传感器作业.docx

《检测技术》课程设计

题目：超声波流量测量
姓名：李宇翔
学号：031110330
学院：自动化
专业：自动化
班级：0311103
指导教师：黄玲

日期：2014.6.15
1 绪论
我国水资源相当匮乏，分布也不平横，随着国民经济的发展，我国水资源越来越珍贵，水的价格也越来越高，对水量的计量精度要求也越来越高，特别是对大型引水、城市供水等大流量计的计量，要求流量计的精度很高，因为很小的测量误差就会产生很大的流量误差，因此带来的直接经济利益是一个很可观的数目。因此需要有高精度、大流量、使用方便、价格合理的水流量计。
1.1 超声波流量测量技术发展概述
超声流量测量技术的基本原理是利用超声波在流体中传播时所载流体的流速信息来测量流体流量的。利用超声波测定流速、流量的技术不仅应用在工业生产方面，而且在医疗、海洋观测及各种计量测试中都有着广泛的应用。1955年，世界上第一台超声波流量计在美国诞生，它使用的技术就是“呜环”时差测量法，用于航空燃料油流量的测量。
上个世纪70年代中后期，基于大规模集成电路技术的飞速发展，商精度的时间测量成为一件轻而易举的事情，再加上高性能的、动作非常稳定的PLL（锁相环路）技术的应用，使得超声波流量计的稳定性和可靠性得到了初步的保证，同时为了消除声速变化对测量精度的影响，出现了频差法。同一时期，前苏联科技工作者对管道内流体的流速分布规律进行了大量深入细致的研究，指出管道内流体流动存在两种状态：层流状态和絮流状态，并给出了层流状态与絮流状态下流速分布规律的理论分析，提出了流量修正系数及其理想状态下的理论计算公式，为超声波流量计进一步提高测量精度打下了坚实的理论基础。至此，超声波流量计的研究和应用才蓬勃发展起来[1]。
进入80年代中期，超声波流量计的实现方法已不仅仅局限于时差法和频差法两种方法，由于电子技术及其相关理论的飞速发展，超声波流量计的种类越来越多，又出现了射束位移法、多普勒法、相关法及噪声法等。
到了80年代中后期，单片机技术的应用使超声波流量计向高性能、智能化方向发展。由于使用了单片机作中央处理单元，系统不仅可以进行复杂的数学运算和数据处理、进一步提高了超声波流量计的测量精度，而且还能够设计出友好的人机界面,使系统具有参数设置、自动检错排错功能以及其他一些辅助功能，大大方便了用户的操作和使用。单片机在超声波流量计中的应用，使超声波流量计开始真正进入工业测量领域[2]。
最近10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，基于新型探头材料与工艺的研究，基于声道配置及流体动力学的研究，超声波流量测量技术取得了长足的进步，显示了它强劲的技术优势，形成了迅猛发展的势头，其潜在的巨大的生命力是显而易见的。
超声波流量计的发展历史来看，美国最早着手这方面的研究，而且很快就有产品投入使用。前苏联以及西欧各国也很快很早就开始从事这方面的研究，前苏联的科学工作者广泛地对流量测量理论进行了研究，讨论了流速分布中的流量补偿系数问题，并且提出用多路超声波流量计解决流场畸变对测量精度的影响，为超声波流量计进一步提高精度打下了坚实的基础，但在实际应用方面远不美国那么活跃。日本是超声波流量计研究的后起之秀，在消除管外传播时间、提高一起精度和缩短响应时间方面有独到之处。我国的超声波流量计研究工作虽然起步比较晚，但是由于广大科技工作者的努力和引进国外先进的技术，国产的超声波流量计已经开始批量生产并投入使用了。目前，国内超声波流量计生产厂家主要有上海自动化仪表有限公司、唐山汇中仪表有限公司、唐山大方电子技术有限公司、大连索尼卡电予有限公司、大连长风电子有限公司、北京衡安特测控技术有限公司等。国外著名的品牌有日本的富士，美国的宝丽声、康创，英国的梅克罗尼等。其中美国的宝丽声公司的最新一代DDF系列超声波流量计使用了技术DSP进一步提高了超声波流量计的灵敏度和抗干扰能力,其可测的最小管径为0.006米[3]。

