【正文】 el meter using ultrasonic fuel level detection make automatic detection and data processing. At the core of the design using AT89C51 lowcost, high accuracy, Micro figures show that the ultrasonic range finder hardware and software design methods. The hardware circuit includes ultrasonic transmitter circuit, receiver circuit, temperature pensation circuit and the corresponding control circuit. Software design, we design a modular program, the software is divided into ultrasonic drive and data processing modules, function modules into two categories. This circuit of system is reasonable in design, working stability, performance good measuring speeding soon , calculating simple , easy to acplish realtime control ,and it can reach industry39。 Ultrasonic Wave。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的 學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。 作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日 期： 使用授權(quán)說明 本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)校可以采用影印、縮印、數(shù)字 化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。在傳統(tǒng)原理中也滲透了電子技術(shù)及微機(jī)技術(shù)，結(jié)構(gòu)有了很大的改善，功能有了很大的提高。 目前使用的液位儀有以下幾種： (1)人工檢尺 利用浸入式刻度鋼皮尺測(cè)量液位，取樣測(cè)量油溫和密度，通過計(jì)算，得到儲(chǔ)液的體積和重量，這是至今仍然在全世界廣泛使用的儲(chǔ)罐計(jì)量方法，也可把它用作現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)其他測(cè)量?jī)x表的參考手段。2mm的人為誤差。這種液位儀采用一個(gè)又大又重的浮子，由一條多孔鋼帶將浮子連接至一個(gè) 恒轉(zhuǎn)矩裝置或平衡錘。由于滑輪機(jī)械裝置的摩擦力和鋼帶重量，這類液位儀的測(cè)量誤差一般約為 177。機(jī)械鋼帶式液位儀的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低；缺點(diǎn)是：僅能測(cè)液位，傳動(dòng)部件多，可靠性較差，又因需要罐內(nèi)安裝，維護(hù)困難。 (3)智能化液位儀 伺服式液位儀是此類儀表的代表。伺服式液位儀的微機(jī)智能化，使得它的跟蹤誤差可達(dá) 。另外還可以測(cè)量密 度、界位等計(jì)量參數(shù)，具有自診斷及通信功能。目前荷蘭 Enraf 公司的 ATG 854 伺服液位儀精度可達(dá) 177。 (4)超聲波液位儀 超聲波液位儀是非接觸液位 測(cè)量 儀中發(fā)展最快的一種。智能化的超聲波液位 測(cè)量 儀帶有一個(gè)功能很強(qiáng)的智能回波分析軟件包。新型氣密結(jié)構(gòu)、耐腐蝕的超聲換能器可測(cè)量高達(dá) 15m的液位， E+H 公司研制的 Prosonic FMU860/861/862 超聲液位儀精度可達(dá) 177。2mm，輸出信號(hào)符合 HART 協(xié)議或 profibus 總線標(biāo)準(zhǔn)或 FF 總線標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)接收到回波信號(hào)時(shí)，由于來回傳播時(shí)間的延遲，發(fā)射頻率發(fā)生了改變。雷達(dá)液位 儀 特別適用于高粘度或高污染的產(chǎn)品，如瀝青等。 (6)激光液位儀 其測(cè)量原理同超聲波式液位儀，只是用光波代替超聲波。激光的光束是很窄的 ，在液位儀中通過光學(xué)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成約 20mm 寬的光束，這樣即使被測(cè)物面很粗糙，漫反射光也能被傳感器接收。 (7)γ射線液位儀 該技術(shù)是基于 γ 射線對(duì)不同物質(zhì)產(chǎn)生不同衰減的理論，將放射源鉆 60 或艷 137置于一個(gè)防護(hù)容器內(nèi)，放在被測(cè)容器的一側(cè)，在其對(duì)面，裝有一個(gè)檢測(cè)器，當(dāng) γ射線穿透容器時(shí)，它被衰減，其衰減率取決于被測(cè)液體的密度、吸收系數(shù)和厚度。由于液位與 γ射線衰減量是非線性關(guān) 系，所以必須通過統(tǒng)計(jì)標(biāo)定。 E+H 公司提出了一個(gè) “ 點(diǎn)放射 /棒探頭接收 ” 的概念，這樣放射源被降到最小，而且容易安裝，目前該公司研制的 FMG671 已用于過程控制。較典型的是利用超聲波穿透空氣及液體時(shí)衰減率的顯著差別來檢測(cè)液面的超聲液位開關(guān)；利用空氣和液體對(duì)振動(dòng)體的阻尼差別 來檢測(cè)液位的振動(dòng)式液位開關(guān)；以及利用空氣和液體電導(dǎo)率的不同來檢測(cè)液位的電導(dǎo)式液位開關(guān)。德國 Krohne 公司的 LS3000 諧振振動(dòng)開關(guān)精度可達(dá) 177。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 3 儲(chǔ)罐 液位測(cè) 量?jī)x表的現(xiàn)狀 立式油罐主要分布在煉油廠、化工廠和石油銷售公司三大系統(tǒng)。 目前國內(nèi)計(jì)量?jī)x表的發(fā)展主要采用引進(jìn)加仿制等手段，還有許多合資企業(yè)代理國外相應(yīng)產(chǎn)品。2mm， METI 型磁效應(yīng)液位儀采用磁效應(yīng)原理，精度為 %， 1995 年又推出了 BL30 雷達(dá)液位儀，精度為 177?？偤笥土涎芯克钚卵兄频?UGJ98 型光導(dǎo)式油罐計(jì)量遙測(cè)系統(tǒng)，采用光柵干涉原理，以圓光柵傳感器為核心，結(jié)合高速數(shù)據(jù)采集和抗干擾處理技術(shù)及 RS485總線標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)光電一體化，一次儀表不帶電，系統(tǒng)綜合精度達(dá)到 177。 