超声波密闭容器液位传感器设计

1、第39卷第9期2013年9月工矿自动化I n d u s t r y a n d M i n e A u t o m a t i o n V o l .39N o .9S e p.2013文章编号:1671-251X (201309-0023-05D O I :10.7526/j .i s s n .1671-251X.2013.09.007陆贵荣,倪鹏昊,陈树越.超声波密闭容器液位传感器设计J .工矿自动化,2013,39(9:23-陆贵荣1,2,倪鹏昊1,陈树越1,2(1.常州大学信息科学与工程学院,江苏常州213164;2.常州市过程感知与互联技术重点实验室,江苏常州213164摘要:针

2、对现有超声波液位检测方法存在安装时需对容器开孔,从而破坏容器结构和声波受挥发性介质影响的问题,设计了一种非接触式超声波液位传感器,分析了传感器超声波频率的选取并给出了具体硬件电路的实现方案。该传感器根据超声波液位检测原理,以A T 89S 52为控制核心,采用收发一体超声波换能器,选取n R F 2401作为无线收发模块,实现了密闭容器内液位数据的测量与无线传输。测试结果表明,该传感器测试精度较高,相对误差在3%以内,满足了现场液位实时测量的需要。关键词:密闭容器;液位检测;超声波传感器中图分类号:T D 679文献标志码:A 网络出版时间:2013-08-2717:45网络出版地址:h t

3、t p :/w w w.c n k i .n e t /k c m s /d e t a i l /32.1627.T P .20130827.1745.007.h t m l D e s i g n o f u l t r a s o n i c l i qu i d l e v e l s e n s o r f o r s e a l e d c o n t a i n e r L U G u i -r o n g 1,2,N I P e n g-h a o 1,C H E N S h u -y u e 1,2(1.S c h o o l o f I n f o r m a t i o

4、n S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ,C h a n g z h o u U n i v e r s i t y ,C h a n gz h o u 213164,C h i n a ;2.K e y L a b o r a t o r y f o r P r o c e s s P e r c e p t i o n a n d I n t e r c o n n e c t e d T e c h n o l og y ,Ch a n g z h o u 213164,C hi n a A b s t r a c t :I n v i e

5、 w o f p r o b l e m t h a t e x i s t i n gu l t r a s o n i c l i q u i d l e v e l d e t e c t i o n m e t h o d s n e e d t o o p e n d o o r o f c o n t a i n e r i n p r o c e s s o f i n s t a l l i n g ,s o a s t o d a m a g e t h e c o n t a i n e r s t r u c t u r e a n d a f f e c t s o u

6、 n d w a v e b e c a u s e o f v o l a t i l e m e d i u m ,a n o n -c o n t a c t u l t r a s o n i c l i q u i d l e v e l s e n s o r w a s d e s i g n e d .S e l e c t i o n o f u l t r a s o n i c f r e q u e n c y o f t h e s e n s o r w a s a n a l y z e d ,a n d h a r d w a r e c i r c u i t

7、 i m p l e m e n t a t i o n s c h e m e o f t h e s e n s o r w a s a l s o g i v e n .A c c o r d i n g t o p r i n c i p l e o f u l t r a s o n i c l i q u i d l e v e l d e t e c t i o n ,t h e s e n s o r t a k e s A T 89S 52a s c o r e c o n t r o l c h i p ,u s e s u l t r a s o n i c t r a

8、n s d u c e r w i t h t r a n s c e i v e r a n d s e l e c t s n R F 2401a s w i r e l e s s t r a n s c e i v e r m o d u l e t o r e a l i z e l e v e l m e a s u r e m e n t a n d d a t a t r a n s m i s s i o n o f s e a l e d c o n t a i n e r .T h e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e

9、 s e n s o r h a s h i g h p r e c i s i o n a n d r e l a t i v e e r r o r i s w i t h i n 3%,w h i c h m e e t s n e e d s o f r e a l -t i m e m e a s u r e m e n t o f l o c a l l e v e l .K e y w o r d s :s e a l e d c o n t a i n e r ;l e v e l m e a s u r e m e n t ;u l t r a s o n i c s e n

