基于300 kHz超聲波換能器的高精度測(cè)距裝置

王英健，張　柳

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙　410076)

0　引言

超聲波作為一種高效、準(zhǔn)確、非接觸式檢測(cè)手段，被廣泛應(yīng)用于測(cè)距、測(cè)速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等領(lǐng)域。在化工、石油、冶金、電力、水處理等行業(yè)中，對(duì)存儲(chǔ)在容器、儲(chǔ)罐、倉(cāng)庫內(nèi)的物料物位檢測(cè)的準(zhǔn)確性、適時(shí)性對(duì)于實(shí)現(xiàn)安全、高效的工業(yè)生產(chǎn)具有十分重要的意義。計(jì)量的準(zhǔn)確與否將對(duì)企業(yè)的成本核算、能源消耗等指標(biāo)的正確計(jì)算及可信程度產(chǎn)生影響。

常用的40 kHz超聲波測(cè)距裝置由于存在測(cè)量精度不高等問題，已難以滿足生產(chǎn)中高精度測(cè)量的需要。近年來，超聲波測(cè)距原理雖然變化不大，但由于新材料、新技術(shù)的應(yīng)用，不僅使測(cè)量精度有了大幅的提高，而且應(yīng)用范圍也大為擴(kuò)展，被認(rèn)為是目前最有前途的測(cè)量方法之一[1]。

超聲波的頻率在很大程度上影響著超聲波的傳播，其頻率越高，聲束擴(kuò)散角越小，能量越集中，方向性和分辨力也越好，但是對(duì)于同一材料來說，頻率越高，聲波衰減也越大[2]。此外，影響超聲測(cè)距精度的因素除了傳感器本身的制作工藝差別外，還與發(fā)射和接收電路的性能以及環(huán)境的溫度等誤差的修正方法有關(guān)，而關(guān)鍵是準(zhǔn)確測(cè)量超聲波傳播時(shí)間和環(huán)境溫度[3]。要實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)量的較高精度，需要仔細(xì)分析誤差成因，并有針對(duì)性地設(shè)計(jì)相關(guān)硬件電路和測(cè)量軟件，以有效排除超聲波受到的各種干擾，提高測(cè)量精度。

文中仔細(xì)分析了超聲波測(cè)距的誤差主要成因，通過合理選擇微處理器型號(hào)和超聲波換能器、合理調(diào)整接收電路放大倍數(shù)和門限電壓、對(duì)回波的脈寬進(jìn)行測(cè)量，以降低回波滯后產(chǎn)生的時(shí)間測(cè)量誤差，設(shè)計(jì)了一種超聲波測(cè)距裝置，該裝置在0～600 mm的測(cè)量范圍內(nèi)，誤差可控制在±1 mm以內(nèi)。

2　誤差成因與對(duì)策及系統(tǒng)方案

2．1誤差成因與對(duì)策

2．1．1單片機(jī)計(jì)時(shí)量化對(duì)距離測(cè)量誤差的影響

超聲波依據(jù)S=Ct/2來測(cè)量距離，其誤差主要由聲速C和時(shí)間t的測(cè)量誤差構(gòu)成。而t的測(cè)量誤差取決于單片機(jī)系統(tǒng)計(jì)時(shí)量化帶來的誤差。

ΔS=CΔt

(1)

要求誤差小于1 mm，假設(shè)C=344 m/s(20 ℃)，這時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間為：

(2)

即Δt<2.907 μs

系統(tǒng)采用MP430F235單片機(jī)，主頻為16 MHz，其計(jì)時(shí)量化單位為0．062 5 μs，遠(yuǎn)小于2．907 μs，故其產(chǎn)生的計(jì)時(shí)誤差可忽略。

2．1．2超聲波頻率對(duì)距離測(cè)量誤差的影響

目前超聲波換能器的超聲波頻率一般有40 kHz、100 kHz、200 kHz和300 kHz等幾種規(guī)格。超聲波測(cè)距采用組波發(fā)送形式，即一次發(fā)送10個(gè)周期左右的完整波形，然后進(jìn)入接受回波狀態(tài)。接收通道一般都有放大器和比較器。超聲波回聲會(huì)隨距離增大而衰減。其波形如圖1所示。

