储油罐超声波油量液位检测仪毕业论文(编辑修改稿)

储油罐超声波油量液位检测仪毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

声波信号的处理也容易很多，加之成本较低，所以，超声波是比较理想信号源。 随着智能化检测技术的不断发展，利用超声波进行油量检测在加油站及油库中起着越来越重要的作用。 虽然一些地区使用了超声波油量测量仪，但绝大多数是用集成长春工业大学学位学士论文 4 电路设计成的，这种专用集成电路成本很高，没有显示，操作很不方便。 为了克服这些缺点，本课题利用单片机 AT89C51 为核心，控制超声波对油量进行自动检测和数据处理，提供了一个带显示，键盘和微型打印机的人机对话界面，且能与 PC 机通信。 该超声波油量测 量仪使用简便，与传统的测量方法相比具有非接触、精度高、实时测量 、 可靠性强等优点。 超声波油量测量仪的研究内容 确定了总体方案后，在对超声波测距的可行性进行了理论分析的基础上，利用计算机技术、电子技术、以及超声波在介质中的传播特性等，研制出了超声波油量测量仪的硬件部分，编写了相应的软件程序，并进行了调试和试运行。 在硬件电路的设计中，由于我们需要测的距离较长 (几 米到十几米 )，针对超声波在传播时呈指数衰减的特性，我们采用了最大限度提高驱动能力、对回波进行多级放大等措施，扩大了测量的范围。 在软件设计中，我们采用模块化程序设计思想，将软件分为超声波驱动与数据处理模块和功能模块，每个模块又由若干小模块组成。 对软件的这种处理不但能使软件的结构清晰，而且有利于软件的调试和修改。 由于本设计对计算的精度要求较高，所以采用 C51 编程，借助 C 语言的浮点计算能力，提高计算精度。 另外，为了保证超声波油量测量仪工作的可靠性和稳定性，在软、硬件两个方面都采取了相应的抗干扰措施。 本文讨论了 产生误差的各种原因，提出了相应的解决办法，为研制更完善的超声波油量测量仪打下了基础。 长春工业大学学位学士论文 5 第 2 章 超声波油量测量仪测量原理 概 述 在弹性媒质中，如果波源所激起的纵波的频率在 20Hz到 20200Hz之间，就能引起人的听觉。 在这一频率范围内的振动称 为有 声振动，声振动所激起的纵波称为声波。 频率高于 20200Hz的机械波叫做超声波；频率低于 20Hz的机械波叫做次声波 [3][6]。 与光波不同，超声波是一种弹性机械波，它可以在气体、液体和固体中传播。 我们知道，电磁波的传播速度为 3ｘ 108，而超声波在空气中 的传播速度为 340m/s，其速度相对电磁波是非常慢的。 超声波在相同的传播媒体里 (大气条件 )传播速度相同，即在相当大的频率范围内声速不随频率变化，波动的传播方向与振动方向一致。 是纵向振动的弹性机械波，它是借助于传播介质的分子运动而传播的，波动方程描述方法与电磁波的是类似的 )c os ()( kxtxAA   (21) axeAxA  0)( (22) 式中 A (x)为 x处分子的最大位移量，叫做振幅， A0常数，为波源处分子的振幅，ω为圆频率， x为传播距离，一般选波源处为坐标原点，即波源处 x=0， k=2π/λ又为波数， t 为时间；又为波长； a 为衰减系数。 衰减系数与声波所在介质及频率的关系为 2bfa (23) 式中， b 为介质常数 ,f 为振动频率， f=ω/2π 在空气里， b=2ｘ 1013s2/cm，当振动的声波 频率 f=40kHz 代入式 (23)可得 a= 104cm，即 1/a=31m；若 f=30kHz，则1/a=56m。 它的物理意义是：声波在空气媒质里传播，因空气分子运动摩擦等原因，能量被吸收损耗。 在 (1/a)长度上，平面声波的振幅衰减为原来的 e 分之一，由此可以看出，频率越高，衰减得越厉害，传播的距离也越短。 考虑实际工程测量要求，在设计超声波油量计时，选用频率户 40kHz的超声波，波长为。 超声波传感器工作原理 超声波传感器基本结构及工作原理 人们可以听到的声音频率为 20Hz～ 20kHz，即为可听声波，超出此频率范围的声音，即 20Hz以下的声音称为低频声波， 20kHz以上的声音称为超声波，一般说话的频率范围为 100Hz~8kHz[9][13]。 