超聲波傳感器在沙子料位檢測中的應用*

曲春英, 卞 之

(海南師范大學 物理與電子工程學院 自動化系, 海南 ?？?571158)

0 引 言

在工程建筑行業,如果混凝土質量不過關，會存在重大的安全隱患。因此,在生產混凝土時，混凝土各組成物料的精確計量是混凝土質量的基本保證，為此,《GB 10172—1988混凝土攪拌站(樓)技術條件》對生產混凝土的攪拌設備規定了具體的計量精度要求[1]。而沙子是混凝土各組成物料之一，不言而喻，沙子的精確計量是保證混凝土質量的重要因素。

目前,砂石料的計量方式大都是稱量式，此方法由于沙子含水量等問題，計量誤差較大，且結構復雜、笨重[2]。而超聲波系統具有精度高、惡劣環境適應能力強、設備輕便、安裝與調試簡單,易于讀數和測量時不與被測介質直接接觸等特點[3]。僅在物位測量方面，在多種物料中獲得成功應用，例如：煤倉煤位監測和液位檢測。

本文提出了一種新的容積法，即將超聲波傳感技術應用到混凝土攪拌設備中，對沙子料位進行連續計量，進而得出沙子的用量。

1 超聲波測量沙子料位的理論依據

超聲波測距有時間差法、相位法等，由于時間差法成本低、實現簡單、應用的測距范圍大，故本文選用該法。見圖1，即將超聲波發射端和接收端同時裝在盛沙料斗頂部，發射端發出超聲脈沖，遇到沙子界面反射回來,電子單元計算發射端發出信號和接收端收到信號的時間差t,得沙子界面到料斗頂部距離h=vt/2，進而得到料位L=H-h，其中,v為超聲波在空氣中的傳播速度[4]，L為料位高度，H為料斗高度 。

圖1 超聲波測料位示意圖

2 提高整體精度關鍵

2.1 溫度補償設計

溫度是影響超聲波測量誤差的一個主要原因，在空氣中超聲波傳播速度因溫度不同而不同，所以,在設計中需要溫度傳感器測出料斗上方環境溫度，進行聲速補償。

經查資料，超聲波聲速與溫度的關系v=331.45+0.607T(m/s)，其中，v為補償后的聲速，T為料斗環境溫度,℃[5]。

另外考慮到在實際應用中有時料斗較大，測量距離也較大，難于測量溫度分布，此時可加裝自動校準裝置。需要注意校準裝置的適當安裝，避免校準回波和主回波混迭[6]。

2.2 自動增大回波幅值

雖然此系統用于料斗出料時測量沙子用量多少，可以避免超聲波傳感器受到測量方向上的阻礙物、測量介質堆積形狀等的影響。但沙子界面凸凹不平，極為粗糙，反射波信號微弱，另外,遠距離測量時回波也會減弱[7]。所以,在這里采用了自動增益控制電路，使接收回波的幅值基本保持不變，再通過整形電路輸出，以提高測量精度[8]。

3 系統硬件設計

采用臺灣華邦公司生產的高速單片機W77E58測量超聲波的傳播時間,測量分辨率為0.1 μs。環境溫度20 ℃時超聲波速度為343.6 m/s,1 mm距離的傳播時間為2. 91 μs。因此,采用W77E58計時,完全可以保證1 mm的測量精度。測量沙子料位下位機系統設計見圖2。

圖2 系統設計框圖

3.1 超聲波發射與接收模塊

超聲波換能器種類繁多，有的要求被測物表面光滑、平整，有的盲區大，精度不高；綜合考慮采用T/R40—16型收發分體式壓電陶瓷超聲波傳感器，其工作電壓是5 V,正常工作時電流為30 mA,最大電流是50 mA[9]。輸入觸發信號最小為10 μs TTL電平脈沖；回波信號為TTL電平正脈沖,脈寬與距離呈比例。它的聲壓能級、靈敏度在40 kHz時最大，測量距離2 cm～3 m，W77E58通過P1.0和P3.2控制T/R40—16。在TRIGGER引腳給T/R40—16一觸發信號后,它將發射超聲波。當超聲波投射到物體而反射回來時,ECHO引腳輸出一返回信號,給單片機一個中斷，單片機開始讀取測時時間，之后完成距離的計算。

3.2 測溫模塊

溫度測量使用Dallas公司的數字型單總線溫度傳感器DS18B20設計,其占用單片機的資源少,讀寫操作方便。DS18B20測量范圍是-55～+125 ℃,在-10～+85 ℃間,測量精度達±0.5 ℃,而在整個溫度測量范圍內具有±2 ℃的測量精度[10],最大轉換時間為200 ms[11]。DS18B20采用+5 V電源供電,其數據總線DQ直接與W77E58的P3.1引腳相連。

3.3 自動增益控制模塊

自動增益控制電路由放大器AD620，數字電位器MCP41100，通過單片機控制實現增益可調，見圖3。

圖3 自動增益控制電路

4 系統軟件設計

主程序是整個控制系統的核心，通過調用模塊子程序來驅動各個模塊的硬件電路正常工作，以此來達到實時測量顯示沙子料位的功能。實際中通過計算可以顯示沙子用量多少，并加以控制。主程序流程圖見圖4，其中自動增益電路的軟件實現采用逐步逼近的方法[12,13]。

圖4 系統主程序流程圖

5 實驗結果

在實驗室用了一個形狀規則的圓筒作為模擬料斗進行多次測量，隨著料斗不斷地出料，顯示器顯示出了不同料位。

為了盡可能地減少測量誤差，安裝時傳感器盡可能地與地面平行，且安裝高度不能過低；為減小超聲波旁瓣的影響，超聲波傳感器的2個探頭之間的距離要大于3 cm，實驗時距離為5 cm。在室溫25 ℃的情況下，測量超聲波探頭到料面距離h數據見表1。

表1 超聲波探頭到料面距離h數據與誤差

通過實驗可得，此系統測得距離h精度達到1 mm，且重復性好。20 mm以內為測量盲區，相對較小。

顯然，料位高度L乘以料斗有效面積S得到沙子的體積V，沙子的體積乘以沙子的密度即得到料斗內沙子質量G。所以，既可以通過計算機監控料斗內沙量剩余多少，也可以通過計算監控沙子用料多少，進而實現各種場合中沙子的精確配比。

6 結束語

1)本文設計了一基于超聲波傳感器的測距系統,用于沙子料位的連續測量；采用了高速單片機自動增益電路。經過測試，系統精度較高，測量誤差達到了mm級。該系統還可與上位機進行通信，擴展成具有存貯、打印輸出、越位報警等各種功能。

2)此料位測量系統適用于大多數固體料位，如水泥和谷類等極干燥和多塵的材料,甚至動態條件下的料位測量。

3)為進一步提高精度，應考慮環境的濕度，因為超聲波在液體和固體中的傳播速度更快；同時還應考慮基準誤差，實際測量距離應當是壓電晶片到障礙物之間的距離,由于壓電晶片在探頭內部,導致了基準的誤差[14]。

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