精確液位測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1、北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院檢測(cè)技術(shù)與儀器題目：基于超聲波的精確液位測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)班級(jí)：測(cè)控1101姓名：向端端學(xué)號(hào)：20110143515基于超聲波的精確液位測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)【摘要】運(yùn)用單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種超聲波液位測(cè)量?jī)x，數(shù)字式儀表顯示，重點(diǎn)分析了測(cè)距過程中誤差產(chǎn)生的原因，并采用聲速校正方式，有效的控制了誤差，測(cè)量量程在0~2000mm，絕對(duì)誤差小于2mm。【關(guān)鍵字】液位測(cè)量，超聲波1.液位測(cè)量方法簡(jiǎn)介在工業(yè)生產(chǎn)中，物位檢測(cè)對(duì)象有液位，也有料位等，有幾十米高的大容器，也有幾毫米的微型容器，介質(zhì)的特性更是千差萬(wàn)別。因此，物位檢測(cè)方法很多，以適應(yīng)各種不同

2、的檢測(cè)要求。目前常用的物位檢測(cè)方法有一下幾種：靜壓式物位計(jì)，根據(jù)流體靜力學(xué)原理，靜止介質(zhì)內(nèi)某一點(diǎn)的靜壓力與介質(zhì)上方自由空間壓力之差與該點(diǎn)上方的介質(zhì)高度成正比，因此可根據(jù)壓差來(lái)檢測(cè)物位。浮力式物位計(jì)，利用漂浮于頁(yè)面上方浮子隨液面變化位置，或者部分浸沒于液體中的物體浮力隨液位而變化來(lái)檢測(cè)液位。電氣式物位計(jì)，把敏感元件做成一定形狀的電極置于被測(cè)介質(zhì)中，則電極之間的電氣參數(shù)隨物位的變化而變化。聲學(xué)式物位計(jì)，利用超聲波在介質(zhì)中的傳播速度或在不同界面之間的反射特性來(lái)檢測(cè)物位。射線式物位計(jì)，放射性同位素所放出的射線穿過被測(cè)介質(zhì)時(shí)，其輻射能量因吸收作用而減弱，能

3、量將衰弱，其衰弱程度與物位有關(guān)。微波物位計(jì)，利用測(cè)量微波從傳感器傳播至物料便面并返回到傳感器所用的時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)物位的檢測(cè)。磁致伸縮物位計(jì)，利用磁致伸縮效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)物位的測(cè)量。5通過比較權(quán)衡，我最終選擇利用超聲波來(lái)設(shè)計(jì)這個(gè)測(cè)量系統(tǒng)。因?yàn)樗皇芄饩€、電磁波、被測(cè)介質(zhì)的顏色等因素影響,并且信息處理簡(jiǎn)單、成本低。但超聲波存在回波竄繞、信號(hào)衰減、傳輸速度受溫度影響較大,加上硬件、軟件實(shí)現(xiàn)上存在計(jì)時(shí)誤差等因素,測(cè)距存在一定的誤差，這也是此次設(shè)計(jì)需要我重點(diǎn)解決的地方。1.液位測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1液位測(cè)量原理超聲學(xué)是一門學(xué)科，已有幾十年歷史，其應(yīng)用很廣泛。超聲波不僅用

4、來(lái)進(jìn)行各種參數(shù)的測(cè)量，而且廣泛應(yīng)用于加工和處理技術(shù)。超聲波用于物位檢測(cè)主要利用了它的以下性質(zhì)：和其他聲波一樣，超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，并有各自的傳播速度。但其速度還受到介質(zhì)狀態(tài)（如溫度）的影響。聲波傳播時(shí)的方向性隨聲波的頻率的升高而變強(qiáng)，發(fā)射的聲束也越尖銳，超聲波可以近似為直線傳播，具有良好的方向性。當(dāng)聲波從一種介質(zhì)想另一種介質(zhì)傳播時(shí)，因?yàn)閮煞N介質(zhì)的密度不同和聲波在其中傳播的速度不同，在分界面上聲波會(huì)產(chǎn)生反射和折射。根據(jù)理論計(jì)算可知，當(dāng)聲波從液體或固體傳播到氣體，或者相反情況下，聲波幾乎全部被反射。用超聲脈沖激勵(lì)超聲探頭(換能器)向外

