超声波液位测量系统的设计
超声波液位计测量的工作原理产品特点及应用 液位计工作原理
超声波液位计测量的工作原理产品特点及应用液位计工作原理超声波液位计是一系列非接触，高牢靠、低价格、免维护的物位仪，它彻底解决了由压力变送器、电容式浮子式等测量方式带来的缠绕、泄露、接触介质、昂贵的维护等麻烦，目前，要求对于液位和物位进行无接触式测量的现场越来越多，由于超声波液位计不必接触工业介质就能够充分大多数密闭或者打开容器里的物位测量要求，并且目前的科学技术已经进展到超声波系列的物位测量仪器可以测量几厘米到几十厘米的范围，而且在恶劣条件下也表现出了非凡的本领，因些在很多对于安装环境多而杂的情况下，超声波液位计成为了紧要的选用类型。
关于超声波液位计我们需要了解的东西很多，下面对大家介绍一下超声波液位计原理、特点、应用的缺陷和不足、适应场合注意事项、使用的环境条件、选择方法、故障及解决方法。
超声波液位计原理超声波液位计安装于容器上部在电子单元的掌控下，探头向被测物体发射一束超声波脉冲。
声波被物体表面反射，部分反射回波由探头接收并转换为电信号。
从超声波发射到被重新被接收，其时间与探头至被测物体的距离成正比。
电子单元检测该时间，并依据已知的声速计算出被测距离。
通过减法运算就可得出物位值。
由于温度对声速具有影响，所以仪表应测量温度，以修正声速。
超声波液位计的特点1、高质量零件：电路设计从电源部分起就选用高质量的电源模块，元器件选择进口稳定牢靠的器件，完全可以替代同类型国外进口仪表。
2、超高精度：我公司拥有的声波智能器，使仪表的精度大大提高，液位精度达到0.25%，能够抗种干扰波。
3、专业的声波智能技术：的声波智能技术软件可进行智能化回波分析，无需任何调试及其它的特别步骤，此技术具有动态思维、动态分析的功能。
4、适应安全稳定：超声波液位计是一种非接触仪表，不跟液体直接接触，因此故障率低。
超声波液位计应用的缺陷和不足1、超声波本质是一种机械波，传播需要介质，那么超声波液位计大的应用缺陷是不能用于真空环境和传播介质变化（如强挥发性）的环境；2、超声波液位计的换能器由压电陶瓷和塑性外壳灌封而成，其不能应用于高温高压环境，一般超声波液位计的大耐受温度为80℃；3、超声波是一种机械波，在传播的过程中会存在衰减，考虑到精度和量程的冲突性，超声波液位计实际应用中量程范围较小，精度稍差，所以其不能用于大量程和高精度的场合；4、超声波液位计在实际应用中测量的时间量，结合声速，可以得出距离值（时间声速=距离），而声速随着介质和温度变化，所以超声波液位计也不能应用于温度频繁变化的场合。
油田单井罐液位检测报警系统方案设计
油田单井罐液位检测报警系统方案设计一、引言随着石油勘探开发技术的不断发展，油田开采过程中需要对油井的罐液位进行实时监测和报警。
罐液位检测报警系统作为油田生产的重要一环，对于保障生产安全和提高生产效率起着至关重要的作用。
对油田单井罐液位检测报警系统方案设计进行深入分析和研究，对于提升油田生产管理水平和优化生产工艺具有重要意义。
二、方案设计1. 系统组成罐液位检测报警系统主要由液位传感器、数据采集模块、数据传输模块、监测控制中心和报警装置等组成。
2. 液位传感器液位传感器是系统中最重要的组成部分之一，它的性能将直接影响系统的稳定性和准确性。
在选择液位传感器时，应根据现场实际情况和液位测量的要求来考虑。
一般情况下，可以选择超声波液位传感器或者压力式液位传感器进行液位测量。
超声波液位传感器具有非接触测量、测量范围广、精度高等优点，可以适用于各种液体介质的液位测量；而压力式液位传感器适用于一些腐蚀性液体介质的液位测量，具有结构简单、性能稳定等优点。
3. 数据采集模块数据采集模块是将液位传感器采集到的数据进行信号处理和转换，使其能够传输到监测控制中心。
在设计数据采集模块时，应考虑到通信协议的选择、数据精度、抗干扰能力等因素，以确保传感器采集的数据能够准确、稳定地传输到监测控制中心。
4. 数据传输模块数据传输模块是将数据采集模块采集到的数据通过无线通信或者有线通信的方式传输至监测控制中心。
对于油田单井罐液位检测报警系统来说，由于现场环境复杂，可能存在一些通信信号不稳定、干扰较大的情况，因此在设计数据传输模块时需要选择稳定可靠的通信方式，并加强系统的抗干扰能力。
5. 监测控制中心监测控制中心是整个系统的核心部分，它接收数据传输模块传输过来的数据，并进行实时监测和控制。
在设计监测控制中心时，需要考虑到数据处理的速度、准确性和稳定性等因素，同时还需要考虑到系统的扩展性和灵活性，以应对未来可能的扩展和升级需求。
6. 报警装置报警装置是系统中的安全保障部分，一旦监测到罐液位超出设定的安全范围，系统将立即发出报警信号，以通知相关人员及时采取措施，避免发生危险事故。
高精度超声波液位测量系统的设计与实现
关键词 ： 高精度 ； 超 声波； 液位测量； 时间增益补偿 ； 数字滤波 中图分类号 ： Ｔ Ｐ ２ １ ６ 文献标识码 ： Ａ 文章 编号 ： １ ０ ０ ２—１ ８ ４ １ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ７— ０ ０ ４ ６— ０ ３
Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｎｄ Ｉ ｍ ｐｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｌｏ ｗ Ｐｏ ｗｅ ｒ Ｃｏ ｎｓ ｕｍ ｐ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｕｌ ｔ ｒ ａ ｓ ｏ ｎｉ ｃ Ｌｉ ｑｕ ｉ ｄ Ｌｅ ｖ ｅ ｌ Ｔｅ ｓ ｔ ｉ ｎ ｇ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔ ｏ Ｓ Ｏ ｌ Ｖ ｅ ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｏ ｂ ｌ ｅ ｍ ｏ ｆ ｈ ｉ ｇ ｈ ｅ ｒ ｐ ｏ ｗｅ ｒ ｃ ｏ ｎ ｓ ｕ ｍｐ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｌ ｏ ｗｅ ｒ ａ ｃ ｃ ｕ ｒ ａ ｃ ｙ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｅ ｘ ｉ ｓ ｔ ｉ ｎ ｇ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｉ ｒ ｎ ｇ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ， ｕ ｌ ｔ ｒ ａ ｓ ｏ ｎ ｉ ｃ
３ ０ ０ ４ ０ １ ） （ 河北工业大学信息工程学院 ， 天津
摘要： 文 了一种基 于 ＭＳ Ｐ ４ ３ ０ Ｆ １ ４ ９单 片机 的高精度
低 功耗 超声波液位测 量系统 。该 系统 实现 了硬件 电路 的设 计和软件 算法的开发 。文 中重点分析 了系统组成 、 提 高精确度
的设计方法和实验结果。实验表 明： 在环境 温度为 ２ ５℃的 空旷实验 室 内， 该 系统测量 范围为 ２ ０—１ ５ ０ ０ ｃ ｍ， 测量 精确度 可达 ２ ｍ ｍ． 相 比于其他设计 ， 该 系统有更 高的精确度 ， 并且有较 高的可靠性和 实用性 ， 可以更好地 满足各种 工业现场的需
超声波外侧液位计的工作原理