超聲波油量測(cè)量?jī)x的研究目的及意義 在石油化工領(lǐng)域中，儲(chǔ)油罐中油量的 測(cè) 量越來越顯示出其重要地位 。因此提高油 量 的 測(cè) 量精度和自動(dòng)化管理水平，其重要性是明顯的。 人工檢尺法是利用浸入式刻度鋼皮尺測(cè)量液位，操作人員需要爬到儲(chǔ)罐的頂部進(jìn)行測(cè)量。機(jī)械鋼帶式液位儀傳動(dòng)部件多，可靠性較差，又因需要罐內(nèi)安裝，維護(hù)困難。雷達(dá)液位儀的測(cè)量精度較高，但安裝較為復(fù)雜，而且價(jià)格相當(dāng)昂貴。γ射線液位儀使用了放射源，易引起對(duì)環(huán)境的污染。研制一種安裝、使用簡(jiǎn)便，測(cè)量準(zhǔn)確又價(jià)格低廉的油量測(cè)量?jī)x就是本課題要完成的任務(wù)。 隨著智能化檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，利用超聲波進(jìn)行油量檢測(cè)在加油站及油庫中起著越來越重要的作用。為了克服這些缺點(diǎn)，本課題利用單片機(jī) AT89C51 為核心，控制超聲波對(duì)油量進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理，提供了一個(gè)帶顯示，鍵盤和微型打印機(jī)的人機(jī)對(duì)話界面，且能與 PC 機(jī)通信。 超聲波油量測(cè)量?jī)x的研究?jī)?nèi)容 確定了總體方案后，在對(duì)超聲波測(cè)距的可行性進(jìn)行了理論分析的基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、以及超聲波在介質(zhì)中的傳播特性等，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。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 語言的浮點(diǎn)計(jì)算能力，提高計(jì)算精度。 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)。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。 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。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。 衰減系數(shù)與聲波所在介質(zhì)及頻率的關(guān)系為 2bfa? (23) 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=2ｘ 1013s2/cm，當(dāng)振動(dòng)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。在 (1/a)長(zhǎng)度上，平面聲波的振幅衰減為原來的 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。 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，一般說話的頻率范圍為 100Hz~8kHz[9][13]。另外，超聲波在空氣中傳播的速度較慢，約為 330m/s，這就使得超聲波傳感器使用變得非常簡(jiǎn)單。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。諧振頻率變高，則檢測(cè)距離變短，分解力也變高。很早以前，人們便掌握了超聲波探傷與聲納的技術(shù)。m 級(jí)，頻率已擴(kuò)大到 GHz 領(lǐng)域，分辨率 達(dá) 181。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。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 (接收換能器來完成 )。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。目前使用較多的是電氣類中的壓電型超聲波發(fā)生器。其結(jié)構(gòu)原理如圖 21 所示。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)共振板振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波。超長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 7 聲波傳感器用等效電路 (如圖 22 所示 )來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。設(shè)換能器在空載 (Z1=0)和有載 (Z1R1)時(shí)的 Q 值分別為 QM0、 Qm，則有： 100 1 0 010m LQ R C R???? （ 24） 100 1 1 0 0 11()m LQ R R C R R? ????? （ 25） 0 0 0 0eQ C R?? （ 26） 0 0 0 1()eQ C R R??? （ 27） 超聲波換能的工作效率為： 110RRR?? ? （ 28） 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)，通過對(duì)此信號(hào)的處理，可實(shí)現(xiàn)各種檢測(cè)。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。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)位學(xué)士論文 8 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)有無物體通過。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。 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，就能判斷有無物體通過。 回歸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。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。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。 (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。25%PF 2500177。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。 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。本超聲波油量測(cè)量?jī)x采用渡越時(shí)間檢測(cè)法?，F(xiàn)在常用的人工檢尺法就是用鋼卷尺測(cè)出油的高度，查表得到儲(chǔ)油量。 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