魏立峰，牟 舫，王慶輝

(沈陽化工大學(xué)信息工程學(xué)院，遼寧沈陽 110142)

0 引言

超聲波測量法廣泛應(yīng)用于超聲波流量計或超聲波氣體濃度傳感器中。超聲波氣體流量計因為其具有計算精度高、穩(wěn)定性好、應(yīng)用范圍廣等許多優(yōu)點，在工業(yè)上或醫(yī)學(xué)上獲得越來越廣泛的應(yīng)用[1]。超聲波氣體濃度傳感器因為其具有抗干擾、測量準(zhǔn)確、性價比高等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)實踐的不同方面，例如燃燒效率控制，工業(yè)控制，食品行業(yè)，醫(yī)療器械，汽車電子等[2]。

然而，目前國內(nèi)外的超聲波流量計和超聲波氣體濃度傳感器都是一種單一的測量儀器，僅僅能夠單獨測量氣體流量或濃度，其中一些傳感器是采用電鍍或陶瓷材料制成的，所以需要頻繁的校準(zhǔn)、產(chǎn)品壽命短、反應(yīng)時間長、能量消耗大[3]。一些是利用熱敏電阻測量溫度變化，導(dǎo)致測量誤差大[4]。還有一些是超聲波的管柱小，只允許少量氣體進入，低速下無法測量[5]。文中提出一種新型的超聲波氣體檢測系統(tǒng)，采用溫度補償、回波信號處理、誤差分析等技術(shù)，提高了測量精度，與傳統(tǒng)的檢測系統(tǒng)相比，該復(fù)合檢測系統(tǒng)可以同時監(jiān)測氧氣的濃度和流量，能夠滿足制氧機行業(yè)應(yīng)用的檢測需要，具有較低的成本和較高的準(zhǔn)確性，并且高效節(jié)能、校準(zhǔn)簡單。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

檢測系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。該檢測系統(tǒng)由超聲波換能器、電子線路和計算系統(tǒng)組成。超聲波換能器能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換成超聲波能量，通過發(fā)射超聲波使其穿過被測氣體，并由接收換能器接收超聲波信號，經(jīng)電子線路放大并轉(zhuǎn)換成所代表的流量和濃度的電信號，通過計算得到氣體流量與濃度。該設(shè)計利用相同距離超聲波在氣體中順流、逆流傳播時間的差異與被測氣體的流速和濃度有關(guān)，根據(jù)測出的時間差異計算氣體的流量和濃度。

圖1 檢測系統(tǒng)原理框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

設(shè)計的硬件部分主要由微處理器電路、信號調(diào)整電路、開關(guān)轉(zhuǎn)換電路、溫度補償電路、液晶顯示電路等部分組成。

2．1超聲波發(fā)生器

超聲波的發(fā)射與接收需要一種電—聲之間的能量轉(zhuǎn)換裝置，即換能器。超聲換能器(超聲傳感器)，是超聲波檢測系統(tǒng)的重要組成部分。換能器處在發(fā)射狀態(tài)時，將依次實現(xiàn)電能—機械能—聲能的轉(zhuǎn)化。反之，則依次完成聲能—機械能—電能的轉(zhuǎn)化。為了研究和應(yīng)用超聲波，發(fā)明并制成了許多類型的超聲波發(fā)生器，目前使用較多的是壓電式超聲波發(fā)生器[6]。該設(shè)計采用的就是壓電式超聲波發(fā)生器。

檢測系統(tǒng)流程圖如圖2所示，超聲波發(fā)生器被激發(fā)后發(fā)出的超聲波經(jīng)過放大濾波整形等數(shù)字信號處理后傳播到對面的第二換能器，第二換能器檢測到入射波，此時改變角色，第一換能器作為接收器接收波形。

圖2 檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2．2系統(tǒng)硬件電路

該復(fù)合檢測系統(tǒng)采用的信號調(diào)整電路如圖3(a)所示，為了提高采集的微弱信號和降低輸出阻抗，采用了先放大后比較的方式，其中AD623對信號進行放大，LM393比較器實現(xiàn)對信號的比較輸出。

