电气工程封闭罐体液位测量装置的研究与设计学士学位论文.doc

东北石油大学本科生毕业设计（论文）摘 要本文对当前国内外罐体的液位测量作了一定的研究，由于在众多液位测量的仪器中，基于超声波的液位测量应用前景较好，它属于非接触型液位测量，具有价格较为适中、安装使用方便、精度较高等优点，设计了一种能快速测量、稳定性好、测量精度高的新型罐体液位检测控制系统，它是采用回波测距原理制成的。文章主要阐述了对硬件实现电路、软件程序方面的设计。本文所设计的罐体液位检测控制系统是以回波测距原理作为依据，对该系统的硬件电路进行了设计和编程，选用HR-SC04超声波测距模块来对罐体内的液位高度进行测量，AT89S52单片机作为主控制芯片，L298N模块作为驱动电机的转动模块。选用+5V直流电对整个系统进行供电。通过单片机来控制超声波测距模块对液位进行实时检测，根据液位高度值来控制电机的正反转来实现注水和排水，达到控制液位目的，并且通过12864液晶显示液位的高度值。通过进行测试实验，实验结果证明该系统可实时检测和控制液位高度并液晶显示，稳定可靠，重复测量精度高，该液位检测控制系统具有很好的理论和实用价值。 关键词：超声波；液位测量；AT89S52；液位控制系统Abstract Certain research about current domestic and international liquid level measurement has been made in this article. Among these measuring apparatus, the one with ultrasonic is much better. It is a non-contact instrument using the theory of echo ranging. There are many advantages, such as the proper price, the convenience to install and operate, higher accuracy etc. The new liquid level measurement and control system was designed with rapid measurement, good stability and high accuracy. The paper mainly expounds the design of hardware circuit, software programs and measurement accuracy. The liquid level measurement and control system is based on the theory of echo ranging to design and program the hardware circuit. HR-SC04 ultrasonic ranging module is chosen to measure the height of liquid level and AT89S52 SCM as the main control chip, L298N module as the drive motor rotation module. Choose 5V DC power supply of the entire system. In order to control liquid level, Microcontroller has to control the ultrasonic ranging module for real-time detection and control the motor injection and draining depending on the level of height values the height of liquid level could be seen through 12864 LCD. By means of testing experiment, the results