一種改進的高精度超聲波液位測量方法的研究

田文成，周西峰，郭前崗

(南京郵電大學 自動化學院，江蘇 南京 210023)

一種改進的高精度超聲波液位測量方法的研究

田文成，周西峰，郭前崗

(南京郵電大學 自動化學院，江蘇 南京 210023)

超聲波測距具有一系列優點，但影響測量精度的因素有很多，因此難以達到較高的精度。在超聲波測距原理基礎上，針對單超聲波換能器溫度或溫、濕度補償方案單一，不能在多變、惡劣環境下實現高精度測距的缺陷，以及雙超聲波換能器標準擋板補償方案成本高，不能廣泛應用在各個領域中的缺陷，設計了借助舵機控制超聲波換能器方向的單超聲波換能器標準擋板補償方案。并針對無法精確捕捉第一個回波前沿的要求，提出了使用可編程增益放大器捕獲不同距離返回的回波前沿。實驗結果表明，在7 m范圍內，以空氣作為傳播介質，反射面為水等具有良好發射性能物質時，測量誤差控制在0.4%內，該改進方法能夠在惡劣多變環境下實現低成本的高精度測距。

標準擋板; 可變增益; 高精度; 低成本

0 引言

目前，液位測量的方法有很多，如浮子式液位測量、投入壓助式液位測量、微波雷達液位測量、紅外液位測量、激光液位測量和超聲波液位測量。其中，以接觸式測量為代表的壓力式傳感器在多泥沙等場景中使用會受到污染，繼而產生較大誤差[1]。而對于非接觸式測距系統，微波雷達液位測量的實現技術難度大、成本高；紅外液位測量成本低、易于實現，但方向性差、精度低；而超聲波液位測量既可以做到不接觸液面，避免了液體污染和腐蝕對測量設備的影響，且不受光線、煙霧、電磁干擾，具有分辨率較高、系統結構簡單、安裝方便、成本低等優勢[2]。

超聲波測距方法主要有相位檢測法、聲波幅值檢測法和渡越時間檢測法。相位檢測法雖然精度高，但測量范圍有限，因而應用較少；聲波幅值檢測法精度低、易受反射波影響；而渡越時間法介于前兩種方法之間，精度較高、測量范圍較廣，被廣泛使用[3-4]。

在實際應用中，測距系統的設計對測距精度影響很大，因此分析超聲波測距的工作原理和流程，改進測距的方式和方法，提高超聲波測距精度的研究越發引起重視。根據測距系統應用具體環境的不同，提高精度的方法也略有差異。本文圍繞減小外界環境的影響、超聲波頻率的選擇等方面進行分析，結合具體系統的實現，提高了超聲波液位測量精度。

1 超聲波測距原理

用于距離測量的超聲波，通常是由壓電陶瓷的壓電效應產生，這種壓電陶瓷傳感器有兩個壓電晶片和一個共振板，當兩級外加脈沖信號的頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將發生共振，并帶動共振板振動，從而產生超聲波；當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片產生振動，將機械能轉換成電信號[5-6]。

圖1 超聲波測距原理圖

超聲波測距原理如圖1所示。利用已知超聲波在空氣中的傳播速度v，超聲波換能器垂直向液面發射超聲波，聲波在水面與氣體的分界面發生反射，并回傳至超聲波換能器，記錄傳播時間t，即從發射超聲波信號到接收到超聲回波信號所經歷的時間，可得換能器到液面之間的距離L=0.5vt[7-8]，繼而得出實際的液面高度為：

S=H-L=H-0.5vt

(1)

2 影響測量因素及解決辦法

根據式(1)可知，影響超聲波測距精度的主要因素是超聲波傳播速度和超聲波傳播時間。此外還有影響測量范圍和精度的超聲波頻率。這里，不研究討論傳播時間，只對其他兩個方面產生的誤差進行研究分析，并提出合理的解決辦法。

2.1 超聲波傳播速度

大多文獻提出使用溫度校正方法對聲速進行補償，其傳播速度公式為v=331.5+0.607T，其中，T為溫度(℃)。而后，文獻[9]提出了溫度、濕度雙補償方法，其傳播速度公式為：