2.超声波流量计的分类和实现原理介绍
1.1分类和基本原理
按测量原理分类有：①传播时间法；②多普勒效应法；③波束偏移法；④相关法；⑤噪声法。
其中以噪声法原理及结构最简单，便于测量和携带，价格便宜但准确度较低，适于在流量测量准确度要求不高的场合使用。由于直接速度差法、时差法、频差法和相位差法的基本原理都是通过测量超声波脉冲顺流和逆流传播时速度之差来反映流体的流速，故又统称为传播速度差法。其中频差法和时差法克服了声速随流体温度变化带来的误差，准确度较高，所以被广泛采用。
按照探头的配置方法不同，传播速度差法又分为：Z法(透过法)、V法(反射法)、X法(交叉法)等。
波束偏移法是利用超声波束在流体中的传播方向随流体流速变化而产生偏移来反映流体流速的，低流速时，灵敏度很低适用性不大。
多酱勒法是利用声学多普勒原理。通过测量不均匀流体中散射体散射的超声波多普勒频移来确定流体流量的，适用于含悬浮颗粒、气泡等流体流量测量。
相关法是利用相关技术测量流量，原理上，此法的测量准确度与流体中的声速无关。因而与流体温度，浓度等无关，因而测量准确度高，适用范围广。但相关器价格贵，线路比较复杂。在微处理机普及应用后，这个缺点可以克服。
噪声法(听音法)是利用管道内流体流动时产生的噪声与流体的流速有关的原理，通过检测噪声表示流速或流量值。其方法简单，设备价格便宜，但准确度低。
在这里介绍一下用得最多的传播时间法和多普勒效应法的基本原理。根据分析传播时间法和多普勒法的原理，本设计采用传播时间法。
1.2 多普勒(效应)法
多普勒(效应)法超声波流量计是利用在静止(固定)点检测从移动源发射声波而产生多普勒频移现象。
水流
TS1

TS2
θ
θ
D

图2-1 多普勒超声波流量计测量原理
如图2-1所示，超声探头A向流体发出频率为fA的连续超声波，经照射域内液体中散射体悬浮颗粒或气泡散射，散射的超声波产生多普勒频移fd，接收探头B收到频率为fB的超声波，其值为
(2-1)
式中v一散射体运动速度。
多普勒频移．力正比于散射体流动速度
(2-2)
测量对象确定后，式(2--10)右边除v外均为常量，移行后得
(2-3)
1.3 时差法超声波流量计的基本原理
时差法超声波流量计就是利用声波在流体中顺流、逆流传播相同距离时存在时间差，而传播时间的差异与被测流体的流动速度有关系，因此测出时间的差异就可以得出流体的流速，也就可以计算出流体的流量时差法测量原理是属于传播时间法的一种，但其自身也分为两种不同的方法：传统时差法和改进时差法。
1.3.1 传统时差法

图2-2 传统时差法测量原理图
流体的速度为v，超声波在静止流体中的流速为C，管径为D，发射角度为θ，td为超声波在管壁和探头的传播时间以及电路延迟时间的总和，当超声波顺流传播时，其速度为c+vsinθ，从而有顺流时的传播时间：
+td (2-4)
当超声波逆流传播时，其速度为c-vsinθ，从而有顺流时的传播时间
+td (2-5)
顺流与逆流的时间差为
(2-6)
所以 (2-7)
流速v的计算与声速C和时间差Δt有关，时间差的检查主要是通过单片机的内部计时器完成，而声速C受温度影响大，在不同的温度下C不同，故影响了测量的准确度。
1.3.2 改进时差法的原理和优点

图2-3 改进时差法测量原理图
顺流时超声波在流体中的传播速度为：
（2-8）
逆流时超声波在流体中的传播速度为：
（2-9）
两式相减，
（2-10）
(2-11 )
此式中不含有声速C，只要测出逆流传播时间t1和t2即可，改进时差法避免了系统受温度的影响，从而提高了系统的测量精度

