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基于参考声速法超声波液位计的测量 专 业： 电机与电器 班 级： 06班 姓 名： 陈志伟 学 号： 2012230 基于参考声速法的超声波液位计的设计 摘要 目前市场上的超声波液位计品种多样，大多采用温度补偿方法对超声波传播速度进行校正，以提高仪表测量精度。此方法需在系统外加一个温度测量单元，通过测量环境温度，获得实际声速；由此也引进了温度测量误差，从而限制了系统精度的进一步提高, 以超声波传感器为接口部件, 利用超声波在空气中的时间差来测量距离, 从而设计了一套超声波系统在国际上，把超声波技术用于液位测量己有较长时间，我国从20 世纪90 年代开始发展，将超声测距技术应用到河流、湖泊、水、渠等水体的水位测量中，以及油、浆等液体的液位测量中。目前国内高精度超声液位测量仪表的发展主要采用引进加吸收等手段，还有许多合资企业代理国外相应产品。国内自主研发超声波液位计的公司极少，不足十家，而且在测量范围，死区范围和精度都低于国外超声仪表的平均水平。有的厂家只有生产设备，没有标定装置。由此可见，我国在该领域的发展相对国外还有较大差距，在产品性能指标、仪表可靠性、企业技术力量等方面都落后于西方发达国家。 就精度一项指标而言，目前国内超声波液位测量精度目前一般只达到3mm或0.5%，盲区最小为30cm 。影响精度的因素除了超声波传感器本身的制作工艺外，还与发射和接收电路的性能以及误差的修正方法有关。 随着人们对引起测量误差因素的认识以及解决方法的提出，测量精度在逐步提高。近年来国内相关单位也加大了对这一领域的研究力度。在北京、上海、无锡、杭州等城市,均有一些公司小批量生产超声液位仪表,并不断开发新产品。天津中环天仪集团正在推出的超声波液位计具有0.2%FS的精度，1mm分辨力，是新品的代表之一。深信不久的将来,我国产品一定会有更加长足的进步。课题设计了一种利用参考声速法实现声速校正的超声液位测量系统。设计中采用气介测量方式，将一个反射性能良好的参考挡板固定在超声波探头与液面之间距离一定的位置，通过测量挡板回波的时间，实现精确的声速校正；并用单片机双定时器对挡板反射回波和液面反射回波进行精确计时，从而大大提高了液位测量精度。此系统不但继承了传统超声波液位计的优点，而且由于无需采集环境温度，避免了由于测温误差引起的系统误差，还简化系统结构，降低生产成本，进一步提高了系统精度。 （1）液位量程:0～40m； （2）测量误差:0.5%； （3）显示方式：LED动态显示液位高度； （4）环境温度:-10～60℃； （5）电源：220VAC 第二章系统总体设计方案 2.1超声波 声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。超声波是指振动频率大于20000Hz以上的,其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的上限（20000Hz），人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。完成这种功能装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波双重作用。超声波传感器是利用压电效应原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波时候，则将超声振动转换成电信号。T/R40-16型超声波传感器。传感器的标称频率为40KHZ,这是压电元件的中心频率，实际上发送超声波时是串联谐振与并联谐振的中心频率，而接收时各自使用并联谐振频率。超声波传感器的符号及等效电路如图2-1所示： 图2-1 传感器符号及等效电路图 超声波传感器的带宽较窄，大部分在标称频率附近使用，为此，要采用措施扩展频带，比如，接入电感等。另外，发送超声波时输入功率要大，温度变化使谐振频率偏移是不可避免的，为此，对于压电陶瓷元件非常重要的是要进行频率调整与阻抗匹配。 图2-2为T/R40-16型超声波传感器的频率特性，由图知，发送与接收的灵敏度都是以标称频率为中心逐渐降低，为此，发生超声波时要充分考虑到这一点以免溢出标称频率。 图2-2传感器频率特性 图2-3为T/R40-16型超声波传感器的方向性特性，传感器在较宽范围内具有较高的检测灵敏度,因此，适用于物体检测与防范报警装置等。 图2-3传感器方向性特性 图2-4 温度频