超聲波液位探測(cè)系統(tǒng)的研究

1、液位檢測(cè)技術(shù)在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用十分廣泛，在氣象水位的測(cè)量、大型油罐液 位的測(cè)量等。隨著智能儀器概念的提出。在電子和微控制芯片發(fā)展的基礎(chǔ)上，液位儀器 也經(jīng)歷著日新月異的變化。本論文介紹了一種由 AT89C51單片機(jī)為主控元件的超聲波液位測(cè)量系統(tǒng)。文中給 出了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)各個(gè)功能機(jī)器原理圖，同時(shí)給出軟件系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 了標(biāo)準(zhǔn)液位的檢測(cè)及顯示功能。超聲波液位測(cè)量?jī)x應(yīng)用超聲回波原理技術(shù)，在硬件部分，超聲波發(fā)射電路將 AT89C51單片機(jī)控制的每隔20ms的方波脈沖信號(hào)放大到-300V,以滿足超聲波發(fā)射探 頭的發(fā)射需要。超聲波接收電路對(duì)接收的回波進(jìn)行發(fā)大整形，送回單片機(jī)。系統(tǒng)以 AT8

2、9C51單片機(jī)為設(shè)計(jì)核心，測(cè)量得到超聲波的傳播時(shí)間，計(jì)算出傳播的距離，從而得 到所要測(cè)量的液位距離，并通過(guò)LED顯示出來(lái)。軟件部分，設(shè)計(jì)了中斷程序、顯示程序、 主程序等。使得程序部分適合硬件部分，使系統(tǒng)功能得以實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞：超聲波；AT89C51;液位測(cè)量AbstractThe technique of fluid level detect is extremely widespread in modern industrial production, for example: the measurement of meteorological water level, giant oil p

3、ot fluid level, and so on. Along with the advanced intelligent instrument conception, on the basis of development the electronic and the micro control chip, the fluid level instrument is taking on daily variations.The thesis introduces an ultrasonic wave liquid measuring system that uses AT89C51 as

4、major controlling components, and gives the principle of hardware designing of the system, and the programming method, which achieves the measure and displaying the liquid level.The ultrasonic wave liquid meter applies the technique of ultrasonic wave back principle, in hardware, and the emission ci

5、rcuit controlled by 89C51 output -300v pulse every 20ms,and expiates the probe to output the signal of ultrasonic wave at 1MHz. Electric circuit of Ultrasonic wave to receive enlarges and waves echo of received, returns to 89C51. The return signal is received by the probe of the ultrasonic wave, rea

6、ds the value in the the interrupt produce, then figure out the height of the liquid by the single chip micro-computer and display it through the LED. Software part designs interrupt routine, display sequence, master routine and so on. Let program division suits hardware part, and to realize enables

7、the system function.Key words: ultrasonic wave; AT89C51; liquid depth measureII TOC o 1-5 h z 摘要I.AbstractII1緒論1.液位測(cè)量綜述 1.液位計(jì)的分類 2.按照原理分類 2.按照接觸方式分類 6.超聲波液位計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)與可行性 8.課題的主要任務(wù)9.2超聲波液位檢測(cè)儀的測(cè)量原理 1.1超聲波的介紹1.1超聲波基本性質(zhì) 1.1超聲波的衰減1.1超聲波的特性12液體介質(zhì)中的聲速與溫度的關(guān)系 1.3超聲波探頭 1.4壓電效應(yīng)14探頭的結(jié)構(gòu)和工作原理 15超聲換能器的主要參數(shù) 16超聲波測(cè)距的理論分

8、析 1.73超聲波液位探測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 19系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思想1.9單片機(jī)的選擇19AT89C51 功能說(shuō)明20系統(tǒng)中AT89C51的功能說(shuō)明23發(fā)射電路設(shè)計(jì) 23發(fā)射電路組成部件的介紹 25發(fā)射電路原理分析27iii TOC o 1-5 h z 接收電路的設(shè)計(jì)28接收電路的工作原理 28接收電路的組成28接收電路原理分析33顯示電路354軟件設(shè)計(jì)39軟件設(shè)計(jì)思想39中斷程序39顯小程序40主程序43結(jié)論45.致謝46.參考文獻(xiàn)4Z附錄A48附錄B54IV1緒論液位測(cè)量綜述目前，液位測(cè)量技術(shù)已經(jīng)廣泛的運(yùn)用在工業(yè)部門和日常檢測(cè)部門中。例如：液位測(cè) 量技術(shù)在石油、化工、氣象等部門的應(yīng)用。在測(cè)量條件

9、和環(huán)境來(lái)說(shuō)，有的測(cè)量系統(tǒng)被運(yùn) 用在十分復(fù)雜的條件與環(huán)境中。例如:有的是高溫高壓，有的是低溫或真空，有的需要防 腐蝕、防輻射，有的從安裝上提出苛刻的限制，有的從維護(hù)上提出嚴(yán)格的要求等。這些 都大大的提高了對(duì)測(cè)量技術(shù)的要求。所以能實(shí)現(xiàn)測(cè)量的無(wú)接觸與智能化是液位測(cè)量計(jì)現(xiàn) 在的主要發(fā)展方向1-2。近年來(lái)，隨著工業(yè)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)、微電子、傳感器等高新技術(shù)的應(yīng)用和研究，液 位儀表的研制得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，以適應(yīng)越來(lái)越高的應(yīng)用要求。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，常常需要測(cè)量容器中液體的液位。在一般的生產(chǎn)過(guò)程中，液位 測(cè)量的目的主要是通過(guò)液位測(cè)量來(lái)確定容器里的原料、半成品或產(chǎn)品的數(shù)量，以保證生 產(chǎn)過(guò)程各環(huán)節(jié)物料平衡以及為進(jìn)

10、行經(jīng)濟(jì)核算提供可靠的依據(jù)；另外還為了在連續(xù)生產(chǎn)的情況下，通過(guò)液位測(cè)量，了解液位是否在規(guī)定的范圍內(nèi)，從而維持正常生產(chǎn)、保證產(chǎn)品 的產(chǎn)量和質(zhì)量以及保證安全生產(chǎn)。液位的測(cè)量在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的作用已經(jīng)相當(dāng)重要。隨著各行業(yè)的快速發(fā)展，液位測(cè)量已應(yīng)用到越來(lái)越多的領(lǐng)域，不僅用于各種容器、 管道內(nèi)液體液位的測(cè)量，還用于水渠、水庫(kù)、江河、湖海水位的測(cè)量。這些領(lǐng)域使用傳 統(tǒng)的液位測(cè)量手段已經(jīng)無(wú)法滿足對(duì)其精確性的要求，所以超聲波液位測(cè)量這種新的測(cè)量 方向已經(jīng)成為一種新的手段被廣泛的應(yīng)用。在目前市場(chǎng)上，按測(cè)量液位的感應(yīng)元件與被測(cè)液體是否接觸，液位儀表可以分為接 觸型和非接觸型兩大類3。接觸型液位測(cè)量主要有：人工檢尺法

11、、浮子測(cè)量裝置、伺服式 液位計(jì)、電容式液位計(jì)以及磁致伸縮液位計(jì)等。它們的共同點(diǎn)是測(cè)量的感應(yīng)元件與被測(cè) 液體接觸，即都存在著與被測(cè)液體相接觸的測(cè)量部件且多數(shù)帶有可動(dòng)部件。因此存在一 定的磨損且容易被液體沾污或粘住，尤其是桿式結(jié)構(gòu)裝置，還需有較大的安裝空間，不 方便安裝和檢修。非接觸型液位測(cè)量主要有微波雷達(dá)液位計(jì)、射線液位計(jì)以及激光液位計(jì)等。顧名思 義，這類測(cè)量?jī)x表的共同特點(diǎn)是測(cè)量的感應(yīng)元件與被測(cè)液體不接觸。因此測(cè)量部件不受 被測(cè)介質(zhì)影響，也不影響被測(cè)介質(zhì)，因而其適用范圍較為廣泛，可用于接觸型測(cè)量?jī)x表不能滿足的特殊場(chǎng)合，如粘度高、腐蝕性強(qiáng)、污染性強(qiáng)、易結(jié)晶的介質(zhì)。超聲波液位測(cè)量計(jì)就屬于非接觸型液位

