简述超声波传感器与物位、厚度的检测(9)(3)

第三章 超声波传感器检测物位、厚度的技术

3.1 超声测物位、厚度原理、设备、注意事项

3.1.1 超声波测量液位的基本原理

超声波测量液位的基本原理是：由超声探头发出的超声波脉冲信号在气体中传播，遇到空气与液体的界面后被反射，接收到回波信号后计算其超声波往返的传播时间，即可换算出距离或液位高度。超声波测量方法有很多其它方法不可比拟的优点：（1）无任何机械传动部件，也不接触被测液体，属于非接触式测量，不怕电磁干扰，不怕酸碱等强腐蚀性液体等，因此性能稳定、可靠性高、寿命长；（2）其响应时间短可以方便的实现无滞后的实时测量。

系统采用的超声波传感器的工作频率为40kHz左右。由发射传感器发出超声波脉冲，传到液面经反射后返回接收传感器，测出超声波脉冲从发射到接收到所需的时间，根据媒质中的声速，就能得到从传感器到液面之间的距离，从而确定液面。考虑到环境温度对超声波传播速度的影响，通过温度补偿的方法对传播速度予以校正，以提高测量精度。

计算公式为：

V=331.5+0.607T （1）

式中：V为超声波在空气中传播速度；T为环境温度。 S=V ×t/2=V×（t1－t0）/2 （2）

式中：S为被测距离；t为发射超声脉冲与接收其回波的时间差t1为超声回波接收时刻；t0为超声脉冲发射时刻。利用MCU的捕获功能可以很方便地测量t0时刻和t1时刻，根据以上公式，用软件编程即可得到被测距离S。由于本系统的MCU选用了具有SOC特点的混合信号处理器，其内部集成温度传感器因此可利用软件很方便的实现对传感器的温度补偿。

3.1.2 超声波传感器测距的基本原理

超声波传感器测距是立足于声速在既定的均匀媒介传播速度有一恒定数值，不随声波频率变化的特点。超声波测距的关键是把声源由反射到返回的传播时间计量出来，若要求测距误差小于0.01 米，那么测量时间的误差必须小于30 微秒。因此，实现声波测距须避开直接测量时间的方法，才能获得实用的测长精

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度。

本文采用超声波往返时间检测法，其原理为:检测从超声波发射器发出的超声波(假设传播介质为气体)，经气体介质的传播到接收器的时间即往返时间。往返时间与气体介质中的声速相乘，就是声波传输的距离。根据选择的超声波传感器的不同，其工作原理也相应有所不同。如收发一体的传感器，其工作原理图如图2.1所示；收发分体超声波传感器，其工作原理图如图2.2所示。根据图2.2通过测量发射与接受装置之间的距离 h 利用直角三角形可求得：

L?S?h2?2?2

2 （3.1）

而所测距离是声波传输距离的一半，即:(1)

L?V*t

（3.2）

图2 收发一体式换能器工作原理图

图 3 超声波测距原理

在上式中，L 为待测距离，v 为超声波的声速，t 为往返时间（其中所测量的t为超声波走过2s路程所需的时间。但由于超声波的速度比较快，在测短

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距离的时候，将其作为超声波走过2L路程的时间）。若要求测距误差小于1cm，已知声速v=344m/s(20℃时)，显然，直接用秒表测时间是不现实的。因此，实现超声波测距必须避开直接测量时间的方法，才能获得实用的测长精度。对超声波传播时间的测量可以归结到对超声波回波前沿的检测。检测脉冲计数法: 脉冲检测法是对有回波信号经检测电路产生的脉冲进行检测的方法。本文采用的是脉冲检测计数法。这种方法实现起来较包络检测方便，电路实现简单，精度也较高。实现的方法是当回波信号经放大处理后，进入比较器，调整好合适的阈值在比较器的输出端就会产生正负电平的变化，再通过三极管的截止和饱和的两种状态来产生高低电平的变化。利用查询或者中断的方法便可以检测出这些脉冲，便于测量出发射到接收到脉冲的时间。

3.1.3 设备

超声波传感器主要材料有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅（PZT）等。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以它可以分成发送器或接收器。有的超声波传感器既作发送，也能作接收。这里仅介绍小型超声波传感器，发送与接收略有差别，它适用于在空气中传播，工作频率一般为23-25KHZ及40-45KHZ。这类传感器适用于测距和控、防盗等用途。

图4 超声波传感器

该种有T/R-40-60，T/R-40-12等（其中T表示发送，R表示接收，40表示频率为40KHZ，16及12表示其外径尺寸，以毫米计）。另有一种密封式超声波传感器（MA40EI型）。它的特点是具有防水作用（但不能放入水中），可以作料位及接近开关用，它的性能较好。超声波应用有三种基本类型，透射型用于遥控器，防盗报警器、自动门、接近开关等；分离式反射型用

于测距、液位或料位；反射型用于材料探伤、测厚等。 由发送传感器(或称波发送器)、接收传感器(或称波接收器)、控制部分与电源部分组成。发送器传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子换能器组成，换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中辐射；而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成，换能器接

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收波产生机械振动，将其变换成电能量，作为传感器接收器的输出，从而对发送的超进行检测.而实际使用中，用发送传感器的陶瓷振子的也可以用做接收器传感器社的陶瓷振子。控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。

3.1.4注意事项

1：为确保可靠性及长使用寿命，请勿在户外或高于额定温度的地方使用传感器。

2：由于超声波传感器以空气作为传输介质，因此局部温度不同时，分界处的反射和折射可能会导致误动作，风吹时检出距离也会发生变化。因此，不应在强制通风机之类的设备旁使用传感器。

3：喷气嘴喷出的喷气有多种频率，因此会影响传感器且不应在传感器附近使用。

4：传感器表面的水滴缩短了检出距离。

5：细粉末和棉纱之类的材料在吸收声音时无法被检出（反射型传感器）。 6：不能在真空区或防爆区使用传感器。

7：请勿在有蒸汽的区域使用传感器；此区域的大气不均匀。将会产生温度梯度，从而导致测量错误。

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3.2检测物位和厚度传感器的检测方法，误差分析，精度校正，数据采集等。

3.2.1超声波传感器检测结构框图

超声波测量仪硬件电路分成了：超声波产生电路模块、驱动电路模块、超声波接收放大电路模块、峰值检波模块、电压比较模块、电平转换、温度补偿模块、数据采集系统控制模块和数码显示这九个模块来实现。

超声波测量系统的硬件结构框图，如图4.1所示： 单 及放大电路 片 机 接收 数 计时 据 采 渡越 时间超声波 驱动发射电路 集 发射器 系 统 温度测量电路 控 按键控制 制 超声波 接收器 信号接 …… 此处隐藏：1058字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……