10、 s o r 收稿日期:2013-02-04。基金项目:国家自然科学基金资助项目(51176016。作者简介:陆贵荣(1968-,男,甘肃定西人,副教授,主要研究方向为传感器技术,已获国家发明专利5项,E -m a i l :g u i r o n gl u 001163.c o m 。0引言密封容器内部液位的检测通常采用非接触测量方法。随着电子计算机、光纤、超声波等高科技技术的发展,出现了种类多样的液位测量手段1。一般的非接触超声波液位检测需要在容器顶端开口,将传感器安装在溶液上方,通过计算声波在溶液上方气体中的传播时间间接得出溶液液位。但是对容器开孔会破坏容器的结构性和气密性,不能用于高压

11、液体的测量,同时液体的挥发会使得超声波难以准确判断出气液的分界面,从而对测量结果造成较大误差。针对该问题,笔者利用超声波对固体介质有较强穿透作用的特性,理论计算并选取了超声波频率,采用高压放电驱动发射电路和多级放大接收电路,根据超声波测距原理,设计了一款专门针对密封容器内部液体液位进行准确测量的超声波液位传感器。该超声波液位传感器还具有无线数据传输功能,可以满足大多数工业现场的实时液位测量需求。1超声波传感器液位检测原理利用超声波对固体介质具有较强的穿透作用,能穿过一般钢材料制作的容器壁进入液态介质中的特性,将超声波传感器安装在容器外壁的底部,如图1所示。当声波透过容器壁在被测液体、气体中传播

12、时,会在界面发生反射,根据其穿越固液、气液2个界面的时间差及其在被测液体中的传播速度,可计算出被测液位的高度。通过超声波传感器发射一束超声波,超声波一部分穿过容器的外壁,传播进入容器内的液体中,向上传播,到达液面后再被发射回来,并再次穿透外壁被换能器接收,测量出脉冲超声波来回的传输时间,就可以求出相应的液位。设液位的高度为H ,液体媒介的超声波速度为C ,2次回波的间隔时间为t ,则有H =C t2(1因此,只要测出2个超声波回波之间的时间t ,就可以根据式(1计算出液位H 。t 可通过时间计数器测得,即在发射时刻打开计数器的计数门,对一固定频率的方波信号进行计数,在液面回波到来时关闭计数门

13、。图1超声波液位测量原理超声波的发射频率是超声液位检测中的一个重要参数,它影响着最后接收信号的强度。由于声波通过周期性多层介质会表现出明显的频率通带和禁带特性,即有些频率的声波能够完全通过,而有些频率的声波不能通过2。为了得到最强的回波信号,简化后续的接收电路设计,必须选择合适的声波发射频率,使得透射到待测液体内部的声能量最大。通过的声波受到中间介质层厚度和特性阻抗的影响,它的透射系数是超声波频率、介质层厚度与介质特性阻抗的函数3。超声波传播到2种特性阻抗不同的介质分界面时,一部分声波被反射,反射系数R 为R =c o s 1/c o s 2-R 2/R 1c o s 1c o s 2+R 2

14、R 1(2另一部分声波透射进入另一种介质,其透射系数T 为T =2R 2/R 1c o s 1c o s 2+R 2/R 1(3式中:1为入射角;2为折射角;R 1和R 2为2种介质的特性阻抗。当超声波垂直入射到界面上时,1=2=0,根据透射系数和反射系数公式,假设声波在n 种均匀介质中传播,利用传输矩阵方法4,在已知介质的各种参数下,最后通过式(6求出使回波信号最大的声波频率。由声波在介质中的声波解和在介质分界面的边界条件可得传输矩阵公式:p 1tp 1r=(12n -1n -1i =1×1+R iR i +(1e x p (j k i d i 1-R iR i +(1e x p

15、(j k i d i1-R i R i +(1e x p (-j k i d i 1+R iR i +(1e x p (-j k i d i熿燀燄燅×pn t0(4式中:p 1t 和p 1r 分别为第1层介质中的入射声压和反射声压,其中第i 层特性阻抗R i =c i ×i ,c i 为声波在第i 层介质的声速,i 为第i 层介质的密度;k i 为波数;d i 为第i 层介质厚度;p n t 为透射到液体内部的声压幅值。令A 11A 12A 21A 22=(12n -1n -1i =1×1+R i R i +(1e x p (j k i d i 1-R iR i

