超聲波測距原理與高精度液位測量系統(tǒng)解決方案

超聲波測距具有一系列優(yōu)點，但影響測量精度的因素有很多，因此難以達到較高的精度。在超聲波測距原理基礎(chǔ)上，針對單超聲波換能器溫度或溫、濕度補償方案單一，不能在多變、惡劣環(huán)境下實現(xiàn)高精度測距的缺陷，以及雙超聲波換能器標(biāo)準(zhǔn)擋板補償方案成本高，不能廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域中的缺陷，設(shè)計了借助舵機控制超聲波換能器方向的單超聲波換能器標(biāo)準(zhǔn)擋板補償方案。并針對無法精確捕捉第一個回波前沿的要求，提出了使用可編程增益放大器捕獲不同距離返回的回波前沿。實驗結(jié)果表明，在7 m范圍內(nèi)，以空氣作為傳播介質(zhì)，反射面為水等具有良好發(fā)射性能物質(zhì)時，測量誤差控制在0.4%內(nèi)，該改進方法能夠在惡劣多變環(huán)境下實現(xiàn)低成本的高精度測距。

0引言

目前，液位測量的方法有很多，如浮子式液位測量、投入壓助式液位測量、微波雷達液位測量、紅外液位測量、激光液位測量和超聲波液位測量。其中，以接觸式測量為代表的壓力式傳感器在多泥沙等場景中使用會受到污染，繼而產(chǎn)生較大誤差。而對于非接觸式測距系統(tǒng)，微波雷達液位測量的實現(xiàn)技術(shù)難度大、成本高；紅外液位測量成本低、易于實現(xiàn)，但方向性差、精度低；而超聲波液位測量既可以做到不接觸液面，避免了液體污染和腐蝕對測量設(shè)備的影響，且不受光線、煙霧、電磁干擾，具有分辨率較高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、成本低等優(yōu)勢。

超聲波測距方法主要有相位檢測法、聲波幅值檢測法和渡越時間檢測法。相位檢測法雖然精度高，但測量范圍有限，因而應(yīng)用較少；聲波幅值檢測法精度低、易受反射波影響；而渡越時間法介于前兩種方法之間，精度較高、測量范圍較廣，被廣泛使用。

在實際應(yīng)用中，測距系統(tǒng)的設(shè)計對測距精度影響很大，因此分析超聲波測距的工作原理和流程，改進測距的方式和方法，提高超聲波測距精度的研究越發(fā)引起重視。根據(jù)測距系統(tǒng)應(yīng)用具體環(huán)境的不同，提高精度的方法也略有差異。本文圍繞減小外界環(huán)境的影響、超聲波頻率的選擇等方面進行分析，結(jié)合具體系統(tǒng)的實現(xiàn)，提高了超聲波液位測量精度。

1超聲波測距原理

用于距離測量的超聲波，通常是由壓電陶瓷的壓電效應(yīng)產(chǎn)生，這種壓電陶瓷傳感器有兩個壓電晶片和一個共振板，當(dāng)兩級外加脈沖信號的頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將發(fā)生共振，并帶動共振板振動，從而產(chǎn)生超聲波；當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片產(chǎn)生振動，將機械能轉(zhuǎn)換成電信號。

超聲波測距原理如圖1所示。利用已知超聲波在空氣中的傳播速度v，超聲波換能器垂直向液面發(fā)射超聲波，聲波在水面與氣體的分界面發(fā)生反射，并回傳至超聲波換能器，記錄傳播時間t，即從發(fā)射超聲波信號到接收到超聲回波信號所經(jīng)歷的時間，可得換能器到液面之間的距離L=0.5vt，繼而得出實際的液面高度為：

S=H-L=H-0.5vt(1)

2影響測量因素及解決辦法

根據(jù)式(1)可知，影響超聲波測距精度的主要因素是超聲波傳播速度和超聲波傳播時間。此外還有影響測量范圍和精度的超聲波頻率。這里，不研究討論傳播時間，只對其他兩個方面產(chǎn)生的誤差進行研究分析，并提出合理的解決辦法。

