何 秋，孫志斌，耿寶明

（1.中國科學院國家空間科學中心北京100190；2.中國科學院大學 北京100049）

LHAASO-WCDA超聲波測距系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

何 秋1，2，孫志斌1，耿寶明1

（1.中國科學院國家空間科學中心北京100190；2.中國科學院大學 北京100049）

針對大型高海拔空氣簇射觀測站水基切倫科夫探測陣列測距系統(tǒng)，提出了一種基于超聲波測距技術的測距系統(tǒng)，并完成軟硬件設計。該系統(tǒng)的下位機以LVCN318和PLC為核心，主要完成數(shù)據(jù)的采集與處理，上位機部分基于OPC技術，實現(xiàn)上位機與PLC的通信以及數(shù)據(jù)的顯示與存儲。基于該系統(tǒng)分別進行了障礙物測距與液位測量實驗，實驗研究表明，液位測量與障礙物距離測量的誤差皆小于11mm，在LVCN318的誤差范圍內(nèi)，為水基切倫科夫探測陣列測距系統(tǒng)的設計與研制奠定了基礎。

超聲波；LVCN318；測距；測量誤差；OPC

大型高海拔空氣簇射觀測站 （Large High Altitude Air Shower Observatory，LHAASO）水基切倫科夫探測器陣列 （Water Cherenkov Detector Array，WCDA）被放置在4 m深的水池中，用于捕捉宇宙線次級粒子在水中產(chǎn)生的切倫科夫光[1]。為了保證WCDA的正常運行，需要對水介質(zhì)的衰減系數(shù)進行監(jiān)測，保證水衰減系數(shù)在20 m以上。水衰減系數(shù)的測量與水位存在著直接的關系[2]。WCDA測距系統(tǒng)主要實現(xiàn)對水池液位的測量，為探測器陣列可靠運行提供保障。

超聲波測距是一種非接觸式檢測技術，與激光測距和紅外線測距方法相比，適用范圍較廣，對環(huán)境不敏感，易于集成化或小型化，被廣泛應用于障礙物檢測、液位測量等領域[3]。近年來，國內(nèi)學者對超聲波測距技術做了一定研究。有學者將測距技術應用于測距避障：姜凌霄將測距技術應用到變電站安全距離監(jiān)控[4]；許景波等設計了一種基于超聲波測距的塔吊防碰撞探測器[5]；仲園等設計了一種倒車防撞預警器[6]。也有學者將液位測量應用于交通運輸、石油化工等領域：王志坤等設計了一種游艇內(nèi)部使用的液位檢測器，能精確檢測游艇上油量、飲用水及其污水的儲量[7]；洪堅等采用智能超聲波液位開關對油罐液位進行檢測[8]；董慧設計了一套高精度果蔬汁灌裝儲罐液位測量系統(tǒng)，有效提高灌裝效率和自動化程度[9]。文獻3～6和文獻6～9分別進行了障礙物測距和液位測量，與以往超聲波測距研究一樣，都是從單一角度進行測距實驗，較少將二者結合進行測距研究，應用范圍存在一定的局限性。

文中基于LHAASO-WCDA測距系統(tǒng)，采用超聲波液位傳感器與可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC），設計了一種超聲波測距系統(tǒng)，研究了障礙物測距與液位測量，結合二者實驗結果，從測量誤差的角度分析超聲波液位傳感器的測量精度，有助于WCDA測距系統(tǒng)的設計與研制。

1 測距的原理與特性

1.1 測距的原理

當聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時，介質(zhì)聲阻抗的差異會使聲波的傳播方向在介質(zhì)分界面上發(fā)生改變。如果兩種介質(zhì)的聲阻抗相差懸殊，聲波幾乎全部被反射[10]。超聲波測距常常采用渡越時間法進行檢測，文中采用發(fā)射和接收一體的超聲波傳感器。超聲傳感器向介質(zhì)中發(fā)出超聲波，在發(fā)射時刻開始計時，超聲波傳播至被測物，在被測物表面發(fā)生反射，反射波沿原路徑返回，傳感器接收到反射波立即停止計時。根據(jù)超聲波在介質(zhì)中的傳播速度與傳播時間，即可計算出被測物與探頭表面的距離，如圖1所示。

圖1 超聲波測距原理

已知超聲波在介質(zhì)中的傳播速度為v，傳感器記錄的時間為t，則探頭表面與障礙物間的距離d為

超聲波液位測量基于此原理，已知超聲波在空氣中的傳播速度為v，超聲波傳感器從發(fā)射到接收液面反射的回波的時間為t，超聲波傳感器探頭表面與容器底的距離為H，則液位h為