12、測(cè)量的一種，所以它也有不受被測(cè)介質(zhì)影 響，不影響被測(cè)介質(zhì)，能適應(yīng)粘度高、腐蝕性強(qiáng)、污染性強(qiáng)、易結(jié)晶、高溫、高壓、低 溫、低壓、有輻射性、毒性、易揮發(fā)易爆等特殊介質(zhì)的測(cè)量的特點(diǎn)，能適應(yīng)的范圍比其 它的測(cè)量手段更廣泛4。液位計(jì)的分類液位計(jì)量?jī)x表早期大多采用機(jī)械原理，但近年來(lái)隨著電子技術(shù)的應(yīng)用，逐步向機(jī)電一 體化發(fā)展，并且發(fā)展了許多新的測(cè)量原理。在傳統(tǒng)原理中也滲透了電子技術(shù)及微機(jī)技術(shù)， 結(jié)構(gòu)有了很大的改善、功能有了很大的提高。尤其是近二十年來(lái)，隨著微處理器的引入， 測(cè)量?jī)x表更是發(fā)生了革命性的變化。液位計(jì)的量程從幾米到幾十米，測(cè)量精度亦大大提 高。根據(jù)液位測(cè)量所涉及的液體存儲(chǔ)容器、被測(cè)介質(zhì)以及工藝過(guò)程

13、的不同，液位計(jì)類型 的選用也不同。在進(jìn)行液位測(cè)量前，必須充分了解液位測(cè)量的工藝特點(diǎn)，以此作為液位 計(jì)設(shè)計(jì)過(guò)程中的參考因素5。按照原理分類隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，發(fā)展了許多新的測(cè)量原理，一批具有智能控制功能、可實(shí) 現(xiàn)非接觸測(cè)量、精度高、穩(wěn)定性好的液位計(jì)相繼問(wèn)世，并應(yīng)用到越來(lái)越多的工業(yè)測(cè)量領(lǐng) 域，如基于超聲波、雷達(dá)、光纖等技術(shù)的液位測(cè)量?jī)x。根據(jù)工作原理的不同液位計(jì)可分 為如下幾種6:1、直讀液位計(jì)：如圖 連通管。7 4圖1.1直讀式液位測(cè)量方法1.1所示。其中，1-被測(cè)容器；2-玻璃管;3-標(biāo)尺;4、5-閥;6、7-直讀式液位測(cè)量方法：是一種直接用與被測(cè)容器連通的玻璃管或玻璃板來(lái)顯示容器中的液位高度

14、，它是最原始但仍應(yīng)用較多的一種液位測(cè)量?jī)x表；另外，利用浸入式刻度鋼 皮尺直接測(cè)量液位高度的人工檢尺法也是應(yīng)用較廣泛的液位計(jì)量方法， 尤其是在大型油 罐儲(chǔ)油量的測(cè)量中，也可把它用作現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)其他測(cè)量?jī)x表的參考手段。其精度一般為2mm的人為誤差。此種方法有測(cè)量簡(jiǎn)單、直觀、成本低的優(yōu)點(diǎn)，但測(cè)量量程有限，且 不適于惡劣環(huán)境中的測(cè)量。2、浮子液位計(jì)：如圖1.2所示。其中，1-浮球;2-連桿;3-轉(zhuǎn)軸;4-平衡重;5-杠桿。圖1.2浮子式液位測(cè)量方法（內(nèi)、外浮球方式）利用浮子的比重比所測(cè)液體的比重稍小的特點(diǎn)，使浮子漂在液面上并隨液面的升高或下降來(lái)反映液位，它也是一種應(yīng)用最早并且應(yīng)用范圍很廣的液位測(cè)量?jī)x表；將

15、浮子用一 條多孔鋼帶連接至一個(gè)包轉(zhuǎn)矩裝置或平衡錘上，由浮子的重量帶動(dòng)多于L鋼帶通過(guò)齒輪 裝置推動(dòng)機(jī)械計(jì)數(shù)器作現(xiàn)場(chǎng)顯示，還可連接電動(dòng)變送器，獲得遠(yuǎn)距離顯示。由于滑輪機(jī) 械裝置的摩擦力和怫帶重量，測(cè)量誤差一般約為土（4 - 10）mm。3、靜壓液位計(jì)：如圖1.3所示。其中，1-過(guò)濾器;2-減壓閥;3-節(jié)流元件;4-轉(zhuǎn)子流量計(jì);5- 變送器。圖1.3靜壓式液位測(cè)量方法利用液柱對(duì)某定點(diǎn)產(chǎn)生壓力，測(cè)量該定點(diǎn)壓力或測(cè)量該點(diǎn)與另一參考點(diǎn)的壓差而問(wèn) 接測(cè)量液位的儀表，液體壓力的大小取決于液位高度；這種方法主要應(yīng)用于測(cè)量精度要求不高的場(chǎng)合4、電磁液位計(jì)：如圖1.4所示。其中，1-內(nèi)電極；2-外電極；3-絕緣套管

16、。這種測(cè) 量方式是將液位的變化轉(zhuǎn)換為電量的變化，從而對(duì)液位進(jìn)行間接測(cè)量，如電容式、電感 式和電阻式液位計(jì)等。圖1-4a非導(dǎo)電液體電容式測(cè)量原理X2R了外電極，國(guó)電液體圖1-4b導(dǎo)電液體電容式測(cè)量原理內(nèi)電極絕韁套曾電磁液位計(jì)中電容由兩塊同心的圓柱面極板組成，電容式液位測(cè)量是根據(jù)電容量與被測(cè)液體和氣相介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)、電容傳感器浸入液體的深度、電容傳感器垂直高 度、內(nèi)外極板圓柱底面半徑之間的關(guān)系，由已知的其他數(shù)值得出所測(cè)液位高度值。電容 式液位計(jì)價(jià)格低，安裝容易，且可以應(yīng)用于高溫、高壓的場(chǎng)合。但電容液位計(jì)測(cè)量重復(fù) 精度較低，需定期維修和重新標(biāo)定，工作壽命也不長(zhǎng)。電阻式液位測(cè)量方法特別適用于導(dǎo)電液

17、體。敏感器件具有電阻特性，其電阻值隨液 位的變化而變化，因此將電阻變化值傳送給二次電路即得到液位高度值。電感式液位測(cè)量方法同樣適用于導(dǎo)電液體的液位測(cè)量，特別是液態(tài)金屬。其原理是：液位變化使得電感元件的自感、互感或?qū)Т怕拾l(fā)生變化，故將該變化量送往二次相應(yīng)的 液位數(shù)值。電感式測(cè)量應(yīng)用最廣泛的是高頻液位計(jì)。該液位計(jì)的測(cè)量原理是，頻率調(diào)制信號(hào)通過(guò)射頻電纜禍合到傳輸線傳感器諧振回路，諧振回路的輸出電壓經(jīng)過(guò)檢波電路和射頻電纜傳送給低通濾波器，然后根據(jù)低通濾波器的輸出電壓控制調(diào)諧電路，產(chǎn)生新的 振蕩頻率，直到傳感器諧振電路處于完全諧振狀態(tài)為止，則此時(shí)的振蕩頻率即與傳感器 的電感量相對(duì)應(yīng)，從而與液位相對(duì)應(yīng)。以

