基于超声波传感器的液位测量

基于超声波传感器的液位测量

1.摘要

超声波传感器应用广泛，其中液体液位的准确测量是实现生产过程检测和实时控制的重要保障，也是实现安全生产的重要环节。本文主要介绍液位的测量。液体罐内液位测量的方法有很多种，其中超声波传感器由于结构简单、体积小、费用低、信息处理简单可靠，易于小型化与集成化，并且可以进行实时控制，所以超声波测量法得到了广泛的应用。2.超声波概要

超声波是指频率高于20kHz的机械波，一般由压电效应或磁致伸缩效应产生；它沿直线传播，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强；它还具有强度大、方向性好等特点，为此，利用超声波的这些性质就可制成超声波传感器。超声波传感器是利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应研制而成的传感器。超声波传感器按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，其中以压电式最为常用。压电式超声波传感器常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，它是利用压电材料的压电效应来工作的：逆压电效应将高频电振动转换成高频机械震动，从而产生超声波，可作为发射探头；而正压电效应是将超声波振动转换成电信号，可作为接收探头。

3.检测方法选择

从测量范围来说，有的液位计只能测量几十厘米，有的却可达几十米。从测量条件和环境来说，有的非常简单，有的却十分复杂。例如:有的是高温高压，有的是低温或真空，有的需要防腐蚀、防辐射，有的从安装上提出苛刻的限制，有的从维护上提出严格的要求等。

按测量液位的感应元件与被测液体是否接触，液位仪表可以分为接触型和非接触型两大类。接触型液位测量主要有:人工检尺法、浮子测量装置、伺服式液位计、电容式液位计以及磁致伸缩液位计等。它们的共同点是测量的感应元件与被测液体接触，即都存在着与被测液体相接触的测量部件且多数带有可动部件。因此存在一定的磨损且容易被液体沾污或粘住，尤其是杆式结构装置，还需有较大的安装空间，不方便安装和检修。非接触型液位测量主要有超声波液位计、微波雷达液位计、射线液位计以及激光液位计等。顾名思义，这类测量仪表的共同特点是测量的感应元件与被测液体不接触。因此测量部件不受被测介质影响，也不影响被测介质，因而其适用范围较为广泛，可用于接触型测量仪表不能满足的特殊场合，如粘度高、腐蚀性强、污染性强、易结晶的介质。

根据以上几种因素得知，超声波液位计是非接触式液位计中发展最快的一种。超声波在同一种介质中传播速度相对恒定，遇到被测物体表面时会产生反射，基于此原理研制出

了超声波液位计。目前，智能化的超声波液位计能够对接收信号做精确的处理和分析:可以将各种干扰信号过滤出来:识别多重回波;分析信号强度和环境温度等有关信息。这样即便在有外界干扰的情况下，也能够进行精确的测量。超声波液位计不仅能定点和连续测量，而且能方便地提供遥测和遥控所需的信号。同时，超声波液位计不存在可动部件，所以在安装和维护上相应比较方便。超声测位技术可适用于气体、液体或固体等多种测量介质，因而具有较大的适应性且价格较为便宜。新型气密结构、耐腐蚀的超声波传感器可测量高达几十米的液位。所以本设计采用超声波外侧液位测量方法。

4.超声波测距原理及方法选择

超声波液位测量的方法有多种，如超声脉冲回波法、共振法、频差法、超声衰减法等。超声脉冲回波法的基本原理是由超声波传感器的发射探头发射超声波，当超声波遇到障碍物时会被反射，利用单片机记录超声波发射的时间和接收到回波的时间，根据当前环境下超声波的传播速度，即可通过公式S=C*t/2(式中S为被测距离，C为超声波传播速度，t 为回波时间。)计算出超声波传播的距离，也就得到了障碍物离测试系统的距离。

共振法的基本原理是调节超声波的频率，使得探头和液面之间建立驻波共振状态，这时探头与液面之间的距离就与超声在介质中的波长成一定的比例关系。当超声波速度己知时，就可根据共振频率计算波长再换算出探头到液面的距离因。频差法就是让超声探头发出调频的超声波，超声波的频率随传播距离的不同而不同，根据接收信号和发射信号间的频差可得到从发射到接收的时间。超声衰减测量顾名思义就是超声波在被测介质中的衰减量随距离变化，根据接收信号和发射信号间的衰减量变化测量液位。从以上方法的对比中可以看出，用共振法检测液位受到一些具体条件的限制，需要与液面建立驻波关系，并且它属于一种接触式测量方法。频差法需要调频器产生调制频率，衰减法需测量超声波的衰减量。相比较而言，超声波脉冲回波法无需与液面之间建立驻波，并且可以实现非接触检测。所以脉冲回波法是其中最适合的方法，本文将采用该方法实现超声波外测液位检测。