放大電路的各個關(guān)系如式(1)所示：

(1)

式中RF=R7=4.7 kΩ；Rf=R9=3 kΩ。整理得到：

Uo=2.5Ui

(2)

這樣通過放大電路將采集的信號放大2.5倍，即將電壓為0～2 V的波形放大為電壓為0～5 V的波形。采用諧振電路，減小了采樣信號的波動幅度，提高了采樣的準(zhǔn)確度。

2．3開關(guān)轉(zhuǎn)換電路

該部分的作用是完成2個超聲波探頭發(fā)射、接收電路的切換。如圖3(b)所示，采用了三通道模擬開關(guān)(74HC4053)，根據(jù)不同的需要設(shè)置選擇不同的通道。此模擬開關(guān)帶有一個使能輸入E，2個獨立的輸入輸出(nY0，nY1)，1個共同的輸入輸出(nZ)和3個數(shù)字選擇輸入(SN)。當(dāng)E為低電平時，開關(guān)處于低阻狀態(tài)，將通道由S1切換到S3；當(dāng)E為高電平時，所有開關(guān)處于高阻狀態(tài)。模擬開關(guān)的頻率高達1 000 Hz，對信號的影響比較小。

(a)信號放大電路

(b)切換控制電路

3 算法設(shè)計

超聲波傳播時間計算。在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內(nèi)部的定時器T0，利用計數(shù)器T1記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當(dāng)收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負(fù)跳變，使得INT0或INT1端產(chǎn)生一個中斷請求信號，單片機響應(yīng)外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時間差，并利用式(3)、式(4)計算濃度和流量。計算系統(tǒng)框圖如圖4所示，校準(zhǔn)過程中，微處理器將已知的氣體濃度定為零流量，在EEPROM中計算并存儲氣體濃度偏移量和零流量偏移量[7]。在正常操作期間，微處理器讀取存儲在EEPROM中的偏移信息和溫度補償信息，然后使用該信息來計算補償后的氣體流量和濃度。

圖4 計算系統(tǒng)框圖

微處理器計算氧氣濃度公式：

P=C1T+C2O1+C3(TFB)

(3)

計算氧氣流量的公式：

Q=ABS(C4(TF-TB))+C5O2

(4)

式中：C1，C2，C3，C4，C5為超聲組建的常數(shù)；T為氣體的溫度；TFB為通過傳感器腔的往返時間；TF為在2個傳感器之間向前的方向傳輸時間；TB為在2個傳感器之間反方向傳輸時間；O1、O2為確定校準(zhǔn)值偏移量。

超聲波是一種聲波，它的傳播速度與氣體密度有關(guān)，密度越大，傳播的速度越快，氣體的密度又與溫度有關(guān)，所以溫度變化影響聲速變化。由于氧氣濃度受密度的影響，所以超聲波發(fā)生器中的氧濃度受溫度的直接影響[8]。如式(6)所示，當(dāng)溫度為0 ℃時，超聲波在氧氣中的傳播速度為v=316 m/s；當(dāng)溫度為27時，v=332 m/s；當(dāng)溫度為37℃時，v=338 m/s；聲速變化6 m/s，若在37 ℃時以27 ℃時的聲波測量，就使氧氣濃度誤差很大，所以要實現(xiàn)高精度的測量，必須進行溫度補償。

由溫度補償公式：

(5)

由泰勒公式展開近似計算公式：

v=316+0.6067T-0.000 5T2

得出

v=316+0.607×T(℃)

(6)

v=C3(TFB)+C

(7)

式中：v為聲波傳播速度；C為常數(shù)；v與TFB呈線性關(guān)系。

硬件電路如圖5所示，由于電路設(shè)計比較簡單，所以需要可靠的軟件設(shè)計來支持。軟件設(shè)計包括兩部分：溫度值的測定和結(jié)果的修正。單片機讀取DS18B20 所測得的溫度，根據(jù)此溫度修正聲速，計算得到氧濃度值。對此數(shù)值進行濾波處理，每8次數(shù)據(jù)排序，去掉最大和最小值，取中間6個數(shù)據(jù)求平均值，和溫度數(shù)值一起送給CPU，根據(jù)往返時間計算結(jié)果并顯示[9]。

