超聲波傳感器在沙子料位檢測(cè)中的應(yīng)用*

曲春英, 卞 之

(海南師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院 自動(dòng)化系, 海南 ?？?571158)

0 引 言

在工程建筑行業(yè),如果混凝土質(zhì)量不過關(guān)，會(huì)存在重大的安全隱患。因此,在生產(chǎn)混凝土?xí)r，混凝土各組成物料的精確計(jì)量是混凝土質(zhì)量的基本保證，為此,《GB 10172—1988混凝土攪拌站(樓)技術(shù)條件》對(duì)生產(chǎn)混凝土的攪拌設(shè)備規(guī)定了具體的計(jì)量精度要求[1]。而沙子是混凝土各組成物料之一，不言而喻，沙子的精確計(jì)量是保證混凝土質(zhì)量的重要因素。

目前,砂石料的計(jì)量方式大都是稱量式，此方法由于沙子含水量等問題，計(jì)量誤差較大，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重[2]。而超聲波系統(tǒng)具有精度高、惡劣環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、設(shè)備輕便、安裝與調(diào)試簡單,易于讀數(shù)和測(cè)量時(shí)不與被測(cè)介質(zhì)直接接觸等特點(diǎn)[3]。僅在物位測(cè)量方面，在多種物料中獲得成功應(yīng)用，例如：煤倉煤位監(jiān)測(cè)和液位檢測(cè)。

本文提出了一種新的容積法，即將超聲波傳感技術(shù)應(yīng)用到混凝土攪拌設(shè)備中，對(duì)沙子料位進(jìn)行連續(xù)計(jì)量，進(jìn)而得出沙子的用量。

1 超聲波測(cè)量沙子料位的理論依據(jù)

超聲波測(cè)距有時(shí)間差法、相位法等，由于時(shí)間差法成本低、實(shí)現(xiàn)簡單、應(yīng)用的測(cè)距范圍大，故本文選用該法。見圖1，即將超聲波發(fā)射端和接收端同時(shí)裝在盛沙料斗頂部，發(fā)射端發(fā)出超聲脈沖，遇到沙子界面反射回來,電子單元計(jì)算發(fā)射端發(fā)出信號(hào)和接收端收到信號(hào)的時(shí)間差t,得沙子界面到料斗頂部距離h=vt/2，進(jìn)而得到料位L=H-h，其中,v為超聲波在空氣中的傳播速度[4]，L為料位高度，H為料斗高度 。

圖1 超聲波測(cè)料位示意圖

2 提高整體精度關(guān)鍵

2.1 溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)

溫度是影響超聲波測(cè)量誤差的一個(gè)主要原因，在空氣中超聲波傳播速度因溫度不同而不同，所以,在設(shè)計(jì)中需要溫度傳感器測(cè)出料斗上方環(huán)境溫度，進(jìn)行聲速補(bǔ)償。

經(jīng)查資料，超聲波聲速與溫度的關(guān)系v=331.45+0.607T(m/s)，其中，v為補(bǔ)償后的聲速，T為料斗環(huán)境溫度,℃[5]。

另外考慮到在實(shí)際應(yīng)用中有時(shí)料斗較大，測(cè)量距離也較大，難于測(cè)量溫度分布，此時(shí)可加裝自動(dòng)校準(zhǔn)裝置。需要注意校準(zhǔn)裝置的適當(dāng)安裝，避免校準(zhǔn)回波和主回波混迭[6]。

2.2 自動(dòng)增大回波幅值

雖然此系統(tǒng)用于料斗出料時(shí)測(cè)量沙子用量多少，可以避免超聲波傳感器受到測(cè)量方向上的阻礙物、測(cè)量介質(zhì)堆積形狀等的影響。但沙子界面凸凹不平，極為粗糙，反射波信號(hào)微弱，另外,遠(yuǎn)距離測(cè)量時(shí)回波也會(huì)減弱[7]。所以,在這里采用了自動(dòng)增益控制電路，使接收回波的幅值基本保持不變，再通過整形電路輸出，以提高測(cè)量精度[8]。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

采用臺(tái)灣華邦公司生產(chǎn)的高速單片機(jī)W77E58測(cè)量超聲波的傳播時(shí)間,測(cè)量分辨率為0.1 μs。環(huán)境溫度20 ℃時(shí)超聲波速度為343.6 m/s,1 mm距離的傳播時(shí)間為2. 91 μs。因此,采用W77E58計(jì)時(shí),完全可以保證1 mm的測(cè)量精度。測(cè)量沙子料位下位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)見圖2。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