圖1　超聲波回波波幅衰減圖

經(jīng)設(shè)有門限的比較器處理后的波形圖如圖2所示。

圖2　經(jīng)比較器整形后波形

從圖2可以看出隨著距離的增加，接收脈沖的寬度變窄，前沿后移，造成時(shí)間測(cè)量誤差。整形后的波形由若干個(gè)超聲波周期構(gòu)成，前沿后移意味著超聲波回波測(cè)量時(shí)間延后。如果采用40 kHz超聲波，丟失一個(gè)超聲波周期最大可能滯后25 μs，這將造成最大8．6 mm的誤差；如果采用300 kHz的超聲波，丟失一個(gè)超聲波周期最大可能滯后3．3 μs，將造成最大1．1 mm的誤差，要比40 kHz超聲波小很多，但如若不采取適當(dāng)措施，誤差仍不滿足要求，因此，即使采用300 MHz，仍要采取措施來降低時(shí)間測(cè)量的誤差。為減少波形前沿延后產(chǎn)生的誤差，有人采用自動(dòng)增益的方式，將整形后的脈沖調(diào)成等寬度，但電路較復(fù)雜，增益控制難以準(zhǔn)確，誤差不能徹底消除。還有多種滯后時(shí)間估算方法，但要檢測(cè)的參數(shù)多，增加電路復(fù)雜性，多種參數(shù)測(cè)量還會(huì)帶來新的誤差。故設(shè)計(jì)不采以上現(xiàn)有方式，而采用3種方式的組合來減少時(shí)間測(cè)量誤差：(1)盡可能增大接收回路放大倍數(shù)，使正弦波的前沿變陡峭，從而使整形后的脈沖前沿提前；(2)適當(dāng)調(diào)整比較器門限電壓，降低門限電壓可使整形后的脈沖前沿提前，但要兼顧噪聲抑制；(3)在進(jìn)行前述處理的基礎(chǔ)上，文中提出一種按回波脈寬計(jì)算滯后時(shí)間的方法，測(cè)量電路和計(jì)算都很簡(jiǎn)單，基本可以消除時(shí)間滯后誤差。該方法原理如下：

圖3中的虛線是發(fā)送的超聲波周期，實(shí)線是回波寬度。圖4表示發(fā)送波和回波前沿的相位關(guān)系。

圖3　超聲波回波波幅衰減圖

圖4　發(fā)送波形與回波關(guān)系圖

式中：T為發(fā)送的300 kHz超聲波波族周期：

T1為測(cè)得的回波脈沖寬度；Δt為滯后時(shí)間。

顯然有

(3)

(4)

計(jì)算實(shí)例：表1是對(duì)于不同距離，不同回波寬度，應(yīng)用式(4)計(jì)算的結(jié)果。其中S1為無補(bǔ)償時(shí)的距離值，S2為補(bǔ)償后的計(jì)算值。

表1　補(bǔ)償計(jì)算表

可見距離越遠(yuǎn)，回波脈沖越窄，時(shí)間滯后越多，補(bǔ)償量越大。

2．1．3接收電路增益對(duì)距離測(cè)量誤差的影響

接收電路增益越大，門限越低，波形超聲波滯后越少。但是電路增益大，門限低，易引入干擾信號(hào)，造成更嚴(yán)重的誤差。為此要根據(jù)系統(tǒng)噪聲情況精心設(shè)置電路增益和門限電壓值，使電路的增益盡可能大，門限盡可能低，但又不出現(xiàn)嚴(yán)重噪聲。

2．1．4溫度對(duì)距離測(cè)量誤差的影響

超聲波傳播的介質(zhì)溫度對(duì)傳播速度有較大影響。一般經(jīng)驗(yàn)公式為：

cs=331.5+0.607T(m/s)

(5)

式中T為攝氏度，℃．

將式(5)代入超聲波距離公式，對(duì)溫度求導(dǎo)后有：

ΔS=0.335tΔT

(6)

此式表示溫度檢測(cè)分辨率與距離檢測(cè)絕對(duì)誤差之間的關(guān)系。

在600 mm測(cè)量范圍內(nèi)測(cè)得的聲波傳播時(shí)間不大于2 ms，系統(tǒng)采用的DS18B20數(shù)字溫度集成電路的最高分辨率為0．062 5 ℃．代入可知，由溫度測(cè)量誤差帶來的距離最大誤差為0．0419 mm，故用DS18B20進(jìn)行溫度檢測(cè)完全可以滿足精度要求。