show that the system can do real-time detection, control the height of liquid and display the data. It is stable and reliable and has a higher precise measurement .It is believed that the liquid level measurement and control system has a very good theoretical and practical value.Key words: Ultrasonic; Level Measurement; AT89S52; Level Control System目 录第1章 绪论1 1.1本课题研究的意义1 1.2 国内外超声波测量的现状4 1.3 本文所做的工作6第2章 超声波液位测量的原理7 2.1 超声波7 2.2 工作原理112.3 本章小结15第3章 罐体液位控制系统的总体设计163.1 系统的设计思想163.2 系统的总体结构173.3 本章小结17第4章 系统的硬件电路设计184.1 电源电路184.2 发射电路的设计184.3 接收电路的设计194.4 显示电路204.5 电机驱动电路234.6 本章小结25第5章 系统的软件实现265.1 单片机的选取265.2 系统软件设计295.3 系统的调试315.4 本章小结32结论33参考文献34致谢36附 录37II第1章 绪论1.1本课题研究的意义1.1.1液位测量的意义工业生产中，常常需要测量容器内的液体液位。在一般的生产过程中，液位测量的目的主要是通过液位测量来确定容器里的原料、半成品或产品的数量，以保证生产过程各环节物料平衡以及为进行经济核算提供可靠的依据；另外还为了在连续生产的情况下，通过液位测量，了解液位是否在规定的范围内，从而维持正常生产、保证产品的产量和质量以及保证安全生产。液位测量在工业生产过程中的作用相当重要。随着各行业的快速发展，液位测量已应用到越来越多的领域，不仅用于各种容器、管道内液体液位的测量，还用于水渠、水库、江河、湖海水位的测量1。目前无论是开渠水位的测量、大型油罐液位的测量，还是小型容器液位的测量，或者其他液位系统的测量，都对测量精度提出了越来越高的要求。例如，石化部门使用的大型储油罐容量一般在之间，很小的测量误差都将造成很大的绝对误差，因此提高液位测量的精度，不仅对储油罐的测量有很重要的意义，在其他液位测量系统中，也处于越来越重要的地位2。近年来，随着电子技术和信号处理技术的迅速发展，液位测量仪表中的测量技术经历了由机械向机电一体化再到自动化的发展过程。结合这两大技术，尤其是将微处理器引进液位测量系统，使得液位计的精度越来越高，越来越向智能化、一体化、小型化的方向发展。在实际应用中，可根据需要选择合适的液位计，满足测量精度、测量环境等多方面的要求。1.1.2液位测量的分类经过不断的努力和探索，科技工作者己开发出了种类繁多、各具特色的液位仪表。尤其是近二十年来，随着微处理器的引入，测量仪表更是发生了革命性的变化。液位计的量程从几米到几十米，测量精度亦大大提高。根据液位测量所涉及的液体存储容器、被测介质以及工艺过程的不同，液位计类型的选用也不同。在进行液位测量前，必须充分了解液位测量的工艺特点，以此作为液位计设计过程中的参考因素。早期的液位测量仪表大多采用机械原理，通过测量某些物理参数，达到液位测量的目的6。随着工业自动化的发展，发展了许多新的测量原理，一批具有智能控制功能、可实现非接触测量、精度高、稳定性好的液位计相继问世，并应用到越来越多的工业测量领域，如基于超声波、雷达、光纤等技术的液位测量仪。根据工作原理的不同液位计可分为如下几种3-5：（1）直读液位计直读式液位测量方法直接用与被测容器连通的玻璃管或玻璃板来显示容器中的液位高度，它是最原始但仍应用较多的一种液位测量仪表；另外，利用浸入式刻度钢皮尺直接测量液位高度的人工检尺法也是应用较广泛的液位计量方法，尤其是在大型油罐储油量的测量中，也可把它用作现场检验其他测量仪表的参考手段。其精度一般为2mm的人为误差。