5、輻射超聲波,同時(shí)接收從被測(cè)物體反射回來(lái)的超聲波(簡(jiǎn)稱回波),通過檢測(cè)從發(fā)射超聲波至接收回波所經(jīng)歷的射程時(shí)間t，計(jì)算超聲波探頭與被測(cè)物體之間的距離L，即：式中，c為超聲波的速度。可得液位高度為：H=Ho–L2.2測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)52.1主控單元測(cè)量系統(tǒng)的主控單元采用高性價(jià)比的AVR系列單片機(jī)，控制整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，包括超聲波的發(fā)射、接收，計(jì)時(shí)，補(bǔ)償計(jì)算，結(jié)果顯示等。2.2超聲波發(fā)射接收單元選用超聲波專用集成芯片LM1812，LM1812是一種既能發(fā)送又能接收超聲波的芯片，采用這塊集成可以簡(jiǎn)化硬件電路，提高系統(tǒng)的可靠性。2.3補(bǔ)償單元補(bǔ)償單元采用固

6、定距離補(bǔ)償法，通過補(bǔ)償，測(cè)距與聲速無(wú)關(guān)，有效的提高了系統(tǒng)精確度。2.4顯示單元測(cè)量結(jié)果由單片機(jī)驅(qū)動(dòng)LCD顯示。系統(tǒng)總設(shè)計(jì)圖如下：2.1誤差補(bǔ)償由于超聲波的速度受到環(huán)境的影響，如溫度、壓強(qiáng)等，為減小誤差，我采取了一種固定距離補(bǔ)償?shù)姆椒?，是的最終的液位結(jié)果與聲波速度無(wú)關(guān)。示意圖如下：5固定擋板應(yīng)選用熱膨脹系數(shù)小的材料，利用固定距離的擋板來(lái)校準(zhǔn)聲速，可得：則：如此，液位測(cè)量就與超聲波速度無(wú)關(guān)，也就不受環(huán)境的影響，能夠達(dá)到比較高的精度。2.1設(shè)計(jì)指標(biāo)由于誤差補(bǔ)償?shù)淖饔?，系統(tǒng)最終的誤差來(lái)源是對(duì)傳播時(shí)間的計(jì)數(shù)造成的，當(dāng)計(jì)時(shí)達(dá)到一定精度時(shí)，系統(tǒng)就可以滿足設(shè)計(jì)指

7、標(biāo)。指標(biāo)要求測(cè)量精度誤差小于2mm，假設(shè)超聲波發(fā)射器到固定擋板的距離為1m，則時(shí)間精度必須達(dá)到0.002s，也就是說，當(dāng)計(jì)時(shí)精度達(dá)到毫秒級(jí)時(shí)，系統(tǒng)誤差就可以滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)于本設(shè)計(jì)來(lái)說，計(jì)時(shí)的誤差主要來(lái)自單片機(jī)執(zhí)行指令開啟計(jì)數(shù)與結(jié)束計(jì)數(shù)的延遲時(shí)間，為盡可能的減小誤差，除了優(yōu)化代碼，減少單片機(jī)運(yùn)算量之外，可以將單片機(jī)時(shí)鐘周期選擇為16MHz，這樣，它執(zhí)行一條指令的時(shí)間為，完全滿足計(jì)時(shí)的精確度要求。1.總結(jié)本設(shè)計(jì)利用了超聲波測(cè)距原理實(shí)現(xiàn)了非接觸式精確液位測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用的補(bǔ)償設(shè)計(jì)也有效的減小了超聲波速度隨溫度等變化引起的液位測(cè)量誤差?？梢哉f這種液

8、位測(cè)量系統(tǒng)性能穩(wěn)定、精度高、簡(jiǎn)單方便、可維護(hù)性好，能很好的適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜環(huán)境。5在實(shí)際構(gòu)建本系統(tǒng)時(shí)，最重要需要注意的是超聲波發(fā)生器的