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技術文章
采用超聲波液位計進行液位檢測的設計方案交流分享
閱讀次數：688 發布時間：2020/4/24 8:59:26
引言：超聲波測距是一種利用超聲波的可定向發射，方向性好，在介質中傳播距離較遠等特性，結合電子計數等微電子技術來實現的檢測方式。在使用中不受光線、電磁波、被測物的顏色等因素影響，加之信息處理簡單、成本低、速度快。在避障、車輛定位與導航、液位測量等領域得到了廣泛的應用。但由于超聲波在兩種不同屬性的介質（如固液、固氣）中的傳播特性存在較大差異。例如K級超聲波在氣態介質中傳播效果好，衰減也相對較小，但在固態和液態介質中則衰減就比較大了。而M級超聲波則正好相反。因而在一些需要透過兩種或兩種以上的介質進行測距時，超聲波就存在很大的困難了。但在一些比較特殊的場合，應用超聲波進行檢測也是目前***可行的手段。本文中所描述的一款超聲波液位計的設計目標就是對密閉容器在不開蓋、不另加額外裝置的情況下，對容器內部液體檢測的一種設備。對于如何進行檢測的過程本文不做過多陳述，只對在設計的過程中，是如何有針對性的進行軟硬件結合設計，從而降低誤差、提高精度的，供各位同仁參考。
1 合理采用門閥設計，減小盲區眾所周知，使用超聲波液位計測距的原理主要是檢測回波與發射波之間時間差Δt，即：Δt = tn-tn-1
其中：t0為發射波或稱始波觸發計時器時間；tn為各回波觸發計時器時間。如圖1所示。
圖1 超聲檢測波形示意圖如圖1所示，在實際檢測的過程中，我們可以發現，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。
當被測液體高度比較低時，可能會造成多個超聲波液位計回波湮沒在始波附近的干擾波中，而且不容易識別出有效的回波信號tn來。合理有效的門閥t的設置，就很好的解決了這一問題。在整個系統設計的過程中，我們設計的是每40ms發射一個始波。通過大量的實驗檢測，***后我們把門限設置為2ms。也就是說當始波觸發計時器后，計時器自動關閉2ms，然后打開計時器，開始接收回波。這里需要注意的是，由于容器內液體的多少是未知的，也就是說，此時測得的***個回波t1，不一定是真實的***個回波，因為當液位比較低的時候，前幾個回波很可能被門閥給過濾掉了。此時就需要比較回波時間差Δtn了，Δtn = tn-tn-1 。當前后兩個Δt1和Δt2相差在一定范圍內，則可認為t1為***個回波，此時Δt可以取其中任一個。否則Δt只能取Δt2。當液位比較高時，系統在一個檢測周期內可能只能檢測到一個回波，此時的t1必然是***個回波。
由于受系統及其他軟硬件條件所限，我們這個系統的檢測盲區大概在5ms左右。
2 定標模塊，去除溫度、介質等影響
眾所周知，溫度對超聲波液位計的超聲波在介質中傳播速度有較大影響。一般來說，溫度越高，超聲波在介質中的傳播速度越快。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為環境溫度。也就是說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。實驗證明，在固體和液體介質中，超聲波傳播亦是如此。不同的介質中，超聲波的傳播速度也是不相同的。比如實驗測得的結果表明，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。計時器1μs就會產生超過1個毫米的誤差。
從上面的表述中可以看出，溫度和介質對超聲波液位計測量結果影響也是很大的。考慮到即使是同一介質，其濃度和溫度等因素對結果影響也是不可忽視的。正式由于諸多復雜的原因存在，并沒有哪個專業機構能夠給出超聲波在每種介質中的具體傳播速度數值。正所謂繆之毫厘差之千里。為此，我們另辟蹊徑，設計了一個定標模塊。如圖2所示。
該定標模塊為一中空的圓柱體結構，其內部底部距離上頂部外延高度設計為10cm，設計誤差為±10μm（受工藝所限，精度無法更高了）。其思路為，當我們需要測量某一容器內液位時，取與該容器內液體注滿定標模塊。打開液位檢測儀，首先測量該模塊，由于高度已知，可比較精準的測得在當前環境下該液體的速度值。然后再用此速度值去測量密閉容器的液位。
此方法看似笨拙繁瑣，但在實際應用中我們可以看到，通過這一定標模塊的方法，基本消除了溫度和介質的影響，大大地提高了檢測精度和準確度。3 軟件處理，進一步提高精準度做系統設計的人都知道，有些誤差因素是系統固有的，是無法通過硬件的改進來消除的。但在系統的軟件設計過程中，我們可以通過一定的方法和算法進一步降低誤差。方法之一就是對測得的數據進行進一步判斷、求均值。首先是判斷。從圖1的波形所示來看，在一定的距離內（我們這套系統大約在1m），回波是能夠接收到兩個或兩個以上的回波的。如果回波超過兩個，我們就取***和第二個的差值和第二個和第三個的差值作比較判斷并取均值備用。如果回波只有兩個，則取第二個差值做備用。如果只有一個回波，那就沒的選擇了。
其次求均值。我們采取的每40ms發射一個發射波，也就是說，超聲波液位計系統是每40ms測量一次數據，我們采取的方法并不是每組數據直接送顯，而是采用每測得20組數據送顯一次。在取得20組數據后，系統首先去除兩個較大的值，再去除兩個較小的值，然后把余下的16組數據求均值，然后送顯示器顯示。至于為什么是16組，搞過單片機的都知道。軟件處理方法之二是主動消除固有偏差。表1所示為對高度約為90cm的液位進行多次測量。
通過以上測量結果來看，整體測量值比實際值大約偏高0.5cm，因此，在大約距離為1米左右時，我們通過把測得的數據均主動減去0.5cm。這樣，顯示的結果與實際值就比較接近了。
軟件處理的方法之三就是注意細節處理。例如像前面所提到的通過定標模塊進行定標時，會得到一個速度值，這個值會給后面的程序進行計算時使用。我們在實際的操作中雖然在定標時顯示了具體的速度值，但在后面實際計算時，并沒有直接用這個值，而是把測得的被除數和除數分別存儲起來，在具體計算時，采用的是乘以被除數，再除以除數。這樣在一定程度上又進一步減少了計算誤差。
4 結束語
本文著重介紹一些在具體使用超聲波液位計測量液位的過程中，分析了測距過程中誤差的產生及減小誤差的方法。實踐證明,采用這些方法將大大減小測量誤差,提高測量的準確度。
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