超声波外侧液位计的工作原理
1、工作原理
超声波外测液位计，是一种利用声呐测距原理，“微振动分析”专利技术从容器外测量液位的智能化现场变送器式仪表，如图1所示。
超声波外测液位计仪表主机安装在被测容器附近，测量探头安装在容器外壁上，探头能产生高频声呐信号穿透容器壁在液体中形成回波，经过液面反射回来后由探头检测到回波信号。
回波信号通过先进的智能化处理后计算出时间t，系统根据公式H=v×（t/2-tg/2）×α计算出液面高度，实现测距。
式中：
H为液位高度；
v为声呐波在液体中传播的速度；
t为声呐波从发射到返回所用的时间；
tg为声呐波在罐壁中的传输时间；
α为修正系数。
计算的高度被转换成模拟信号送至SIS系统，实现系统对液位的连锁控制。
超声波外侧液位计具有专利技术，克服了声呐信号穿透容器壁的大幅衰减及液体声速改变等干扰因素。
可识别和拒绝容器壁余振、多重回波、虚假回波等干扰，智能的回波识别算法，确保液面总能得到有效的跟踪和监测。
当液体的温度、成分变化较大时，会对声呐信号在液体里的传播速度产生较大影响，带来测量误差。
超声波外侧液位计具有专利的“自校准”精度技术，通过在储罐上找出一段已知长
度作为标尺，得出当前状态下的传播速度，根据计算液位测量结果进行实时补偿修正，从而消除液体温度和成分变化对测量精度的影响。
自动校准功能，能够始终保证仪表液位测量的高精度。
超声波液位计测量原理
超声波液位计测量原理一、引言超声波液位计是一种非接触式的液位测量仪器，它利用超声波在空气和液体介质中传播速度不同的特性来测量液位高度。
该技术广泛应用于化工、石油、食品等工业领域，具有测量范围广、精度高、稳定可靠等优点。
二、超声波液位计的基本构成和工作原理超声波液位计主要由发射器、接收器、信号处理单元和显示单元四部分组成。
其中发射器和接收器分别安装在容器壁上，通过信号处理单元将发射器发出的超声波信号转化为电信号，并经过滤波、放大等处理后送至显示单元进行显示。
超声波液位计的工作原理是利用超声波在空气和液体介质中传播速度不同的特性来测量液位高度。
当发射器向容器内部发出一束频率为f1的超声波信号时，这束信号会穿过空气层并到达液面，部分能量被反射回来并被接收器接收到。
由于在空气和液体介质中传播速度不同，因此反射回来的超声波信号会经过一定的时间延迟后才被接收器接收到。
根据声波在介质中传播的速度公式v=fλ，其中v为声速，f为频率，λ为波长，可以计算出液位高度h。
三、超声波液位计的工作原理详解1. 超声波发射器和接收器超声波发射器和接收器是超声波液位计中最基本的部分。
发射器主要由振动片、驱动电路等组成，其作用是将电信号转化为机械振动，并将振动能量传递给介质中的空气层。
接收器主要由振动片、前置放大电路等组成，其作用是将反射回来的机械振动转化为电信号，并进行放大处理。
2. 超声波在空气和液体介质中传播超声波是指频率高于20kHz的机械振动，在空气和液体介质中传播时具有不同的特性。
在空气中传播时，由于空气密度小、弹性模量小，导致声速较低；而在液体介质中传播时，则由于液体密度大、弹性模量大，导致声速较高。
因此，当超声波信号穿过空气层并到达液面时，其传播速度会发生变化。
3. 超声波在介质中的反射和衰减当超声波信号到达液面后，部分能量会被反射回来，并在空气中传回到接收器处。
由于超声波在介质中的传播存在一定的衰减现象，因此反射回来的超声波信号强度会比发射时要小。
基于单片机的超声波液位检测系统设计
基于单片机的超声波液位检测系统设计作者：马莹郑文斌来源：《海峡科学》2007年第10期[摘要] 介绍了利用AT89C51单片机控制的超声波测距系统的原理。
给出了系统构成,并在数据处理中采用了温度补偿修正。
此系统具有易控制、工作可靠、测量精度高的优点，可实时监控液位。
[关键词] 单片机超声波测距温度补偿1 引言在许多工业生产系统中，需要对系统的液位或物料位进行监测，特别是对具有腐蚀性的液体液位的测量，传统的电极法是采用差位分布电极，通过给电脉冲来检测液面，电极长期浸泡在液体中，极易被腐蚀、电解、失去灵敏性，因而对测试设备的抗腐蚀性要求较高。
超声波液位检测系统，利用了超声波传感技术的原理，采取一种非接触式的测量方法，能够实现对工业系统中液位或物料位的检测；而且超声波具有很好的指向性和束射特性，人耳听不见，一般不会对人体造成伤害,检测工程方便、迅速、易做到实时控制，而且测量精度又能达到工业实用的要求，所以有广泛的应用前景。
2 超声波测距原理所谓超声波就是指频率高于20kHz的机械波，一般由压电效应或磁致伸缩效应产生；它沿直线传播，当频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强；它还具有强度大、方向性好等特点，为此，利用超声波的这些性质就可制成超声波传感器。
超声波传感器是利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应研制而成的传感器。
超声波传感器按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等[1]，其中以压电式最为常用。
压电式超声波传感器常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，它是利用压电材料的压电效应来工作的：逆压电效应将高频电振动转换成高频机械震动，从而产生超声波，可作为发射探头；而正压电效应是将超声波振动转换成电信号，可作为接收探头。
超声波测距的原理主要是由超声波传感器的发射探头发射超声波,当超声波遇到障碍物时,会被反射,利用单片机记录超声波发射的时间和接收到回波的时间,根据当前环境下超声波的传播速度,即可通过公式S=C*[T/2](S为被测距离,C为空气中声速,T为回波时间,T=T1+T2)计算出超声波传播的距离,也就得到了障碍物离测试系统的距离。
基于DYP-ME007超声波模块的液位测量系统设计
案
加 熟
２ ０ １ ３年 第 ４ ２卷 第 ６期
Ｖ Ｏ１ ． ４２ Ｎ Ｏ． ６ ２０ｌ ３
Ｉ ＮＤＵＳ ＴＲＩ ＡＬ ＨＥＡＴＩ ＮＧ
ＤＯ Ｉ ：１ ０ ． ３ ９ ６ ９ ￣ ．ｉ ｓ ｓ ｎ ．１ ０ ０ ２ — １ ６ ３ ９ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ６ ． ０ ０ ６
基于 Ｄ Ｙ Ｐ — ＭＥ ０ ０ ７ 超声波模块的液位测量系统设计
兰 羽
（ 陕西工业职业技术学院 电气学院，陕西 成 阳 ７ １ ２ ０ ０ ０ ） 摘要 ：为了在有毒 、易爆 、高温 、高压 等环境 中快速准确检测液体液位，系统以 Ｓ Ｔ Ｃ ８ ９ Ｃ５ １ 单片机为核心，采用超声波测距模块 Ｄ Ｙ Ｐ — ＭＥ ０ ０ ７ ，利用超声波测距原理 ，由 Ｓ Ｔ Ｃ ８ ９ Ｃ ５ １ 单片机控制 Ｄ ＹＰ — ＭＥ ０ ０ ７模块发射超声波，遇到被 测液面反射后模块接收 回波， 通 过单片机 记录超声 波经 过路径所 用时间，计算 出超声波走过距离 ，从而得 到液位 的高度 ，本 文完成 了系统 的硬件 电路和软件 编 程 的设计 。经实验表明：系统 测量 范围在 ２～ ４ ０ ０ ｅ ｍ，测量精 度 １ ｃ ｍ，符合实 际需要 。 关键词 ：单片机 Ｓ Ｔ Ｃ ８ ９ Ｃ ５ １ ；超声波测距 ；Ｄ ＹＰ － ＭＥ ０ ０ ７ 模块 ；液位测量 中图分类号 ：Ｔ Ｐ ２ １ ２ １ 文献标志码 ：Ａ 文章编号 ：１ ０ ０ ２ ． １ ６ ３ ９ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ６ — ０ ０ １ ８ － ０ ３
Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ Ｕｌ ｔ ｒ ａ ｓ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｌｉ ｑ ｕ ｉ ｄ Ｌｅ ｖ ｅ ｌ Ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ ＳＭｏ ｄ ｕ ｌ ｅ
基于超声波的液位控制系统设计
基于超声波的液位控制系统设计液位控制是许多工业和民用设备中都需要解决的问题之一。
现今市场上，许多常见的液位控制系统主要是基于机械浮子测量的液位计，但是这种方法存在不少问题。
机械浮子测量容易受到水质、污物等因素的干扰，而且使用寿命有限，维护和保养成本也相对较高。
因此，在一些要求更高精度和可靠性的场合中，一些公司研发出基于超声波技术的液位控制系统，因其精准度和可靠性高，迅速受到了市场和用户的关注。
一、超声波液位控制系统工作原理超声波液位控制系统是利用超声波的传播来测量液体的高度。
发射器通过发射高频的声波进入液体中进行传播，并被液位震荡反射回来，经过接收器接收到数据后进行处理得到液体的高度，将反射的波的时间和距离进行计算得出液位高度并输出。
该系统通过连续监测液位高度，在液位高度超过或低于规定的范围时，会自动控制阀门和泵来调节液位。
二、超声波液位控制系统设计方案1.传感器设计超声波液位控制系统中最主要部分是传感器部分。
普通的超声波液位计仅仅用一根声波发射二极管及一根声波接收二极管构成，但针对经常测液位的应用，需要具备让声波利用到最大程度的连续性和可靠性。
为了提高传感器稳定性，采用啁啾控制技术，它能让传感器自己检测最佳声波发射和接收的频率。
同时，使用微控制器处理、数字滤波器、多路径混合技术与声学背景优化，而且还能自动消除液位表面浮泡的影响，从而保证了传感器的稳定性和准确性。
2.软件设计针对使用者的项目，软件能够自动控制开关和维护，并且检测“故障”和“空气”的存在。
开发者可以通过设置相关参数提高精度和可靠性，例如预设液位上下允许变化的范围、高液位接入自动停止泵、低液位接入自动启动泵、液位报警机制等等。
3.硬件固定设计声音的传播是有其规律的。
如果使用一个夹具将传感器与液位容器固定在同一位置，那么系统稳定性就能提高20%以上。
在同一个容器中，容器的形状可定制化设计，以便于超声波能灵敏、准确地辐射到整个液位容器。
超声波液位测量系统设计
３硬件 原理 电路
本系统的简要硬件 电路如 图 ２ ，发射 和 接 收 硬 件 电 路 采 用 Ｌ １ １ 超 声 波专 用 Ｍ ８２
集 成 芯 片 ，Ｌ １ １ 一 种 既 能 发送 又 能 Ｍ ８ ２是 接 收 超 声 波 的 芯 片 ，采 用 这块 集 成 可以 简
化硬件 电路 ，提高系统的可靠性 。芯片 内 部 包 括 ：脉 冲 调 制 Ｃ 类 振 荡 器 ， 高 增 益 接收 器 ，脉冲 调制检测 器，噪音抑制 器。 当 ８脚为高 电平时 ， Ｍ１ １ 处于发射 Ｌ ８２ 模式 ， １ 第 管脚外接 Ｃ１Ｌ 决定电路的发射 ，１ 或接收的工作频率 ， Ｃ 振荡惜路被切换为 ｕ １
同时有噪声也被检测 ， 可以通过 １ 管脚外 ７ 接的电路进行滤波。当 １ 管脚上的 电压变
得小到不能 触发检测时 ，积分器经延时复
一
转 幕 、 页 １
量管的底部与被测液体连通 ，便于被测液 体进 入测量管 ；其二 ，浮子的密度必 须小 于被 测液 体 的密 度 ，且浮 子具 备抗 腐蚀
波反射的材料 ；其四 ，测量 管采 用抗腐蚀
性强 的不 锈钢 材料 。
ｌ
２参 比法液 位测 量原 理
参 比 法其 原 理 是 利 用 超 声波 换 能 器发 出的超声波脉 冲， 通过气介质传播， 在密度
变化较大的界面处形成反射 回波传到换能 器并 将 其 接 收 。若 测 出 超 声 波 从 发射 到接
超 声波专 用集成 芯片组成 的高精度 液位 测量 系统 。针 对 自校 准装 置… 提 出 了一 些新 的改
故被 测量液 体 的液位 ：
Ｈ＝ＨＯ ｈ － －ｄ
Ｈ ： Ｈｏ一一 Ｔ ］ １ ｏ
油井井筒动液面测量系统设计与研究
ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｉｓ ａ ｖｅｒｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ
ｉｓ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｔｉｍｅｌｙ ｇｒａｓｐｉｎｇ ｏｆ ｗｅｌｌｓ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ
ｃａｐａｃｉｔｙ ａｎｄ ｒｅｇｕｌａｔｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｒｅｃｏｖｅｒｙ．Ｉｔ ａｌｓｏ ｎｅｅｄｓ ｔｏ ｂｅ ｒｅｓｏｌｖｅｄ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ
Ｔｈｉｓ ｔｈｅｓｉｓ ｐｒｏｏｆｓ ｔｈｅ ｖｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｉｎｆｒａｓｏｕｎｄ ｗａｖｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｐｌａｎ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ ｔｈｅ ｓｏｕｎｄ ｗａｖｅｓ ｐｒｏｄｕｃｅｄ，ｆｉｒｉｎｇ ａｎｄ ｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ，ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ，ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ．Ｉｔ ｍａｉｎｌｙ
ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ｏｉｌｆｉｅｌｄ．
Ａｒｔｉｆｉｃａｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｕｓｅ ｐｈｏｎｏｓｃｏｐｅ ｆｏｒ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｓｏｕｎｄ·ｅｃｈｏ ｃｕｒｖｅ，ａｎｄ
ｔｈｅｎ ｏｂｓｅｒｖｅｓ ｔｈｅ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｌｕｉｄ ｌｅｖｅｌ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｗａｖｅ．Ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｗｏｒｋｉｎｇ ｌｅｖｅｌ
超声波液位仪的设计毕业论
超声波液位仪的设计毕业论文目录摘要.................................... 错误！未定义书签。