此种方法有测量简单、直观、成本低的优点，但测量量程有限，且不适于恶劣环境中的测量。（2）浮子液位计利用浮子的比重比所测液体的比重稍小的特点，使浮子漂在液面上并随液面的升高或下降来反映液位，它也是一种应用最早并且应用范围很广的液位测量仪表；将浮子用一条多孔钢带连接至一个恒转矩装置或平衡锤上，由浮子的重量带动多于L钢带通过齿轮装置推动机械计数器作现场显示，还可连接电动变送器，获得远距离显示。由于滑轮机械装置的摩擦力和铆带重量，测量误差一般约为。（3）静压液位计利用液柱对某定点产生压力，测量该定点压力或测量该点与另一参考点的压差而间接测量液位的仪表；主要应用于测量精度要求不高的场合。（4）电磁液位计这种测量方式是将液位的变化转换为电量的变化，从而对液位进行间接测量，如电容式、电感式和电阻式液位计等。电容式液位测量是根据电容量与被测液体和气相介质的相对介电常数、电容传感器浸入液体的深度、电容传感器垂直高度、内外极板圆柱底面半径之间的关系，由已知的其他数值得出所测液位高度值。电容式液位计价格低，安装容易，且可以应用于高温、高压的场合。但电容液位计测量重复精度较低，需定期维修和重新标定，工作寿命也不长。电阻式液位测量方法特别适用于导电液体。敏感器件具有电阻特性，其电阻值随液位的变化而变化，因此将电阻变化值传送给二次电路即得到液位高度值。电感式液位测量方法同样适用于导电液体的液位测量，特别是液态金属。其原理是：液位变化使得电感元件的自感、互感或导磁率发生变化，故将该变化量送往二次电路即可得到相应的液位数值。电感式测量应用最广泛的是高频液位计。该液位计的测量原理是，频率调制信号通过射频电缆祸合到传输线传感器谐振回路，谐振回路的输出电压经过检波电路和射频电缆传送给低通滤波器，然后根据低通滤波器的输出电压控制调谐电路，产生新的振荡频率，直到传感器谐振电路处于完全谐振状态为止，则此时的振荡频率即与传感器的电感量相对应，从而与液位相对应。以上3种方法都是利用液位传感器的电参数产生变化的方法来测量液位的。这种测量方法原理简单、易于操作、成本低廉，但精度较低、可靠性差，已不能满足现代工业测量中对测量精度和仪器可靠性的要求。随着科学技术的发展，基于新技术的液位计发展越来越快7。（5）超声波液位计超声波液位仪是非接触测量中发展最快的一种。该技术基于超声波在空气中的传播速度及遇到被测物体表面产生反射的原理。可实现非接触测量、测量范围宽、并且测量不受介质密度、介电常数、导电性等的影响，因此它的适用范围非常广泛，包括水渠、油罐、粘稠、腐蚀性及有毒液体等的液位测量中8。我国从九十年代初开始，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。超声液位测量技术在越来越多的领域发挥其重要作用。（6）雷达液位仪连续式微波液位仪通常采用调频雷达原理，利用同步调频脉冲技术，微波发射和接收器安装在罐顶，向液面发射频率调制的微波信号。当接收到回波信号时，由于来回传播的时间延迟，发射频率已改变了。将两者信号混合处理，所得信号的频差与罐顶到液面之间的距离成正比。（7）光纤液位仪其测量原理与超声波液位计类同，只是用光波代替超声波。即光源发射激光，经被测液面反射，接收反射光后，将从发射至接收的时间换算成液位。激光的光束是很窄的，在液位计中通过光学系统转换成约20mm宽的光束，这样可使反射光易于被传感器接收。（8）射线液位计该技术基于射线对不同物质产生不同衰减的理论，将放射源钻-60或艳-137置于一个防护容器内，放在被测容器的一侧，在其对面，装有一个检测器，当射线穿透容器时，会发生衰减，衰减率取决于被测液体的密度、吸收系数和厚度。液位越高，衰减越大，接收器将射线量变为光脉冲信号，再由光电倍增管转换为电脉冲信号。液位与射线衰减量是非线性关系，必须进行标定。（9）小型液位开关在液位计智能化的同时，出现了一些基于新检测原理，由新型电子部件构成的小型现场液位开关。较典型的是利用超声波穿透空气及液体时衰减率的显著差别来检测液面的超声液位开关；利用空气和液体对振动体的阻尼差别来检测液位的振动式液位开关；以及利用空气和液体电导率的不同来检测液位的电导式液位开关。传统液位计逐渐被这些新型液位计所取代。