投入式超聲波泥位測量系統(tǒng)開發(fā)

馬彥亮，張從鵬，郭子靖，楊正富

（北方工業(yè)大學機械與材料工程學院，北京 100144）

0 引言

作為基本的自然資源，水在人民生活和社會生產(chǎn)中有著不可替代的作用。但隨著人類社會的發(fā)展，水資源日益短缺，水資源問題已經(jīng)嚴重阻礙了社會的進步[1]。相較于其他國家，我國水資源問題更為嚴重。我國水資源問題主要表現(xiàn)在人均淡水分配量少和水資源污染嚴重兩個方面，污水處理能夠有效解決我國水資源短缺問題[2]。污水處理是指通過一系列操作使得污水水質(zhì)滿足再次使用或者排入某一水體的標準的過程。其中沉淀處理是污水處理過程中至關重要的一步，淤泥是污水沉淀的產(chǎn)物，實時檢測沉淀池中淤泥的高度將有利于污水處理工作的持續(xù)進行[3]。本文研發(fā)了具有良好集成性和穩(wěn)定性的高精度超聲波泥位測量系統(tǒng)，具有重要的工程意義。

1 超聲波泥水界面檢測原理

超聲波具有指向性好、反射性強等特點，其能夠在兩種不同聲阻抗的介質(zhì)之間形成的界面處發(fā)生反射（水、泥兩種介質(zhì)的聲阻抗相差很大），故可以通過測量超聲波傳播的渡越時間測量泥水界面。其基本原理為：MCU控制定時器產(chǎn)生一定頻率的PWM波，超聲波換能器將電脈沖轉換為超聲波脈沖并發(fā)射出去。超聲波脈沖經(jīng)水介質(zhì)傳播到泥水界面并反射回波，超聲波換能器接收回波并將其轉換為電信號，MCU檢測到回波信號并對其進行信號處理，然后計算出渡越時間。超聲波在水介質(zhì)中傳播速度為定值，速度乘以渡越時間的一半即為泥水界面到超聲波換能器的距離[4]。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 超聲波測泥水界面原理框圖

2 超聲波泥位測量系統(tǒng)關鍵硬件電路

超聲波泥位測量系統(tǒng)硬件電路主要包括中央處理單元（以STM32G071K8T6芯片為核心的最小系統(tǒng)及其外圍電路）、電源模塊（由TPS5430和LT1117-3.3芯片及其外圍電路組成）、超聲波發(fā)射電路（由MOS管和變壓器及其外圍電路組成）、超聲波接收電路（采用TL074芯片組成兩級放大電路、二階帶通濾波電路和比較電路）、通信電路（采用MAX485芯片實現(xiàn)與上位機的串口通信）、顯示電路（采用0.96寸OLED屏實現(xiàn)泥位信息的實時顯示）、溫度補償電路（采用DS18B20對實時溫度進行采集實現(xiàn)聲速補償）[5]。

2.1 超聲波發(fā)射電路

主控芯片發(fā)射的PWM波峰值電壓只有3.3 V，該信號無法直接驅動換能器。因此需要設計放大電路，本課題選擇采用場效應管和變壓器相結合的方式對脈沖信號進行功率放大[6]，其電路原理圖如圖2所示。

圖2 超聲波發(fā)射電路原理圖

超聲波發(fā)射電路主要由MOS管IRLU3410、變壓器及其外圍電路組成。MOS管搭建了一個開關電路，當PWM波高電平信號到達G柵極時，晶體管處于導通狀態(tài)，并且將PWM波信號電壓幅值放大到24 V。當?shù)碗娖叫盘柕竭_G柵極時，晶體管處于截止狀態(tài)。經(jīng)過MOS管初次放大后PWM波幅值達到24 V、頻率不變。然后通過變壓器的電磁效應在次級線圈產(chǎn)生頻率為200 kHz、峰值為300 V左右的電信號。

2.2 超聲波發(fā)射電路

超聲波接收電路由限幅電路、初級回波放大電路、帶通濾波電路、次級回波放大電路和比較電路組成。電路原理圖如圖3所示。

圖3 超聲波接收電路原理圖

本課題采用的超聲波換能器為收發(fā)一體式換能器，其發(fā)射與接收共用一個端口。為避免發(fā)射波進入接收電路對其造成破壞，設計限幅電路對信號幅值進行限制。初級放大電路為反比例放大電路，即放大后的信號相位與原始信號相位相反，電壓增益A1=-R28/R27。帶通濾波電路為基于無限增益多路負反饋有源二階帶通濾波器，其中心頻率為198.5 kHz，品質(zhì)因子為10，中心頻率處的增益為-10[7]。次級放大電路為同向放大電路，以保證放大后的信號相位與原始信號相位相同，其電壓增益A2=R31/R31。回波信號經(jīng)放大和濾波處理之后就可以對其進行模擬量采集。為減少采集的數(shù)據(jù)量，設計了比較電路，即利用輸入捕獲確定是否有回波信號，如果捕捉到回波則進行AD采集，否則不采集。通過電阻分壓法利用R37和R38設置比較閾值Vr，當回波信號的閾值大于Vr時，運放的14引腳輸出低電平，進而控制三極管開關電路使得輸出端輸出高電平。當回波信號值小于Vr時輸出低電平，表明無有效的回波信號。