(2)

其中，pw為水蒸氣的分壓強，p為大氣壓強，T0為絕對溫度，t為測量的空氣溫度，v為經補償后的超聲波波速。筆者認為實際空氣并不是完全干燥的，對空氣平均摩爾質量和比熱比值進行修正，該方法雖然比文獻[10]多考慮了濕度對聲速的影響，但實際環境條件下，傳播速度還與傳播介質、風速、壓強等因素有關，因此測量結果仍存在較大誤差。

圖3 雙超聲波換能器安裝位置圖

基于環境對傳播速度的影響，有文獻提出標桿測量方法，其原理是采用雙通道的方法，一個通道用于測量超聲波傳播速度，在超聲波換能器前安置一個已知距離的標準擋板，通過測量超聲波到達該擋板的時間差以計算超聲波在該環境下的傳播速度；另一通道仍按正常測量方法測量距離。于是，文獻[11]提出如圖2所示的標準擋板安裝方式，該方法可以實現較高精度測量，且適應各種復雜環境，但對于標準擋板的安裝有嚴格的要求，因此相應計算比較繁雜，且實際環境的不確定性可能導致超聲波到達擋板的過程中經多次反射產生無用超聲波，影響測量精度。于是，文獻[12]提出采用雙超聲波換能器，如圖3所示。一個用于測量傳播速度，一個用于測量傳播時間，互不影響。雖然該方法減小了計算復雜度，且消除了無用超聲波，提高了測量精度，但兩個換能器的成本比較大，不利于普及。

圖4 改進的超聲波換能器安裝及測距示意圖

基于上述研究分析，本文提出采用舵機控制單超聲波換能器方向的方法，不僅將影響傳播速度的影響因素考慮在內，還降低成本，利于在各個領域中普及。如圖4所示，標準擋板垂直放置，且與超聲波換能器置于同一水平線上，兩者之間距離固定，且大于超聲波換能器盲區的距離；由舵機控制超聲波換能器的方向，單片機發送指令使舵機控制換能器垂直面向液面，并發送超聲波測得傳播時間，繼而控制換能器轉動90°，垂直面向標準擋板，并發送超聲波測得傳播速度。

2.2 超聲波頻率

超聲波在空氣中傳播的波動方程為：

(3)

其中，A為超聲波換能器接收的振幅，A0為超聲波換能器發射的初始振幅，x為超聲波的傳播距離，ω為超聲波的角頻率，t為超聲波的傳播時間，λ為超聲波波長，α為超聲波的衰減系數，其公式為α=bf2，其中，b為介質常數，f為超聲波頻率。

根據式(3)可知，超聲波在空氣中的傳播距離達到0.5α時，超聲波的振幅衰減為原來的1/e。超聲波頻率越高，衰減越嚴重，可檢測的距離范圍越小，但發射的超聲波擴散角越小，波束越細，指向性越好。

文獻[13]提出使用雙比較器整形以確定回波前沿的方法，但由于實際測量環境的不確定性，設置的兩個比較器閾值可能都太小或太大，導致測量精度降低。基于此，本文提出使用可編程增益放大器PGA112，通過多次的增益校正提高捕獲第一回波前沿的精度。

3 軟件設計

3.1 程序設計思想及相關注意點

為實現高精度液位測量，該軟件要完成的工作：(1)產生40 kHz超聲波；(2)測量超聲波的傳播時間；(3)控制舵機轉向，以達到控制超聲波換能器發射、接收端方向；(4)測量超聲波的傳播速度；(5)根據距離的遠近選擇適當的超聲波頻率作為檢測對象；(6)計算液位高度，進行數據顯示等相應動作。該裝置40 kHz的脈沖串由軟件產生；對超聲波的傳播時間和傳播速度的測量，以及舵機的轉向控制采用單片機的定時/計數器完成。

編寫系統程序時考慮硬件連接的同時，還要考慮設置存儲空間、寄存器和外部中斷引腳的使用等。另外，因為有余振和折射波繞射的存在，因此在發射超聲波結束后需要延時一段時間才能接收回波進行相應處理。