2.1超聲波傳播速度

大多文獻提出使用溫度校正方法對聲速進行補償，其傳播速度公式為v=331.5+0.607T，其中，T為溫度(℃)。而后，提出了溫度、濕度雙補償方法，其傳播速度公式為：

其中，pw為水蒸氣的分壓強，p為大氣壓強，T0為絕對溫度，t為測量的空氣溫度，v為經(jīng)補償后的超聲波波速。筆者認(rèn)為實際空氣并不是完全干燥的，對空氣平均摩爾質(zhì)量和比熱比值進行修正，該方法雖然多考慮了濕度對聲速的影響，但實際環(huán)境條件下，傳播速度還與傳播介質(zhì)、風(fēng)速、壓強等因素有關(guān)，因此測量結(jié)果仍存在較大誤差。

基于環(huán)境對傳播速度的影響，有文獻提出標(biāo)桿測量方法，其原理是采用雙通道的方法，一個通道用于測量超聲波傳播速度，在超聲波換能器前安置一個已知距離的標(biāo)準(zhǔn)擋板，通過測量超聲波到達該擋板的時間差以計算超聲波在該環(huán)境下的傳播速度；另一通道仍按正常測量方法測量距離。于是，提出如圖2所示的標(biāo)準(zhǔn)擋板安裝方式，該方法可以實現(xiàn)較高精度測量，且適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境，但對于標(biāo)準(zhǔn)擋板的安裝有嚴(yán)格的要求，因此相應(yīng)計算比圖3雙超聲波換能器安裝位置圖較繁雜，且實際環(huán)境的不確定性可能導(dǎo)致超聲波到達擋板的過程中經(jīng)多次反射產(chǎn)生無用超聲波，影響測量精度。于是，提出采用雙超聲波換能器，如圖3所示。一個用于測量傳播速度，一個用于測量傳播時間，互不影響。雖然該方法減小了計算復(fù)雜度，且消除了無用超聲波，提高了測量精度，但兩個換能器的成本比較大，不利于普及。

基于上述研究分析，本文提出采用舵機控制單超聲波換能器方向的方法，不僅將影響傳播速度的影響因素考慮在內(nèi)，還降低成本，利于在各個領(lǐng)域中普及。如圖4所示，標(biāo)準(zhǔn)擋板垂直放置，且與超聲波換能器置于同一水平線上，兩者之間距離固定，且大于超聲波換能器盲區(qū)的距離；由舵機控制超聲波換能器的方向，單片機發(fā)送指令使舵機控制換能器垂直面向液面，并發(fā)送超聲波測得傳播時間，繼而控制換能器轉(zhuǎn)動90°，垂直面向標(biāo)準(zhǔn)擋板，并發(fā)送超聲波測得傳播速度。

2.2超聲波頻率

　　超聲波在空氣中傳播的波動方程為：

　　其中，A為超聲波換能器接收的振幅，A0為超聲波換能器發(fā)射的初始振幅，x為超聲波的傳播距離，ω為超聲波的角頻率，t為超聲波的傳播時間，λ為超聲波波長，α為超聲波的衰減系數(shù)，其公式為α=bf2，其中，b為介質(zhì)常數(shù)，f為超聲波頻率。

　　根據(jù)式（3）可知，超聲波在空氣中的傳播距離達到0.5α?xí)r，超聲波的振幅衰減為原來的1/e。超聲波頻率越高，衰減越嚴(yán)重，可檢測的距離范圍越小，但發(fā)射的超聲波擴散角越小，波束越細，指向性越好。

　　提出使用雙比較器整形以確定回波前沿的方法，但由于實際測量環(huán)境的不確定性，設(shè)置的兩個比較器閾值可能都太小或太大，導(dǎo)致測量精度降低?；诖耍疚奶岢鍪褂每删幊淘鲆娣糯笃鱌GA112，通過多次的增益校正提高捕獲第一回波前沿的精度。