2．2超聲波測(cè)距方案

該設(shè)計(jì)以單片機(jī)為主控制器，通過軟件實(shí)現(xiàn)300 kHz超聲波信號(hào)的產(chǎn)生，經(jīng)驅(qū)動(dòng)放大給換能器提供超聲波發(fā)射信號(hào)。同時(shí)單片機(jī)啟動(dòng)計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，超聲波信號(hào)遇到障礙物后反射回來被同一換能器接收，經(jīng)過放大、濾波、整形后觸發(fā)單片機(jī)關(guān)閉計(jì)時(shí)器。再根據(jù)超聲波測(cè)距原理，調(diào)用測(cè)試子程序，計(jì)算距離。超聲波液位測(cè)量系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　硬件結(jié)構(gòu)框圖

3　系統(tǒng)各部分硬件設(shè)計(jì)

3．1微處理器選型與電路設(shè)計(jì)

微處理器的選擇直接決定了系統(tǒng)的性能。MSP430F235單片機(jī)內(nèi)部集成了超低功耗閃存、高性能模擬電路和16位精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)(RISC)CPU．指令周期可達(dá)125 ns；工作電壓為1．8～3．6 V，電流消耗很低，活動(dòng)模式下，電流消耗330 μA，低功耗工作模式時(shí)，電流消耗可低至0．2 μA．片內(nèi)資源豐富，含多個(gè)16位定時(shí)器，12位A/D轉(zhuǎn)換器，通過軟件可以選擇片上通用I/O口中斷功能的觸發(fā)方式，支持匯編語言和C語言編程。設(shè)計(jì)中采用MSP430F235單片機(jī)的16 MHz鐘頻，可提高系統(tǒng)計(jì)時(shí)精度。

3．2超聲波傳感器選型與發(fā)射電路設(shè)計(jì)

為了追求安裝的方便與更小體積，設(shè)計(jì)采用FUS300收發(fā)一體的壓電式超聲波探頭，中心頻率為300 kHz．

超聲波發(fā)射電路包括超聲波產(chǎn)生電路和超聲波發(fā)射電路兩個(gè)部分。設(shè)計(jì)選用軟件發(fā)生法產(chǎn)生300 kHz超聲波，通過輸出腳引入至驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)器后推動(dòng)換能器發(fā)射超聲波。相對(duì)于硬件發(fā)生法，這種方法的特點(diǎn)是充分利用軟件，靈活性好，但需要設(shè)計(jì)一個(gè)驅(qū)動(dòng)電流100 mA以上的驅(qū)動(dòng)電路。

驅(qū)動(dòng)電路采用推挽輸出方案，剔除了笨重的輸出變壓器，可滿足40 V/100 mA以上的驅(qū)動(dòng)要求。

圖6為超聲波輸出實(shí)測(cè)波形。

圖6　300 kHz超聲波輸出波形

3．3超聲波接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)電路的要求，接收電路必須滿足要求：微弱信號(hào)放大，放大倍數(shù)要求可將mV級(jí)電壓放大到10 V級(jí)電壓；波形整形；產(chǎn)生單片機(jī)定時(shí)/計(jì)數(shù)器的啟停控制信號(hào)。

設(shè)計(jì)的接收電路由6部分組成，電路組成如圖7所示。第一部分為采用兩級(jí)運(yùn)算放大器組成的前置放大電路，將接收到的微弱信號(hào)放大至后續(xù)電路可以檢測(cè)到的范圍；第二部分是濾波電路，對(duì)信號(hào)中非300 kHz的噪聲信號(hào)進(jìn)行濾除，所采用的濾波器的中心頻率計(jì)算公式為：

(7)