3.1 超聲波發(fā)射與接收模塊

超聲波換能器種類繁多，有的要求被測(cè)物表面光滑、平整，有的盲區(qū)大，精度不高；綜合考慮采用T/R40—16型收發(fā)分體式壓電陶瓷超聲波傳感器，其工作電壓是5 V,正常工作時(shí)電流為30 mA,最大電流是50 mA[9]。輸入觸發(fā)信號(hào)最小為10 μs TTL電平脈沖；回波信號(hào)為TTL電平正脈沖,脈寬與距離呈比例。它的聲壓能級(jí)、靈敏度在40 kHz時(shí)最大，測(cè)量距離2 cm～3 m，W77E58通過P1.0和P3.2控制T/R40—16。在TRIGGER引腳給T/R40—16一觸發(fā)信號(hào)后,它將發(fā)射超聲波。當(dāng)超聲波投射到物體而反射回來時(shí),ECHO引腳輸出一返回信號(hào),給單片機(jī)一個(gè)中斷，單片機(jī)開始讀取測(cè)時(shí)時(shí)間，之后完成距離的計(jì)算。

3.2 測(cè)溫模塊

溫度測(cè)量使用Dallas公司的數(shù)字型單總線溫度傳感器DS18B20設(shè)計(jì),其占用單片機(jī)的資源少,讀寫操作方便。DS18B20測(cè)量范圍是-55～+125 ℃,在-10～+85 ℃間,測(cè)量精度達(dá)±0.5 ℃,而在整個(gè)溫度測(cè)量范圍內(nèi)具有±2 ℃的測(cè)量精度[10],最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為200 ms[11]。DS18B20采用+5 V電源供電,其數(shù)據(jù)總線DQ直接與W77E58的P3.1引腳相連。

3.3 自動(dòng)增益控制模塊

自動(dòng)增益控制電路由放大器AD620，數(shù)字電位器MCP41100，通過單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)增益可調(diào)，見圖3。

圖3 自動(dòng)增益控制電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主程序是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，通過調(diào)用模塊子程序來驅(qū)動(dòng)各個(gè)模塊的硬件電路正常工作，以此來達(dá)到實(shí)時(shí)測(cè)量顯示沙子料位的功能。實(shí)際中通過計(jì)算可以顯示沙子用量多少，并加以控制。主程序流程圖見圖4，其中自動(dòng)增益電路的軟件實(shí)現(xiàn)采用逐步逼近的方法[12,13]。

圖4 系統(tǒng)主程序流程圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)室用了一個(gè)形狀規(guī)則的圓筒作為模擬料斗進(jìn)行多次測(cè)量，隨著料斗不斷地出料，顯示器顯示出了不同料位。

為了盡可能地減少測(cè)量誤差，安裝時(shí)傳感器盡可能地與地面平行，且安裝高度不能過低；為減小超聲波旁瓣的影響，超聲波傳感器的2個(gè)探頭之間的距離要大于3 cm，實(shí)驗(yàn)時(shí)距離為5 cm。在室溫25 ℃的情況下，測(cè)量超聲波探頭到料面距離h數(shù)據(jù)見表1。

表1 超聲波探頭到料面距離h數(shù)據(jù)與誤差

通過實(shí)驗(yàn)可得，此系統(tǒng)測(cè)得距離h精度達(dá)到1 mm，且重復(fù)性好。20 mm以內(nèi)為測(cè)量盲區(qū)，相對(duì)較小。

顯然，料位高度L乘以料斗有效面積S得到沙子的體積V，沙子的體積乘以沙子的密度即得到料斗內(nèi)沙子質(zhì)量G。所以，既可以通過計(jì)算機(jī)監(jiān)控料斗內(nèi)沙量剩余多少，也可以通過計(jì)算監(jiān)控沙子用料多少，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各種場(chǎng)合中沙子的精確配比。

6 結(jié)束語

1)本文設(shè)計(jì)了一基于超聲波傳感器的測(cè)距系統(tǒng),用于沙子料位的連續(xù)測(cè)量；采用了高速單片機(jī)自動(dòng)增益電路。經(jīng)過測(cè)試，系統(tǒng)精度較高，測(cè)量誤差達(dá)到了mm級(jí)。該系統(tǒng)還可與上位機(jī)進(jìn)行通信，擴(kuò)展成具有存貯、打印輸出、越位報(bào)警等各種功能。

2)此料位測(cè)量系統(tǒng)適用于大多數(shù)固體料位，如水泥和谷類等極干燥和多塵的材料,甚至動(dòng)態(tài)條件下的料位測(cè)量。

3)為進(jìn)一步提高精度，應(yīng)考慮環(huán)境的濕度，因?yàn)槌暡ㄔ谝后w和固體中的傳播速度更快；同時(shí)還應(yīng)考慮基準(zhǔn)誤差，實(shí)際測(cè)量距離應(yīng)當(dāng)是壓電晶片到障礙物之間的距離,由于壓電晶片在探頭內(nèi)部,導(dǎo)致了基準(zhǔn)的誤差[14]。

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