18、上3種方法都是利用液位傳感器的電參數(shù)產(chǎn)生變化的方法來(lái)測(cè)量液位的。這種測(cè)量方法原理簡(jiǎn)單、易于操作、成本低廉，但精度較低、可靠性差，已不能滿足現(xiàn)代工業(yè) 測(cè)量中對(duì)測(cè)量精度和儀器可靠性的要求。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，基于新技術(shù)的液位計(jì)發(fā) 展越來(lái)越快。5、超聲波液位計(jì)：超聲波液位儀是非接觸測(cè)量中發(fā)展最快的一種。該技術(shù)基于超 聲波在空氣中的傳播速度及遇到被測(cè)物體表面產(chǎn)生反射的原理?？蓪?shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量、測(cè) 量范圍寬、并且測(cè)量不受介質(zhì)密度、介電常數(shù)、導(dǎo)電性等的影響，因此它的適用范圍非 常廣泛，包括水渠、油罐、粘稠、腐蝕性及有毒液體等的液位測(cè)量中。我國(guó)從九十年代 初開(kāi)始，將超聲測(cè)距技術(shù)應(yīng)用到河流、湖泊、水、渠等水體的

19、水位測(cè)量中，以及油、漿 等液體的液位測(cè)量中。超聲液位測(cè)量技術(shù)在越來(lái)越多的領(lǐng)域發(fā)揮其重要作用。6、雷達(dá)液位儀：連續(xù)式微波液位儀通常采用調(diào)頻雷達(dá)原理，利用同步調(diào)頻脈沖技 術(shù)，微波發(fā)射和接收器安裝在罐頂，向液面發(fā)射頻率調(diào)制的微波信號(hào)。當(dāng)接收到回波信 號(hào)時(shí)，由于來(lái)回傳播的時(shí)間延遲，發(fā)射頻率己改變了。將兩者信號(hào)混合處理，所得信號(hào) 的頻差與罐頂?shù)揭好嬷g的距離成正比。7、光纖液位儀：其測(cè)量原理與超聲波液位計(jì)類同，只是用光波代替超聲波。即光 源發(fā)射激光，經(jīng)被測(cè)液面反射，接收反射光后，將從發(fā)射至接收的時(shí)間換算成液位。激 光的光束是很窄的，在液位計(jì)中通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成約 20mm寬的光束，這樣可使反射 光易于被

20、傳感器接收。8、Y射線液位計(jì)：該技術(shù)基于 Y射線對(duì)不同物質(zhì)產(chǎn)生不同衰減的理論，將放射源 鉆-60或艷-137置于一個(gè)防護(hù)容器內(nèi)，放在被測(cè)容器的一側(cè)，在其對(duì)面，裝有一個(gè)檢測(cè) 器，當(dāng)Y射線穿透容器時(shí)，會(huì)發(fā)生衰減，衰減率取決于被測(cè)液體的密度、吸收系數(shù)和厚 度。液位越高，衰減越大，接收器將 Y射線量變?yōu)楣饷}沖信號(hào)，再由光電倍增管轉(zhuǎn)換為 電脈沖信號(hào)。液位與Y射線衰減量是非線性關(guān)系，必須進(jìn)行標(biāo)定。9、小型液位開(kāi)關(guān)：在液位計(jì)智能化的同時(shí)，出現(xiàn)了一些基于新檢測(cè)原理，由新型 電子部件構(gòu)成的小型現(xiàn)場(chǎng)液位開(kāi)關(guān)。較典型的是利用超聲波穿透空氣及液體時(shí)衰減率的 顯著差別來(lái)檢測(cè)液面的超聲液位開(kāi)關(guān)；利用空氣和液體對(duì)振動(dòng)體的阻

21、尼差別來(lái)檢測(cè)液位的振動(dòng)式液位開(kāi)關(guān)；以及利用空氣和液體電導(dǎo)率的不同來(lái)檢測(cè)液位的電導(dǎo)式液位開(kāi)關(guān)。傳統(tǒng)液位計(jì)逐漸被這些新型液位計(jì)所取代。新型液位計(jì)無(wú)論是在精度、穩(wěn)定性，還 是在智能測(cè)量方面都比傳統(tǒng)液位計(jì)有著明顯的優(yōu)勢(shì)，是今后液位計(jì)的發(fā)展方向。其中， 超聲波液位計(jì)以其低成本、高精度、非接觸測(cè)量、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)受到廣泛青睞，發(fā)展 出了適應(yīng)于不同場(chǎng)合的超聲波液位計(jì)，廣泛應(yīng)用于石油化工、航天航空、水利、氣象、 環(huán)保、醫(yī)藥衛(wèi)生、食品飲料等多個(gè)領(lǐng)域。本課題中正是以超聲波液位計(jì)為研究對(duì)象。1.2.2按照接觸方式分類如果按照接觸方式來(lái)劃分可以分為，第一種是接觸測(cè)量方式的液位儀；第二種是非 接觸測(cè)量方式的液位儀；第三

22、種是新原理的小型液位開(kāi)關(guān)。1、接觸型液位儀表接觸型液位儀表，主要有：人工檢尺法、浮子測(cè)量裝置、伺服式液位計(jì)、電容式液 位計(jì)以及磁致伸縮液位計(jì)。它們的共同特點(diǎn)是測(cè)量的感應(yīng)元件與被測(cè)液體接觸。(1)人工檢尺法：利用浸入式刻度鋼尺測(cè)量液位，取樣測(cè)量油溫和密度，通過(guò)計(jì)算得到液體的體積和重量，這是迄今為止依然在全世界廣泛使用的液位測(cè)量方法，也可以把 它用作現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)其他測(cè)量?jī)x表的參考手段。該方法分為實(shí)高測(cè)量和空高測(cè)量?jī)煞N。人工 檢尺法測(cè)量的精度一般為土 2mm,通常至少測(cè)量?jī)纱危瑑纱谓Y(jié)果相差不得超過(guò)土 1mm。 人工檢尺法具有測(cè)量簡(jiǎn)單、直觀、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但需要測(cè)試人員手動(dòng)測(cè)量，不適合惡 劣環(huán)境下的操作。

23、另外，需要較長(zhǎng)的測(cè)量時(shí)間，難以實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)測(cè)量，即實(shí)時(shí)性較差 且需手廠處理數(shù)據(jù)，不利于數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)管理。(2)浮子測(cè)量裝置：浮子式測(cè)量裝置采用大而重的浮子作為液位測(cè)量元件，驅(qū)動(dòng)編碼盤或編碼帶等顯示裝置，或連接電子變送器以便遠(yuǎn)距離傳輸測(cè)量信號(hào)。由于機(jī)械裝置的 使用，這類裝置的測(cè)量誤差一般約為 1mm,誤差較大。浮子式液位裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，但是浮子會(huì)隨著液面的波動(dòng)而波動(dòng)，從而造成讀數(shù)誤差。該裝置傳動(dòng) 部件較多，容易造成系統(tǒng)的機(jī)械磨損，因而增加了系統(tǒng)維護(hù)的開(kāi)銷。浮子測(cè)量裝置的適 用范圍為非腐蝕液體的測(cè)量。(3)伺服式液位計(jì)：伺服式液位計(jì)與浮子式液位測(cè)量裝置相比， 提高了測(cè)量精度和可