16、+(1e x p (j k i d i1-R i R i +(1e x p (-j k i d i 1+R iR i +(1e x p (-j k i d i熿燀燄燅(5则总的回波信号透射系数由式(6得出=1A 2111A *211(6式中:A 11为声波从第1层介质到第n 层介质的传输矩阵的第1行第1列元素;A *11为声波反射回来时从第n 层介质到第1层介质的传输矩阵的第1行第1列元素。本文选取了一种油桶进行理论计算,·42·工矿自动化2013年第39卷油桶的材料为钢,密度为7.84×103k g/m 3,厚度为3.5m m ,油桶内装有纯净水,密度为1.0&

17、#215;103k g/m 3。利用M a t l a b 仿真软件得到的回波能量透射系数与频率关系如图2所示 。图2回波能量透射系数与频率关系从图2可看出,频率在1MH z 时,回波信号最强,回波信号透射系数最大。所以,可以针对特定的容器,选取适当的频率增强对回波信号的接收能力。2超声波液位传感器硬件设计超声波液位传感器硬件原理框图如图3所示。传感器以A T 89S 52单片机模块为核心,包括超声波换能器、发射电路、接收电路、控制电路、显示电路、无线传输和电源电路。超声波换能器用来发射和接收超声波,超声波发射电路用来产生高频脉冲驱动超声波换能器,接收电路对返回回来的超声波信号进行放大滤波等处

18、理。单片机模块用于控制时钟信号计数、数据处理计算、无线发送和显示等 。图3超声波液位传感器硬件原理2.1超声波发射电路常用的超声波发射电路大体可以分为单脉冲发射电路、连续波发射电路和可调脉冲波发射电路5。本文设计了单脉冲发射电路,利用场效应管控制电容瞬间放电产生尖脉冲来激励超声波换能器。其发射电路原理图如图4所示。该发射电路利用功率MO S F E T 驱动,发射电路简单,且4N 95具有良好的开关特性,保证了良好的信号波形和较强的驱动能力 。图4超声波发射电路原理单片机系统的P1.1引脚输出单脉冲信号,用于控制场效应管Q 2的导通和关闭。因为驱动电源的电压与超声波换能器的辐射能量直接相关,而

19、超声波换能器的辐射能量影响着接收灵敏度,线性范围内脉冲电压越高,接收灵敏度就越高,但过高的电压会使输出能量饱和,还有可能损坏超声波换能器。这里利用高频开关电源和D C -D C 变换器产生的600V 电压作为驱动电压。在单片机发射触发脉冲之前,电流通过限流电阻R 5和回路导通电阻R 6,将隔直电容C 2充电至600V ,设置隔直电容而不直接将超声波换能器接到电源电压上是由于压电晶片长期受偏压会损坏。场效应管Q 2突然关闭时,电容C 2瞬间放电,在超声波换能器上形成-600V 的高压激励,从而使压电晶片受击振荡产生超声波。2.2超声波接收电路超声波接收电路主要由前端保护电路、前置放大电路、可控增

20、益放大电路等组成。超声波回波经过吸收和散射信号会极其微弱,接收电路最主要的任务是将由回波信号引起的微小交变电信号充分放大。文中采用收发一体的超声波换能器,便于减小液位传感器体积和安装调试。但换能器发射电路和接收电路相互连接,发射电路的激励脉冲有可能进入接收电路,使得接收电路不能正常接收回波信号,所以,需要隔离级进行前端保护。设计采用如图5所示的前端保护电路,对正向和负向高压脉冲信号进行限幅,保护接收通道不受高压脉冲冲击。放大电路采用前置放大电路和可控增益放大电路。本文中采用A D 8011构成电压跟随器作为前置放大电路,主要用来完成阻抗的变换。A D 8011具有高输入低输出阻抗,补偿电压的漂

21、移小,上升速度快,它的输入电压噪声为10k H z,在比较严重的干·52·2013年第9期陆贵荣等:超声波密闭容器液位传感器设计扰下仍然能获得比较好的信噪比。可控增益放大电路采用2片A D 603串联的形式,充分发挥它线性分贝、噪声低、频带宽等特性。将每个A D 603的V O U T 端和F D B K 端短接,通过改变A D 603的1脚和2脚之间的差动式输入的增益控制电压来控制增益的大小,放大电路的最大增益可达60d B 。2片A D 603之间采取交流耦合,防止前一放大器输出端的直流偏置电压在最大增益时,使后一级放大器过载 。图5超声波接收电路原理2.3无线传输模块