3 时差法超声波流量计的总体设计
3.1 超声波换能器的结构及原理
声波的发射和接收，需要一种电-声之间的能量转换装置，这就是换能器。超声换能器，也即超声传感器，是超声波流量计中的重要组成部分。换能器处在发射状态时，将电能转换为机械能，再将机械能转换为声能；反之，当换能器处在接收状态时，将声能转换为机械能，再转换为电能。超声换能器通常都有一个电的储能元件和一个机械振动系统。目前使用较多的是压电型超声波发生器。
压电型超声波换能器是借助压电晶体的谐振来工作的，即晶体的压电效应和 逆压电效应。其结构原理如图3-1所示：
谐振子
电极板
压电晶体

图3-1 超声波换能器结构原理图
超声波换能器是一个超声频电子振荡器，当把振荡器产生的超声频电压加到 超声换能器的压电晶体上时，压电晶体组件就在电场作用下产生纵运动。压电组 件振荡时，仿佛是一个小活塞，其振幅很小，约为(1～10) m ，但这种振动的加速度很大，约(10～10 3 ) g，这样就可以把电磁振荡能量转化为机械振动量，若这种能量沿一定方向传播出去，就形成超声波。当在超声换能器的两电极施加脉冲信号时，压电晶片就会发生共振，并带动谐振子振动，并推动周围介质振动，从而产生超声波。相反，电极间未加电压，则当共振板接收到回波信号时，由逆压电效应，将压迫两压电晶片振动，从而将机械能转换为电信号，此时的传感器就成了超声波接收器。
超声换能器有许多不同的结构，可分为直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头等。根据压电晶片的大小，如直径和厚度的不同，每个探头的性能是不同的，其主要性能指标包括：
（1）工作频率 f 0 ：大多工作频率选在换能器的机械共振频率（即压电晶片的共振频率）附近。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。
（2）机电耦合系数 Kt ：超声波换能器的机械能和电磁能相互转换过程，就是机电耦合过程。最早给出定义的梅森将机电耦合系数定义为
（3-1）
但是，定义机电耦合系数的公式很多而且各部协调。此外，压电元件的机械能与它的形状和振动方式有关。因此不同形状和振动方式所对应的机电耦合系数也不同。机电耦合系数为无量纲单位。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。
（3）换能器的机械品质因数是从电学中应用到机械振动系统中来的一个重要物理量，它与标称宽带密切相关，即与换能器的机电耦合系数密切相关，而且与所在介质的辐射阻抗、换能器结构、材料及损耗密切相关。例如，同一只压电换能器，在水中的30，在空气中。
（4）换能器的阻抗特性：根据换能器的等效机电六端网络图，每一端具有一定 的特性阻抗。所以，一方面换能器与发射电路（或接收电路）末级电阻应该匹配；另一方面换能器应该与辐射声负载（或接收声负载）匹配。
（5）换能器的频率特性：所谓频率特性就是换能器的主要参数，如功率、声压、阻抗和灵敏度等随频率变化的特性。在接收换能器中宽频带可获得窄脉冲、短余振时间波形，获得极高的纵向分辨率。。
在一般工业领域，通常接收和发射的传感器使用完全相同的材料，做成完全 一样的结构，可以互换使用或进行双向收发[15]，这样不仅可以降低成本，而且在 一定程度上减小了测量误差。
3.2 换能器的安装
对于时差法超声波流量计来说，超声换能器在管道上的安装位置通常有三种不同形式：平行式、Z 型、V型。如图3-2所示：
TS1
TS2
TS1
TS2
TS1
TS2
（a）平形式
（b）Z型
（c）V型