新型液位计无论是在精度、稳定性，还是在智能测量方面都比传统液位计有着明显的优势，是今后液位计的发展方向8。其中，超声波液位计以其低成本、高精度、非接触测量、稳定性好等优势受到广泛青睐，发展出了适应于不同场合的超声波液位计，广泛应用于石油化工、航天航空、水利、气象、环保、医药卫生、食品饮料等多个领域。本课题中正是以超声波液位计为研究对象。与其它种类的液位计相比，超声波液位计具有以下优点9：（1）非接触式测量，超声波换能器安装在液面上方，不与被测介质接触，可方便的测量腐蚀性、粘稠或有毒液体，避免被被测液体腐蚀或污损，免于维护。（2）通用性好，液位计即可测量开渠液位，也可测量大型储罐等的液体液位。安装拆卸方便。（3）适应性强，使用范围广，不受介质密度、介电常数、导电性等的影响，对被测液体的物理化学性质的适应性极强。（4）适用于有毒、有腐蚀、高粘度的液体液位测量，弥补了其他液位计在此类恶劣测量环境中的不足。（5）几乎没有机械可动部件，无磨损，使用寿命长，重量轻。换能器内的压电元件以声频振动，振幅小，寿命长。（6）稳定性好。但是超声波液位计也有其自身的局限性，主要表现在被测液体易挥发时，液面上方的空气密度不均匀，会导致测量误差较大：当被测液体液位有较大波浪时，易引起声波反射混乱，产生误差；另外，超声波液位计测量液位时有无法避免的盲区，因此小距离测量比较困难。1.2 国内外超声波测量的现状近十年来，国内科研人员在超声波回波信号处理方法、新型超声波换能器研发、超声波发射脉冲选取等方面进行了大量理论分析与研究，并针对超声测距的常见影响因素提出温度补偿、接收回路串入自动增益调节环节等提高超声波测距精度的措施。目前，国内学者对超声波回波信号处理算法的研究已经日渐成熟，但其作为超声波探测定位的关键技术，仍将是一个重要的研究方向。新型超声波换能器研发。随着超声波回波信号处理方法的不断完善，如何研发新型、高性能超声波换能器以进一步拓宽超声波测距的应用空间，作为解决超声波测距系统不足的根本手段，越来越受到国内学者关注。目前国产低功率超声波探头，一般不能用于探测15m以外的物体，美国AIRMAR公司生产的AirducerAR30超声波传感器的作用距离可达30m，但价格较高。潘仲明等对大作用距离超声波传感技术进行研究，研制了谐振频率为24kHz的新型超声波传感器，其作用距离超过了32m，测量误差小于2%。廖一等提出利用弯曲振动换能器改善声匹配，将气介超声波换能器的最大探测距离提高到35m10-11。现阶段，国内一些科研人员在超声波发射电路的简化、发射功率和频率的控制、最大探测距离的提高等方面对新型超声波换能器进行研究并取得了一定成果，但对新型超声换能器制作材料、超声波发生机理创新等方面的研究尚有不足。超声波发射脉冲选取。目前市场上普通的超声波测距系统，一般采用发射单超声脉冲的方法，这种方法在测距精度和可靠性等方面的研究已较成熟。但是当它采用较高频率超声波时，会因空气吸收而较快衰减，导致有效测量距离降低；在通过降低频率以增大测距范围时，测距的绝对误差又会增大。因而该方法存在测量分辨力和有效作用距离的矛盾，极大制约了超声波传感器应用领域的拓宽。近年来，如何合理选择超声发射脉冲，可以使超声波测距系统在提高有效作用距离的同时，相应提高测量精度与抗干扰能力，成为超声波测距技术的又一个重要研究方向。针对此点，程晓畅借鉴雷达信号处理中的脉冲压缩技术，率先提出通过选用伪随机二进制序列作为超声发射的脉冲压缩信号，并在接收端对回波进行处理，从而获得窄脉冲的方法。杜晓等则兼顾测距范围和精度，提出通过采用40kHz与20kHz两种超声波同时测距的双频超声测距方法。脉冲压缩技术与双频超声测距技术在超声测距中的应用，在一定程度上使超声波测距系统同时具备了窄脉冲的高分辨力和宽脉冲的强检测能力，但仍旧不能满足高精度测量的要求12-13。超声波测距选用大波束角探测器，可以满足探测范围要求，但分辨能力较差，难于准确地提供目标的边界信息。然而如果采用小波束角探测器，可以满足分辨能力的需要，但探测范围很难满足要求。针对这一矛盾，金元郁等提出步进电机驱动单套小波束角传感器做扇形扫描的方法，即步进电机每转过一个步距角，测距系统便在当前的角度上测取一个距离信息，结合当前的扫描角度，就得到了一个较为精确，而且兼有距离、方向的位置信息。