24、 靠性。它采用波動(dòng)積分電路，消除了抖動(dòng)，延長(zhǎng)了使用壽命?，F(xiàn)代伺服液位計(jì)的測(cè)量精 度已達(dá)到40m范圍內(nèi)小于土 1mm。但是，由于伺服式液位計(jì)仍屬于機(jī)械測(cè)量裝置，存 在機(jī)械磨損，影響了測(cè)量的精度，因此需要定期維修和重新定標(biāo)且安裝困難。(4)電容式液位計(jì)：電容式液位計(jì)的核心是電容液位傳感器。 該傳感器一般由標(biāo)準(zhǔn)電 容、測(cè)量電容和比較電容等組成。其中，比較電容用來(lái)測(cè)量液體的介電常數(shù)，測(cè)量電容 用來(lái)檢測(cè)液位的變化，由液體的介電常數(shù)和測(cè)量電容的容量計(jì)算出液位。電容式液位計(jì) 的價(jià)格較低、安裝容易且可以應(yīng)用于高溫、高壓的測(cè)量場(chǎng)合。(5)磁致伸縮液位計(jì)：磁致伸縮液位計(jì)采用磁致伸縮技術(shù)來(lái)測(cè)量大罐的油水界面和油 氣

25、界面。通常情況下，磁致伸縮液位計(jì)安裝有兩個(gè)浮子，其中一個(gè)浮子的密度小于油品 的密度，另一個(gè)浮子的密度大于油品的密度而小于水的密度，它們分別用來(lái)檢測(cè)油氣界 面和油水界面。磁致伸縮液位計(jì)安裝容易，不需要定期維修和重新定標(biāo)，工作壽命較長(zhǎng)。 其測(cè)量精度較高，測(cè)量的重復(fù)精度也較高，是比較理想的接觸型液位計(jì)。但是磁致伸縮 液位計(jì)與被測(cè)液體接觸，儀器容易受到腐蝕，且液體的密度變化會(huì)帶來(lái)測(cè)量誤差。止匕外, 浮子裝置沿著波導(dǎo)管的護(hù)導(dǎo)管上移動(dòng)，容易被卡死，從而影響液位的正確測(cè)量。2、非接觸型液位儀表非接觸型測(cè)量?jī)x表主要包括超聲波液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)、射線液位計(jì)以及激光液位 計(jì)等。這類液位測(cè)量?jī)x表的共同特點(diǎn)是測(cè)量的敏

26、感元件與被測(cè)液體不接觸，因此不受被 測(cè)介質(zhì)影響，也不影響被測(cè)介質(zhì)，因而適用范圍較為廣泛，可用于接觸式測(cè)量?jī)x表不能 滿足的特殊場(chǎng)合如粘度高、腐蝕性強(qiáng)、污染性強(qiáng)、易結(jié)晶的介質(zhì)。(1)超聲波液位計(jì)：超聲波液位計(jì)是非接觸式液位計(jì)中發(fā)展最快的一種。超聲波在同一種介質(zhì)中傳播速度相對(duì)恒定，遇到被測(cè)物體表面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射，基于此原理研制出了 超聲波液位計(jì)。目前，智能化的超聲波液位計(jì)能夠?qū)邮招盘?hào)做精確的處理和分析：可以將各種干擾信號(hào)過(guò)濾出來(lái)：識(shí)別多重回波；分析信號(hào)強(qiáng)度和環(huán)境溫度等有關(guān)信息。這樣即 便在有外界干擾的情況下，也能夠進(jìn)行精確的測(cè)量。超聲波液位計(jì)不僅能定點(diǎn)和連續(xù)測(cè) 量，而且能方便地提供遙測(cè)和遙控所需的信

27、號(hào)。同時(shí)，超聲波液位計(jì)不存在可動(dòng)部件， 所以在安裝和維護(hù)上相應(yīng)比較方便。超聲測(cè)位技術(shù)可適用于氣體、液體或固體等多種測(cè) 量介質(zhì)，因而具有較大的適應(yīng)性且價(jià)格較為便宜。新型氣密結(jié)構(gòu)、耐腐蝕的超聲波傳感 器可測(cè)量高達(dá)幾十米的液位。(2)雷達(dá)液位計(jì)：雷達(dá)液位計(jì)發(fā)明于 60年代，通常采用調(diào)頻雷達(dá)原理，利用同步調(diào) 頻脈沖技術(shù)，將微波發(fā)射器和接收器安裝在罐頂，向液面發(fā)射頻率調(diào)制的微波信號(hào)。當(dāng) 接收到回波信號(hào)時(shí)，由于來(lái)回傳播時(shí)間的延遲，發(fā)射頻率發(fā)生了改變。將兩種信號(hào)混合 處理，所得信號(hào)頻正比于罐頂?shù)揭好嬷g的距離。雷達(dá)液位計(jì)特別適用于高粘度或高污 染的產(chǎn)品，如瀝青等。雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量精度較高，而且無(wú)需定期維修和

28、重新定標(biāo)，但是安裝比較復(fù)雜且價(jià)格不菲。（3）射線液位計(jì)：核輻射放出的射線（如丫射線等）具有較強(qiáng)的穿透能力，且穿過(guò)不同 厚度的介質(zhì)有不同的衰減特性，核輻射式液位計(jì)正是利用這一原理來(lái)測(cè)量液位的。核輻 射式液位計(jì)的核輻射源用點(diǎn)式或狹長(zhǎng)型結(jié)構(gòu)安裝在油罐的外面，狹長(zhǎng)型核輻射源檢測(cè)元件也安裝在油罐外面，可實(shí)現(xiàn)對(duì)液位動(dòng)態(tài)變化的檢測(cè)。除利用核輻射射線來(lái)測(cè)量之外， 還可采用中子射線來(lái)測(cè)量液位。射線液位計(jì)安裝非常方便，測(cè)量精度較高。因?yàn)樗鼪](méi)有 任何部件與被測(cè)物體直接接觸，特別適用于傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x表不能解決的測(cè)量問(wèn)題。（4）激光液位計(jì)：其測(cè)量原理類似于超聲波液位計(jì)，只是采用光波代替了超聲波。發(fā)射傳感器發(fā)射出激光，照射到

29、被測(cè)液面，在液面處發(fā)生反射，接收傳感器接收反射光， 將從發(fā)射至接收的時(shí)間換算成液位。激光的光束很窄，在液位計(jì)中通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成 約20mm寬的光束，這樣即使被測(cè)物面很粗糙，漫反射光也能被傳感器接收。激光液位 計(jì)非常適用于開(kāi)口很狹窄的容器以及高溫、高粘度的測(cè)量對(duì)象。而缺點(diǎn)是對(duì)液面的波動(dòng) 很敏感，大罐內(nèi)的油蘇汽，水氣等微粒對(duì)測(cè)量不利，且光學(xué)鏡頭必須定期保持清潔。超聲波液位計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)與可行性目前國(guó)內(nèi)液位計(jì)的生產(chǎn)采用引進(jìn)加仿制的手段。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)多家公司和科研機(jī)構(gòu) 陸續(xù)推出自行研制的液位測(cè)量?jī)x表，其精度日益提高。進(jìn)口的液位計(jì)功能齊全，精度較 高，但是價(jià)格比較昂貴且維修不是很方便。對(duì)于小型用戶來(lái)說(shuō)，不

30、是理想之選。而國(guó)內(nèi) 自行研制生產(chǎn)的液位計(jì)價(jià)格相對(duì)便宜，但精度不高，功能相對(duì)單一。超聲波在空氣中的傳播速度大約為 334m/s（常溫下），在同一介質(zhì)中其傳播速度相對(duì) 恒定，與激光的速度（3*108m/s）相比，超聲波的傳播速度要慢得多，因此對(duì)超聲波信號(hào) 的處理也容易得多。用超聲波做為檢測(cè)物體的媒介，有非破壞性、遙控性、實(shí)時(shí)性、可 穿透性等特點(diǎn)，在許多方面體現(xiàn)了其他方法所沒(méi)有的獨(dú)到之處，加之其成本較低，所以 超聲波是比較理想的信號(hào)源。超聲波液位測(cè)量方法，與其他的液位測(cè)量方法相比，比如 電磁或者光學(xué)的方法，它不受光線、被測(cè)對(duì)象的顏色等影響。對(duì)于被測(cè)物體處于黑暗、 有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的