图3-2 换能器的不同安装位置
平行安装的超声波换能器位于管道轴线上，理论上讲，声波在管道的径向穿过流体截面的次数越多，其测量准确度就越高，但是换能器安装在管道轴向中心一方面会严重扰乱流场的分布，另一方面其测量的流体流速不具有整个流束截面的代表性，所以是不可取的；Z 型安装的声传播路程较短，传播时间不易测量，会限制流量计在小管径上的应用；而V型结构既保证了波的传播方向又可以扩大声程，是现在国际上流行的两种换能器安装在同一侧的设计。
所以，在本设计中，我们的换能器将采用单通道（即只采用一对探头）V 字型安装，这样不仅可以提高系统的分辨率，而且单通道形式可以消除由于双通道换能器参数不对称等引起的一些附加温度误差，特别是单通道的发射器、接收器安装在管壁同一侧，让超声波在管壁对侧反射一次的方法还可以减少流速断面分布不均匀的误差，另外这种方法也可以减少超声波在声道中多次反射引起的对测量的干扰。
3.3 多脉冲测量方法
一般所需测量的流体流速常常是每秒几米，对比而言，声波在液体中的传播速度（约为1500m／s左右）很大，因此，该设计中使用了多脉冲测量的方法。不但降低了测量的难度，更易获得精确的数据，还可以在测量时结合多脉冲测量方法的特点，利用概率论和数理统计等相关理论对测量时差法做出合理估计，从而确保流量测量的精度。
多脉冲电路图如图3-3所示
TS1
TS2
V
θ
启 动
放大
d
TS2
V
启动
放大
θ
a
TS1
图3-3 多脉冲测量示意图
b
多脉冲测量就是利用超声波的多次发射和接收过程，对某一物理量进行测量的方法。
顺流时：
如图3-3-a图所示，T1发射超声波，超声波在流体中顺流传播，经时间后被T2接收，并将其转化为电信号，再进行其他操作（放大、整形等）。而后，其中一部分代替触发信号触发T1再次发射超声波。如此循环N次。
N次循环所用时间：（为第i次的，是延迟时间）
(3-2)
逆流时：
如图3-3-b图所示，T1发射超声波，超声波在流体中逆流传播，经时间后被T2接收，而后与顺流时相似。
N次循环所用时间：（为第i次的）
(3-3)
时间差 ：
当两图中的发射电路、放大电路等用完全相同的电路，并且超声波换能器的发射接收性能稳定一致时，只要N足够大，由于统计效应的出现，上述两次声循环的延时（是延迟时间）总和是相等的，即：
(3-4)
于是：
(3-5)
这样，时间差不再用去测量难以准确计量的微小时间和，而是改测相对较大的时间和。用这种多脉冲声循环法对微小时间进行累积后，现有的电子线路就容易测量、，时间差的准确测量就变的容易了 。

3设计分析
系统硬件框图
根据时差法测量的基本原理和时差信号小的特点,本课题研究的时差法超声波流量计主要由两部分组成,时差信号采集部分和信号处理及人机接口部分。时差信号采集部分以从单片机89C51为核心,根据主单片机发来的命令进行相应的操作,主要负责进行超声波的发射和接收以及传播时间的测量,它由超声波发射电路、接收放大电路、顺/逆流切换电路、电压比较电路、计数控制电路等组成；信号处理及人机接口部分,则以单片机89C52为核心,主要负责对整个系统的控制、流量的计算还有人机接口服务,包括键盘、LCD显示、数据存储等。其系统框图如图3.5所示。
系统的工作过程：从单片机收到主单片机发出的测量命令后产生一定的波形，先对计数器清零，接着同步启动发射电路触发超声波换能器发射超声波脉冲，同时使计数电
路开始对高频方波进行计数，在接收端接收到脉冲信号后一部分返回发射端代替同步信号触发发射电路再次发射超声波，另一部分进入分频电路进行分频，如此反复形成顺流发射的多脉冲声循环。当完成所定的多脉冲个数后，分频器产生一个信号，关断高频方波，使计数器停止计数。这个过程可以得到顺流传播的传播时间，用同样的方法可以得到逆流方向传播的时间，并通过并行口送到主单片机上。主单片机收到从单片机发来的顺逆流的传播时间计数值后，采用数字滤波技术对这些时间信号进行滤波处理，并根据实际情况计算出相应的流速和流量，保存到存储器中，并送到LCD上显示出来[15]。

图3.5 系统硬件结构框图
2.4 电路原理图
2.4.1发射接收电路
2.4.2 超声波发射电路
在本设计中，超声发射电路采用了连续脉冲发射电路，它由脉冲发生、放大电路构成，单片机发出的方波信号经三极管放大和变压器升压，达到足够功率后推动换能器超声超声波，这里变压器的主要用途是升高脉冲电压和使振荡器的输出阻抗与负载（超声换能器）阻抗匹配，变压器与探头接成单端激励方式，
单片机所产生的40 kHz的方波脉冲需要进行放大才能用超声波探头驱动将超声波发射出去，所以发射驱动实际上就是一个信号的放大电路，本设计选用一个三极管进行信号放大，和一个变压器对信号放大，然后通过超声波换能器将电信号转化为机械波发射出去，超声波发射电路如图4-2所示。