3.2 主程序流程

系統采用模塊化程序設計，包括主程序模塊、超聲波傳播時間測量模塊、舵機轉向模塊、超聲波傳播速度測量模塊、液位計算模塊、數據顯示等相應動作模塊。系統初始化后，使用while(1)語句實現如下無限循環：首先調用超聲波傳播時間測量模塊，發射超聲波的同時，打開計數器開始計時，并關閉外部中斷。延時1 ms，再打開外部中斷，等待回波。當檢測到回波時，在外部中斷程序停止計時器計時，把定時器的值存儲起來，同時回波接收標志位置1。接著調用舵機轉向模塊，打開計數器開始計時，且控制位置1，當脈沖寬度大于2.5 ms，控制位置0；計數滿3 ms，則計數器清零，使舵機轉向90°。然后調用超聲波傳播速度測量模塊，通過標準擋板的固定距離計算得出聲速。舵機轉向模塊中，設置脈沖寬度為1.5 ms，使得舵機轉向0°。最后單片機調用液位計算程序并進行數據顯示等相應動作。其中，軟件設計的測距程序流程如圖5所示。

圖5 測距流程圖

4 實驗結果與分析

本系統將軟件固化到STC12C5A60S2單片機上。為驗證超聲波液位測量系統測量效果，在室外選取一個流速相對平穩的水罐進行測量，通過控制閥門實現水位變化，該系統安裝在距離罐底7 m的位置。采用3次測量取平均值的方法，減小系統隨機誤差。

測量結果與水尺測量數據進行對比，如表1所示。根據實驗測量和誤差分析，該系統測量盲區為30 mm，測量誤差基本控制在0.4%，實現了高精度測距，能夠滿足工農業生產中的測量需求。

表1 超聲波液位測量系統的實驗結果

5 結束語

超聲波液位測量系統中，在充分分析超聲波測距誤差原因的基礎上，針對超聲波傳播速度的測量，根據環境因素的影響以及成本問題的考慮，提出了利用舵機控制超聲波換能器方向以達到節約成本、簡化設計又全面考慮環境影響因素的擋板補償修正方法，該方法是目前在液位測量相關文獻中尚未提及的方法和技術手段。針對第一超聲回波前沿的精確捕獲，采用了增益可編程方法，提高了對第一回波前沿的捕獲，從而提高了測距的精度。在以節能環保簡約為主題的工農業應用中，該改進方法以其獨特優勢，成為超聲波液位測量的新思路。

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Research on an improved method of ultrasonic distance measurement with high precision

Tian Wencheng, Zhou Xifeng, Guo Qiangang

(School of Automation, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210023, China)

Although the distance measurement using ultrasonic transducer is provided with lots of advantages, it is difficult to achieve a high precision due to being subjected to many factors. In this paper, the principle of ultrasonic distance measurement is described. Because the ultrasonic distance measurement system of temperature compensation or temperature and humidity compensation with one sensor is single and does not achieve high precision on the bad and mutable environment, and that of standard baffle compensation with two sensors costs much and is not applied for each field, this paper designed the standard baffle with one sensor, using a servo to control the direction of the sensor. Because the system does not balance the precision and range, this paper designed the double-frequency ultrasonic measurement. The experimental results show that using atmosphere as the media and water as the reflector, in the range of 7 m the error of the improved distance measurement can be less than 0.4%. The improved method can realize low cost and high precision ranging on the bad and mutable environment.Key words:standard baffle; variable gain; high precision; low cost

TP216

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.09.023

田文成，周西峰，郭前崗.一種改進的高精度超聲波液位測量方法的研究[J].微型機與應用，2017,36(9)：78-80，84.

2016-11-04)

田文成(1991-)，女，碩士研究生，主要研究方向：計算機監測控制技術。

周西峰(1960-)，男，學士，教授，主要研究方向：計算機監測控制技術、智能與網絡化控制系統。

郭前崗(1960-)，男，博士，教授，主要研究方向：自動控制系統及先進功率變換系統理論與技術。