31、環(huán)境有一定的適應(yīng)性。同時(shí)超聲波傳感器具有 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、體積小、信號(hào)處理可靠等特點(diǎn)。綜合而言，超聲波液位計(jì)具有非 接觸、精度較高、實(shí)時(shí)測(cè)量、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，較為適合國(guó)內(nèi)市場(chǎng)7。與其它種類的液位計(jì)相比，超聲波液位計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn) ：1、非接觸式測(cè)量，超聲波換能器安裝在液面上方，不與被測(cè)介質(zhì)接觸，可方便的 測(cè)量腐蝕性、粘稠或有毒液體，避免被被測(cè)液體腐蝕或污損，免于維護(hù)。2、通用性好，液位計(jì)即可測(cè)量開(kāi)渠液位，也可測(cè)量大型儲(chǔ)罐等的液體液位。安裝 拆卸方便。3、適應(yīng)性強(qiáng)，使用范圍廣，不受介質(zhì)密度、介電常數(shù)、導(dǎo)電性等的影響，對(duì)被測(cè) 液體的物理化學(xué)性質(zhì)的適應(yīng)性極強(qiáng)。適用于有毒、有腐蝕、高粘度的液體液位測(cè)

32、量，彌 補(bǔ)了其他液位計(jì)在此類惡劣測(cè)量環(huán)境中的不足。幾乎沒(méi)有機(jī)械可動(dòng)部件，無(wú)磨損，使用 壽命長(zhǎng)，重量輕。換能器內(nèi)的壓電元件以聲頻振動(dòng)，振幅小，壽命長(zhǎng)。4、穩(wěn)定性好，但是超聲波液位計(jì)也有其自身的局限性，主要表現(xiàn)在被測(cè)液體易揮 發(fā)時(shí)，液面上方的空氣密度不均勻，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差較大：當(dāng)被測(cè)液體液位有較大波浪時(shí)， 易引起聲波反射混亂，產(chǎn)生誤差;另外，超聲波液位計(jì)測(cè)量液位時(shí)有無(wú)法避免的盲區(qū)，因 此小距離測(cè)量比較困難課題的主要任務(wù)在實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)代化、自動(dòng)化的過(guò)程中，許多行業(yè)迫切地需要解決液位測(cè)量和控制 的問(wèn)題。液位測(cè)量和控制的好壞，直接影響到生產(chǎn)的安全、產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，以及能 源消耗和成本，同時(shí)也影響到其它工

33、藝參數(shù)的穩(wěn)定和控制。但在很多行業(yè)的工藝過(guò)程中 卻是很難解決的問(wèn)題。尤其在涉及高溫、高壓以及強(qiáng)放射性輔照的場(chǎng)合，以及要求遠(yuǎn)距 離傳送等的情況下，要準(zhǔn)確、可靠地測(cè)量液位，更是一項(xiàng)困難的任務(wù)。超聲波液位探測(cè)系統(tǒng)的具有方向性好、穿透本領(lǐng)大，且在波阻抗比相差很大的界面 反射時(shí)，反射能量很強(qiáng)等特性，而且用超聲波測(cè)量液位具有下述優(yōu)點(diǎn)：檢測(cè)元件可測(cè)范 圍廣、換能器無(wú)可動(dòng)部件、壽命長(zhǎng)。目前國(guó)內(nèi)一般使用專用集成電路設(shè)計(jì)超聲波液位計(jì), 但是專用集成電路的成本很高，并且沒(méi)有顯示，操作很不方便。本課題目的是培養(yǎng)綜合運(yùn)用所學(xué)的基礎(chǔ)理論、專業(yè)知識(shí)和基本技能，提高分析與解 決實(shí)際問(wèn)題的能力，完成基本工程訓(xùn)練和初步培養(yǎng)從事科學(xué)

34、研究能力的重要環(huán)節(jié)；1、主要內(nèi)容：(1)超聲波測(cè)量液位的物理基礎(chǔ)(2)超聲波液位探測(cè)硬件系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)；發(fā)射電路設(shè)計(jì)；接收電路設(shè)計(jì);顯示電路設(shè)計(jì);(3)超聲波液位探測(cè)軟件系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)；2、技術(shù)路線：(1)超聲波液位探測(cè)硬件系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)(2)設(shè)計(jì)主電路、各種輔助電路和相關(guān)的接口電路元件。(3)通過(guò)計(jì)算，選擇控制系統(tǒng)主要元器(4)超聲波液位探測(cè)軟件系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)。根據(jù)其功能要求進(jìn)行程序的編寫102超聲波液位檢測(cè)儀的測(cè)量原理超聲波的介紹簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，超聲波就是超過(guò)人耳能聽(tīng)到的物體振動(dòng)的聲音的頻率范圍的聲波就叫超聲波。一般來(lái)說(shuō)是指聲音超過(guò)了 20000Hz以上的聲波稱之為超聲波。與光波不同，聲波是一種彈性

35、機(jī)械波，即機(jī)械振動(dòng)在彈性媒質(zhì)中的傳播。超聲波有以下幾個(gè)特點(diǎn)網(wǎng)：1.頻率高波長(zhǎng)短定向好；2.振幅小加速度大能量集中功率 高強(qiáng)度大；3.在不同介質(zhì)界面上大部分能量反射，因而，超聲波特別適合于距離測(cè)量。超聲波基本性質(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。例如，在常溫下空氣中的聲速約為 334m/s,在水中的聲速約為1440m/s,而在鋼鐵中約 為5000nl/so其在空氣中的傳播速度主要與空氣的壓力和溫度有關(guān)正常條件下由于大氣 壓力變化很小因此其傳播速度主要考慮溫度的影響在空氣中傳播速度為C=331.5+1.67t(m/s)(2.1)其中C為超聲波聲速，t為傳播介質(zhì)

36、的溫度。在溫度已知時(shí)超聲波速度就能通過(guò)公式計(jì) 算出來(lái)，在這個(gè)時(shí)候只要記錄從發(fā)射到接收超聲波的時(shí)間即可求出被測(cè)距離。超聲波的另一個(gè)特性是超聲波頻率越高，超聲波與光波的某些特性(如反射、折射 定律)就越相似。九=C/f(2.2)其中九為超聲波波長(zhǎng)、f為超聲波頻率與、C為超聲波速度。超聲波的衰減在傳播的過(guò)程中，衰減系數(shù)與聲波介質(zhì)以及頻率的關(guān)系為衰減系數(shù)與聲波所在介質(zhì) 及頻率的關(guān)系為：a=bf2(2.3)其中，口為衰減系數(shù)，b為介質(zhì)常數(shù)，f為振動(dòng)頻率9。在空氣中， 聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)被吸收而衰減，氣體吸收最強(qiáng)而衰減最大，液11 體其次，固體吸收最小而衰減最小。因此，對(duì)于一給定強(qiáng)度的聲波，在氣體中傳播