圖7　接收電路結(jié)構(gòu)圖

第三部分為輸出放大級(jí)；第四部分為限幅比較電路，可將接收到的強(qiáng)弱不一的信號(hào)轉(zhuǎn)換成幅度一致的信號(hào)，采用電壓比較器LMV331將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，輸出至JK觸發(fā)器的K端；第五部分中JK觸發(fā)器的輸出Q送入單片機(jī)計(jì)時(shí)器，作為定時(shí)器捕捉時(shí)間的觸發(fā)信號(hào)。第六部分為回波脈寬檢測(cè)電路，將300 kHz脈沖群轉(zhuǎn)換成方波以控制單片機(jī)定時(shí)/計(jì)數(shù)器的啟停。

3．4回波信號(hào)寬度檢測(cè)電路

電路將300 kHz脈沖群轉(zhuǎn)換成方波以控制單片機(jī)定時(shí)/計(jì)數(shù)器的啟停。電路采用AD650 V/F轉(zhuǎn)換芯片組成F/V轉(zhuǎn)換器。該芯片具有以下特點(diǎn)：

(1)工作頻率高，V/F變換工作頻率可達(dá)1 MHz；

(2)非常低的非線性度；

(3)輸入電壓范圍大，輸出方式靈活；

(4)既可做V/F 變換，又可做F/V變換；

(5)容易與標(biāo)準(zhǔn)邏輯電路或光電耦合器接口。

測(cè)量電路如圖8所示。

圖8　接收電路結(jié)構(gòu)圖

4　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4．1程序設(shè)計(jì)思想及測(cè)距裝置工作原理

為了精確測(cè)距，該軟件要完成的工作：(1)產(chǎn)生300 kHz超聲波；測(cè)量超聲波的傳輸時(shí)間t；(2)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)溫度計(jì)算超聲波的傳輸速度c；(3)為了進(jìn)行溫度補(bǔ)償需要對(duì)溫度進(jìn)行精確測(cè)量；(4)文中采用了測(cè)量回波脈寬的方法來估算回波滯后時(shí)間，還要對(duì)回波脈寬T1進(jìn)行測(cè)量。(5)上傳、存貯和顯示數(shù)據(jù)。該裝置300 kHz的脈沖串由軟件產(chǎn)生；對(duì)超聲波的傳輸時(shí)間t的測(cè)量及回波脈沖寬度的測(cè)量采用單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器完成；溫度測(cè)量采用DS18B20完成。軟件的工作就是對(duì)各個(gè)模塊的工作進(jìn)行協(xié)調(diào)。

超聲波液位測(cè)量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊、測(cè)溫模塊、通訊模塊組成。軟件設(shè)計(jì)的總體框圖如圖9所示。

圖9　軟件設(shè)計(jì)總體框圖

4．2主程序流程

主程序流程如圖10所示。

主控器首先測(cè)量當(dāng)前溫度，接著發(fā)送超聲波，在發(fā)出超聲波的同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)/計(jì)數(shù)器1工作；當(dāng)超聲波探頭接收到回波信號(hào)時(shí)停止計(jì)時(shí)；由此得出超聲波的來回傳輸時(shí)間t；當(dāng)回波前沿到達(dá)時(shí)，啟動(dòng)定時(shí)/計(jì)數(shù)器2，后沿到達(dá)時(shí)停止計(jì)數(shù)器2，以測(cè)定回波脈寬T1．按經(jīng)驗(yàn)公式(5)算出聲速C，按式(4)計(jì)算距離S，存儲(chǔ)顯示數(shù)據(jù)。并經(jīng)RS-485接口將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)處理、存儲(chǔ)或顯示結(jié)果。

圖10　主程序流程圖

5　系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)及結(jié)論

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該裝置發(fā)送和接收性能良好，接收信號(hào)經(jīng)過整形后，波形整齊。當(dāng)距離變化時(shí)，接收的方波隨之移動(dòng)。收發(fā)波形見圖11。

圖11　收發(fā)波形圖

文中對(duì)反射面為玻璃、水、柴油、機(jī)油和瀝青的距離進(jìn)行了密集測(cè)量。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明裝置能穩(wěn)定工作，對(duì)以上物質(zhì)形成的反射，距離測(cè)量誤差均能控制在±1 mm以內(nèi)。

目前該裝置可測(cè)距離范圍為0～600 mm．可通過兩個(gè)途徑拓展測(cè)量距離：(1)加強(qiáng)超聲波發(fā)射功率；(2)增加發(fā)送周期。

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