ABSTRACT .................................. 错误！未定义书签。
前言..................................................... I II 1 绪论.. (1)1.1 课题背景 (1)1.2 论文研究内容 (2)2 超声波的液位测量原理 (4)2.1 超声液位仪理论基础 (4)2.2 超声波液位仪工作原理 (7)2.3 本章小结 (8)3 硬件总体设计 (9)3.1 超声液位仪总体设计 (9)3.2 单片机电路 (10)3.3 发射电路 (15)3.4 接收电路 (16)3.5 液晶显示电路 (18)3.6 蜂鸣报警电路 (20)3.7 对电路板进行合理设计 (20)3.8 本章小结 (21)4 系统软件设计 (22)4.1 软件总体设计 (22)4.2 本章小结 (26)5 实验结果分析及改进 (27)5.1 实验结果分析 (27)5.2 误差分析及改进措施 (28)5.3 本章小结 (29)6 结论与展望 (30)结论 (32)参考文献 (33)致谢 (35)附录 (36)前言工业生产中，常常需要测量容器内的液体液位。
在一般的生产过程中，液位测量的目的主要是通过液位测量来确定容器里的原料、半成品或产品的数量，以保证生产过程各环节物料平衡以及为进行经济核算提供可靠的依据;另外还为了在连续生产的情况下，通过液位测量，了解液位是否在规定的范围内，从而维持正常生产、保证产品的产量和质量以及保证安全生产。
液位测量在工业生产过程中的作用相当重要。
随着各行业的快速发展，液位测量已应用到越来越多的领域，不仅用于各种容器、管道内液体液位的测量，还用于水渠、水库、江河、湖海水位的测量。
课题针对液位检测的实际问题,开发了一种基于单片机的超声波液位检测仪深入讨论了用超声波作为信号源进行液位检测的可行性及优越性，产生误差的各种原因，提出了相应的解决办法。
基于DSP的超声波明渠液位测量系统
Ｂａ ｅ ｏ Ｐ ｔ ａ ｏ ｉ ｐ ｎ ｈａ ｎ ｌｌｑ ｉ ｅ ｅ ｅ ｕ ｉ ｙ ｔ ｍ ｓ ｄ ｎ ＤＳ ｕｌｒ ｓ ｎ ｃ ｏ ｅ －ｃ ｎ ｅ ｉ ｕ ｄ ｌ ｖ ｌｍ ａ ｒ ｎｇ ｓ ｓｅ ｓ
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１ 第 ｌ ９卷 第 ２ 期
Ｖ０ ．９ １１ Ｎｏ２ｌ ．
电子设计 工 程
Ｅｌｃ ｒ ｎ ｃ Ｄｅ ｉｎ Ｅｎ ｉ ｅ ｒ ｇ ｅ ｔ ｉ ｓｇ ｇｎ ｅ ｉ ｏ ｎ
２ １ 年 １ 月 ０１ １
基于单片机的超声波液位测量系统的设计
基于单片机的超声波液位测量系统的设计1 绪论1.1 课题背景及研究意义液位测量广泛应用于石油、化工、气象等部门，实现无接触、智能化测量是当前液位测量的发展方向。
随着工业、建筑业、农业、军事等领域的不断发展，计算机、微电子、传感器等高新技术的应用与研究，传统的液位测量方法在很多场合已无法满足人们的需求，由此很多先进的测量工具应运而生。
按照应用习惯将这些测量工具分为接触式和非接触式两大类。
接触式液位测量主要有：人工检尺法、浮子测量装置、伺服式液位计、电容式液位计和磁致伸缩式液位计等。
它们共同的特点是感应元件与被测液体接触，因此存在一定的磨损且容易被液体粘住或腐蚀。
非接触式液位测量出现了微波雷达液位计、射线液位计、激光液位计及超声波液位计等。
它们共同的特点是感应元件与被测液体不接触，测量仪器不受被测介质的影响，这就大大解决了在粉尘多情况下，给人类引起的身体接触伤害，腐蚀性质的液体对测量仪器的腐蚀，触点接触不良造成的误测情况。
但前几种方法由于技术难度大，成本高，一般用于军事工业，而超声波液位计由于其技术难度相对较低，且成本低廉，适用于民用推广。
1.2 液位计的现状1.2.1 接触型液位仪表接触型液位仪表主要有人工检尺法、浮子测量装置、伺服式液位计、电容式液位计以及磁致伸缩式液位计。
（1）人工检尺法：利用浸入式刻度钢尺测量液位，取样测量液体温度和密度，通过计算得到液体的体积和重量，这是迄今为止依然在全世界范围内广泛使用的液位测量方法，也可以把它用作现场检验其他测量仪表的参考手段。
该方法分为实高测量和空高测量两种。
人工检尺法一般精度为±2mm，通常至少测量两次，两次结果相差不得超过±lmm。
人工检尺法具有测量简单、直观、成本低等优点，但需要检测人员动手测量，不适合恶劣环境下的操作。
另外，需要较长的测量时间，难以实现在线实时测量，即实时性较差且需手工处理数据，不利于数据的计算机管理。
（2）浮子测量装置：浮子式测量装置采用大而重的浮子作为液位测量元件，驱动编码盘或编码带等显示装置，或连接电子变送器以便远距离传输测量信号。
多路无线超声波液位测量系统设计
１ 引言
在 石油 化工生 产过 程 中 ， 液位 无论 是对于控 制 还是 监 测都 是非 常关键 的参 数 。在常 规 的测量 仪表选 用 时 ， 考 虑到被 测量 物体容 易解冻容易 结晶则不 应选用差压 原 理 的液位 仪表 ； 对 于粘 度较 大附着 力较 强的介 质不 应选 用 浮力原理 的Ｌ ｌ １ 。然而 以上两种 工况是石 油化工 生产 中
罐 、较大的污水 处理池 、废 气焚烧 的分 离罐等设备 。这 些装置往 往是远离监控 区 ， 电缆敷设的难度较 大 ， 如果超
出电缆常规 的使 用长度在 线路 中还需要 加入信号放 大设 备， 对 于施 工和成 本 的投入 都 是非常 不利 的。文 中设计
了一种 ８路数据 监测 和传 输的无 线超 声波液 位测量 计 ， 最 大化 降低远距 离信号 传 输成本 ， 提 高传输可 靠性 。
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｕｌ ｔ ｒ ａ ｓ ｏ ｎｉ ｃ ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ ｉ ｓ ｔ ｈ ｅ ｃ ｈ ｅ ａ ｐ ｅ ｓ ｔ ｌ ｉ ｑ ｕ ｉ ｄ ｌ ｅ ｖ ｅ ｌ ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｎ ｇ ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｎ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｌ ｙ ， ｈ ｏ ｗｅ ｖ ｅ ｒ ｄ ｉ ｓ ｔ ａ ｎ ｔ ｃ ａ ｂ ｌ ｅ ｓ ａ ｒ ｅ ｗｉ ｔ ｈ ｈ ｉ ｇ ｈ ｌ ｏ ｓ ｔ ａ ｎ ｄ ｇ ｒ ｅ ａ ｔ ｗｏ ｒ ｋ ｌ ｏ ａ ｄ， Ｓ Ｏ ｉ ｔ ｉ ｓ ｎ ｅ ｃ ｅ ｓ ｓ ａ ｒ ｙ ｔ ｏ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｔ ｈ ｅ ｍｕ ｌ ｔ ｉ ｐ ｌ ｅ ｘ ｗｉ ｒ ｅ ｌ ｅ ｓ ｓ ｌ ｉ ｑ ｕ ｉ ｄ ｌ ｅ ｖ ｅ ｌ ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｉ ｎ ｇ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｕ ｌ ｔ ｒ ａ ｓ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ ． Ｆｒ ｏ ｍ ｕ ｌ ｔ ｒ ａ ｓ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ ｅ ｎｓ ｏ ｒ ｔ ｏ ｗｉ ｒ ｅ ｌ ｅ ｓ ｓ ｔ ｒ ａ ｎｓ ｆ ｅ ｒ ａ ｒ ｅ ａ ｌ ｌ ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｅ ｄ ｉ ｎ ｄ ｅ ｐ ｅ ｎ ｄ ｅ ｎ ｔ ｌ ｙ ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ｌ ｏ ｗｅ ｓ ｔ ｐ ｒ ｉ ｃ ｅ ， ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｉ ｃ ｅ ｉ ｓ ｏ ｎ ｌ ｙ １ ／ ４ ｏ ｆ ｄ ｏ ｍｅ ｓ ｔ ｉ ｃ ｉ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｍｅ ｎ ｔ ． Ｐｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｎ ｃ ｅ ｉ ｎ ｄ ｉ ｃ ａ ｔ ｏ ｒ ｓ ａ ｒ ｅ ｆ ｕ ｌ ｌ ｙ ｑ ｕ ａ ｌ ｉ ｆ ｉ ｅ ｄ ｂ ｙ ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ ａ ｎ ｄ ｉｅ ｆ ｌ ｄ ｔ ｅ ｓ ｔ ｓ ． Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ： ｗｉ ｒ ｅ ｌ ｅ ｓ ｓ ； ｕ ｌ ｔ ｒ ａ ｓ ｏ ｎ ｉ ｃ； ｌ ｉ ｑ ｕ ｉ ｄ — ｌ ｅ ｖ ｅ ｌ ； ｍｕ ｌ ｔ ｉ ｐ ｌ ｅ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ
铁路油罐车液位高度测量系统设计方案
５２ 回波信 号的选 择 ．
并采用 ３ ｍ直径 的晶片 ， ０ｍ 以加大发射功率和提高信噪比； （） 目标回波信号进行放大 ， ３对 可通过放大电路对选取 的弱 信号进行放大 ， 放大倍数可根据实验做 出调整 ， 甚至可达几
些。 但是通过降低超声波频率来减小衰减系数 ， 同时 ， 提高
激 发 电压来 增 强信 号 的能量 ， 实际 中液体 与 罐 中空气 分 界 面
上 的第一次反射回波还是能被检测到的。
５ 技术 瓶颈 及解决 方案
５１ 反射 波强信 号 的干扰 ．
综 上所 述 ， 的声 能 中仅有 约 ０１５ 发射 ． ％的能 量可 以从 液 １
其次考虑第二部分 ， 超声波的衰减系数与频率正相关。一
般探测频 率下 ， 材料 的衰 减系数在 １１００ ０ Ｂ ｍ 水及 其 ～０￣ ． １ ／ ， ０ ｄｍ 它衰 减材 料 的衰减 系数 为 １４ ｌ。ｄ ／ｍ 当频 率 为 １ Ｈ ．ｘＯ Ｂ 。 － － ｍ ｚ Ｍ
实验结论 ： 实际要求 中， 油罐外壁材质及厚度不同， 罐内 液体成分不同， 特别对于高粘性油 ， 其声衰减大， 效果会更差
千倍 ， 以获 得最好 效果 。
５４ 目标 回波信 号的 分析 ．
接收到 的回波信号中不仅包括超声波在容器壁 与液体 的分界面上的反射波 ， 在液体与罐中空气的分界面上的反射
超 声波 在 液体 中 的纵 波声 速 为 ： ， 由于 油 的具 体参 数
未知 ， 其容变弹性模量及密度未知 ， 在这里 ， 中的声速约取 油
面返 回到超声传感器 。 所以实际换能器接收到的 目 回波声 标 信号是很弱的， 因此要求测量装置有较高的灵敏度 。 解决弱信号的接收放大问题 ， 主要采取以下措施 ：１选择 （） 合适的超声频率 ， 减小声能在液体中的传输衰减。这需综合考
2 超声波液面测量法原理
2 超声波液面测量法原理超声波液面测量法原理超声波液面测量法是一种常用的非接触式液位检测方法。
其原理是利用超声波在液体和气体介质中的传播速度不同，通过发送和接收超声波信号，测量液位高度。
1. 超声波的传播特性超声波是指频率高于人耳能听到的20 kHz的机械振动波。
在空气中，它的传播速度约为340 m/s，在水中则为约1480 m/s。
这种速度差异使得超声波在不同介质中传播时会发生折射、反射、散射等现象。
2. 超声波液位检测系统组成超声波液位检测系统主要由发射器、接收器、处理器和显示器等部分组成。
其中发射器和接收器通常被安装在容器顶部，用于发送和接收超声波信号；处理器用于计算并输出液位数据；显示器则显示实时的液位高度。
3. 超声波液位检测原理当发射器发送一个脉冲型超声信号后，它会在空气与液体表面之间来回反弹。
接收器接收到这个信号后，会测量它的时间差，即超声波从发射器到液面的时间和从液面反弹回来到接收器的时间。
由于超声波在空气中传播速度相对较快，因此发射器和接收器之间的距离可以忽略不计。
根据超声波在液体中传播速度和时间差，可以计算出液位高度。
具体而言，设超声波从发射器到液面的时间为t1，从液面反弹回来到接收器的时间为t2，则液位高度h可表示为：h = (t2-t1)×v/2其中v为超声波在液体中传播速度。
4. 超声波液位检测方法优缺点超声波液位检测方法具有以下优点：（1）非接触式测量，不会污染或损坏被测物体；（2）精度高、稳定性好、可靠性高；（3）适用范围广，可用于各种介质的液位检测。
但也存在以下缺点：（1）受温度、压力等因素影响较大；（2）对于高粘度或多相流介质不太适用；（3）需要保证液体表面平整，否则会影响测量精度。
5. 超声波液位检测应用领域超声波液位检测方法广泛应用于石油化工、食品饮料、医药等行业的液体储罐、反应釜、管道等设备中。
它可以实现对液位高度的实时监测和控制，保障生产安全和质量。
高精度超声波液位测量系统设计
第３９卷第１１期２０１８年１１月自㊀动㊀化㊀仪㊀表ＰＲＯＣＥＳＳＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩＯＮＶｏｌ ３９Ｎｏ １１Ｎｏｖ.２０１８收稿日期:２０１８￣０４￣２５基金项目:国家自然科学基金资助项目(４１４７２２６０)㊁山东省自然科学基金资助项目(２０１４ＺＲＥ２７３７２ꎬＺＲ２０１７ＰＥＥ０２３)㊁山东大学基本科研业务费交叉培育专项基金资助项目(２０１６ＪＣ０１２)㊁山东大学青年学者未来计划基金资助项目(２０１６ＷＬＪＨ３０)作者简介:李泽(１９９４ )ꎬ男ꎬ在读硕士研究生ꎬ主要从事检测技术与自动化装置方向的研究ꎬＥ￣ｍａｉｌ:ｓｄｕｌｉｚｅｍａｉｌ＠１６３.ｃｏｍꎻ姜明顺(通信作者)ꎬ男ꎬ博士ꎬ副教授ꎬ主要从事光电检测技术及应用的研究ꎬＥ￣ｍａｉｌ:ｓｄｕｊｉａｎｇｍｉｎｇｓｈｕｎ＠１６３.ｃｏｍ高精度超声波液位测量系统设计李㊀泽１ꎬ姜明顺１ꎬ吕珊珊２ꎬ朱友峰１ꎬ苏晨辉１ꎬ张㊀雷１ꎬ张法业１ꎬ隋青美１(１.山东大学控制科学与工程学院ꎬ山东济南２５００６１ꎻ２.