因此，利用超聲波液位傳感器進行障礙物距離測量，測得液位（h）與距離（d）的關系為

1.2 測距的特性

超聲波在傳播過程中，容易受到多種外界因素的影響，使超聲波的速度與方向發(fā)生變化。如下是影響超聲波測距性能的基本物理特性：

1）溫度

環(huán)境溫度的變化對超聲波的傳播速度有著重要的影響。聲速誤差與溫度的關系為

這就意味著溫度變化1℃，聲速變化約0.607m/s，當環(huán)境溫度在0～40℃之間變化時，聲速誤差達6.8%[11]。超聲波測距系統(tǒng)可以采用溫度補償模塊，解決波速隨溫度變化的問題。

2）頻率

超聲波的頻率會影響波束的寬度，波束寬度決定了超聲波指向性的強弱。超聲波頻率越高，輻射面積越大，波束寬度越小，指向性越強；超聲波頻率越低，輻射面積越小，波束寬度越大，指向性越差[12]。

同時超聲波的頻率與測距的量程和精度有關。在聲波傳播過程中，會發(fā)生衰減，如擴散衰減、散射衰減和吸收衰減[13]。超聲波的衰減與其頻率有關，頻率越高，衰減越強，因此想要測量較遠的距離，聲波的頻率不能太高。另外，超聲波的頻率也不能太低，否則波長太長，誤差較大。因此，在測距中根據(jù)量程和精度要求，選擇合適的超聲波頻率尤其重要，同時可以采用硬件電路根據(jù)測量距離放大回波信號，保持回波幅值的恒定。

2 測距系統(tǒng)設計

2.1 總體設計

超聲波測距傳感器采用OMEGA公司生產(chǎn)的用于液位測量的多功能非接觸式液位傳感器LVCN318。LVCN318自動溫度補償，測量范圍可調(diào)，波束寬度為7.6cm，精度為±11mm，對兩大測距特性已做出了較為完善的處理，非常適合腐蝕性、粘性或臟污液體的液位測量。該系統(tǒng)采用PLC作為信號采集處理以及與上位機通信的核心部件，在高海拔低溫的環(huán)境中適應性強、穩(wěn)定性高。上位機選擇普通的計算機或者工控機，用于測距監(jiān)控。

2.2 硬件設計

圖2為超聲波測距系統(tǒng)硬件組成，LVCN318發(fā)射和接收反射的超聲波信號，將其轉化為4～20 mA的液位信號，并傳輸至 PLC模擬量輸入模塊（SM331）。SM331主要由A/D轉換部件、模擬切換開關、補償電路、光電耦合等部件組成，將傳感器送入的電流信號轉換為PLC內(nèi)部處理用的數(shù)字信號，經(jīng)CPU多次處理得到的距離（液位）信號通過以太網(wǎng)通信（CP343-1）模塊，被傳輸至工控計算機，由工控機進行顯示和存儲。

圖2 超聲波測距系統(tǒng)硬件組成

該系統(tǒng)采用OPC（OLE for Process Control）技術解決工控機與 PLC的通信問題。OPC是基于Microsoft的OLE/COM和DCOM技術的一套技術規(guī)范和工業(yè)標準，它能為服務器和客戶的鏈接提供統(tǒng)一的接口規(guī)范[14]。OPC服務器以西門子提供的通信軟件SIMATIC NET為基礎，先在PC機上建立OPC Sever，通過以太網(wǎng)，OPC Server中的數(shù)據(jù)可以與PLC中的數(shù)據(jù)建立映射關系。OPC Client不能直接訪問OPC Server內(nèi)核，但可以通過COM接口實現(xiàn)，如圖2所示。

2.3 軟件設計

該系統(tǒng)的軟件組成主要包括PLC控制軟件和監(jiān)控軟件。PLC控制軟件采集超聲波液位傳感器送入的4～20 mA液位信號，將電流信號轉換成實際液位值或距離值，處理過程中的數(shù)據(jù)會被存儲到過程映像區(qū)或位存儲區(qū)。

監(jiān)控軟件即OPC Client基于Visual Studio 2010開發(fā)平臺，主要完成數(shù)據(jù)的獲取、顯示與存儲，控制流程如圖5所示。OPC Server主要由服務器對象、組對象和項對象組成，服務器對象作為組對象的容器，包含服務器的所有信息；組對象不僅包含自身信息，還負責管理OPC項；項是OPC服務器內(nèi)部保存OPC客戶所需標簽的一種對象，OPC項不是實際的物理數(shù)據(jù)源，而是對物理數(shù)據(jù)源的一個邏輯連接，即OPC服務器中每一個項都對應PLC中的一個地址[15]。由于項對象沒有提供外部接口，客戶端程序無法直接對數(shù)據(jù)項進行操作，只能通過組對象來操作項對象。本系統(tǒng)采用訂閱的方式對數(shù)據(jù)進行訪問，服務器會周期性地掃描數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)生一定幅度的變化，就通知客戶端并發(fā)送數(shù)據(jù)[16]。