该方法有效弥补了大波束角探测器分辨能力差，小波束角探测器探测范围不足的缺点。超声波测距作为非接触式检测技术的典型方法之一，以其价格低廉、信号处理可靠、不受电磁、天气影响等优势，必将拥有广阔的市场前景14。超声波测距凭借其原理简单、易于实现以及成本低等优点，在液位测量、移动机器人定位和避障、汽车防撞和曲面仿形检测等领域得到了广泛的应用。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。近十年来，基于高速数字信号的处理技术与微处理器技术的进步，以及新型探头材料与工艺的研究，超声液位测量技术取得了长足的进步，显示出强劲的技术优势，形成了迅猛的发展势头，已成功应用于江河水位、污水处理、化学和制药工业、食品加工、罐装液位、电厂、钢厂、酒厂等多种领域，并日益显示其在非接触测量中的巨大优势。现在很多液体都装在封闭式容器内，研究无需对被测容器开孔的超声波液位仪，实现非接触测量，是检测封闭容器内易挥发、易燃、易爆等液体液位的发展方向。超声波液位仪是非接触液位仪中发展最快的一种。该技术基于超声波在空气中的传播速度及遇到被测物体表面产生反射的原理。智能化的超声波液位仪带有一个功能很强的智能回波分析软件包。它可以将各种干扰过滤出来，识别多重回波，分折信号强度和环境温度等有关信息，这样即便在有扰动条件下读数也是精确的。超声波液位计具有广泛的适用性，可以根据不同测量场合的需要，采用气体介质、液体介质或固体介质导声。既可用来测量航道、水库的液位高度，也可以测量液化气罐、化工塔等密闭容器内的液位高度。由于超声波液位计没有可动部件，不存在机械磨损、机械故障，因而其可靠性和使用寿命比多数接触型液位计要高。1.3 本文所做的工作 本文所做的工作是将超声波技术具体应用于罐体液位测量中，解决罐体液位测量中的问题，完成罐体液位测量控制系统设计的主要工作有：（1）研究超声波的相关理论，掌握波特性和其激发方法，介绍液位的各种测量方法，并对回波测距法进行深入研究；（2）设计+5V电源供电电路；（3）设计HC-SR04超声波测距模块发射电路和接收电路；（4）设计以单片机AT89S52为核心的控制电路；（5）设计L298N驱动电机的连接电路；（6）设计显示电路； （7）完成对罐体液位测量控制系统的软件编程，软件部分采用模块化设计包括中断服务子程序，主程序等。通过对罐体液位检测控制电路的设计，可以解决液位控制系统中的各种复杂问题，使其精度得以提高，更为自动化；而且为非接触型液位测量，具有价格较为适中、安装使用方便、精度较高等优点，系统稳定性较好。39第2章 超声波液位测量的原理2.1 超声波超声波液位测量技术以超声波作为信息采集手段。超声波作为一门学科已有几十年的历史，其应用范围很广泛。超声波不仅用来进行各种参数的检测，而且广泛应用于加工和处理技术。超声波用于液位检测时，主要利用了超声波的以下性质：（1）和其他声波一样，超声波可以在气体、液体及固体中传播，并有各自的传播速度。例如，在常温下空气中的声速约为334m/s，在水中的声速约为1440m/s，而在钢铁中约为5000m/s。声速不仅与介质有关，还与介质所处的状态（如温度）有关。超声波在空气中传播是由于气体具有反抗压缩和扩张的弹性模量，所以空气分子受到振子振动面交替的压缩与扩张时，气体分子具有恢复力，即气体反抗压缩变化力的作用而实现弹性波德传播。因此，声波在大气中的传播速度受气体密度、湿度、分子成分等因素的影响。 （2-1）式中 是气体定压热容和定容热容的比值，对空气是1.40； R是气体普适常量； M是气体分子量。这三者对于空气来说都是定值，因此，理想气体的声速与绝对温度T的平方根成正比，对于空气来说，影响声速的主要因素是温度，并可用下式计算声速 ： （2-2）由公式（2-2）可知，超声波声速随温度的升高而增大，一般温度每升高1，声速变化约为0.6m/s。而在许多固体和液体中的声速一般随温度的增高而降低。 （2）声波在介质中传播时会被吸收而衰减，气体吸收最强而衰减最大，液体其次，固体吸收最小而衰减最小。因此，对于给定强度的声波，在气体中传播的距离会明显比在液体和固体中传播的距离短。