3 超聲波泥位測量系統(tǒng)軟件算法

本課題軟件算法按模塊化設計，主要包括系統(tǒng)初始化配置、主程序、回波采集、信號處理、溫度補償、通信和顯示模塊。系統(tǒng)流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)程序運行流程圖

3.1 ADC采樣區(qū)間確定

本課題采用比較電路通過輸入捕獲來確定ADC采集的時間，即當回波幅值大于設置的閾值時，開啟ADC進行數(shù)據(jù)采集。若將ADC采樣的時刻記為T0，CAP捕捉到連續(xù)高電平的時間即為T1，回波起點到達的時間記為T2，那么捕獲到高電平的時間前移大于T1-T2，才能捕捉到回波起點。測量距離的不同會導致回波信號幅值變化的陡峭程度不同，距離越近則回波幅值變化越陡峭，距離越遠則回波從最小值到達最大值所用的時間越多。因此本課題采用最大量程下測得的（T0-T2）max值確定采集區(qū)間，這樣就能夠保證采集到的數(shù)據(jù)包含回波起點[8]。

3.2 回波起點識別

當ADC將回波信號采集并由DMA搬運至內(nèi)存后，主控芯片需要通過算法識別回波起點。本課題采用包絡特征識別法得到回波起點。具體流程如下：1）由于在設計電路時，回波信號的幅值被抬升了2.5 V，因此在對回波進行處理之前需要將其幅值向下偏移2.5 V。2）對偏移后的信號進行希爾伯特變換，求其包絡線。3）采用平均值法對希爾伯特變換求得的包絡線進行濾波。本課題采用七點一次線性濾波，該濾波法既能使得濾波的曲線更為光滑，又不會造成數(shù)據(jù)失真。4）對濾波后的回波包絡求導數(shù)。若無回波信號，則包絡曲線接近于0；若有回波信號，則包絡曲線會向上增大。故對包絡曲線求導后，若接收到回波，則導數(shù)應由0向正值增大。5）采用閾值法確定回波起點。設置電壓和時間閾值，通過實際測量確定閾值大小，然后將采集的數(shù)據(jù)與閾值相比較，就可得到回波起點[9]。

3.3 死區(qū)設置

將因為換能器余震影響而無法測量的區(qū)域稱之為死區(qū)。死區(qū)距離與超聲波換能器固有屬性和發(fā)射的超聲波個數(shù)有關。鑒于上述問題，本課題采用不同量程對應不同發(fā)波個數(shù)的方法解決死區(qū)過大和超聲波回波能量不足的問題。具體實現(xiàn)方法如下：主控芯片先發(fā)射一個PWM波脈沖，利用示波器觀察其回波幅值，保證回波信號能夠被輸入捕獲和ADC采集且不影響測量精度。然后改變泥位高度，確定一個PWM波脈沖能夠測量的最大距離，將該距離記為h1。然后增加PWM波脈沖個數(shù)，并且通過示波器觀察其死區(qū)，據(jù)此找到某一合適的發(fā)波個數(shù)，使其死區(qū)最接近h1且小于h1，并根據(jù)前面的方法測量得到其最大測量距離，記為h2。以此類推，直至測量距離達到預定量程為止。

4 實驗及結果

由于條件所限，超聲波泥位測量系統(tǒng)的測試工作在實驗室內(nèi)進行，實驗平臺如圖5所示。實際泥位高度由卷尺測量得到，測量高度由串口助手讀取，具體實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 精度測試數(shù)據(jù)mm

圖5 實驗裝置圖

實驗結果表明：該超聲波泥位測量系統(tǒng)絕對誤差≤4 mm，相對誤差≤0.2%，具有較高的測量精度。

5 結語

該投入式超聲波泥位測量系統(tǒng)具有體積小、安裝簡單、可視化等優(yōu)點。經(jīng)實際測量，該系統(tǒng)絕對誤差≤4 mm，相對誤差≤0.2%，有較高的精度，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，滿足沉淀池泥位測量的工程應用需求。