圖3 監(jiān)控軟件流程圖

3 測距結果與分析

障礙物測距實驗將紙質(zhì)擋板作為障礙物，通過電動平移臺對擋板進行移動，平移臺的單步分辨率可達0.001 25 mm，由于發(fā)射脈沖余振干擾回波信號的檢測，該傳感器存在約200 mm的盲區(qū)。避開盲區(qū)，從200 mm處開始，每次移動10 mm，在每一個位置連續(xù)測量20次，求其平均值，作為測量值。

圖4 障礙物測距實驗結果

室溫下，障礙物測距實驗結果如圖4所示，距離在200～700 mm范圍內(nèi)，測量距離與實際距離呈線性關系，近似為

因此系統(tǒng)誤差為常量。對系統(tǒng)誤差進行修正，即減去9 mm后，測量誤差為±10 mm，平均測量誤差為-0.7 mm。

液位測量實驗在滿足傳感器安裝要求的情況下，逐次向容器中加水，在每一個液位手動測量液位作為實際值，LVCN318連續(xù)測量20次的平均值作為測量值。結果如圖5所示，液位在30～300 mm范圍內(nèi)，實際液位與測量液位呈線性關系。修正系統(tǒng)誤差后，液位測量誤差小于10 mm，平均誤差為0.7 mm。

圖5 液位測量實驗結果

上述結果表明，障礙物距離測量與液位測量誤差范圍相同，皆在傳感器的測量精度范圍內(nèi)。外界環(huán)境是主要的誤差來源，可能產(chǎn)生誤差的原因如下：

1）障礙物測量

周圍物體反射的回波，會影響測量結果。超聲波傳感器發(fā)射的聲波是發(fā)散的，發(fā)散的聲波可能會先被平移臺面（實驗臺面或墻體）反射，再被擋板反射，最后被傳感器接收，這樣就增大了傳播距離，使測量結果偏大。

2）液位測量

進行液位測量時，部分超聲波會進入水中，被容器底部反射，這樣的回波會使測量結果偏小。實際液位的測量的手動測量也存在較大誤差。

另外，LVCN318輸出的是4～20 mA的液位信號，對應PLC十進制的范圍為0～27 648，對應液位0～h。在PLC內(nèi)部進行量化計算的時候，四舍五入也會造成一定的誤差。

4 結束語

采用超聲波液位傳感器LVCN318，結合PLC搭建了超聲波測距系統(tǒng)，實現(xiàn)了距離信號的采集處理以及顯示存儲。在200～700 mm范圍內(nèi)障礙物測距實驗的測量誤差為±10 mm，在30～300 mm范圍內(nèi)液位測量實驗的測量誤差小于11 mm，皆在LVCN318誤差允許范圍內(nèi)。測距結果表明當被測物體是固態(tài)或液態(tài)時，LVCN318都能適用。誤差分析結果說明周圍物體，即傳感器的安裝會影響測距的準確性。該系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)為WCDA測距系統(tǒng)的研制奠定了基礎，后期其研制可以此為依據(jù)，優(yōu)化監(jiān)控方案，完善設備選型，改良安裝環(huán)境。

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Design and realization of LHAASO-WCDA's ultrasonic distance measuring system

HE Qiu1，2，SUN Zhi-bin1，GENG Bao-ming1
（1.National Space Science Center，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

The ultrasonic distance measuring system used to the Water Cherenkov Detector Array in Large High Altitude Air Shower Observatory project is designed in this paper.Slave computer of the ultrasonic distance system based on LVCN318 and PLC achieves the acquisition and processing of data. Upper computer based on OPC achieves the communication between upper computer and PLC，displays and stores data.The measurement of obstacle distance and level using this ranging system shows that measuring errors of objects are less than 11mm and within the measuring error of LVCN318，which is helpful for the design and development of Water Cherenkov Detector Array's ranging system.

ultrasonic；LVCN318；distance measurement；measuring error；OPC

TN830.1

：A

：1674-6236（2017）08-0006-04

2016-07-06稿件編號：201607050

國家自然科學基金面上項目（61274024；11375224）

何 秋（1991—），女，四川綿陽人，碩士研究生。研究方向：智能檢測與控制技術。