超声波液位传感器设计

超声波液位传感器设计

技术指标：

量程：1.25m

精度：3mm

分辨率：0.5mm

声束宽度：5cm

死区: 5cm

供电电压：24vdc(环路)

温度补偿：全量程自动环绕

阻抗：400ohms@24vdc

信号输出：DX10:0-5V,0-10V, DL10:4~20mA

标定：WebCal PC

软件，USB标定

失效诊断：4 mA,20 mA,21 mA,22mA，或者保持当时数据

过程温度：－20℃to 60℃

压力：大气压

第一章设计方案

本系统采用静态方法实现LED数字显示，超声波发送和接收由单片机完成，且单片机的记时器记录从超声波发射到接收过程的时间，经计算送LED显示另外，本设计还拥有与计算机的通讯功能，如串口通讯，JTAG通讯。并且当液面达到设定位置，能够报警。

1.敏感元件———超声波探头

超声波探头是发射和接收超声波的仪器。本系统超声波发射探头采用T40-16，超声波接收探头采用R40-16，外形如图所示

采用收发分体式超声波探头，有以下优点：发射角小，发射距离远，而且余震对接收探头的影响小，降低了调试的复杂性，提高了系统安装的灵活性，减小了盲区，同时提高了检测距离。

2.压电式超声波传感器结构

压电式超声波传感器主要由超声波发射器(或称发射探头)和超声波接收器

(或称接收探头)两部分组成。压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐

振来工作的。超声波发生器内部结构如图2.1所示，将两个压电元件粘合在一起，称为双压电晶片(由一个压电元件构成的称单压电晶片)，这里介绍的超声

波发生器有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。

超声波发生器内部结构

3.单片机——ATMEGA128是MEGA单片机中的高档产品，具有以下性能特点：1.高性能、低功耗的8位微处理器。

2．采用先进的精简指令系统RISC结构：

3．片内集成了大容量的非易失性的程序和数据存储器以及工作寄存器：4．JTAG接口（与IEEE1149.1标准兼容）：

5．外设性能：

6．特殊的处理器特性：

7．I/O和封装：

8．工作电压：-2.7～5.5V ATMEGA128L。-4.5～5.5V ATMEGA128。

9．速度等级：-0～8MHz ATMEGA128L。-0～16MHz ATMEGA128。

4．测量电路

(1).电源电路

(2).液位信息采集电路——超声波发射、接收电路

超声波发射电路

超声波接收电路

5．辅助电路

(1).温度测量电路：在本系统中采用DS18B20温度传感器芯片检测环境温度。

(2).系统显示电路

数码管显示电路

(3).报警电路

报警系统电路

超声波液位传感器系统硬件结构

第二章工作原理

超声波的测距原理

在超声波测距电路中，发射端得到输出一系列脉冲方波信号，脉冲宽度为发射超声波的时间间隔，被测物距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲个数与被测距离成正比。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被反射回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时，原理如图2.2所示。超声波在空气中的传播速度为C，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离L，即：

L=Ct／2 (2-5) 这就是所谓的时间渡越法。

测量误差满足公式（2-6）：

式中：

Lσ--距离误差

Cσ--声速误差

tσ--时间误差

第三章参数的技算与选择

实验结果：

测量条件：实验室温度25℃。

测试方法：选定每组测10次，数据滤波后，取平均值作为测量值。使用超声波液位传感器，实际距离和测量结果如表5.1所示。第五章液位测量实

验研究

实验结论：实际距离和测量结果误差在7mm范围内，精度在±2%范围内，能够满足设计要求。误差分析：

1.电阻电容的热噪音，电路延迟引起的渡越时间检测误差。

2.由于超声波被测液面漫反射或被旁边其它物体的漫反射，因而所测距离不是真实距离引起的误差。

因此测量时要把握好超声波传感器与被测液面的角度关系，上述误差可进行软件修正。

第四章误差分析

1..超声波测距误差分析

(1).温度误差

由于超声波的声速与温度有关，如果温度变化不大，则可认为声速基本不变。如果测量精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。本文就采用此种方法提高测量精度。声速与温度关系如表2.1所示：

在空气中，常温下超声波的传播速度是340米／秒，但其传播速度C易受空气中温度、湿度、压强等因素的影响，其中受温度的影响较大，如温度每升高1℃，声速增加约0.607米/秒。因此在测距精度要求很高的情况下，应通过温度补偿的方法对传播速度加以校正。已知现场环境温度T时，超声波传播速度C的计算可近似如公式(2-7)所示：

(2).发射接收时间对测量精度的影响分析

采用压电超声波传感器，脉冲发射由单片机控制，发射频率40KHz，忽略脉冲

电路硬件产生的延时，可知由软件生成的起始时间对于一般要求的精度是可靠的。对于接收到的回波，超声波在空气介质的传播过程中会有很大的衰减，其衰减遵循指数规律。设测量设备基准面距被测物距离为h，则空气中传播的超声波波动方程为：

式中：

A0——超声波传感器初始振幅第二章超声波测距的基本原理

α——衰减系数

χ——超声波传播距离

ω——角频率

κ——波数

式中：b——空气介质常数,2×10s/cm；f——超声波频率。

超声波的波长公式：

由公式(2-9)可以算出，当f=40KHz时，1/a=31m；f=50KHz时，1/a=20m，它的物理意义是：在1/a长度上平面声波的振幅衰减为原来的a分之一。

(3).当地声速对测量精度的影响分析

当地声速对超声波测距精度的影响远远要比收发时间的影响严重。超声波在大气中传播的速度受介质气体的温度、密度及气体分子成分的影响，即：

式中：

γ——气体定压热容与定容热容的比值，对空气为1.40

R——普通常量8.314kg/mol

T——气体温度