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采用超聲波液位計進(jìn)行液位檢測的設(shè)計方案交流分享
閱讀次數(shù)：662 發(fā)布時間：2020/4/24 8:59:26
引言：超聲波測距是一種利用超聲波的可定向發(fā)射，方向性好，在介質(zhì)中傳播距離較遠(yuǎn)等特性，結(jié)合電子計數(shù)等微電子技術(shù)來實現(xiàn)的檢測方式。在使用中不受光線、電磁波、被測物的顏色等因素影響，加之信息處理簡單、成本低、速度快。在避障、車輛定位與導(dǎo)航、液位測量等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但由于超聲波在兩種不同屬性的介質(zhì)（如固液、固氣）中的傳播特性存在較大差異。例如K級超聲波在氣態(tài)介質(zhì)中傳播效果好，衰減也相對較小，但在固態(tài)和液態(tài)介質(zhì)中則衰減就比較大了。而M級超聲波則正好相反。因而在一些需要透過兩種或兩種以上的介質(zhì)進(jìn)行測距時，超聲波就存在很大的困難了。但在一些比較特殊的場合，應(yīng)用超聲波進(jìn)行檢測也是目前***可行的手段。本文中所描述的一款超聲波液位計的設(shè)計目標(biāo)就是對密閉容器在不開蓋、不另加額外裝置的情況下，對容器內(nèi)部液體檢測的一種設(shè)備。對于如何進(jìn)行檢測的過程本文不做過多陳述，只對在設(shè)計的過程中，是如何有針對性的進(jìn)行軟硬件結(jié)合設(shè)計，從而降低誤差、提高精度的，供各位同仁參考。
1 合理采用門閥設(shè)計，減小盲區(qū)眾所周知，使用超聲波液位計測距的原理主要是檢測回波與發(fā)射波之間時間差Δt，即：Δt = tn-tn-1
其中：t0為發(fā)射波或稱始波觸發(fā)計時器時間；tn為各回波觸發(fā)計時器時間。如圖1所示。
圖1 超聲檢測波形示意圖如圖1所示，在實際檢測的過程中，我們可以發(fā)現(xiàn)，在始波附近，存在大量的干擾波，主要是由于容器壁的多次反射形成的干擾。
當(dāng)被測液體高度比較低時，可能會造成多個超聲波液位計回波湮沒在始波附近的干擾波中，而且不容易識別出有效的回波信號tn來。合理有效的門閥t的設(shè)置，就很好的解決了這一問題。在整個系統(tǒng)設(shè)計的過程中，我們設(shè)計的是每40ms發(fā)射一個始波。通過大量的實驗檢測，***后我們把門限設(shè)置為2ms。也就是說當(dāng)始波觸發(fā)計時器后，計時器自動關(guān)閉2ms，然后打開計時器，開始接收回波。這里需要注意的是，由于容器內(nèi)液體的多少是未知的，也就是說，此時測得的***個回波t1，不一定是真實的***個回波，因為當(dāng)液位比較低的時候，前幾個回波很可能被門閥給過濾掉了。此時就需要比較回波時間差Δtn了，Δtn = tn-tn-1 。當(dāng)前后兩個Δt1和Δt2相差在一定范圍內(nèi)，則可認(rèn)為t1為***個回波，此時Δt可以取其中任一個。否則Δt只能取Δt2。當(dāng)液位比較高時，系統(tǒng)在一個檢測周期內(nèi)可能只能檢測到一個回波，此時的t1必然是***個回波。
由于受系統(tǒng)及其他軟硬件條件所限，我們這個系統(tǒng)的檢測盲區(qū)大概在5ms左右。
2 定標(biāo)模塊，去除溫度、介質(zhì)等影響
眾所周知，溫度對超聲波液位計的超聲波在介質(zhì)中傳播速度有較大影響。一般來說，溫度越高，超聲波在介質(zhì)中的傳播速度越快。例如，超聲波在空氣中的傳播速度可以表示為：C=331+0.6T。其中T為環(huán)境溫度。也就是說在空氣中溫度每上升1°，超聲波的傳播速度都要增加0.6m/s。實驗證明，在固體和液體介質(zhì)中，超聲波傳播亦是如此。不同的介質(zhì)中，超聲波的傳播速度也是不相同的。比如實驗測得的結(jié)果表明，在汽油中，超聲波的傳播速度大約在1300m/s上下，而在水中則在1400m/s左右。計時器1μs就會產(chǎn)生超過1個毫米的誤差。