37、的距 離會(huì)明顯比在液體和固體中傳播的距離短。另外，聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)衰減的程度還與 聲波的頻率有關(guān)，頻率越高，聲波的衰減也越大，因此，超聲波比其他聲波在傳播時(shí)的 衰減更明顯。因此考慮到實(shí)際工程的需要，在設(shè)計(jì)超聲波液位計(jì)時(shí)，選用頻率等于40kHz的超聲 波，波長(zhǎng)為0.85cm。超聲波的特性1、超聲波的束射特性由于超聲波的波長(zhǎng)短，超聲波射線可以和光線一樣，能夠反射、折射，也能聚焦， 而且.遵守幾何光學(xué)上的定律。即超聲波射線從一種物質(zhì)表面反射時(shí)，入射角等于反射 角，當(dāng)射線透過(guò)一種物質(zhì)進(jìn)入另一種密度不同的物質(zhì)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生折射，也就是要改變它 的傳插方向，兩種物質(zhì)的密度差別愈大，則折射也愈大。2、超聲波的

38、吸收特性聲波在各種物質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，強(qiáng)度會(huì)漸進(jìn)減弱，這是因?yàn)槲镔|(zhì) 要吸收掉它的能量。對(duì)于同一物質(zhì)，聲波的頻率越高，吸收越強(qiáng)。對(duì)于一個(gè)頻率一定的 聲波，在氣體中傳播時(shí)吸收最厲害，在液體中傳播時(shí)吸收比較弱，在固體中傳播時(shí)吸收 最小。3、超聲波的能量傳遞特性超聲波所以往各個(gè)工業(yè)部門中有廣泛的應(yīng)用，主要還在于比聲波具有強(qiáng)大得多的功 率。當(dāng)聲波到達(dá)某一物資中時(shí)，由于聲波的作用使物質(zhì)中的分子也跟著振動(dòng)，振動(dòng)的頻 率和聲波頻率一樣，分子振動(dòng)的頻率決定了分子振動(dòng)的速度。頻率愈高速度愈大。物資 分子由于振動(dòng)所獲得的能量除了與分子的質(zhì)量有關(guān)外，是由分子的振動(dòng)速度的平方?jīng)Q定的，所以如果聲波的頻率愈高

39、，也就是物質(zhì)分子愈能得到更高的能量、 超聲波的頻率比聲 波可以高很多，所以它可以使物資分子獲得很大的能量；換句話說(shuō)，超聲波本身可以供 給物質(zhì)足夠大的功率。4、超聲波的聲壓特性當(dāng)聲波通入某物體時(shí)，由于聲波振動(dòng)使物質(zhì)分子產(chǎn)生壓縮和稀疏的作用， 將使物質(zhì)所 受的壓力產(chǎn)生變化。由于聲波振動(dòng)引起附加壓力現(xiàn)象叫聲壓作用10o122.1.4液體介質(zhì)中的聲速與溫度的關(guān)系幾乎除水以外的所有液體，當(dāng)溫度升高時(shí)，容變彈性模量減小，聲速降低。惟有水 例外，溫度在74C左右時(shí)聲速達(dá)最大值，當(dāng)溫度低于 74c時(shí)，聲速隨溫度高而增加， 當(dāng)溫度高于74c時(shí)，聲速隨溫度升高而降低。水中聲速與溫度的關(guān)系公式如下， 不同溫 度下水

40、中的聲速如表2.1所示。c =1557-0.0245(74-t)2(2.4)其中，c為超聲波在水中的傳播速度、t為水的溫度。表2.1不同溫度下的水中聲速溫度(攝氏度)102025304050607080聲速(米/秒)144814831497151015301544155215551554超聲波的折射率當(dāng)聲波從一種介質(zhì)向另一種介質(zhì)傳播時(shí)， 因?yàn)閮煞N介質(zhì)密度不同及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，其反射系數(shù)R為(2.5)r _r _ ；Z2COSg -乙COSB 1 工一|z2cOS +乙COSB .其中，Ir、Io分別是反射和入射聲波的聲強(qiáng)；口、P分別是聲波的入射角和反射

41、角；乙、 z2分別是兩種介質(zhì)的聲阻抗；其中 乙=、z2 = P2V2 ； P1、p2分別是兩種介質(zhì)的密 度，V1、V2分別是在兩種介質(zhì)里的速度。聲波垂直入射時(shí)，=0, p=0；則反射系數(shù)R為(2.6)R 2 -Z1 R 二2+乙一由上式可以看出，乙與Z2相差越小，R值也越小，說(shuō)明反射越弱，當(dāng) 乙二Zz時(shí)，R=0, 說(shuō)明這時(shí)沒(méi)有反射，聲波全部透射。當(dāng)反射介質(zhì)聲阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于入射介質(zhì)聲阻抗時(shí)，即 所謂的硬邊界。這時(shí)，入射波的介質(zhì)速度在碰到分界面時(shí)好像彈性碰撞一樣，變成一個(gè) 反向速度，反射波質(zhì)點(diǎn)速度與入射波質(zhì)點(diǎn)速度相位改變 180,反射聲壓與入射聲壓同相 位。比如，當(dāng)聲波從水傳播到空氣，在常溫下，它們

42、的聲阻抗約為乙=1.44父106、Z2=4M102,代入公式可得，R=0.999o這說(shuō)明聲波從液體傳播到氣體或相反的情況下， 由于兩種介質(zhì)的聲阻抗相差懸殊，聲波幾乎全部被反射 11。表2.2給出了幾種常見(jiàn)介質(zhì)13的反射系數(shù)。表2.2幾種常見(jiàn)介質(zhì)的反射系數(shù)A介質(zhì)第二介質(zhì)聲阻抗鋁鋼銅水銀玻璃水空氣鋁1.7000.210.140.010.020.721鋼4.5600.010.160.310.881銅3.9200.130.230.861水銀1.9300.040.751玻璃1.8000.651水0.1301空氣0.0000410超聲波探頭超聲波探頭，也就是超聲波換能器，是超聲波測(cè)距系統(tǒng)中的重要組成部分。

43、通常所 說(shuō)的超聲波換能器一般是指電聲換能器，它是一種能完成電能與聲能的相互轉(zhuǎn)換的裝 置。換能器處在發(fā)射狀態(tài)時(shí)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為聲能；反之，當(dāng) 換能器處在接收狀態(tài)時(shí)，將聲能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再轉(zhuǎn)換為電能。超聲換能器通常都有一 個(gè)電的儲(chǔ)能元件和一個(gè)機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)。超聲波傳感器產(chǎn)生振蕩的方法很多，主要有以下幾種：1.由外部電路產(chǎn)生振蕩，如NE555低頻振蕩器調(diào)制40KHz的高頻信號(hào)，高頻信號(hào)通過(guò)超聲波傳感器以聲能形式輻 射出去；2.采用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器或直接使用程序產(chǎn)生固定的脈沖，通過(guò)放大處理后 經(jīng)電感線圈驅(qū)動(dòng)發(fā)送超聲波傳感器振蕩；3.使用工業(yè)用小功率超聲波收發(fā)控制集成電路 LM18

44、12驅(qū)動(dòng)發(fā)送超聲波傳感器振蕩。壓電效應(yīng)超聲波探頭使用最多的是由壓電晶片或壓電陶瓷制成的換能器。超聲波的接收和反射是基于壓電晶片的壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。其工作原理是當(dāng)壓電晶片受發(fā)射脈沖激勵(lì)后產(chǎn)生振動(dòng)，即可發(fā)射聲脈沖，此即逆壓電效應(yīng)。當(dāng)超聲波作用于晶片時(shí)，晶片受迫振14 動(dòng)引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，此為正壓電效應(yīng)。前者是超聲波的發(fā)射，后者為 超聲波的接收。壓電晶片的振動(dòng)頻率即探頭的工作頻率，主要取決于晶片的厚度和超聲 波在晶片材料中的傳播速度，為得到較高的頻率，要使晶片在共振狀態(tài)下工作，此時(shí)晶 片厚度為1/2波長(zhǎng)。通常我們一般使用PVDF壓電薄膜材料，此材料除了具有良好的物理性能外， 在厚