山东大学海洋研究院ꎬ山东济南２５０１００)摘㊀要:随着工业生产中对在线液位检测技术要求的不断提升ꎬ需要更适用于工业生产㊁精度更高的测量设备ꎮ对基于脉冲回波法的超声波液位检测系统进行了研究和改进ꎬ介绍了其工作原理及系统结构ꎮ以ＳＴＭ３２Ｆ４０７为控制器ꎬ设计了超声波信号的产生㊁接收㊁处理㊁采集等电路ꎮ发射电路对脉冲宽度调制(ＰＷＭ)脉冲升压驱动超声波换能器产生超声波ꎬ接收电路先对信号进行限幅和滤波处理ꎮ通过放大数据将脉冲信号处理成更易分析的低频信号ꎬ利用控制器的直接内存存取(ＤＭＡ)功能实现对信号的连续采集ꎮ通过辨识回波信号起始时刻ꎬ建立渡越时间与液位之间的关系ꎮ试验结果表明ꎬ在７０ｍｍ的范围内ꎬ系统误差小于１ｍｍꎮ该设计为密闭容器的液位测量提供了一种高精度的检测方法ꎬ同时为工业领域的液位在线自动检测提供了参考ꎮ关键词:超声波ꎻ液位检测ꎻ高精度ꎻ脉冲回波法ꎻ带通滤波中图分类号:ＴＨ８６ꎻＴＰ２１６㊀㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀㊀ＤＯＩ:１０.１６０８６/ｊ.ｃｎｋｉ.ｉｓｓｎ１０００￣０３８０.２０１８０４００４２ＤｅｓｉｇｎｏｆＨｉｇｈＰｒｅｃｉｓｉｏｎＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＬｅｖｅｌＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍＬＩＺｅ１ꎬＪＩＡＮＧＭｉｎｇｓｈｕｎ１ꎬＬＹＵＳｈａｎｓｈａｎ２ꎬＺＨＵＹｏｕｆｅｎｇ１ꎬＳＵＣｈｅｎｈｕｉ１ꎬＺＨＡＮＧＬｅｉ１ꎬＺＨＡＮＧＦａｙｅ１ꎬＳＵＩＱｉｎｇｍｅｉ１(１.ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｏｎｔｒｏｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＪｉｎａｎ２５００６１ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭａｒｉｎｅＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＪｉｎａｎ２５０１００ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｄｕｅｔｏｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｄｅｍａｎｄｆｏｒｏｎｌｉｎｅｌｉｑｕｉｄｌｅｖｅｌｄｅｔｅｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎꎬｔｈｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔｗｉｔｈｈｉｇｈｅｒｐｒｅｃｉｓｉｏｎꎬｗｈｉｃｈｉｓｍｏｒｅｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎꎬｉｓｎｅｅｄｅｄ.Ｔｈｅｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｌｉｑｕｉｄｌｅｖｅｌｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｐｕｌｓｅｅｃｈｏｍｅｔｈｏｄｉｓｓｔｕｄｉｅｄａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｄ.Ｉｔｓｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｓｙｓｔｅｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ.ＵｓｉｎｇＳＴＭ３２Ｆ４０７ａｓｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒꎬｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｃｉｒｃｕｉｔｓａｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏｇｅｎｅｒａｔｅꎬｒｅｃｅｉｖｅꎬｐｒｏｃｅｓｓａｎｄａｃｑｕｉｒｅｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓｉｇｎａｌｓ.Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｐｕｌｓｅｍｉｄｔｈｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ(ＰＷＭ)ｐｕｌｓｅꎬｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔｂｏｏｓｔｓｔｈｅｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｗａｖｅｔｏｄｒｉｖｅｔｈｅｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｔｏｇｅｎｅｒａｔｅｔｈｅｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｗａｖｅ.Ｔｈｅｒｅｃｅｉｖｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔｌｉｍｉｔｓａｎｄｆｉｌｔｅｒｓｔｈｅｓｉｇｎａｌｆｉｒｓｔꎬａｎｄｔｈｅｎａｍｐｌｉｆｉｅｓｔｈｅｐｕｌｓｅｓｉｇｎａｌｔｏａｍｏｒｅｅａｓｉｌｙａｎａｌｙｚｅｄｌｏｗ￣ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｉｇｎａｌｂｙｌｏｇａｒｉｔｈｍａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎꎬｔｏａｃｈｉｅｖｅｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｓｉｇｎａｌａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｄｉｒｅｃｔｍｅｍｏｒｙａｃｃｅｓｓ(ＤＭＡ)ｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒꎬａｎｄｔｏｅｓｔａｂｌｉｓｈｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｔｒａｎｓｉｔｔｉｍｅａｎｄｔｈｅｌｅｖｅｌｂｙｉｄｅｎｔｉｆｙｉｎｇｔｈｅｂｅｇｉｎｎｉｎｇｏｆｔｈｅｅｃｈｏｓｉｇｎａｌ.Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｖｅｒｉｆｙｔｈａｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｅｒｒｏｒｉｓｌｅｓｓｔｈａｎ１ｍｍｉｎｔｈｅｒａｎｇｅｏｆ７０ｍｍ.Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｐｒｏｖｉｄｅｓａｈｉｇｈ￣ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｄｅｔｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｆｏｒｔｈｅａｉｒｔｉｇｈｔｃｏｎｔａｉｎｅｒｌｅｖｅｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄｔｈｅｉｎｓｐｉｒａｔｉｏｎｆｏｒｏｎｌｉｎｅａｕｔｏｍａｔｉｃｌｉｑｕｉｄｌｅｖｅｌｄｅｔｅｃｔｉｏｎｉｎｉｎｄｕｓｔｒｙ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ＵｌｔｒａｓｏｎｉｃꎻＬｉｑｕｉｄｌｅｖｅｌｄｅｔｅｃｔｉｏｎꎻＨｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎꎻＰｕｌｓｅｅｃｈｏｍｅｔｈｏｄꎻＢａｎｄｐａｓｓｆｉｌｔｅｒ０㊀引言液位测量广泛应用于工业生产中ꎬ尤其是在石油㊁化工等领域ꎬ液位测量是生产过程控制的重要环节[１]ꎮ相对于传统的接触式液位测量方法ꎬ如电容式[２]㊁浮子式㊁磁致伸缩式[３]ꎬ超声波液位仪有非接触式测量的优势ꎬ对待测环境影响较小ꎬ且对于腐蚀性液体的测量使用寿命更长[４]ꎮ相对于非接触测量中的雷达液位仪[５]ꎬ超声波液位计价格更加合适ꎬ宜在工业领域推广使用ꎮ超声波液位仪根据超声波的传输介质不同ꎬ又分为空介式㊁液介式和固介式ꎮ国内的超声波液位仪以空介式测量居多[６]ꎬ但空介式测量方法不宜应用于易挥发性液体的测量ꎬ也不宜在密闭容器的环境下使用[７]ꎮ第１１期㊀高精度超声波液位测量系统设计㊀李㊀泽ꎬ等１㊀超声波液位检测原理利用超声波具有的方向性好㊁能量高㊁穿透能力强㊁能在不同介质的分界面产生反射和折射等特点[８]ꎬ系统使用脉冲回波法获取液位信息ꎬ既有效避免了与液体接触ꎬ也无需考虑液体的挥发㊁腐蚀等特性ꎬ通过系统的软硬件设计为液位的高精度测量提供了一种方法ꎮ超声波液位检测原理如下ꎮ首先通过高压脉冲驱动超声波换能器产生超声波ꎬ超声波在液体中传输并在液体表面发生反射ꎬ反射的回波信号会驱动换能器产生电脉冲信号[９]ꎮ再经过超声波接收电路和控制器进行数据处理ꎬ最终测得超声波在液体传输中的渡越时间ｔꎮ假定超声波在待测液体中的声速为ｖꎬ则液位高度Ｈ可由式(１)[１０]得出:Ｈ＝ｖˑｔ２(１)由式(１)可知ꎬ液位高度Ｈ还受超声波在液体中的声速ｖ影响ꎬ所以也要考虑对声速的计算ꎮ超声波在液体中的声速主要受液体的温度影响ꎮ以水为例ꎬ超声波声速ｖ与温度Ｔ的关系为式(２)[１１]ꎬ所以通过对温度的测量可以得到超声波声速ꎮｖ＝１５７－０.０２４５ˑ(７４－Ｔ)２(２)２㊀系统构建与实现２.１㊀系统整体设计系统整体框图如图１所示ꎮ液位测量的工作过程如下ꎮ首先将超声波换能器置于容器底部ꎮ接着利用控制器ＳＴＭ３２产生与换能器中心频率相同的脉冲宽度调制(ｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈｍｏｄｕｌａｔｉｏｎꎬＰＷＭ)ꎬ经过发射电路的升压处理后驱动换能器产生超声波ꎮ然后通过超声波接收电路对回波信号进行限幅㊁滤波㊁对数放大ꎮ由控制器进行Ａ/Ｄ采样ꎬ最后经过数据处理测得渡越时间和液位值ꎮ图１㊀系统整体框图Ｆｉｇ.１㊀Ｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ２.２㊀硬件电路设计２.２.１㊀电源模块系统采用２４Ｖ电源ꎬ其可以为变压器提供一个较高的初级电压ꎮ初级电压经过ＬＭ２９３６电压转换芯片转换成５Ｖ电压ꎬ进而可以为滤波电路㊁对数放大电路等供电ꎮ５Ｖ电压再经过ＬＭ１１１７电压转换芯片转换为３.３Ｖ电压ꎬ主要为ＳＴＭ３２和串口芯片供电ꎮ２.２.２㊀超声波发射电路超声波发射电路如图２所示ꎮ利用ＳＴＭ３２发出的ＰＷＭ脉冲波ꎬ控制快速导通型场效应管的通断ꎮ当ＰＷＭ为低电平时ꎬ场效应管不导通ꎬ电源给电容充电ꎻ而当ＰＷＭ变为高电平后ꎬ场效应管快速导通ꎬ变压器初级产生２４Ｖ的压降ꎬ变压器次级产生２００Ｖ的压降ꎮ高压脉冲信号如图３所示ꎮ通过ＰＷＭ脉冲的高低电平变化ꎬ形成２ＭＨｚ的高压脉冲信号ꎮ图２㊀超声波发射电路Ｆｉｇ.２㊀Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｅｍｉｓｓｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔ图３㊀高压脉冲信号Ｆｉｇ.３㊀Ｈｉｇｈ￣ｖｏｌｔａｇｅｐｕｌｓｅｓｉｇｎａｌ２.２.３㊀超声波接收电路超声波接收电路由限幅电路㊁带通滤波电路㊁对数放大电路㊁比例放大电路㊁控制器的Ａ/Ｄ转换器组成ꎮ因为发射的高压脉冲信号和回波信号都要经过接收电路ꎬ为防止高压信号对接收电路造成伤害ꎬ需进行限幅电路的设计ꎮ限幅电路如图４所示ꎮ经过限幅电路处理后ꎬ可以将原有的高压信号转变为ʃ７００ｍＶ以７５自㊀动㊀化㊀仪㊀表第３９卷内的低压信号ꎮ图４㊀限幅电路Ｆｉｇ.４㊀Ｌｉｍｉｔｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔ为消除余波与外界的干扰信号ꎬ设计了中心频率为２ＭＨｚ的有源带通滤波电路ꎮ带通滤波电路如图５所示ꎮ带通滤波电路的中心频率为２.０４ＭＨｚꎮ图５㊀带通滤波电路Ｆｉｇ.５㊀Ｂａｎｄ￣ｐａｓｓｆｉｌｔｅｒｃｉｒｃｕｉｔ带通滤波前后对比图如图６所示ꎮ由图６可以看出ꎬ经过带通滤波处理ꎬ可以大幅消除余波和外界干扰信号ꎮ图６㊀带通滤波前后对比图Ｆｉｇ.６㊀Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｂｅｔｗｅｅｎｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｂａｎｄ￣ｐａｓｓｆｉｌｔｅｒｉｎｇ带通滤波之后的信号为２ＭＨｚ的脉冲信号ꎬ这对控制器进行Ａ/Ｄ转换具有很大的挑战ꎬ所以采用对数放大将脉冲信号转换为更易采样的低频信号ꎬ对数放大芯片采用高稳定度㊁低功耗的高速电压输出型Ａ/Ｄ８３１０ꎮ对数放大后图像如图７所示ꎮ图７㊀对数放大后图像Ｆｉｇ.７㊀Ｉｍａｇｅａｆｔｅｒｔｈｅｌｏｇａｒｉｔｈｍｉｃａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ经过对数放大后信号输入到ＳＴＭ３２的Ａ/Ｄ引脚ꎬ并利用其直接内存访问(ｄｉｒｅｃｔｍｅｍｏｒｙａｃｃｅｓｓꎬＤＭＡ)功能进行数据采集ꎮＤＭＡ具有速度快㊁不占用ＣＰＵ等优点ꎬ可以实现每０.７１μｓ采集一个值ꎬ并与一个数据存储单元对应ꎬ直接将数据存储到数组中ꎮ只要设置１５００次连续采样ꎬ便可以采集到１０６５μｓ的数据ꎮ再通过对数组进行分析ꎬ便可以找到回波的起始点ꎮ２.２.４㊀其他模块为了得到更准确的声速值ꎬ设计了测温电路ꎬ用以得到更准确的声速值ꎮ数据通信采用的是ＲＳ￣２３２串口ꎬ可以将采集到的温度值及计算后得到的液位值通过串口传输到上位机ꎮ２.３㊀软件设计系统主程序流程如图８所示ꎮ图８㊀主程序流程图Ｆｉｇ.８㊀Ｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｍａｉｎｐｒｏｇｒａｍ８５第１１期㊀高精度超声波液位测量系统设计㊀李㊀泽ꎬ等软件设计包括主程序设计㊁发射ＰＷＭ子程序㊁Ａ/Ｄ采样子程序㊁串口通信子程序ꎮ主程序流程为如下ꎮ首先进行系统初始化ꎬ然后对所使用参数进行初始化赋值ꎮ在有按键按下后ꎬ发射１０~２０个２ＭＨｚ的ＰＷＭ波ꎻ在发射完成后ꎬ通过ＤＭＡ进行Ａ/Ｄ采样ꎬ采集１５００个点的值ꎮ接下来对采到的值进行分析ꎬ找到回波信号的初始段ꎬ可以得到渡越时间ｔꎮ然后进行温度值采样ꎬ根据温度值计算出超声波的声速ｖꎮ通过声速与渡越时间得出本次测量的液位高度ꎮ循环５次测量后ꎬ去掉液位值的最小值ꎬ其他三次值取平均得到最终液位值ꎮ通过串口将液位值传输到上位机ꎬ完成一次测量ꎮ３㊀试验结果以水为待测液体进行试验ꎬ经过多次试验测量不同高度下的液位值ꎬ试验数据与误差对照分别如表１和图９所示ꎮ在７０ｃｍ的测量范围内ꎬ测得液位的误差小于１ｍｍꎬ实现了高精度液位测量ꎮ表１㊀试验数据Ｔａｂ.