5.系统分析和总体设计

5.1 对液位测量系统的要求

系统由超声波传感器、单片机和无线数据传输模块组成。传感器将接收到的信号经数据处理后由无线数据传输模块送入上位机进行显示、超限报警等操作。通过对超声波接收信号进行的有效处理，基本上消除时间检测误差，并进行温度补偿计算。

主要技术指标

（1）液位量程:0～5m；

（2）测量误差:0.1%；

（3）显示分辨率:lmm；

（4）环境温度:-10～60℃；

5.2 系统组成

系统由上位机系统和下位机系统组成。下位机包括超声波传感器、单片机、无线数据传输模块，上位机由单片机、无线数据传输模块、键盘、显示和报警等部分组成。上位机与下位机之间通过无线数据传输模块进行通信。

因为分体式超声波液位传感器的电子单元（参数设定、显示、信号输出）与超声波探头分开，通过缆线相连接，超声波探头安装于容器上部，电子单元（即主机）可以灵活选择安装位置，便于观察、操作。所以采用T/R40-16型超声波传感器。T/R40-16为收发分体式压电陶瓷超超声波传感器，T40-16为发射探头，能发射中心频率为40KHz的超声波；R40-16为接收探头，可以接收中心频率为40KHz的超声波并转换为电信号。而且，价格很低。

信号调理电路包括超声波发射电路和超声波接收电路两部分。

图1 传感器系统框图

（2）超声波产生电路

由单片机产生40KHz的TTL 脉冲信号通过P1.0 口输出，再经过三极管Q1和变压器TR1进行功率放大。为了产生的超声波信号强度能够满足测量范围0～5m 的要求，超声波探头上所加的电压应达到100V 左右，变压器的变比大致为N1：N2=1：10，在变压器副线圈上将电压10 倍放大，超声波探头上的正弦电压约为100V。TR1 原线圈上，串联限流电阻R2；TR1副线圈上，C1 应与变压器副边绕组谐振于发射频率。

图2 超声波产生发射电路

（2）超声波接收电路

超声波接收电路所要完成的功能是当反射回波进入超声波探头时引起晶片震动，产生电压信号，对该电压信号进行处理后送入 INT0 产生中断申请信号，定时器停止计时。由于此电压信号非常微弱，因此首先要对其进行放大，然后通过比较电路检测到当放大后的信号的幅值超过规定的阈值时产生中断申请信号，并将该信号作为停止计时信号。

该电路由CX20106A组成。集成电路CX20106A是一款红外接收的专用芯片，常用于电视红外遥控器。常用的载波频率38KHz与测距的40khz较为相近，可以利用它来做接收电路。适当的改变C3的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。该方法电路结构比较简单，易于调试和使用，且芯片的灵敏度和抗干扰能力都能满足系统的需求。

图3 超声波接收电路

CX20106A集成芯片由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器、整型电路组成。其中的前置放大器具有自动增益控制功能，可以保证在超声波传感器接收较远反射信号输出微弱电压时放大器有较高的增益。在近距离输入信号强时放大器不会过载。其带通滤波器中心频率可由芯片脚5的外接电阻调节。其主要指标：单电源5V供电，电压增益77—79dB，输入阻抗27K，常用的载波频率38KHz与测距的40KHz较为相近，可以利用它来做接收电路。适当的改变C3的大小，可以改变接受电路的灵敏度和抗干扰能力。功能描述为：在接收到与滤波器中心频率相符的信号时，其输出脚7输出低电平。芯片中的带通滤波器、积分器等使得它抗干扰能力很强。放大器输出脚7直接接单片机 INT0口以触发中断。用CX20106A接收超声波（无信号时输出高电平），具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。

5.3 温度补偿电路

由于超声波是一种声波，它的传播速度受空气密度的影响，密度越大，传播速度越快，而空气密度和温度有密切关系，所以温度变化时，声速也变化，导致测量不准确。超声波传播速度 C 随环境温度变化如下：

C=331.45(1+T/273.16)

其泰勒级数展开式（仅保留到一次项）为：

C=331.5+0.607T

6. 总结

本文介绍的基于单片机的液位测量系统，论文首先分析了利用超声波检测液位的可行性，然后设计了传感器的硬件电路。设计了超声波发射、接收电路，温度测量电路。利用了超声波测距原理实现了非接触测量，温度测量电路的设计，有效的减小了超声波速度随温度变化引起的液位测量误差。本文所设计的液位测量系统性能稳定、精度高、体积小、能耗低。应用范围广，安装简单方便，可维护性好,能很好的适应工业现场的复杂环境。