高精度超聲波介質傳輸速度測試儀

羅文汐 趙家敏 廖海伶 周玲芳 張濤

摘要：為了實現高精度且適用于不同介質的超聲波測速儀，該設計采用防水型超聲波探頭，以及NTC熱敏電阻搭建電橋實時采集電壓值換算成溫度的方式進行溫度補償來減小誤差。系統包括發射、接收、溫度采集等電路，采用熱敏電阻搭建電橋加三路采集以及冒泡排序來校準溫度上的誤差，并通過數學建模和控制變量法確定管子的精確長度以減小長度所帶來的誤差，通過實驗證明了設計的有效性。

關鍵詞：超聲波;測速測距;高精度;溫度補償

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）30-0031-03

超聲波是一種頻率高于20k赫茲的聲波，它方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能。超聲波在氣體、液體及固體中以不同的速度傳播，在水中傳播距離遠。在本設計中我們實現了在1.7米水管中不同介質不同溫度情況下時的速度測量，并使其測量誤差在0.1%以內;因超聲波傳播受溫度影響比較大，故在本設計中采用了溫度補償、硬件部分的可控性以及軟件濾波來增加測試速度及距離的精度。本設計主要可以應用于不同介質條件下的管道測量。

1系統設計

1.1測量原理

設計采用40KHZ方波作為發射信號，利用超聲波的反射性質將接收到的信號反饋給單片機。根據超聲波在不同介質中傳播速度與溫度的關系計算出不同溫度下的理論速度，從而校準管長，再利用公式V=sT求出不同溫度下對應的實際速度。

1.2系統框圖

本設計以STC8A8K64S4A12單片機為控制芯片，主要包括溫度采集模塊、按鍵模塊、發射模塊、信號接收調理模塊及顯示模塊，總體框圖如圖1。

接收模塊將接收到的信號經AD轉換反饋給單片機后，定時器停止計時得到t。為了減小溫度帶來的誤差，設計采用NTC熱敏電阻搭建電橋的方案，并利用

本設計R2與R1分別采用5KQ和500Ω的滑動變阻器，滑動R2、R1即可得到q=1/2，即輸出信號的正負向脈沖寬度相等的矩形波。

驅動放大模塊采用變壓器驅動發射電路，通過控制NE555芯片間斷輸出信號至三極管9013并用三極管升壓，用1：7的變壓器將信號電壓放大，接收探頭便能接收到完整的回波。

2.2超聲波接收電路

超聲波接收電路前級采用LM358芯片構成放大器，后級由LM311比較器對信號進行調整，比較電壓在LM31l的IN-管腳處，在放大器與比較器之間采用PNP型三極管（s8550）并使它保持導通，接收電路設計如圖3。

2.3溫度傳感模塊

為獲得更高的精度，本設計采用NTC熱敏電阻傳感器。由歐姆定律U=IR，可得電阻兩端電壓，通過分壓公式：

程序總流程如圖5所示，由按鍵模塊確定啟動，單片機觸發NE555芯片發射40KHZ方波，同時進行溫度采集。為了防止回波的影響，延時后不斷地檢測LM358的輸出電平是否為高電平，若否，則繼續進行溫度采集;若是，則關閉定時器。利用時間讀取模塊換算出時間，接著進行介質判斷，得到此時所測介質，結合實際所得的公式（13），（14）兩式換算出當前溫度下的速度，最后把數據實時顯示出來。

4系統測試結果與分析

儀器準備：數字示波器（D$4054），五位半數字萬用表（DM3058E），熱電偶溫度計（UT325）。

測試方案如下：

（1）通過示波器顯示的傳播時間與理論時間的差值，調試好硬件電路;

（2）通過比對示波器上顯示的傳播時間與單片機所示時間的差值，判斷測量的精確程度;

（3）通過搭建NTC電橋，擬合其電壓與溫度的函數關系式，得到精確的實時溫度;

（4）分別測量空氣中和水中的超聲波傳輸速度，測試結果如表1，表2所示。記錄多組溫度與時間、速度的值。

（5）通過擬合函數關系式得到準確的管長，將起振時間與溫度的關系式、溫度與速度的關系式代入程序計算不同介質時相對應的20℃時的速度值，以此來檢測精度。

分別測得介質為空氣和水狀態下的相對誤差如表1，表2所示。從表中可知，空氣中和水中的實測速度轉換為20℃下的速度誤差均在0.1%以內，滿足設計要求。利用超聲波探頭在水中和空氣中測得的波形如下圖6、7所示，其中紫色波形為超聲波發射波形，紅色波形是回波波形，綠色波形是LM358芯片輸出腳波形。

5結束語

實測結果表明，本設計的超聲波介質傳輸測試儀在不同介質皆滿足誤差在0.1%以內。空氣中的測量誤差為0.044%，水中的測量誤差為0.075%，且測量誤差與擬合的電壓一溫度曲線、速度一溫度曲線有極大的關聯。在理想情況下，若采集的數據庫足夠充足，擬合的曲線會越好，誤差將會更小甚至趨于0。本超聲波介質傳輸速度測試儀試驗運行良好，性能優良、成本低、能有效改善測量技術，適合于精密度測量、液面測量等。