基于調(diào)頻脈沖回波法的超聲波液位無線測量系統(tǒng)

孫茂喆，趙傳華，馬法山

泰山醫(yī)學(xué)院化工學(xué)院，山東泰安　271016

基于調(diào)頻脈沖回波法的超聲波液位無線測量系統(tǒng)

孫茂喆，趙傳華，馬法山

泰山醫(yī)學(xué)院化工學(xué)院，山東泰安271016

針對現(xiàn)有超聲波液位計量程的擴大與精度的提高不能兼顧的缺點，設(shè)計了一種基于調(diào)頻脈沖回波法的液位無線測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)由調(diào)頻脈沖測量模塊、溫度檢測與補償模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送和單片機控制模塊、手持接受顯示模塊4個模塊組成。通過該設(shè)計的頻率可調(diào)的超聲波液位測量裝置，即能保證擴大測量量程，又能確保提高的測量精度。

調(diào)頻脈沖回波法；超聲波；無線傳輸；液位測量

液位測量在工業(yè)中有重要的作用，準(zhǔn)確的液位測量是生產(chǎn)過程控制的重要手段［1］。在用于液位測量的眾多技術(shù)中壓電式、超聲波式、應(yīng)變式、浮球式、電容式5種測量技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，而超聲波式測量技術(shù)在實際使用中所占的比例最大［2-4］。但是現(xiàn)有的超聲波液位計均使用固定頻率的超聲波發(fā)射探頭，這種方法存在一定的局限性：如果采用較高的發(fā)射頻率，方向性好，精度高，但是量程受限；如果采用較低的發(fā)射頻率，衰減小，量程提高，但是精度降低［5-6］。因此，根據(jù)實際測量要求，有必要開發(fā)一種頻率可調(diào)的超聲波液位測量裝置，即能保證大的量程又能確保高的精度。

根據(jù)實際需求，設(shè)計了一種基于調(diào)頻脈沖回波法的超聲波液位無線測量系統(tǒng)，利用調(diào)頻脈沖回波技術(shù)，采用SRWF-501無線傳輸芯片實現(xiàn)大量程，高精度無線傳輸?shù)囊何粶y量裝置。

1　調(diào)頻脈沖回波法的測量原理

現(xiàn)有的超聲波連續(xù)液位測量的方法有以下幾種：回波法、共振法、頻差法、超聲衰減法［7］。共振法檢測液位會受到一些條件的制約，這種方法需要和液面之間建立駐波關(guān)系，而且它是一種需要和液面直接接觸的測量方法；頻差測量法要利用調(diào)頻器來產(chǎn)生調(diào)制頻率；衰減法是利用測量超聲波的衰減量來對液位進行檢測［2］。相比于以上方法，超聲波脈沖回波法不需要和液面之間建立駐波，可以實現(xiàn)非接觸檢測，并且測量方式簡單，因此它是最適合的液位測量的方法［8-9］。

通常來說，頻率為40kHz的超聲波在空氣中的聲吸收約為4dB/m，因此，我們常使用的40kHz超聲波測距的最大量程只有5m～6m。如果想延長測距的范圍，使得測量量程達到十幾米，就需要超聲波在長距離傳播中的聲吸收很小，但是40kHz單頻的超聲波在15m測量距離的聲吸收大于80dB，因此，用它來實現(xiàn)十幾米大量程的測距基本是不可能實現(xiàn)的［10］。為了解決這一矛盾，我們使用調(diào)頻脈沖回波技術(shù)，該技術(shù)是利用了高頻與低頻超聲波在空氣中傳播時空氣對它們吸收率不同的原理。同時發(fā)射2種頻率的超聲波，頻率較高的超聲波其波長較短，因此測量的精確度很高，但空氣對它吸收率很高，只能用于近距離的距離測量；低頻超聲波其波長較長，雖然精度較低，但空氣對它基本不吸收，可以測量較遠的距離。通過實驗測量發(fā)現(xiàn)，25kHz的超聲波在15m的范圍內(nèi)，回波的損失大概在30dB左右，損失很少。因此基于該種技術(shù)，實現(xiàn)大量程、高精度的超聲測距成為可能。

2　系統(tǒng)的理論設(shè)計

本文研制的超聲波液位測量裝置主體上由若干個測量終端和一個手持顯示裝置組成，測量終端主要由調(diào)頻脈沖測量、溫度檢測與補償、數(shù)據(jù)發(fā)送與單片機控制模塊、手持顯示模塊4個模塊組成。主要工作方式是通過安裝在所需測量的容器上的各個測量終端測得容器的各項參數(shù)，通過無線模塊將數(shù)據(jù)傳送到手持顯示裝置予以顯示和報警，其原理圖如圖1所示。

本裝置是以STC80C52RC單片機為主控制器，基于調(diào)頻脈沖回波技術(shù)進行非接觸式液位測量，利用SRWF-501無線數(shù)據(jù)傳輸芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)在測量終端與手持顯示裝置間的無線采集，裝置的模擬圖如圖2所示。

脈沖測量模塊裝置主要通過單片機控制發(fā)送兩束不同頻率的超聲波，即先發(fā)射40kHz后發(fā)射25kHz，因為高頻超聲波先發(fā)出，到達目標(biāo)后，它的回波比25kHz先到達接收端，即利用高頻超聲波測量近距離目標(biāo)，保證了測量的精準(zhǔn)度。而遠處的目標(biāo)，高頻超聲波基本被空氣全部吸收，接受端接受到的只有低頻的超聲波［11］。