超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强，为此利用超声波的这种性质就可以制成超声波传感器。 另外，超声波在空气中传播的速度较慢，约为 330m/s，这就使得超声波传感器使用变得非常简单。 长春工业大学学位学士论文 6 超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可以具有发送和接收声波的双重作用，即为可逆元件。 一般市场上出售的超声波传感器有专用 型和兼用型，专用型就是发送器用作发送超声波，接收器用作接收超声波；兼用型就是发送器和接收器为一体传感器，即可发送超声波，又可接收超声波。 超声波传感器的谐振频率 (中心频率 )有 23kHz、 40kHz、 75kHz、 200kHz、 400kHz 等。 谐振频率变高，则检测距离变短，分解力也变高。 用超声波作为感知或检测物体的媒介，有非破坏性、遥控性、实时、可穿透等优点，在许多方面体现了其它方法所没有的独到之处。 很早以前，人们便掌握了超声波探伤与声纳的技术。 近年来，超声波的波长范围已达 181。 m 级，频率已扩大到 GHz 领域，分辨率 达 181。 m 量级的超声波显微镜已 实用化。 在这种频率范围，超声波敏感元件成为薄膜状，与传统的形状大相径庭，它的进步将对电子学的发展起重要作用。 人们为研究和应用超声波， 已 发明设计并制成了许多类型的超声波发生器：机械方式和电气方式产生超声波发生器。 实质上，超声波发生器即是超声波换能器：它将其它形式的能量转换成超声波的能量 (发射换能器来完成 )和使超声波的能量转换成其它易于检测的能量 (接收换能器来完成 )。 一般是用电能和超声能量相互转换。 电气方式类型包括：压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械式方式有：气流旋笛、液哨、加尔统 笛等。 各种类型的超声波发生器产生的超声波的功率、频率和声波特性都不相同。 目前使用较多的是电气类中的压电型超声波发生器。 压电型超声波传感器的工作原理：它是借助压电晶体的谐振来工作的，即陶瓷的压电效应。 其结构原理如图 21 所示。 共 振 板压 电 晶 体电 极 板 图 21 超声波传感器内部结构 超声波传感器有两块压电晶片和一块共振板。 给它的两电极加脉冲信号 (触发脉冲 )，当其频率等于晶片的固有频率时，压电晶片就会发生共振，并带动共振板振动，从而产生超声波。 相反，电极间未加电压，则当 共振板接收到回波信号时，将压迫两压电晶片振动，从而将机械能转换为电信号，此时的传感器就成了超声波接收器。 超长春工业大学学位学士论文 7 声波传感器用等效电路 (如图 22 所示 )来分析共振频率附近的超声波换能器的特性： R0C1C0L1. ...Z1 图 22 超声波传感器等效电路 换能器的能量用 Qm，电能用 Qe 表示。 由图 22 分析可知， Q 恰好是电路的串联支路的 Q 值。 设换能器在空载 (Z1=0)和有载 (Z1R1)时的 Q 值分别为 QM0、 Qm，则有： 100 1 0 010m LQ R C R （ 24） 100 1 1 0 0 11()m LQ R R C R R  （ 25） 0 0 0 0eQ C R （ 26） 0 0 0 1()eQ C R R （ 27） 超声波换能的工作效率为： 110RRR  （ 28） 当交变电信号从引线加到超声波发射器件中，由压电陶瓷片和谐振片组成的振子会弯曲振动，驱动锥形辐射器发出超声波，当空中传来的超声波被接收器件的锥形辐射器会聚后，驱动振子产生弯曲振动，从而在电极间输出与此波动相对应的交变电信号，通过对此信号的处理，可实现各种检测。 超声波传感器的 检测方式 当物体在发送器与接收器之间通过时，检测超声波束衰减或遮挡的情况从而判断有无物体通过。 这种方式的检测距离约 1m，作为标准被检测物体使用 100mm100mm的方 形板。 