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超聲波測(cè)距是一種利用超聲波的可定向發(fā)射，方向性好,，在介質(zhì)中傳播距離較遠(yuǎn)等特性,，結(jié)合電子計(jì)數(shù)等微電子技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的檢測(cè)方式,。在使用中不受光線、電磁波,、被測(cè)物的顏色等因素影響,，加之信息處理簡(jiǎn)單、成本低,、速度快,。在避障、車輛定位與導(dǎo)航,、液位測(cè)量等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,。但由于超聲波在兩種不同屬性的介質(zhì)（如固液、固氣）中的傳播特性存在較大差異,。例如K級(jí)超聲波在氣態(tài)介質(zhì)中傳播效果好,，衰減也相對(duì)較小，但在固態(tài)和液態(tài)介質(zhì)中則衰減就比較大了,。而M級(jí)超聲波則正好相反,。因而在一些需要透過(guò)兩種或兩種以上的介質(zhì)進(jìn)行測(cè)距時(shí)，超聲波就存在很大的困難了,。但在一些比較特殊的場(chǎng)合,，應(yīng)用超聲波進(jìn)行檢測(cè)也是目前***可行的手段。本文中所描述的一款超聲波液位計(jì)的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是對(duì)密閉容器在不開(kāi)蓋,、不另加額外裝置的情況下,，對(duì)容器內(nèi)部液體檢測(cè)的一種設(shè)備。對(duì)于如何進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程本文不做過(guò)多陳述,，只對(duì)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中,，是如何有針對(duì)性的進(jìn)行軟硬件結(jié)合設(shè)計(jì)，從而降低誤差,、提高精度的,，供各位同仁參考。

 1 合理采用門(mén)閥設(shè)計(jì),，減小盲區(qū)*,，使用超聲波液位計(jì)測(cè)距的原理主要是檢測(cè)回波與發(fā)射波之間時(shí)間差Δt，即：Δt = tn-tn-1

 其中：t0為發(fā)射波或稱始波觸發(fā)計(jì)時(shí)器時(shí)間,；tn為各回波觸發(fā)計(jì)時(shí)器時(shí)間,。如圖1所示。

 圖1 超聲檢測(cè)波形示意圖如圖1所示,，在實(shí)際檢測(cè)的過(guò)程中,，我們可以發(fā)現(xiàn)，在始波附近,，存在大量的干擾波,，主要是由于容器壁的多次反射形成的干擾,。

 當(dāng)被測(cè)液體高度比較低時(shí)，可能會(huì)造成多個(gè)超聲波液位計(jì)回波湮沒(méi)在始波附近的干擾波中,，而且不容易識(shí)別出有效的回波信號(hào)tn來(lái),。合理有效的門(mén)閥t的設(shè)置，就很好的解決了這一問(wèn)題,。在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中,，我們?cè)O(shè)計(jì)的是每40ms發(fā)射一個(gè)始波。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)檢測(cè),，***后我們把門(mén)限設(shè)置為2ms,。也就是說(shuō)當(dāng)始波觸發(fā)計(jì)時(shí)器后，計(jì)時(shí)器自動(dòng)關(guān)閉2ms,，然后打開(kāi)計(jì)時(shí)器,，開(kāi)始接收回波。這里需要注意的是,，由于容器內(nèi)液體的多少是未知的,，也就是說(shuō)，此時(shí)測(cè)得的***個(gè)回波t1,，不一定是真實(shí)的***個(gè)回波,，因?yàn)楫?dāng)液位比較低的時(shí)候，前幾個(gè)回波很可能被門(mén)閥給過(guò)濾掉了,。此時(shí)就需要比較回波時(shí)間差Δtn了,，Δtn = tn-tn-1 。當(dāng)前后兩個(gè)Δt1和Δt2相差在一定范圍內(nèi),，則可認(rèn)為t1為***個(gè)回波,，此時(shí)Δt可以取其中任一個(gè)。否則Δt只能取Δt2,。當(dāng)液位比較高時(shí)，系統(tǒng)在一個(gè)檢測(cè)周期內(nèi)可能只能檢測(cè)到一個(gè)回波,，此時(shí)的t1必然是***個(gè)回波,。

 由于受系統(tǒng)及其他軟硬件條件所限，我們這個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)盲區(qū)大概在5ms左右,。

 2 定標(biāo)模塊,，去除溫度、介質(zhì)等影響

*,，溫度對(duì)超聲波液位計(jì)的超聲波在介質(zhì)中傳播速度有較大影響,。一般來(lái)說(shuō)，溫度越高,，超聲波在介質(zhì)中的傳播速度越快,。例如,，超聲波在空氣中的傳播速度可以表示為：C=331+0.6T。其中T為環(huán)境溫度,。也就是說(shuō)在空氣中溫度每上升1°,，超聲波的傳播速度都要增加0.6m/s。實(shí)驗(yàn)證明,，在固體和液體介質(zhì)中,，超聲波傳播亦是如此。不同的介質(zhì)中,，超聲波的傳播速度也是不相同的,。比如實(shí)驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果表明，在汽油中,，超聲波的傳播速度大約在1300m/s上下,，而在水中則在1400m/s左右。計(jì)時(shí)器1μs就會(huì)產(chǎn)生超過(guò)1個(gè)毫米的誤差,。