45、度、面積上有很大的選擇余地，易于加工且頻率范圍寬，常用來(lái)制成40kHzT 300kHz的 超聲換能器。常見(jiàn)的壓電晶片的材料參數(shù)見(jiàn)表 2.3。表2.3幾種常用壓電晶片材料的主要參數(shù)材料居里點(diǎn)/oC介電常數(shù)聲阻抗特性x106kg/m2s壓電應(yīng)變常數(shù)d33(M10,2mv)壓電電壓常數(shù)g33(M10Uvm/N)石英5704.515.22.050鈦酸鋼系11517003016013錯(cuò)鈦酸鉛190-300150028320-24.4偏鋸酸鉛40030020.58532錯(cuò)鈦鉛1201000270125-19014-21其中，壓電材料的居里點(diǎn)是指壓電材料完全喪失壓電效應(yīng)的溫度、介電常數(shù)反映了材料 的介電性質(zhì)

46、，在制造探頭考慮阻抗匹配時(shí)起作用、壓電應(yīng)變常數(shù)是指當(dāng)壓電體處于應(yīng)力 恒定的狀態(tài)時(shí)，由于電場(chǎng)強(qiáng)度變化所產(chǎn)生的應(yīng)變變化與電場(chǎng)強(qiáng)度變化之比，它關(guān)系著晶 片發(fā)射性能的好壞、壓電電壓常數(shù)是指壓電體在電位移恒定時(shí)，由于應(yīng)力變化所產(chǎn)生的 電場(chǎng)強(qiáng)度變化與應(yīng)力變化之比，它關(guān)系著晶片接收性能的好壞。壓電片的振動(dòng)方式有很多種，如薄片的厚度振動(dòng)，縱片的長(zhǎng)度振動(dòng)，橫片的長(zhǎng)度振 動(dòng)，圓片的徑向振動(dòng)，圓管的厚度、長(zhǎng)度、徑向和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，彎曲振動(dòng)等。其中，以薄 片厚度振動(dòng)用的最多。由于壓電晶片本身較脆，并因各種絕緣、密封、防腐蝕、阻抗匹 配以及防護(hù)不良環(huán)境要求，壓電元件往往裝在殼體內(nèi)構(gòu)成探頭。探頭的結(jié)構(gòu)和工作原理超聲波傳感器，

47、它是借助壓電晶體的諧振來(lái)工作的，即陶瓷的壓電效應(yīng)。超聲波傳 感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)里有兩塊壓電晶片和一塊共振板。給壓電片的兩電極加脈沖信號(hào)，即觸發(fā) 脈沖，當(dāng)其頻率等于晶片的固有頻率時(shí)，壓電晶片就會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)， 從而產(chǎn)生超聲波。相反，電極間未加電壓，則當(dāng)共振板接收到回波信號(hào)時(shí)，將壓迫兩壓 電晶片振動(dòng)，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，此時(shí)的傳感器就成了超聲波接收器。在超聲15波傳感器工作時(shí)為提高探頭發(fā)射超聲波的效率，常使晶片在共振狀態(tài)下使用，這會(huì)使振 動(dòng)不易停止，難以形成窄脈沖；因此常在晶片背面裝上一個(gè)吸收塊以增大晶片的振動(dòng)阻 尼，并吸收晶片背面發(fā)出的超聲波12絕緣柱2 -接線座3-導(dǎo)電螺桿4-接

48、線片5-晶片座圖2.1探頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖探頭一般由壓電晶片、鍥塊、阻尼塊、接頭等組成，如圖 2.1探頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖6-金屬殼7-壓電晶片8-保護(hù)膜9-接地10-靛在系統(tǒng)中，采用一個(gè)超聲波探頭作為發(fā)射和接收的器件。當(dāng)探頭發(fā)射超聲波時(shí)，探 頭中壓電晶片受-300V高頻電脈沖激勵(lì)后，產(chǎn)生振動(dòng)，發(fā)生逆壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)換成 聲能，探頭發(fā)射超聲波，當(dāng)探頭接收超聲波時(shí)，超聲波作用于晶片，晶片受迫振動(dòng)引起 形變發(fā)生正壓電效應(yīng)，將聲能轉(zhuǎn)換成電能，不難看出這種探頭在工作時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)電能和 聲能的相互轉(zhuǎn)換。超聲換能器的主要參數(shù)超聲換能器的主要參數(shù)有以下幾個(gè)：1、中心頻率：是指超聲波發(fā)射換能器的諧振頻率。2、靈敏度：接收換能器

49、靈敏度為施加0.1Pa聲壓時(shí)，所產(chǎn)生的電壓相對(duì)于1V/0.1Pa的分貝數(shù)；發(fā)射換能器靈敏度為施加1V電壓所產(chǎn)生的聲壓相對(duì) 于0.1Pa/1V的分貝數(shù)。3、帶寬：中心頻率處?kù)`敏度最高。當(dāng)離開(kāi)中心頻率，靈敏度下降，當(dāng)下降到 一定值（dB數(shù)）時(shí)，兩頻率之間隔為帶寬。4、發(fā)射角：發(fā)射超聲波具有一定的指向性。5、電容：壓電陶瓷片兩極間的等效電容。166、電阻：壓電陶瓷片兩極間的電阻值。另外，還有一些極限參數(shù)，如允許輸入電壓、溫度范圍、耐濕性等 13超聲波測(cè)距的理論分析超聲波液位測(cè)量法是70年代發(fā)展起來(lái)的一種新型液位測(cè)量方法，該方法利用了超 聲波在相同的介質(zhì)中傳播速度不變的原理。超聲波是機(jī)械波的一種，其最

50、明顯的一個(gè)特 征是方向性好，能夠定向傳播，當(dāng)碰到障礙物時(shí)能夠反射回來(lái)。超聲波測(cè)量方法有很多， 如脈沖回波法、共振法、頻差法以及聲衰減法等，其中應(yīng)用最廣泛的是超聲波脈沖回波 法。超聲波的測(cè)距原理是通過(guò)發(fā)射聲波傳感器由脈沖信號(hào)激勵(lì)發(fā)出超聲波，通過(guò)傳聲媒介傳到被測(cè)液面，形成反射波，反射波再通過(guò)傳聲介質(zhì)返回到接收傳感器，傳感器把聲 信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由儀表計(jì)算出超聲波從發(fā)射到接收所傳播的時(shí)間，再根據(jù)超聲波在 介質(zhì)中傳播的速度計(jì)算出來(lái)回的直線路徑的長(zhǎng)度，從而得到所測(cè)距離的長(zhǎng)度。如圖2.2超聲波夜位檢測(cè)儀示意圖所示。圖2.2超聲波夜位檢測(cè)儀示意圖該系統(tǒng)中是通過(guò)超聲波脈沖傳播的時(shí)間來(lái)確定液位，所以必須己知超

51、聲波在傳聲媒質(zhì)中聲速。然而，對(duì)于氣體介質(zhì)式和液體介質(zhì)式超聲波液位計(jì)，聲速會(huì)隨媒質(zhì)的組成、 溫度、壓強(qiáng)的變化而變化。因此，只有當(dāng)測(cè)試條件比較理想，媒質(zhì)的成分、溫度、壓強(qiáng) 等沒(méi)有很大變化，才可把傳聲媒質(zhì)的聲速近似看成不變，直接由測(cè)量的聲波傳播時(shí)間來(lái) 確定液位，否則就應(yīng)該對(duì)傳聲媒質(zhì)的聲速進(jìn)行校正14o在這個(gè)系統(tǒng)中，運(yùn)用的是超聲波往返時(shí)間檢測(cè)法進(jìn)行距離的測(cè)量的。即，檢測(cè)從超 聲波發(fā)射器發(fā)出超聲波的時(shí)候算起，通過(guò)介質(zhì)的傳播在反射回來(lái)的到接收器的時(shí)間，叫 往返時(shí)間。用往返時(shí)間與介質(zhì)中超聲波的速度相乘，就可以得到超聲波運(yùn)動(dòng)的距離，然17而實(shí)際的距離為所得到距離的一半，如果測(cè)量高度為h、超聲波在介質(zhì)里的傳播速

