羅文汐 趙家敏 廖海伶 周玲芳 張濤

摘要：為了實現(xiàn)高精度且適用于不同介質(zhì)的超聲波測速儀，該設(shè)計采用防水型超聲波探頭，以及NTC熱敏電阻搭建電橋?qū)崟r采集電壓值換算成溫度的方式進行溫度補償來減小誤差。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，通過實驗證明了設(shè)計的有效性。

關(guān)鍵詞：超聲波;測速測距;高精度;溫度補償

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：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，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。在本設(shè)計中我們實現(xiàn)了在1.7米水管中不同介質(zhì)不同溫度情況下時的速度測量，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)計中采用了溫度補償、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

1.1測量原理

設(shè)計采用40KHZ方波作為發(fā)射信號，利用超聲波的反射性質(zhì)將接收到的信號反饋給單片機。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)的實際速度。

1.2系統(tǒng)框圖

本設(shè)計以STC8A8K64S4A12單片機為控制芯片，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經(jīng)AD轉(zhuǎn)換反饋給單片機后，定時器停止計時得到t。為了減小溫度帶來的誤差，設(shè)計采用NTC熱敏電阻搭建電橋的方案，并利用

本設(shè)計R2與R1分別采用5KQ和500Ω的滑動變阻器，滑動R2、R1即可得到q=1/2，即輸出信號的正負向脈沖寬度相等的矩形波。

驅(qū)動放大模塊采用變壓器驅(qū)動發(fā)射電路，通過控制NE555芯片間斷輸出信號至三極管9013并用三極管升壓，用1：7的變壓器將信號電壓放大，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采用LM358芯片構(gòu)成放大器，后級由LM311比較器對信號進行調(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)計如圖3。

2.3溫度傳感模塊

為獲得更高的精度，本設(shè)計采用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，單片機觸發(fā)NE555芯片發(fā)射40KHZ方波，同時進行溫度采集。為了防止回波的影響，延時后不斷地檢測LM358的輸出電平是否為高電平，若否，則繼續(xù)進行溫度采集;若是，則關(guān)閉定時器。利用時間讀取模塊換算出時間，接著進行介質(zhì)判斷，得到此時所測介質(zhì)，結(jié)合實際所得的公式（13），（14）兩式換算出當(dāng)前溫度下的速度，最后把數(shù)據(jù)實時顯示出來。

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（UT325）。

測試方案如下：

（1）通過示波器顯示的傳播時間與理論時間的差值，調(diào)試好硬件電路;

（2）通過比對示波器上顯示的傳播時間與單片機所示時間的差值，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，得到精確的實時溫度;

（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，將起振時間與溫度的關(guān)系式、溫度與速度的關(guān)系式代入程序計算不同介質(zhì)時相對應(yīng)的20℃時的速度值，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

實測結(jié)果表明，本設(shè)計的超聲波介質(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，擬合的曲線會越好，誤差將會更小甚至趨于0。本超聲波介質(zhì)傳輸速度測試儀試驗運行良好，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。