 從上面的表述中可以看出,，溫度和介質(zhì)對(duì)超聲波液位計(jì)測(cè)量結(jié)果影響也是很大的?？紤]到即使是同一介質(zhì),，其濃度和溫度等因素對(duì)結(jié)果影響也是不可忽視的。正式由于諸多復(fù)雜的原因存在,，并沒(méi)有哪個(gè)專業(yè)機(jī)構(gòu)能夠給出超聲波在每種介質(zhì)中的具體傳播速度數(shù)值,。正所謂繆之毫厘差之千里。為此,，我們另辟蹊徑,，設(shè)計(jì)了一個(gè)定標(biāo)模塊。如圖2所示,。

 該定標(biāo)模塊為一中空的圓柱體結(jié)構(gòu),，其內(nèi)部底部距離上頂部外延高度設(shè)計(jì)為10cm，設(shè)計(jì)誤差為±10μm（受工藝所限,，精度無(wú)法更高了）,。其思路為，當(dāng)我們需要測(cè)量某一容器內(nèi)液位時(shí),，取與該容器內(nèi)液體注滿定標(biāo)模塊,。打開(kāi)液位檢測(cè)儀，首先測(cè)量該模塊,，由于高度已知,，可比較精準(zhǔn)的測(cè)得在當(dāng)前環(huán)境下該液體的速度值。然后再用此速度值去測(cè)量密閉容器的液位,。

 此方法看似笨拙繁瑣,，但在實(shí)際應(yīng)用中我們可以看到,，通過(guò)這一定標(biāo)模塊的方法，基本消除了溫度和介質(zhì)的影響,，大大地提高了檢測(cè)精度和準(zhǔn)確度,。3 軟件處理，進(jìn)一步提高精準(zhǔn)度做系統(tǒng)設(shè)計(jì)的人都知道,，有些誤差因素是系統(tǒng)固有的,，是無(wú)法通過(guò)硬件的改進(jìn)來(lái)消除的。但在系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中,，我們可以通過(guò)一定的方法和算法進(jìn)一步降低誤差,。方法之一就是對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步判斷、求均值,。首先是判斷,。從圖1的波形所示來(lái)看，在一定的距離內(nèi)（我們這套系統(tǒng)大約在1m）,，回波是能夠接收到兩個(gè)或兩個(gè)以上的回波的,。如果回波超過(guò)兩個(gè)，我們就取***和第二個(gè)的差值和第二個(gè)和第三個(gè)的差值作比較判斷并取均值備用,。如果回波只有兩個(gè),，則取第二個(gè)差值做備用。如果只有一個(gè)回波,，那就沒(méi)的選擇了,。

 其次求均值。我們采取的每40ms發(fā)射一個(gè)發(fā)射波,，也就是說(shuō),，超聲波液位計(jì)系統(tǒng)是每40ms測(cè)量一次數(shù)據(jù)，我們采取的方法并不是每組數(shù)據(jù)直接送顯,，而是采用每測(cè)得20組數(shù)據(jù)送顯一次,。在取得20組數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)首先去除兩個(gè)較大的值,，再去除兩個(gè)較小的值,，然后把余下的16組數(shù)據(jù)求均值，然后送顯示器顯示,。至于為什么是16組，搞過(guò)單片機(jī)的都知道,。軟件處理方法之二是主動(dòng)消除固有偏差,。表1所示為對(duì)高度約為90cm的液位進(jìn)行多次測(cè)量。

 通過(guò)以上測(cè)量結(jié)果來(lái)看,，整體測(cè)量值比實(shí)際值大約偏高0.5cm,，因此,，在大約距離為1米左右時(shí)，我們通過(guò)把測(cè)得的數(shù)據(jù)均主動(dòng)減去0.5cm,。這樣,，顯示的結(jié)果與實(shí)際值就比較接近了。

軟件處理的方法之三就是注意細(xì)節(jié)處理,。例如像前面所提到的通過(guò)定標(biāo)模塊進(jìn)行定標(biāo)時(shí),，會(huì)得到一個(gè)速度值，這個(gè)值會(huì)給后面的程序進(jìn)行計(jì)算時(shí)使用,。我們?cè)趯?shí)際的操作中雖然在定標(biāo)時(shí)顯示了具體的速度值,，但在后面實(shí)際計(jì)算時(shí)，并沒(méi)有直接用這個(gè)值,，而是把測(cè)得的被除數(shù)和除數(shù)分別存儲(chǔ)起來(lái),，在具體計(jì)算時(shí)，采用的是乘以被除數(shù),，再除以除數(shù),。這樣在一定程度上又進(jìn)一步減少了計(jì)算誤差。

 4 結(jié)束語(yǔ)

本文著重介紹一些在具體使用超聲波液位計(jì)測(cè)量液位的過(guò)程中,，分析了測(cè)距過(guò)程中誤差的產(chǎn)生及減小誤差的方法,。實(shí)踐證明,采用這些方法將大大減小測(cè)量誤差,提高測(cè)量的準(zhǔn)確度。