羅文汐 趙家敏 廖海伶 周玲芳 張濤
摘要:為了實(shí)現(xiàn)高精度且適用于不同介質(zhì)的超聲波測速儀,該設(shè)計(jì)采用防水型超聲波探頭,以及NTC熱敏電阻搭建電橋?qū)崟r(shí)采集電壓值換算成溫度的方式進(jìn)行溫度補(bǔ)償來減小誤差。系統(tǒng)包括發(fā)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(zhǔn)溫度上的誤差,并通過數(shù)學(xué)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(shí)驗(yàn)證明了設(shè)計(jì)的有效性。
關(guān)鍵詞:超聲波;測速測距;高精度;溫度補(bǔ)償
中圖分類號(hào):TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):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(qiáng),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(yuǎn)。在本設(shè)計(jì)中我們實(shí)現(xiàn)了在1.7米水管中不同介質(zhì)不同溫度情況下時(shí)的速度測量,并使其測量誤差在0.1%以內(nèi);因超聲波傳播受溫度影響比較大,故在本設(shè)計(jì)中采用了溫度補(bǔ)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(shè)計(jì)主要可以應(yīng)用于不同介質(zhì)條件下的管道測量。
1系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.1測量原理
設(shè)計(jì)采用40KHZ方波作為發(fā)射信號(hào),利用超聲波的反射性質(zhì)將接收到的信號(hào)反饋給單片機(jī)。根據(jù)超聲波在不同介質(zhì)中傳播速度與溫度的關(guān)系計(jì)算出不同溫度下的理論速度,從而校準(zhǔn)管長,再利用公式V=sT求出不同溫度下對應(yīng)的實(shí)際速度。
1.2系統(tǒng)框圖
本設(shè)計(jì)以STC8A8K64S4A12單片機(jī)為控制芯片,主要包括溫度采集模塊、按鍵模塊、發(fā)射模塊、信號(hào)接收調(diào)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(hào)經(jīng)AD轉(zhuǎn)換反饋給單片機(jī)后,定時(shí)器停止計(jì)時(shí)得到t。為了減小溫度帶來的誤差,設(shè)計(jì)采用NTC熱敏電阻搭建電橋的方案,并利用
本設(shè)計(jì)R2與R1分別采用5KQ和500Ω的滑動(dòng)變阻器,滑動(dòng)R2、R1即可得到q=1/2,即輸出信號(hào)的正負(fù)向脈沖寬度相等的矩形波。
驅(qū)動(dòng)放大模塊采用變壓器驅(qū)動(dòng)發(fā)射電路,通過控制NE555芯片間斷輸出信號(hào)至三極管9013并用三極管升壓,用1:7的變壓器將信號(hào)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(jí)采用LM358芯片構(gòu)成放大器,后級(jí)由LM311比較器對信號(hào)進(jìn)行調(diào)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(dǎo)通,接收電路設(shè)計(jì)如圖3。
2.3溫度傳感模塊
為獲得更高的精度,本設(shè)計(jì)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(dòng),單片機(jī)觸發(fā)NE555芯片發(fā)射40KHZ方波,同時(shí)進(jìn)行溫度采集。為了防止回波的影響,延時(shí)后不斷地檢測LM358的輸出電平是否為高電平,若否,則繼續(xù)進(jìn)行溫度采集;若是,則關(guān)閉定時(shí)器。利用時(shí)間讀取模塊換算出時(shí)間,接著進(jìn)行介質(zhì)判斷,得到此時(shí)所測介質(zhì),結(jié)合實(shí)際所得的公式(13),(14)兩式換算出當(dāng)前溫度下的速度,最后把數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示出來。
4系統(tǒng)測試結(jié)果與分析
儀器準(zhǔn)備:數(shù)字示波器(D$4054),五位半數(shù)字萬用表(DM3058E),熱電偶溫度計(jì)(UT325)。
測試方案如下:
(1)通過示波器顯示的傳播時(shí)間與理論時(shí)間的差值,調(diào)試好硬件電路;
(2)通過比對示波器上顯示的傳播時(shí)間與單片機(jī)所示時(shí)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(shù)關(guān)系式,得到精確的實(shí)時(shí)溫度;
(4)分別測量空氣中和水中的超聲波傳輸速度,測試結(jié)果如表1,表2所示。記錄多組溫度與時(shí)間、速度的值。
(5)通過擬合函數(shù)關(guān)系式得到準(zhǔn)確的管長,將起振時(shí)間與溫度的關(guān)系式、溫度與速度的關(guān)系式代入程序計(jì)算不同介質(zhì)時(shí)相對應(yīng)的20℃時(shí)的速度值,以此來檢測精度。
分別測得介質(zhì)為空氣和水狀態(tài)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(shí)測速度轉(zhuǎn)換為20℃下的速度誤差均在0.1%以內(nèi),滿足設(shè)計(jì)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(fā)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(jié)束語
實(shí)測結(jié)果表明,本設(shè)計(jì)的超聲波介質(zhì)傳輸測試儀在不同介質(zhì)皆滿足誤差在0.1%以內(nèi)。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(guān)聯(lián)。在理想情況下,若采集的數(shù)據(jù)庫足夠充足,擬合的曲線會(huì)越好,誤差將會(huì)更小甚至趨于0。本超聲波介質(zhì)傳輸速度測試儀試驗(yàn)運(yùn)行良好,性能優(yōu)良、成本低、能有效改善測量技術(shù),適合于精密度測量、液面測量等。