１㊀Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａ实际液位/ｃｍ测得液位/ｃｍ液位误差/ｃｍ５０５０.３０.３１００９９.８－０.２１５０１５０.１０.１２００２００.３０.３２５０２４９.７－０.３３００３００.３０.３３５０３５０.４０.４４００４００.８０.８４５０４４９.５－０.５５００４９９.５－０.５５５０５５０.３０.３６００５９９.４－０.６６５０６５０.７０.７７００７００.２０.２图９㊀液位与误差对比图Ｆｉｇ.９㊀Ｌｉｑｕｉｄｌｅｖｅｌｖｓ.ｅｒｒｏｒ４㊀结束语本文设计了可应用于密闭容器的超声波液位检测系统ꎮ通过系统硬件和软件设计ꎬ不但实现了对液位的非接触性测量ꎬ还实现了液位的精确测量ꎮ系统可应用于易挥发㊁强腐蚀㊁有毒液体等特殊液位检测环境ꎮ参考文献:[１]朱顶峰ꎬ梁楚华ꎬ易挺.雷达液位计在石化工业的应用[Ｊ].自动化仪表ꎬ２００９ꎬ３０(１２):１２￣１４.[２]赵明ꎬ汤晓君ꎬ张徐梁ꎬ等.基于ＣＡＶ４４４的电容式液位传感器设计与优化[Ｊ].仪表技术与传感器ꎬ２０１５(１):７￣９. [３]伍艮常.磁致伸缩式液位传感器[Ｊ].仪表技术与传感器ꎬ２００７(１２):９￣１１.[４]谢建.超声液位测量仪的研究[Ｊ].自动化仪表ꎬ２００２ꎬ２３(２):１２￣１５. [５]贾保峰.改进型雷达液位计在槽体液位测量中的应用[Ｊ].自动化仪表ꎬ２０１７ꎬ３８(１１):５９￣６１.[６]郭建甲ꎬ范新南ꎬ朱昌平ꎬ等.网络化智能液位仪设计[Ｊ].化工自动化及仪表ꎬ２００７ꎬ３４(５):６８￣７０.[７]刘赟ꎬ王波ꎬ刘智超.一种基于超声测距技术的超声液位仪设计[Ｊ].传感器与微系统ꎬ２０１４ꎬ３３(９):９１￣９３.[８]张记龙ꎬ陕云凌.密闭容器非接触式超声波液位测量仪的研究[Ｊ].压电与声光ꎬ２００９ꎬ３１(３):３６６￣３６９.[９]李勇ꎬ何耀欣ꎬ李刚.复杂内筒的超声波液量检测仪设计[Ｊ].仪表技术与传感器ꎬ２０１６(９):３３￣３６.[１０]ＺＨＡＮＧＭꎬＬＩＳ.Ａｍｅｔｈｏｄｏｆｔｈｅｕｎｔｏｕｃｈｅｄｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｌｉｑｕｉｄｌｅｖｅｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｗｉｔｈｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎ[Ｃ]//ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＣｏｍｐｕｔｅｒＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄＳｙｓｔｅｍＭｏｄｅｌｉｎｇꎬＩＥＥＥꎬ２０１０:１４４￣１４７. [１１]万升云.超声波检测技术及应用[Ｍ].北京:机械工业出版社ꎬ２０１７:１５.９５。
超声波液位测量及显示系统
&
显示"便于监控$
一设计原理
' 一( 液位测量原理
超声波 发 射 器 向 某 一 方 向 发 射 超 声
波"在发射的同时开始计时"超声波在空气
中传播"途中碰到障碍物就立即返回来"超
声波接收 器 收 到 发 射 波 就 立 即 停 止 计 时$
假设超声波在空气中的传播速度为 X"根据 图 $ 液位检测原理图
图 ( 超生波液灌水位检测系统界面图
图 3 实物调试图 利用本测量系统测量了一些液位"测试样本为 9% 个"测试 中超声波测量与实际测量相对误差范围在 $&%` G(&%`之间" 可以说明该测量系统比较精确$ 三总结与分析 %$& 本设计利用超声波方向性强#能量易于集中#能在各种 不同媒质中传播"且可传播足够远的距离的特点$ 由于是超声 波测量"避免了电子测量的电干扰起火等问题"并且能达到足 够的精确度"最大测距可达 $9 米$ %)& 本产品做工简单"主要器材就是超声波 传 感 器 和 计 算 机"工程量小"造价低廉"适合批量生产$ %(&本产品易于操作和设置"用户界面简单明了$ 通过上 位机显示"实时显示"显示直观方便"便于监控"本设计主要用 于监控水塔的深度和油罐车液位"扩展后可应用于油箱#输油 管等测量液位的领域$ 参考文献 $$% 曹建海"路长厚"韩旭东&基于单片机的超声波液位测 量系统$ V% &仪表技术与传感器")%%3"'$( )('23%& $)% 乔瑞萍&IW\]#L: a[YLXSYP[-SJYWNO/,WT6Y[bYW==/-b 7WcSLW>PW-c Hd- 电子工业出版社")%%B&0)012B1& 作者简介田文秀'$'B)2( "男"湖北蕲春人"硕士"讲师"湖 北大学知行学院大学物理主讲教师#
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黄河科技学院本科毕业设计任务书
信息工程学院电子与通信工程系电子信息工程专业级班学号学生指导教师王二萍
毕业设计题目超声波液位测量系统的设计
毕业设计工作内容与基本要求
一、背景和意义
液位控制问题是工业过程中的一类常见问题，目前国内在液位自动控制方面缺少长期可靠的使用范例，还没有适用于液位测量和自动控制的定型产品。
因此研究出一种超声波液位传感器很有必要。
传统的液位测量绝大多数都是人工控制，造成了人力资源的浪费，同时安全性可靠性都不高，采用单片机实现液位测量即可避免这种情况的发生。
二、目标和任务
本设计目标是针对现有液位传感器的不足，开发一种大量程、精度高、带有标准工业控制输出接口的超声波液位传感器，建议采用单片机作为超声液位传感器的控制核心，能够简化控制电路设计；采用单一换能器进行超声波的发射和接收以降低装置成本；采用多级二阶有源滤波器以提高信噪比，进而能较大限度地提高对微弱回波信号的放大倍数。
最后根据设计原理图焊接、调试。
三、途径和方法
1.从网络上查阅此领域最新研究成果，并查阅相关理论知识，利用单片机控制技术的相关知识整理出硬件设计方案；
2.在已搭建的硬件的基础上构思软件流程，给出程序；
3.软硬件联调。
四、主要参考资料
[1] 白宗文，刘生春，白洁.基于单片机的超声波测控液位系统的设计[J].电子设计工程,2011（18）:33～36．
[2] 么启等. 基于DSP的超声波明渠液位测量系统[J].电子设计工程,2011（21）:142～145．
[3]房小翠、熊光洁、聂学俊等，单片微型计算机与机电接口技术[M]．北京；
国防工业出版社，2002．
[4]王质朴，吕运朋，MCS-51单片机原理、接口及应用[M]．北京：北京理工大学出版社,2009.
[5] 杨素行等.模拟电子技术基础简明教程[M].北京：高等教育出版社,2001.
[6] 闫石.数字电子技术基础[M].第三版.北京: 高等教育出版社,1989.
毕业设计时间：2013 年 2 月10 日至2013 年 5 月25 日
计划答辩时间：2013 年 5 月22 日
工作任务与工作量要求：原则上查阅文献资料不少于12篇，其中外文资料不少于2篇；文献综述不少于3000字；文献翻译不少于3000字，理工科类论文或设计说明书不少于8000字（同时提交有关图纸和附件），提交相关图纸、实验报告、调研报告、译文等其它形式的成果。
毕业设计说明书撰写规范及有关要求，请查阅《黄河科技学院本科毕业设计（论文）指导手册》。
专业（教研室）审批意见
审批人签名：。