另外，声波在介质中传播时衰减的程度还与声波的频率有关，频率越高，声波的衰减也越大，因此，超声波比其他声波在传播时的衰减更明显。（3）声波传播时的方向性随声波的频率的升高而变强，发射的声束也越尖锐，超声波可近似为直线传播，具有很好的方向性。（4）当声波从一种介质向另一种介质传播时，因为两种介质密度不同及声波在其中传播的速度不同，在分界面上声波会产生反射和折射，其反射系数R为 （2-3）式中 、分别是反射和入射声波的声强； 、分别是声波的入射角和反射角； 、分别是两种介质的声阻抗，其值，。声波垂直入射时，=0，=0；则反射系数R为 （2-4）由公式（2-4）可以看出，和相差越小，R值也越小，说明反射越弱，当=时，R=0，说明这时没有反射，声波全部透射。当反射介质声阻抗远远大于入射介质声阻抗时，即所谓的硬边界。这时，入射波的介质速度在碰到分界面时好像弹性碰撞一样，变成一个反向速度，反射波质点速度与入射波质点速度相位改变，反射声压与入射声压同相位。比如，当声波从水传播到空气，在常温下，它们的声阻抗约为，代入公式（2-4）可得，R=0.999。这说明声波从液体传播到气体或相反的情况下，由于两种介质的声阻抗相差悬殊，声波几乎全部被反射。表2-1给出了几种常见介质的反射系数。表2-l 几种常见介质的反射系数第一介质第二介质声阻抗（Z）铝钢铜水银玻璃水空气铝1.7000.210.140.010.020.721钢4.5600.010.160.310.881铜3.9200.130.230.861水银1.9300.040.751玻璃1.8000.651水0.1301空气0.0000410 超声波液位测量就是利用了上述声波的这种特性，通过测量声波从发射至接收到被液面所反射的回波的时间间隔来确定液位高度。另外由表2-1可以看出，气介式测量环境最理想，液介式次之。而且对于超声波液位计来说，气介式测量更能发挥非接触测量的优势，因此，在没有特定要求时，超声波液位计首选气介式测量。应用超声波进行测量，首先要解决的问题是如何发射和接收超声波，这就要用到超声波换能器。超声波换能器是整个电路中最关键的器件，又称为超声波探头。它的作用是完成电能与声能的相互转换。发射换能器将其他形式的能量转换成超声能量，接收换能器将超声能量转换成其他易于检测的能量。超声波探头使用最多的是由压电晶片（或压电陶瓷）制成的换能器。超声波的接收和反射是基于压电晶片的压电效应和逆压电效应。其工作原理是：当压电晶片受发射脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，此即逆压电效应。当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，此为正压电效应。前者是超声波的发射，后者为超声波的接收。压电晶片的振动频率即探头的工作频率，主要取决于晶片的厚度和超声波在晶片材料中的传播速度，为得到较高的频率，要使晶片在共振状态下工作，此时晶片厚度为1/2波长。其中，PVDF压电薄膜材料除了具有良好的物理性能外，在厚度、面积上有很大的选择余地，易于加工且频率范围宽，常用来制成40kHz300kHz的超声换能器。压电晶片的材料通常有：锆钛酸铅陶瓷(P)、钛酸钡陶瓷(B)、钛酸铅陶瓷(T)、铌酸锂单晶(L)、碘酸锂单晶(I)、石英单晶(Q)以及其他压电材料(N)。以石英晶体作为压电材料的超声波换能器，利用压电晶片的压电效应和逆压电效应来实现超声波的接收和反射。逆压电效应是指：当压电晶片受发射脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，此为超声波的发射。正压电效应是指：当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，此为超声波的接收。