng)于是氣體為反抗壓縮變化力的作用而實(shí)現(xiàn)彈性波的傳播。在空氣氣壓、濕度、溫度、密度等因素發(fā)生改變時(shí)，超聲波在空氣中的傳播收到影響，超聲波的速度發(fā)生改變。與其他環(huán)境因素的影響，大氣溫度對(duì)超聲波速度 C 的影響最為明顯。超聲波在空氣中的傳播速度與當(dāng)前空氣溫度的關(guān)系式如式(23)所示。 （23）MRT??其中，γ：表示氣體定壓熱容和定容熱容的比值，在空氣中為常量 。 R：表示氣體普適常量，在空氣中為 。 M: 表示氣體分子量，在空氣中為 *。由公式 23 我們可以計(jì)算出在不同氣溫下的超聲波速度，例如: 當(dāng)溫度為 T=293K（20℃）時(shí)，此時(shí)超聲波速度為 C=。在空氣中，溫度因素相較于其他因素而言，對(duì)超聲波速度的影響最大。一般上，可近似認(rèn)為 [15]： （24））（ sm/ T??式中：T 為空氣溫度（℃） 。從公式 24 中可以推導(dǎo)，在 1m 的測(cè)量距離中，溫度誤差 10℃，超聲波速度變化 6m/s，大約能造成 的測(cè)量誤差。因此，為了最大限度的減小測(cè)量誤差，必須準(zhǔn)確測(cè)量周圍的環(huán)境溫度。在測(cè)量距離較小時(shí)，為把測(cè)量精度控制在厘米范圍內(nèi)，則溫度的分辨率應(yīng)達(dá)到 1℃。根據(jù)式 24 關(guān)系可以得出在空氣中超聲波速度隨溫度變化的關(guān)系曲線圖，如圖 23所示。由圖中我們可以得知，當(dāng)溫度 T 從小變大，從 0℃到變化到 40℃時(shí)，溫度將會(huì)導(dǎo)致超聲波在空氣中的速度產(chǎn)生+8%變化，即相差 24m/s。因此，為了提高測(cè)量精度減小誤差，提高系統(tǒng)對(duì)周圍環(huán)境溫度的適應(yīng)，必須根據(jù)當(dāng)前環(huán)境溫度對(duì)超聲波速度進(jìn)行 基于多傳感器融合的復(fù)雜邊界液面高度測(cè)量裝置的研究 第 9 頁 共 48 頁實(shí)時(shí)修正，在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)溫度矯正單元是很有必要的。 圖 23 空氣中聲速隨溫度變化曲線 液位波動(dòng)和液面表面雜質(zhì)的因素通常超聲波液位計(jì)測(cè)量不建液位測(cè)井，因此，在受風(fēng)浪船行波、液面雜碎物質(zhì)如木頭等的影響，不平整的復(fù)雜液面使超聲波的反射方向發(fā)生改變，從而減弱超聲波回波信號(hào)?？梢圆捎枚帱c(diǎn)測(cè)量的辦法，在一定時(shí)間內(nèi)，多次采樣后求平均來使測(cè)量值接近真值。采樣點(diǎn)越多，采集的時(shí)間越長(zhǎng)、數(shù)據(jù)越多，則測(cè)得液位越精確。為了消除船行波等造成水面不規(guī)則升降變化的影響，也可以將采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行排序去掉最大和最小的一部分?jǐn)?shù)據(jù)取中間數(shù)據(jù)的平均值，用這種中間平均法可以有效防止一些測(cè)量的干擾。在液位變化比較平緩的地方可以采用控制液位變化率的方法來進(jìn)行濾波。例如每次采樣數(shù)據(jù)液位變化只允許 1cm,多次采樣后的數(shù)據(jù)就等于或接近真實(shí)位，這樣可以減少一些隨機(jī)干擾。 超聲波傳感器之間的回波干擾當(dāng)采用多個(gè)超聲波傳感器測(cè)量復(fù)雜邊界液面時(shí)，由于反射面的不平整容易造成回波信號(hào)不是垂直反射回去，這樣超聲波傳感器能夠接收到臨近的超聲波傳感器所發(fā)射的超聲波信號(hào)，從而造成傳感器的誤判，引起測(cè)量誤差。尤其是在相鄰超聲波傳感器 基于多傳感器融合的復(fù)雜邊界液面高度測(cè)量裝置的研究 第 10 頁 共 48 頁的位置距離較近時(shí)就更要考慮回波信號(hào)之間的干擾問題 [16]。 影響超聲波測(cè)量計(jì)時(shí)準(zhǔn)確性的因素測(cè)量液位實(shí)際就是測(cè)量聲波從探頭發(fā)出到達(dá)水面，再從液面反射回到探頭的時(shí)間。這個(gè)傳播時(shí)間的測(cè)量精度實(shí)際就反映了液位測(cè)量精度。上述影響測(cè)量精度的因素采用適當(dāng)?shù)拇胧┖头椒ū容^容易解決，但對(duì)超聲波的回波進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)卻比較困難。