22、无线传输模块n R F 2401用于传送液位数据6,单片机与n R F 2401的接口电路如图6所示 。图6单片机与n R F 2401的接口电路nR F 2401通过P 2口与单片机进行通信,系统启动后单片机首先对n R F 2401进行状态配置,处于发射模式时单片机将采集的数据通过P 2.2送到n R F 2401,当C E 信号从1跳变为0的时候,n R F 2401把从单片机收到的数据发送出去。处于接收模式时,n R F 2401一直监测天线上的信号,如果有同频的信号则接收并打开信息包读取地址,地址匹配就使得D R 信号为高电平来通知单片机取出。3超声波液位传感器软件设计软件编程采用模

23、块化设计,主要包括初始化程序、主程序、显示程序以及无线发送程序。系统主程序流程如图7所示。系统上电后首先执行初始化程序,并且对n R F 2401进行状态配置,使其处于发射模式,然后开始测量子程序,根据回波的间隔时间计算液位高度,送显示和进行无线发射等处理,延时一段时间后重新开始测量 。图7系统主程序流程4测试结果在实验室内将通过米尺测得的容器液位实际值与液位传感器测量得到的值进行对照,具体的测试结果见表1。通过比较实际液位高度和测量所得到的实验数据,发现相对误差在3%以内,测试精度满足要求。表1液位测试数据c m ·62·工矿自动化2013年第39卷收稿日期:2013-0

24、3-20。基金项目:国家自然科学基金和神华集团有限公司联合资助项目(51174258;安徽省自然科学基金项目(11040606M103;安徽省高校自然科学研究重点项目(K J2011A0973。作者简介:周孟然(1965-,安徽淮南人,教授,博士,博士研究生导师,主要从事矿山机电设备智能监测、煤矿安全监测监控等领域的研究工作,E-m a i l:m r z h o u8521163.c o m檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿。5结语利用超声波测距原理设计了一种超声波液位传感器,研究了超声波的透射系数,进行了具体的理论计算,并利用

25、M a t l a b仿真选择了在某种容器下的超声波最佳频率。发射电路采用功率型MO S F E T驱动产生超声波,接收电路采用多级放大、增益可控制的电路。该传感器选用单片机作为控制核心,采用收发一体的超声波探头,减小了传感器体积且便于安装调试。实验表明,该超声波液位传感器能够满足一般密闭容器内液位测量的需要,未来可将每个液位测量传感器作为一个节点并进行组网,实现对多个对象的监测。参考文献:J.工矿自动化,2009,35(6:61-64.2张海澜.理论声学M.北京:高等教育出版社,2006.端参数模型应用分析研究J.噪声与振动控制,2002, 22(4:7-9.电路设计J.仪表技术与传感器,2

26、003(11:30-32. 6丁彦闯,韦佳宏,刘光哲.基于n R F2401的分布式测温系统设计J.电子测量技术,2008,31(12:107-109.第39卷第9期2013年9月工矿自动化I n d u s t r ya n dM i n eA u t o m a t i o nV o l.39N o.9S e p.2013周孟然,刘帆,聂梦雅.基于F P G A的水质检测系统研究J.工矿自动化,2013,39(9:27-30.基于F P G A的水质检测系统研究周孟然,刘帆,聂梦雅(安徽理工大学电气与信息工程学院,安徽淮南232001摘要:针对目前突水水源的判别方法不能实现突水预警,且处理时间较长、过程复杂等问题,设计了一种采用激光诱导荧光技术、以F P G A为核心处理器的水质检测系统。该系统采用在线检测荧光光谱法实时监测地下水的化学成分变化,从而快速检测矿井突水水源的变化前兆,达到突水预警的目的。试验结果表明,该系统检测精确度高,响应速度快。关键词:矿井突水;水质检测;激光诱导荧光;F P G A;L I F中图分类号:T D745文献标志码:A网络出版时间:2