表2-2 几种常用压电晶片材料的主要参数材料居里点/介电常数声阻抗特性（）压电应变常数（mv）压电电压常数（mv/N）石英5704.515.21062.010-125010-3钛酸钡系11517003010616010-121310-3锆钛酸铅19030015002810632010-12-22.410-3偏铌酸锂40030020.51068510-123210-3锆钛铅120100027010612519010-12142110-3注：压电材料的居里点是指压电材料完全丧失压电效应的温度；介电常数反映材料的介电性质，在制造探头考虑阻抗匹配时起作用；压电应变常数是指当压电体处于应力恒定的状态时，由于电场强度变化所产生的应变变化与电场强度变化之比，它关系着晶片发射性能的好坏；压电电压常数是指压电体在电位移恒定时，由于应力变化所产生的电场强度变化与应力变化之比，它关系着晶片接收性能的好坏。压电片的振动方式有很多种，如：薄片的厚度振动，纵片的长度振动，横片的长度振动，圆片的径向振动，圆管的厚度、长度、径向和扭转振动，弯曲振动等。其中，以薄片厚度振动用的最多。由于压电晶片本身较脆，并因各种绝缘、密封、防腐蚀、阻抗匹配以及防护不良环境要求，压电元件往往装在壳体内构成探头。压电晶片的振动频率即探头的工作频率，主要取决于晶片的厚度和超声波在晶片材料中的传播速度。压电陶瓷晶片有一个固有的谐振频率，即中心频率，为得到较高的频率，要使晶片在共振状态下工作。发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致；接收超声波时，作用在其上面的超声机械波的频率也要与它的固有频率一致。这样，超声传感器才有较高灵敏度。在所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便的改变其固有谐振频率。利用这一特性可制成各种频率的超声传感器。用于超声测距的超声换能器的中心频率一般为40kHz。超声波换能器有一个特定的机械共振频率，即压电晶片的谐振频率，只有在相当接近这个共振频率时，才能有效地工作。所以必须用一个接近共振频率的交流频率信号施加到发射换能器上，以便使它发射适当强度的超声波，而当反射回换能器的超声波偏离共振频率较远时，则接收换能器产生的响应就小15-16。 超声波换能器的参数主要有：（1）中心频率：是指超声波发射换能器的谐振频率（2）灵敏度：接收换能器灵敏度为施加0.1Pa声压时，所产生的电压相对于1V/0.1Pa的分贝数；发射换能器灵敏度为施加lV电压所产生的声压相对于 0.1Pa/1V的分贝数。（3）带宽：中心频率处灵敏度最高。当离开中心频率，灵敏度下降，当下降到一定值(dB数)时，两频率之间隔为带宽。（4）发射角：发射超声波具有一定的指向性。（5）电容：压电陶瓷片两极间的等效电容。（6）电阻：压电陶瓷片两极间的电阻值。另外，还有一些极限参数，如允许输入电压、温度范围、耐湿性等。本设计中选用T/R40-16型超声波换能器。T-发射，R-接收，40-中心频率，16-外壳直径（mm）。超声换能器由压电晶片、锥形喇叭、底座、引线、金属外壳及屏蔽网组成。其中，压电晶片是换能器的核心，锥形喇叭使发射和接收超声波的能量集中，并使换能器有一定的指向角，金属网可防止外界力量对压电晶片和锥形喇叭的损害，金属网也起保护作用，但不影响发射和接收超声波。其性能指标：中心频率401kHz，发射声压大于115dB，接收灵敏度大于-64dB/v/ubar，-6dB指向为50deg，电容240025%PF，允许输入电压20V。其发射换能器频率特性曲线图如图2-1所示。发射灵敏度（dB）12011010080f（kHz）kHz图2-1 超声发射换能器频率特性 由图可知，在中心频率40kHz处，超声发射器所产生的超声机械波最强，即在处所产生的超声声压能级最高。而在两侧，声压能级迅速衰减，因此超声波发射时要用非常接近中心频率的交流电压来驱动。同样，接收换能器在中心频率处输出电信号的幅度最大，即在处接收灵敏度最高。因此，超声波接收换能器具有很好的频率选择特性。2.2 工作原理目前，采用超声波测量液位的方法很多，有声波阻断式、脉冲回波法、共振法、频差法等连续液位测量方法，还有连续波阻抗式、连续波穿透式、脉冲反射式和脉冲穿透式等定点液位测量方法。脉冲回波测距法是利用声波在同一介质中有一定的传播速度，而在不同密度的介质分界面处会产生反射，从而根据声波从发射到接收到液面回波的时间间隔来计算液位。根据超声波探头的安装位置不同，此方法又分为液介式、气介式、固介式三种。