主要影響的因素有：超聲波傳感器的工作頻率與探頭的通頻帶寬度、門限電平與檢測(cè)方法、干擾鑒別等。 （1）超聲波工作頻率與通頻帶超聲波傳感器是基于壓電陶瓷的工作原理，施加的電脈沖信號(hào)使得壓電陶瓷上產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，從而帶動(dòng)空氣振動(dòng)產(chǎn)生超聲波。當(dāng)超聲波遇液面返回時(shí)，返回的聲波信號(hào)使壓電陶瓷振動(dòng)而產(chǎn)生電信號(hào)。超聲波信號(hào)示意如圖 24 所示。 圖 24 超聲波信號(hào)示意圖通常超聲波探頭通頻帶（B W）與諧振頻率（W 0） 、品質(zhì)因素 Q 的關(guān)系 [17]為： （25）Q0wB?當(dāng)探頭的品質(zhì)因素 Q 值越高，通頻帶越窄，這給壓電陶瓷的起始機(jī)械振動(dòng)帶來一 基于多傳感器融合的復(fù)雜邊界液面高度測(cè)量裝置的研究 第 11 頁 共 48 頁個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間。通頻帶越寬，起振時(shí)間就越短。因此，在相同的 t 值時(shí)，選用較高的工作頻率的探頭可以縮短起振和衰減時(shí)間。 從圖 24 可以看出，通頻帶越寬，則上升時(shí)間 t1 和下降 t2 的時(shí)間越小，越接近理想波形。t 2 越小，意味著超聲波測(cè)量盲區(qū)越小，顯然超聲波回波到達(dá)的時(shí)刻反應(yīng)在 t1 的上升波形上，如果定位不準(zhǔn)確與不穩(wěn)定都會(huì)極大影響測(cè)量精度。所以，選擇一個(gè)合適的超聲波發(fā)射頻率和通頻帶，對(duì)于提高系統(tǒng)精度而言有著至關(guān)重要的作用。（2）門限電平與回波信號(hào)幅度通常的超聲波接收電路中，被接收的超聲波回波信號(hào)需要經(jīng)放大、整流與濾波還原成圖 25 中的信號(hào)包絡(luò)波形。設(shè)置一個(gè)門限電平可以將其變成方波觸發(fā)信號(hào)，便可控制計(jì)時(shí)器結(jié)束計(jì)時(shí)，得到超聲波的飛行時(shí)間 [18]。 圖 25 發(fā)射波、回波整形示意圖通常，將門限電平設(shè)置在一個(gè)噪聲電平不能觸發(fā)的值上，以保證產(chǎn)生的方波信號(hào)不是由噪聲觸發(fā)的。顯然回波信號(hào)的上升時(shí)間影響整形波形檢出的位置，從而計(jì)時(shí)器所計(jì)時(shí)間也不相同，也就是測(cè)量的距離會(huì)不同，這將會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。似乎可以用反射波與回波上升沿一樣（同一探頭）來解決這個(gè)問題，但實(shí)際上由于發(fā)射波的信號(hào)幅度與接收波不同，上升時(shí)間也就不一樣，因此無法進(jìn)行補(bǔ)償。更由于回波信號(hào)因距離水面波浪飄浮物等的影響是不穩(wěn)定的，其大小差可以達(dá)到幾十倍。很顯然當(dāng)超聲波回波信號(hào)的電平接近門限電平時(shí)，產(chǎn)生的誤差最大絕對(duì)誤差可以 基于多傳感器融合的復(fù)雜邊界液面高度測(cè)量裝置的研究 第 12 頁 共 48 頁大于 10cm（視探頭特性電路通帶與濾波等因素而定） 。 減小誤差的方案以上分析了幾種可能影響超聲波測(cè)量精度的因素，其中影響最大的還是空氣溫度對(duì)于超聲波速度的影響，加入溫度校正部分，對(duì)于超聲波的速度進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，就能降低溫度對(duì)測(cè)量精度的影響。對(duì)于其他的可能影響因素，有以下幾種方法。 基于多傳感器的多點(diǎn)測(cè)量在不平整的復(fù)雜邊界液面條件下，不但液位變化無常而且超聲波的反射方向也會(huì)發(fā)生改變，從而減弱超聲波回波信號(hào)。單點(diǎn)測(cè)量不能完全代表液位的真實(shí)高度，測(cè)量所得數(shù)據(jù)與實(shí)際值相比誤差較大，可以進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量復(fù)雜液面，并在一定時(shí)間內(nèi)