高精度超聲波介質(zhì)傳輸速度測(cè)試儀

羅文汐 趙家敏 廖海伶 周玲芳 張濤

摘要：為了實(shí)現(xiàn)高精度且適用于不同介質(zhì)的超聲波測(cè)速儀，該設(shè)計(jì)采用防水型超聲波探頭，以及NTC熱敏電阻搭建電橋?qū)崟r(shí)采集電壓值換算成溫度的方式進(jìn)行溫度補(bǔ)償來(lái)減小誤差。系統(tǒng)包括發(fā)射、接收、溫度采集等電路，采用熱敏電阻搭建電橋加三路采集以及冒泡排序來(lái)校準(zhǔn)溫度上的誤差，并通過(guò)數(shù)學(xué)建模和控制變量法確定管子的精確長(zhǎng)度以減小長(zhǎng)度所帶來(lái)的誤差，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了設(shè)計(jì)的有效性。

關(guān)鍵詞：超聲波;測(cè)速測(cè)距;高精度;溫度補(bǔ)償

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）30-0031-03

超聲波是一種頻率高于20k赫茲的聲波，它方向性好，穿透能力強(qiáng)，易于獲得較集中的聲能。超聲波在氣體、液體及固體中以不同的速度傳播，在水中傳播距離遠(yuǎn)。在本設(shè)計(jì)中我們實(shí)現(xiàn)了在1.7米水管中不同介質(zhì)不同溫度情況下時(shí)的速度測(cè)量，并使其測(cè)量誤差在0.1%以內(nèi);因超聲波傳播受溫度影響比較大，故在本設(shè)計(jì)中采用了溫度補(bǔ)償、硬件部分的可控性以及軟件濾波來(lái)增加測(cè)試速度及距離的精度。本設(shè)計(jì)主要可以應(yīng)用于不同介質(zhì)條件下的管道測(cè)量。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1測(cè)量原理

設(shè)計(jì)采用40KHZ方波作為發(fā)射信號(hào)，利用超聲波的反射性質(zhì)將接收到的信號(hào)反饋給單片機(jī)。根據(jù)超聲波在不同介質(zhì)中傳播速度與溫度的關(guān)系計(jì)算出不同溫度下的理論速度，從而校準(zhǔn)管長(zhǎng)，再利用公式V=sT求出不同溫度下對(duì)應(yīng)的實(shí)際速度。

1.2系統(tǒng)框圖

本設(shè)計(jì)以STC8A8K64S4A12單片機(jī)為控制芯片，主要包括溫度采集模塊、按鍵模塊、發(fā)射模塊、信號(hào)接收調(diào)理模塊及顯示模塊，總體框圖如圖1。

接收模塊將接收到的信號(hào)經(jīng)AD轉(zhuǎn)換反饋給單片機(jī)后，定時(shí)器停止計(jì)時(shí)得到t。為了減小溫度帶來(lái)的誤差，設(shè)計(jì)采用NTC熱敏電阻搭建電橋的方案，并利用

本設(shè)計(jì)R2與R1分別采用5KQ和500Ω的滑動(dòng)變阻器，滑動(dòng)R2、R1即可得到q=1/2，即輸出信號(hào)的正負(fù)向脈沖寬度相等的矩形波。

驅(qū)動(dòng)放大模塊采用變壓器驅(qū)動(dòng)發(fā)射電路，通過(guò)控制NE555芯片間斷輸出信號(hào)至三極管9013并用三極管升壓，用1：7的變壓器將信號(hào)電壓放大，接收探頭便能接收到完整的回波。

2.2超聲波接收電路

超聲波接收電路前級(jí)采用LM358芯片構(gòu)成放大器，后級(jí)由LM311比較器對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，比較電壓在LM31l的IN-管腳處，在放大器與比較器之間采用PNP型三極管（s8550）并使它保持導(dǎo)通，接收電路設(shè)計(jì)如圖3。

2.3溫度傳感模塊

為獲得更高的精度，本設(shè)計(jì)采用NTC熱敏電阻傳感器。由歐姆定律U=IR，可得電阻兩端電壓，通過(guò)分壓公式：

程序總流程如圖5所示，由按鍵模塊確定啟動(dòng)，單片機(jī)觸發(fā)NE555芯片發(fā)射40KHZ方波，同時(shí)進(jìn)行溫度采集。為了防止回波的影響，延時(shí)后不斷地檢測(cè)LM358的輸出電平是否為高電平，若否，則繼續(xù)進(jìn)行溫度采集;若是，則關(guān)閉定時(shí)器。利用時(shí)間讀取模塊換算出時(shí)間，接著進(jìn)行介質(zhì)判斷，得到此時(shí)所測(cè)介質(zhì)，結(jié)合實(shí)際所得的公式（13），（14）兩式換算出當(dāng)前溫度下的速度，最后把數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。

4系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與分析

儀器準(zhǔn)備：數(shù)字示波器（D$4054），五位半數(shù)字萬(wàn)用表（DM3058E），熱電偶溫度計(jì)（UT325）。

測(cè)試方案如下：

（1）通過(guò)示波器顯示的傳播時(shí)間與理論時(shí)間的差值，調(diào)試好硬件電路;

（2）通過(guò)比對(duì)示波器上顯示的傳播時(shí)間與單片機(jī)所示時(shí)間的差值，判斷測(cè)量的精確程度;

（3）通過(guò)搭建NTC電橋，擬合其電壓與溫度的函數(shù)關(guān)系式，得到精確的實(shí)時(shí)溫度;

（4）分別測(cè)量空氣中和水中的超聲波傳輸速度，測(cè)試結(jié)果如表1，表2所示。記錄多組溫度與時(shí)間、速度的值。

（5）通過(guò)擬合函數(shù)關(guān)系式得到準(zhǔn)確的管長(zhǎng)，將起振時(shí)間與溫度的關(guān)系式、溫度與速度的關(guān)系式代入程序計(jì)算不同介質(zhì)時(shí)相對(duì)應(yīng)的20℃時(shí)的速度值，以此來(lái)檢測(cè)精度。

分別測(cè)得介質(zhì)為空氣和水狀態(tài)下的相對(duì)誤差如表1，表2所示。從表中可知，空氣中和水中的實(shí)測(cè)速度轉(zhuǎn)換為20℃下的速度誤差均在0.1%以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。利用超聲波探頭在水中和空氣中測(cè)得的波形如下圖6、7所示，其中紫色波形為超聲波發(fā)射波形，紅色波形是回波波形，綠色波形是LM358芯片輸出腳波形。

5結(jié)束語(yǔ)

實(shí)測(cè)結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)的超聲波介質(zhì)傳輸測(cè)試儀在不同介質(zhì)皆滿足誤差在0.1%以內(nèi)?？諝庵械臏y(cè)量誤差為0.044%，水中的測(cè)量誤差為0.075%，且測(cè)量誤差與擬合的電壓一溫度曲線、速度一溫度曲線有極大的關(guān)聯(lián)。在理想情況下，若采集的數(shù)據(jù)庫(kù)足夠充足，擬合的曲線會(huì)越好，誤差將會(huì)更小甚至趨于0。本超聲波介質(zhì)傳輸速度測(cè)試儀試驗(yàn)運(yùn)行良好，性能優(yōu)良、成本低、能有效改善測(cè)量技術(shù)，適合于精密度測(cè)量、液面測(cè)量等。