图4-2 超声波发射电路
4.2.2 超声波接收电路
发射换能器发出超声波信号后，信号经过流体传播到接收换能器，中间有杂 质和气泡等影响，强度不断减小，并且强度也不稳定，因此需要对接收到的信号进行放大而且放大的倍数也要比较大，为了实现高精度的测量， 在信号到达检测电路前必须使信号稳定可靠，根据接收信号的实际情况，我们对 所设计的超声波接收电路由二级放大电路和滤波电路组成。
本设计超声波接收电路如图4-3所示，超声波接收电路由OPAMP构成的两级运放放大电路，和由OPAMP构成的二阶带通滤波电路组成，超声波探头接收到超声波信号时，信号非常弱，为毫伏级，通过两级放大电路，第一级放大100倍，第二级放大50倍，共放大5000倍左右，信号滤波之后，超声波接收电路会输出一个低电平到单片机去请求中断，当即单片机停止计时，并开始去进行数据的处理。

图4-3 超声波接收电路
其中，超声波接收电路一级放大电路如图4-4所示

图4-4超声波接收电路一级放大电路
超声波接收电路二级放大电路如图4-5所示

图4-5 超声波接收电路二级放大电路
超声波接收电路滤波电路如图4-6所示

图4-6 超声波接收电路滤波电路

4.系统软件设计
4.1系统主流程图
首先对整个装置进行初始化，然后开始启动时钟单元，即单片机时钟，开始工作，控制单片机接口P1.6发出低电平方波，对计数单元进行清零初始化；第二步，通过软件编程使单片机的P1.5口发出高电平方波，通过触发继电器触发超声波发射电路发射超声波，同时触发触发器开始工作，使单片机内部计数器对高频方波开始计数。第三步，接收电路接收到高频方波之后，一方面接替发射方波去触发超声波发射电路如此往复，形成连续的多脉冲方波。另一方面接收到的高频方波输入到单片机的接口，产生中断，此时单片机通过P0口读取所存到24C02C单元中的计数值，并且读取定时计数器中的时间值，再通过单片机的计算处理，最后送到LCD显示电路，显示出实时的流量。其主流程图如图5-1所示。
并行口初始化
实时时钟初始化
计数器初始化
中断系统初始化
调用发射接收子程序
调用时钟子程序
调用计算子程序
调用中断子程序
开 始
结 束

图5-1 系统主流程图

4.2 发射接收部分流程图
发射接收部分主要完成的是超声波的发射接收，通过计算从超声波发射到接收到这段时间，并且对高频方波进行计数，再通过调用计算子程序，就可以算出此时的流量，发射接收部分流程图如图5-2所示。
初始化
P1.5有效发射
计数器计数
读计数器
返 回
接 收
单片机P1.6有效输出
开 始

图5-2 发射接收部分流程图

4.3 显示部分流程图
显示部分流程图如图5-3所示

进栈保护
指针指向缓冲区首地址
读取缓冲区地址相应值
取字形码送P0口（断口）
显示相应位
中断返回
开 始

图5-3 显示部分流程图

4.4 INTO中断部分流程图
INTO中断中断部分流程图如图5-5所示
读串行口
返 回
开 始
发送模式标志位置1

图5-5 中断部分流程图

4.5 计算部分流程图
计算部分流程图如图5-6所示。
开 始
读取超声波传播时间
计算流体线平均流速
计算瞬时流量
计算累积流量
子程序入口
结 束

图5-6 计算部分流程图

5．程序
#include <REG2051.H>
#define k1 P3_4
#define csbout P3_5 //超声波发送
#define csbint P3_7 //超声波接收
#define csbc=0.034
#define bg P3_3
unsigned char csbds,opto,digit,buffer[3],xm1,xm2,xm0,key,jpjs;//显示标识
unsigned char convert[10]={0x3F,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};//0~9段码
unsigned int s,t,i, xx,j,sj1,sj2,sj3,mqs,sx1;
bit cl;