液介式：超声波发射探头置于最低液位之下，声波以被测液体为传播介质，在液面发生反射；气介式：超声波发射探头置于最高液位之上，声波在液面上方的气体介质中传播，经被测液体表面反射；固介式：声波经固体棒或金属管传播，经液面发射后再由固体棒传回接收换能器接收。这种方式由于有一定的局限性，所以应用的较少。上述脉冲回波法是以测量超声脉冲在介质中传播时间为基础的，因此又称时差法。除此之外还有以测量声波衰减为基础的。基于声波传播时差的脉冲回波法是应用最广泛的连续液位测量方法之一。通过超声波发射器向某一方向发射超声波，单片机在发射时刻同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即反射回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离。本系统利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时。系统定时发射超声波，在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波的反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，单片机检测到这个负跳变信号后，停止内部计时器记时，读取时间，计算距离，测量结果输出。10的TTL触发信号模块内部输出信号发出信号 输出回响信号循环发出8个40KHz脉冲回响电平输出与检测距离成比例 图2-2 超声波测距时序图图2-2表明只需要提供一个 10微秒以上脉冲触发信号，该模块内部将发出8个40kHz周期电平并检测回波。一旦检测到有回波信号则输出回响信号。 回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比，由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。测量周期尽量为60ms以上，以防止发射信号对回响信号的影响。时差法超声波液位计的工作原理是首先由发射探头发射出超声波，在被测液体介质或其他借以测量的传声介质中传播至液面，经液面反射后，反射回波被接收探头所接收，测量超声波从发射到接收所经过的时间，根据介质中的声速，可计算出探头至液面的距离，进而得出液位高度。根据超声波换能器的工作方式的不同，超声波液位计可分为一发一收的双探头模式和自发自收的单探头模式。根据传声介质的不同，又分为气介式、液介式和固介式三种安装方式。本文主要以气介式安装双探头超声波液位计作为研究对象。如图2-3所示，液位高度计算公式： （2-5）其中 H表示探头与容器底部的距离；L表示超声波传输距离的一半；表示超声波声速；t表示超声波传播时间；h即所测液面实际高度。接收探头发射探头LH液面h图2-3 测量原理图在两探头相距非常近时，可将超声波传播路径看成是与液面垂直的直线距离。由上述可知，超声波液位计测液位需要知道超声波在空气中的传播速度和传播时间，以计算得出液位高度。因此，超声波液位计的精度取决于超声波声速和传播时间的计时精度。对公式（2-5）进行全微分，可以分析由于和的测量误差和给测量L所带来的误差： （2-6）公式（2-6）括号中第一项是由于声速变化所引起的误差，第二项是由于计时不准确所带来的误差，所以超声波液位测量技术的关键就是要解决好这两个问题。在本设计中，采用单片机内部自带的定时器对超声波液位测量中声速传播时间进行精确计时，大大提高了对超声波传播时间的计时精度。由于51系列单片机的机器周期是级，所以计时精度可精确到级。而1的计时误差引起的测距误差约为0.345mm。所以系统每提高1mm的测量精度，相应的单片机的计时误差应减小3。传统的超声波液位计，大多采用温度补偿方法校正声速17，这就需要先测得测量环境的实际温度，从而不可避免的有测温误差的存在。超声波在不同介质中声速差异很大，即使同一介质，其声速也随温度、压力、粘度、湿度或成分的变化而变化。其中温度的影响最大。对于气体和液体来说，差别更加明显。严格来说，超声波频率改变，声速也会变化。因此，在实际测量中，不能简单地把声速看成常数。只有在测量条件比较理想，传播介质的成分、温度、压强等因素都没有很大变化，同时液位的测量精度要求又不高的情况下，可以把声速作为常数。空气