圖5 DS18B20溫度補償硬件電路圖

4 超聲波氧濃度傳感器軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件程序主要是采用C語言進行編寫，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，軟件主要由主程序和中斷服務(wù)子程序兩部分組成。如圖(6)所示，主程序完成初始化、超聲波波形的發(fā)射和接收。初始化程序主要包括：時鐘模塊初始化，模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC初始化，串口初始化，I/O端口初始化等。定時中斷服務(wù)子程序主要完成兩方向超聲波的輪流發(fā)射，而外部中斷服務(wù)子程序主要完成時間值的讀取、流量和濃度的計算、結(jié)果的輸出等工作。

圖6 軟件設(shè)計流程圖

5 結(jié)果驗證

采用精度高達2%的氣流分析儀Certifier FA Plus進行標(biāo)定，通過Certifier FA Plus氣流分析儀記錄實際的氧氣濃度和流量，將計算值與測量的實際值進行比較，計算出誤差。驗證結(jié)果如表1、表2所示。

為了保證傳感器的準(zhǔn)確度，需要進行定期維護與校驗，通常采用高精度的超聲波氣體傳感器進行直接對比，利用所測數(shù)據(jù)計算相對誤差，修正系數(shù)，溫度補償后使測量誤差減小到最低，由表1和表2可知該設(shè)計的氧氣濃度誤差在2%之內(nèi)，氧氣流量誤差在5%之內(nèi)，滿足制氧機的測量要求。

表1 氧氣濃度驗證表(補償后) %

表2 氧氣流量驗證表

6 結(jié)束語

該超聲波復(fù)合檢測系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：該系統(tǒng)將測試環(huán)境發(fā)生裝置、檢測、數(shù)據(jù)采集、分析、顯示集于一體，減少了人工測量誤差，提高工效，降低成本，完全滿足科研或生產(chǎn)對氣體傳感器測試的要求。該設(shè)計利用溫度傳感器進行溫度補償，提高了測量精度，具有很大的優(yōu)越性。

參考文獻：

[1]陳倫瓊．氧氣濃度檢測儀在高壓開關(guān)站中的應(yīng)用，2012(12)：61-66．

[2]李文峰，褚偉．基于網(wǎng)絡(luò)平臺的礦用便攜式氧氣濃度監(jiān)測儀．西安科技大學(xué)，2009(4)：55．

[3]DIRMAN，HANAFI，YOUSEF，et al．Wall Follower Autonomous Robot Development Applying Fuzzy Incremental Controller．Intelligent Control and Automation，2013，4(1)：19-20．

[4]CHRISTOPHE，DELEBARRE，THOMAS，et al．Power Harvesting Capabilities of SHM Ultrasonic Sensors．Smart Materials Research，2012，2012：1-3．

[5]王鴻建，唐茂峰，汪學(xué)明，等．超聲波氣體流量計的研制．工礦自動化，2012(5)：63-65．

[6]陳勇，孟凡偉，郭虎成．基于超聲波傳感器新技術(shù)的應(yīng)用．電子設(shè)計工程，2012(20)：65-70．

[7]Michael Stern，2505 Oakrill Rd．Marietta，Ga．ULTRASONIC BINARY GAS MEASURING DEVICE[P]．Foreign Patent：5627323，May 6，1977．

[8]GREGORY A MICHALES，SEVEN Hills，HOMAYOUN Birangi，et al．GAS CONCENTRATIONSENSOR AND CONTROL FOR OXYGEN CONCENTRATOR UTILIZING GAS CONCENTRATION SENSOR[P]．Foreign Patent：5917135，Jun．29，1999．

[9]龐曉峰，梁吉坤．醫(yī)用制氧機控制程序開發(fā)及氧氣濃度檢測：[學(xué)位論文]．西安：電子科技大學(xué)，2007：32-38．