從上面的表述中可以看出，溫度和介質(zhì)對超聲波液位計測量結(jié)果影響也是很大的。考慮到即使是同一介質(zhì)，其濃度和溫度等因素對結(jié)果影響也是不可忽視的。正式由于諸多復(fù)雜的原因存在，并沒有哪個專業(yè)機(jī)構(gòu)能夠給出超聲波在每種介質(zhì)中的具體傳播速度數(shù)值。正所謂繆之毫厘差之千里。為此，我們另辟蹊徑，設(shè)計了一個定標(biāo)模塊。如圖2所示。
該定標(biāo)模塊為一中空的圓柱體結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部底部距離上頂部外延高度設(shè)計為10cm，設(shè)計誤差為±10μm（受工藝所限，精度無法更高了）。其思路為，當(dāng)我們需要測量某一容器內(nèi)液位時，取與該容器內(nèi)液體注滿定標(biāo)模塊。打開液位檢測儀，首先測量該模塊，由于高度已知，可比較精準(zhǔn)的測得在當(dāng)前環(huán)境下該液體的速度值。然后再用此速度值去測量密閉容器的液位。
此方法看似笨拙繁瑣，但在實際應(yīng)用中我們可以看到，通過這一定標(biāo)模塊的方法，基本消除了溫度和介質(zhì)的影響，大大地提高了檢測精度和準(zhǔn)確度。3 軟件處理，進(jìn)一步提高精準(zhǔn)度做系統(tǒng)設(shè)計的人都知道，有些誤差因素是系統(tǒng)固有的，是無法通過硬件的改進(jìn)來消除的。但在系統(tǒng)的軟件設(shè)計過程中，我們可以通過一定的方法和算法進(jìn)一步降低誤差。方法之一就是對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步判斷、求均值。首先是判斷。從圖1的波形所示來看，在一定的距離內(nèi)（我們這套系統(tǒng)大約在1m），回波是能夠接收到兩個或兩個以上的回波的。如果回波超過兩個，我們就取***和第二個的差值和第二個和第三個的差值作比較判斷并取均值備用。如果回波只有兩個，則取第二個差值做備用。如果只有一個回波，那就沒的選擇了。
其次求均值。我們采取的每40ms發(fā)射一個發(fā)射波，也就是說，超聲波液位計系統(tǒng)是每40ms測量一次數(shù)據(jù)，我們采取的方法并不是每組數(shù)據(jù)直接送顯，而是采用每測得20組數(shù)據(jù)送顯一次。在取得20組數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)首先去除兩個較大的值，再去除兩個較小的值，然后把余下的16組數(shù)據(jù)求均值，然后送顯示器顯示。至于為什么是16組，搞過單片機(jī)的都知道。軟件處理方法之二是主動消除固有偏差。表1所示為對高度約為90cm的液位進(jìn)行多次測量。
通過以上測量結(jié)果來看，整體測量值比實際值大約偏高0.5cm，因此，在大約距離為1米左右時，我們通過把測得的數(shù)據(jù)均主動減去0.5cm。這樣，顯示的結(jié)果與實際值就比較接近了。
軟件處理的方法之三就是注意細(xì)節(jié)處理。例如像前面所提到的通過定標(biāo)模塊進(jìn)行定標(biāo)時，會得到一個速度值，這個值會給后面的程序進(jìn)行計算時使用。我們在實際的操作中雖然在定標(biāo)時顯示了具體的速度值，但在后面實際計算時，并沒有直接用這個值，而是把測得的被除數(shù)和除數(shù)分別存儲起來，在具體計算時，采用的是乘以被除數(shù)，再除以除數(shù)。這樣在一定程度上又進(jìn)一步減少了計算誤差。
4 結(jié)束語
本文著重介紹一些在具體使用超聲波液位計測量液位的過程中，分析了測距過程中誤差的產(chǎn)生及減小誤差的方法。實踐證明,采用這些方法將大大減小測量誤差,提高測量的準(zhǔn)確度。
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