52、度為v,傳播時(shí)間為t,可以得到：1h=vt(2.7)2這個(gè)公式使用于自發(fā)自收單感應(yīng)器方式。探頭采用垂直的方式發(fā)射超聲波，然后再讓超 聲波原路返回到探頭。如果采用一發(fā)一收雙感應(yīng)器方式，那么探頭就不在采用垂直于介質(zhì)面發(fā)射的方式， 因此用上面的公式計(jì)算的出來(lái)就不在是真實(shí)高度，而是超聲波經(jīng)過(guò)的路程。這就需要加 入角口，口角為豎直方向與超聲波方向的夾角。如圖 2.3 a角示意圖，圖2.3a角示意圖因此，系統(tǒng)要把測(cè)得超聲波經(jīng)過(guò)的距離換算成真實(shí)的高度。 如果超聲波經(jīng)過(guò)的距離為L(zhǎng), 要測(cè)量的真實(shí)高度為h,那么超聲波經(jīng)過(guò)的距離與真實(shí)高度之間有這樣的關(guān)系：(2.8)h = L cos(二)這時(shí)h為要測(cè)量的真實(shí)高度

53、。在公式中，a為超聲波的入射角。如果實(shí)際情況無(wú)法測(cè)得 口角時(shí)，還可以通過(guò)測(cè)得兩個(gè)探頭之間的距離 m來(lái)得到需要測(cè)量的高度,(2.9)來(lái)計(jì)算。一般說(shuō)來(lái)，單探頭的自發(fā)自收工作方式是優(yōu)先考慮采用的。這是因?yàn)閱翁筋^方式中 液位計(jì)算公式比較簡(jiǎn)單，同時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)也簡(jiǎn)單，安裝、維修比較方便。但是，單發(fā)單收 的探頭檢測(cè)死區(qū)較大。為避免這一點(diǎn)，有時(shí)還需要采用雙探頭的設(shè)計(jì)。183超聲波液位探測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思想超聲波液位探測(cè)系統(tǒng)是根據(jù)“回波測(cè)距”的原理設(shè)計(jì)的。由超聲波的發(fā)射器發(fā)射超 聲波，當(dāng)超聲波遇到障礙物時(shí)反射回來(lái)，再由超聲波接收系統(tǒng)接收。測(cè)出從超聲波發(fā)射 該脈沖束至接收到回波信號(hào)的傳輸時(shí)間，即渡越時(shí)間

54、，由于超聲波在同一種介質(zhì)中的傳 輸速度是不變的（設(shè)所處的介質(zhì)的密度和溫度等相關(guān)因素不變的情況下）。那么由渡越時(shí)間和聲速，就可算出要測(cè)的距離15。根據(jù)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求，不光需要檢測(cè)部分，還需要加入運(yùn)算部分。要實(shí)現(xiàn) 對(duì)所測(cè)液位的自動(dòng)探測(cè)，和對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)的具體顯示功能。主要的設(shè)計(jì)部分的總體框架圖 如圖3.1所示，接收裝置圖3.1超聲波液位探測(cè)系統(tǒng)總體框架圖發(fā)射裝置超聲顯示電路超聲波儀液位探測(cè)系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成。硬件主要包括AT89C51單片機(jī)系統(tǒng)，超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、液位顯示電路等主要部分；軟件部分主要 包括顯示程序、中斷程序、主程序等。單片機(jī)的選擇微處理器的選擇需要考慮很

55、多因素，比如功能、價(jià)格、安全性能、個(gè)人喜好、硬件 設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單性和軟件支持等。對(duì)于本設(shè)計(jì)而言，有多種微處理器芯片可供選擇，如 51 單片機(jī)、PIC單片機(jī)、MSP430單片機(jī)等。相對(duì)于51單片機(jī)來(lái)講，PIC單片機(jī)具有抗干擾性能好、雙向驅(qū)動(dòng)電流大、功耗低19等優(yōu)點(diǎn)。然而51單片機(jī)的突出特點(diǎn)是價(jià)格低，編程資源豐富。MSP430單片機(jī)比PIC單片機(jī)具有更多的優(yōu)越性，但是價(jià)格要比 PIC單片機(jī)和51單片機(jī)都要高。本系統(tǒng)選用的單片機(jī)為 AT89c51。它是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含有4K bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器(PEROM) 和128 by

56、tes的隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技 術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令系統(tǒng)兼容，片內(nèi)置通用8位中央處理器(CPU)和FLASH 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大，AT89C51單片機(jī)可以提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合，可靈活應(yīng)用 于各種控制領(lǐng)域。這正是本設(shè)計(jì)選用 AT89c51的原因所在。AT89C51的引腳圖如圖3.2PDIPpi orP12C Pi JC P14C pi.sr PUC Pl 丁匚 RSTCEta內(nèi) irINTOTi P3J?C而畫PQ.ar“的mT1JP3.SC(WRI P36Ct而卜不了匚QNDC1 VCC JPOjOIADO J FW 1 1MJ1

57、2 23 J PO * JPO.5 4ADJ)3 P07 (ACT) ZIUVVPP ZlKlF：麗近 JPSLii R? J 01SJ 3P26(AM) JP2 5(An) 1P24(A12)J P22 (A10) JP2 1所示。圖3.2 AT89C51引腳圖AT89C51功能說(shuō)明1、主要性能參數(shù)(1)與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容4k字節(jié)可重擦寫Flash閃速存儲(chǔ)器1000次擦寫周期(4)全靜態(tài)操作：OHz-24MHz(5)三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器128X8字節(jié)內(nèi)部RAM2032個(gè)可編程I/0 口線2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器6個(gè)中斷源（10）可編程串行UART通道（11）低功耗空閑和掉電模式2

58、、引腳功能說(shuō)明Vcc：電源電壓GND:地P0口 ： P0口是一組8位漏極開(kāi)路型雙向I/0 口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出 口用時(shí)，每位能吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯門電路，對(duì)端口寫“ 1”可作為高阻抗 輸入端使用。在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問(wèn)期間激活內(nèi)部上拉電阻。在FlashSS?時(shí)，P0接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要 求外接上拉電阻。P1 : P1是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O 口，P1的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或 輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)端口寫“1”,通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電

59、平， 此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低 時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流（I山。Flash程和程序校驗(yàn)期間,P1接收低8位地址。P2: P2是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O 口，P2的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收 或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)端口寫“ 1”,通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電 平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào) 拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流（I應(yīng)。在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行MOVX DPTR指 令）時(shí)，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問(wèn)8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行MOVX RI

60、 指令）時(shí)，P2口線上的內(nèi)容（也即特殊功能寄存器（SFR ） 區(qū)中R2寄存器的內(nèi)容），在整個(gè)訪問(wèn)期間不改變。Flash程或校驗(yàn)時(shí),P2亦接收高位地址和其它控制信號(hào)。P3口 ： P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O 口。P3口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸21收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)P3口寫入“1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時(shí)，被外部拉低的 P3口將用上拉電阻輸出電流（I應(yīng)。P3口除了作為一般的I/0 口線外，更重要的用途是它的第二功能，如下表 3.1所示：表3.1 P3 口第二功能表端口引腳第二功能P3.0RXD （串行輸入口）P3.1TXD （串行輸出口