　　3軟件設(shè)計

　　3.1程序設(shè)計思想及相關(guān)注意點

　　為實現(xiàn)高精度液位測量，該軟件要完成的工作：

　?。?）產(chǎn)生40 kHz超聲波；

　?。?）測量超聲波的傳播時間；

　?。?）控制舵機轉(zhuǎn)向，以達到控制超聲波換能器發(fā)射、接收端方向；

　?。?）測量超聲波的傳播速度；

　　（5）根據(jù)距離的遠近選擇適當(dāng)?shù)某暡l率作為檢測對象；

　　（6）計算液位高度，進行數(shù)據(jù)顯示等相應(yīng)動作。該裝置40 kHz的脈沖串由軟件產(chǎn)生；對超聲波的傳播時間和傳播速度的測量，以及舵機的轉(zhuǎn)向控制采用單片機的定時/計數(shù)器完成。

　　編寫系統(tǒng)程序時考慮硬件連接的同時，還要考慮設(shè)置存儲空間、寄存器和外部中斷引腳的使用等。另外，因為有余振和折射波繞射的存在，因此在發(fā)射超聲波結(jié)束后需要延時一段時間才能接收回波進行相應(yīng)處理。

　　3.2主程序流程

　　系統(tǒng)采用模塊化程序設(shè)計，包括主程序模塊、超聲波傳播時間測量模塊、舵機轉(zhuǎn)向模塊、超聲波傳播速度測量模塊、液位計算模塊、數(shù)據(jù)顯示等相應(yīng)動作模塊。系統(tǒng)初始化后，使用while（1）語句實現(xiàn)如下無限循環(huán)：首先調(diào)用超聲波傳播時間測量模塊，發(fā)射超聲波的同時，打開計數(shù)器開始計時，并關(guān)閉外部中斷。延時1 ms，再打開外部中斷，等待回波。當(dāng)檢測到回波時，在外部中斷程序停止計時器計時，把定時器的值存儲起來，同時回波接收標(biāo)志位置1。接著調(diào)用舵機轉(zhuǎn)向模塊，打開計數(shù)器開始計時，且控制位置1，當(dāng)脈沖寬度大于2.5 ms，控制位置0；計數(shù)滿3 ms，則計數(shù)器清零，使舵機轉(zhuǎn)向90°。然后調(diào)用超聲波傳播速度測量模塊，通過標(biāo)準(zhǔn)擋板的固定距離計算得出聲速。舵機轉(zhuǎn)向模塊中，設(shè)置脈沖寬度為1.5 ms，使得舵機轉(zhuǎn)向0°。最后單片機調(diào)用液位計算程序并進行數(shù)據(jù)顯示等相應(yīng)動作。其中，軟件設(shè)計的測距程序流程如圖5所示。

　　4實驗結(jié)果與分析

　　本系統(tǒng)將軟件固化到STC12C5A60S2單片機上。為驗證超聲波液位測量系統(tǒng)測量效果，在室外選取一個流速相對平穩(wěn)的水罐進行測量，通過控制閥門實現(xiàn)水位變化，該系統(tǒng)安裝在距離罐底7 m的位置。采用3次測量取平均值的方法，減小系統(tǒng)隨機誤差。

　　測量結(jié)果與水尺測量數(shù)據(jù)進行對比，如表1所示。根據(jù)實驗測量和誤差分析，該系統(tǒng)測量盲區(qū)為30 mm，測量誤差基本控制在0.4%，實現(xiàn)了高精度測距，能夠滿足工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的測量需求。

　　5結(jié)束語

　　超聲波液位測量系統(tǒng)中，在充分分析超聲波測距誤差原因的基礎(chǔ)上，針對超聲波傳播速度的測量，根據(jù)環(huán)境因素的影響以及成本問題的考慮，提出了利用舵機控制超聲波換能器方向以達到節(jié)約成本、簡化設(shè)計又全面考慮環(huán)境影響因素的擋板補償修正方法，該方法是目前在液位測量相關(guān)文獻中尚未提及的方法和技術(shù)手段。針對第一超聲回波前沿的精確捕獲，采用了增益可編程方法，提高了對第一回波前沿的捕獲，從而提高了測距的精度。在以節(jié)能環(huán)保簡約為主題的工農(nóng)業(yè)應(yīng)用中，該改進方法以其獨特優(yōu)勢，成為超聲波液位測量的新思路。