void csbcj();
void delay(j); //延时函数
void scanLED(); //显示函数
void timeToBuffer(); //显示转换函数
void keyscan();
void k1cl();
void k2cl();
void k3cl();
void k4cl();
void offmsd();

void main() //主函数
{
EA=1; //开中断
TMOD=0x11; //设定时器0为计数，设定时器1定时
ET0=1; //定时器0中断允许
ET1=1; //定时器1中断允许
TH0=0x00;
TL0=0x00;
TH1=0x9E;
TL1=0x57;
csbds=0;
csbint=1;
csbout=1;
cl=0;
ōpto=0xff;
jpjs=0;
sj1=45;
sj2=200;
sj3=400;
k4cl();
TR1=1;
while(1)
{
keyscan();
if(jpjs<1)
{
csbcj();
if(s>sj3)
{
buffer[2]=0x76;
buffer[1]=0x76;
buffer[0]=0x76;
}
else if(s<sj1)
{
buffer[2]=0x40;
buffer[1]=0x40;
buffer[0]=0x40;
}
else timeToBuffer();
}
else timeToBuffer(); //将值转换成LED段码
offmsd();
scanLED(); //显示函数
if(s<sj2)
bg=0;
bg=1;
}
}

void scanLED() //显示功能模块
{
digit=0x04;
for( i=0; i<3; i++) //3位数显示
{
P3=~digit&opto; //依次显示各位数
P1=~buffer; //显示数据送P1口
delay(20); //延时处理
P1=0xff; //P1口置高电平（关闭）
if((P3&0x10)==0) //判断3位是否显示完
key=0;
digit>>=1; //循环右移1位
}
}

void timeToBuffer() //转换段码功能模块
{
xm0=s/100;
xm1=(s-100*xm0)/10;
xm2=s-100*xm0-10*xm1;
buffer[2]=convert[xm2];
buffer[1]=convert[xm1];
buffer[0]=convert[xm0];
}

void delay(i)
{
while(--i);
}

void timer1int (void) interrupt 3 using 2
{
TH1=0x9E;
TL1=0x57;
csbds++;
if(csbds>=40)
{
csbds=0;
cl=1;
}
}

void csbcj()
{
if(cl==1)
{
TR1=0;
TH0=0x00;
TL0=0x00;
i=10;
while(i--)
{
csbout=!csbout;
}
TR0=1;
i=mqs; //盲区
while(i--)
{
}
i=0;
while(csbint)
{
i++;
if(i>=2450) //上限值
csbint=0;
}
TR0=0;
TH1=0x9E;
TL1=0x57;
t=TH0;
t=t*256+TL0;
s=t*csbc/2;
TR1=1;
cl=0;
}
}

void keyscan() //健盘处理函数
{
xx=0;
if(k1!=1) // 判断开关是否按下
{
delay(400); //延时去抖动
if(k1!=1) // 判断开关是否按下
{
while(!k1)
{
delay(30);
xx++;
}
if(xx>2000)
{
jpjs++;
if(jpjs>4)
jpjs=0;
}
xx=0;
switch(jpjs)
{
case 1: k1cl();break;
case 2: k2cl();break;
case 3: k3cl();break;
case 4: k4cl();break;
}
}
}
}

void k1cl()
{
sj1=sj1+5;
if(sj1>100)
sj1=30;
s=sj1;
}
void k2cl()
{
sj2=sj2+5;
if(sj2>500)
sj2=40;
s=sj2;
}

void k3cl()
{
sj3=sj3+10;
if(sj3>500)
sj3=100;
s=sj3;
}
void k4cl()
{
sx1=sj1-1;
sx1=sx1/csbc;
mqs=sx1/4.5;
}

void offmsd()
{
if (buffer[0] == 0x3f)
buffer[0] = 0x00;
}

6课程设计小结
通过这次课程设计，锻炼了我查阅资料的能力。开始的时候面对这个课题一筹莫展，十分焦虑。
后来在学长的指点下，我在谷歌学术中查阅到了大量的资料。在参考别人的经验的同时，自己克服困难完成了这次的课题。
最后，感谢老师的帮助和教诲，让我能按时完成这个任务。

参考文献

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[9]康华光.电子技术基础模拟部分.高等教育出版社,2005.7
[10]王池.我国流量计量发现现状.现代计量测试.2000,2:8-11