對于臨界狀態(tài)的分析，我們只考慮最先到達的超聲波信號此時就算高頻超聲波衰減較為嚴(yán)重，只要能接收到，依舊可以保證精度高于低頻超聲波。

2.2溫度檢測與補償模塊

該模塊通過在需測容器底部、中部、頂部安裝3個溫度探測器，及時捕獲到容器中液體和空氣的溫度，為溫度補償提供參數(shù)。聲波速度受溫度影響較大，其傳播速度與溫度T的關(guān)系為［12-13］。溫度補償模塊將采集到的空氣溫度代入編寫的程序中對聲波速進行修正，從而達到精確測量。

2.3數(shù)據(jù)發(fā)送與單片機控制模塊

該模塊以STC80C52RC單片機為核心處理芯片，實現(xiàn)了對各個測量、顯示、報警模塊的控制。利用SRWF-501無線數(shù)據(jù)傳輸芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線采集，可以大大提高測量的效率。

2.4手持顯示模塊

手持顯示模塊主要由數(shù)據(jù)接收、手持單片機控制系統(tǒng)、液晶顯示、自動報警4部分組成。工作時單片機將各個測量終端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過液晶顯示器予以顯示，同時通過程序的設(shè)計，設(shè)定一定的警戒液位和警戒溫度，當(dāng)液位達到該數(shù)值或者溫度過高時，蜂鳴器會發(fā)出警報。

3　系統(tǒng)的硬件設(shè)計

3.1脈沖的調(diào)頻發(fā)射與接收處理

實現(xiàn)基于調(diào)頻脈沖回波法測量液位的框圖如圖3。圖中STC89C52RC為本裝置使用的核心處理芯片，PreAmpH 是高頻通道前置放大器、PreAmpL低頻通道前置放大器，BPH、BPL為高、低頻通道的帶通濾波器，TVG為時間電壓增益控制器［14-16］。

調(diào)頻超聲波測距裝置的工作時間順序如圖4。

當(dāng)STC89C52RC接到測距的指令后，從I/O口發(fā)出頻率為40kHz的PWM波，隨后再送出8個25kHz的低頻PWM波，2種不同頻率的PWM波通過功率放大電路被放大后，使得發(fā)射端的換能器發(fā)出2種不同頻率的超聲波。當(dāng)超聲波被前方目標(biāo)物反射后，形成回波，回波經(jīng)前置放大，濾波與檢波后，形成高，低頻兩種回波脈沖信號。因為高頻聲波是先發(fā)出，它生成的回波會先到達單片機，即近距離的目標(biāo)就會利用高頻超聲波進行探測；而遠處的目標(biāo)，高頻超聲波基本被空氣吸收，單片機只能接受到低頻回波脈沖，即遠距離的目標(biāo)用低頻超聲波進行測量。

在圖4中，t0高頻超聲波開始發(fā)射的時間，t1低頻超聲波開始發(fā)射的時間，t2是接收到高頻回波的時間，t3是接收到低頻超聲波回波的時間。2種頻率所測距離DH，DL分別為：

c 是空氣中的聲速，它與溫度T 的關(guān)系為：

由于在空氣中溫度對超聲波聲速影響很大，所以接收端測得的信號在單片機內(nèi)部還要進行溫度修正，該步驟主要依靠溫度補償模塊來實現(xiàn)。

量的精準(zhǔn)度，系統(tǒng)設(shè)計采取了迭加平滑技術(shù)，即持續(xù)測距N次，并由單片機對結(jié)果進行處理分析，將測得的數(shù)據(jù)傳送給手持顯示裝置，其工作流程圖如圖5。

3.2超聲波接收端電路設(shè)計

現(xiàn)有的超聲波接收方式主要使用cx20106集成芯片處理脈沖，而后經(jīng)由單片機解碼進行計算，但cx20106芯片的使用頻率在38kHz～41kHz之間，通常使用40kHz作為使用頻率，對于本系統(tǒng)設(shè)計的25kHz高量程超聲波則無法使用，所以我們設(shè)計了適用于25kHz的超聲波接收電路，從而使同時接收40kHz與25kHz的超聲波成為可能。圖6和圖7分別為40kHz超聲波接收電路和自主設(shè)計的25KHz超聲波接收電路Multisim軟件仿真圖。

4　測量結(jié)果及分析

通過實驗檢測所設(shè)計的裝置是否滿足大量程，高精度的要求。實驗在溫度為23℃的實驗室中進行，對實際工業(yè)生產(chǎn)中的液位的測量進行模擬測量。得到測量結(jié)果如表1所示。

表1　測量結(jié)果

由表1所示，在測量距離小于10m時，測量的誤差小于1cm，在一定范圍內(nèi)，該裝置的測量精度可以達到±1mm，并且測量的量程可以達到17m，符合設(shè)計所預(yù)期的高精度，大量程的要求。

5　結(jié)論

通過對系統(tǒng)總體的設(shè)計以及硬件的調(diào)試和程序的編寫，實現(xiàn)了液位檢測的功能。通過實驗可以驗證基于調(diào)頻脈沖回波法的液位測量裝置具有測量精度高，量程大，結(jié)構(gòu)簡單，運行穩(wěn)定等優(yōu)點。通過設(shè)計的接收端將無線通信技術(shù)應(yīng)用于液位測量領(lǐng)域，可以解決一些地方無法布線的問題，并且降低的布線所需的成本，該裝置的設(shè)計能夠滿足大部分工業(yè)液位的測量的需要。

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TP39

A

1674-6708（2016）166-0219-03

趙傳華，黨總支副書記，泰山醫(yī)學(xué)院化工學(xué)院。

孫茂喆，學(xué)生，泰山醫(yī)學(xué)院化工學(xué)院。馬法山，學(xué)生，泰山醫(yī)學(xué)院化工學(xué)院。