它与光电传感器不同，也可以检测透明体等。 长春工业大学学位学士论文 8 当发送超声波束碰到被检测物体时，仅检测电位器设定距离内物体反射波的方式，从而判断在设定距离内有无物体通过。 若被检测物体的检测面为平面时，则可检测透明体。 若被检测物体相对传感器的检测面为倾斜时，则有时不能检测到被测物体。 若被检测物体不是平面形状，实际使用超声波传感器时一定要确认是否能检测到被测物体。 在距离设定范围内放置的反射板碰到发送的超声波束时，则被检测物体遮挡反射板的正常反射波，若 检测到反射板的反射波衰减或遮挡情况，就能判断有无物体通过。 另外，检测范围也可以是由距离切换开关设定的范围。 回归反射式超声波传感器的检测方式与穿透超声波传感器的相同，主要用于发送器设置与布线困难的场合。 若反射面为固定的平面物体，则可用作回归反射式超声波传感器的反射板。 另外，光电传感器所用的反射板同样也可以用于这种超声波传感器。 这种超声波传感器可用脉冲市制的超声波替代光电传感器的光，因此，可检测透明的物体。 利用超声波的传播速度比光速慢的特点，调整用门信号控制被测物体反射的超声波的检测时间，可以构成限定距离式与限定范围式超声波传感器。 T/R40 超声波传感器 本仪器所采用的 TR4016 型超声波传感器的压电效应曲线如图 25 所示。 (1)超声波传感器型号代码 例 ： T 4 0 1 6 外 壳 直 径 （ m m ）中 心 频 率T ： 发 射 ， R ： 接 收 (2)超声波传感器结构图 长春工业大学学位学士论文 9 (3)性能指标 T/R4010 T/R4012 T/R4016 中心频率 40177。 1 kHZ 40177。 1 kHZ 40177。 1 kHZ 发射声压大于 107Db 大于 112dB 大于 115dB 接收灵敏度 74dB/v/uBar 67dB/v/uBar 64dB/v/ubar 6dB 指向 100deg 80deg 50deg 电容 1100177。 25%PF 2500177。 25%PF 2400177。 25%PF 允许输入电压 20V 20V 20V (4)典型特性曲线 声压电平和灵敏度特性曲线如图 2图 26 所示。 长春工业大学学位学士论文 10 由这些特性曲线 可知： T/R40 超声波传感器在输入频率为 40kHz时，各种特性都呈现出最佳状态，因此为了得到最佳效果必须使单片机输出方波的频率为 40kHz。 超声波油量测量仪测量原理 测量原理 超声波测距的方法有很多种，如相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等。 相位检测法虽然 精度高，但检测范围非常有限；声波幅值检测法易受反射波的影响。 本超声波油量测量仪采用渡越时间检测法。 接 收 器发 射 器井 盖井 壁lhH油 图 27 为超声波测量原理图 储油罐不是标准的圆柱形或球形，制成以后，计量部门要进行各种测量绘制出油的高度与油量的对应表，以便查对。 现在常用的人工检尺法就是用钢卷尺测出油的高度，查表得到储油量。 长春工业大学学位学士论文 11 下面仅以标准的圆柱形油罐为例进行说明，其他形状的油罐通过改变计算公式同样可以进行油量测量。 本次 设计的超声波油量仪的发射器和接收器是固定在一起的，安装在罐中表 井的盖子上，也就是罐的顶部。 超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强。 用超声波测量储罐内的油量，实际就是要测量罐顶到油面的距离，由此算出储油罐内油 面 的高度，进一步计算出油的体积和重量 [2][7]。 从超声波发射器发出的超声波，经气体介质的传播到接收器的时间，就是渡越时间。 如图 27 所示，要测量储油罐内油 面 的高度 h，可先测量罐顶到油面的距离，又转化为测量渡越时间 T，若超声波的传播速度为 u，罐的总高度为 H，则 2/uTHh  (29) 由下式计算测量误差 2/2/ uTT Tuu   (210) 式中，占 181。 h为 h的测量误差， δT为渡越时。