毕业论文：基于单片机的超声波流量计

毕业论文：基于单片机的超声波流量计内容摘要：

超声波流量计的总体设计 超声波换能器概述 超声波换能器能量转换原理 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制成超声波传感器。 它是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。 在发射超声波的过程中，换能器将电能转化为机械能，再转化为声能，如图 所示： 电能 声能机械能 图 发射超声波 过程 的能量转化 在接收超声波的过程中，换能器将声能转化为机械能，再转化为电能 ，如图 所示： 电能机械能声能 图 接收超声波 过程 的能量转化 超声波换能器的类型及主要性能指标 目前常用的超声 波 换能器有两大类，即电声型与流体动力型。 常用超声 波 换能器有压电换能器、磁致伸缩换能器、电磁换能器以及电容式换能器等。 目前比较常用的是压电超声波换能器。 压电超声 波 换能器主要应用于常温下的检测。 压电 换能器 属于超声 波换能器 器中电 声型的一种。 探头由压电晶片、楔块、接头等 组成，是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件，是超声波检测装置的重要组成部分。 它的特点是阻抗高且呈容性，还具有结构简单 、 可靠性高等特点。 压电材料分为晶体和压电陶瓷两类。 属于晶体的如石英，妮酸铿等，属于压电陶瓷的有错钦酸铅，钦酸钡等。 其具有下列的特性 :把这种材料置于电场之中，它就产生一定的应变。 相反，对这种材料施以外力，则由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场。 所以，只要对这种材料加以交变电场，它就会产生交变的应变，从而产生超声振动。 因此，用这种 材料可以制成超声 波换能 器。 换能 器的主要组成部分是压电晶片，当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲， 这是逆压电效应； 当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号， 这 是正压电效应。 前者用于超声波的发射，后者 用于 超声波的接收。 超声波 换能 器一般采用双压电陶瓷晶片制成。 这种超声 波换能 器需要的压电材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。 在压电陶瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时，根据压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电 压的大小和方向成正比的。 也就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为 f0 的 交流电压，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气等媒介，便会发出超声波。 如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用，这将会使其产生机械变形，这种机械变形是与超声机械波一致的，机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号。 压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率 f0。 发 射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致， 这样，超声 波换能 器才有较高的灵敏度。 当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就 可非常方便的改变其固有谐振频率，利用这一特性可制成各种频率的超声 波换能 器。 超声波换能器结构如图 所示： 共 振 板压 电 晶 片电 极 图 超声波换能器结构图 超声波换能器的选择及设计 超声波换能器的主要参数 (1)中心频率 中心频率，即压电晶片的谐振频率。 当施加于它两端的交变电压频率等于晶片的中心频率时，输出能量最大，传感器的灵敏度最高。 超声波的频率在很大程度上影响着超声波的传播， 用于水流量测量时，超声波频率范围一般为 到 2MHz。 超声波的频率越高，声 束扩散角小，能量越集中，方向性越好，分辨力也越好，但是频率越高，超声波衰减越大，而且也会增加电路设计的困难。 常见超声波传感器的中心频率有有30KHz、 4OKHz、 75KHz、 200KHz、 400KHz 等。 (2)入射角 这个角度决定了超声波换能器的安装位置。 由于超声波入射时在管壁及流体界面处都会发生折射，会转换成两束纵波在流体中传播，为提高探头接收信号的选择性，一般选择入射角大于第一临界面角而小于第二临界角，以保证仅一束超声波被探头接收。 (3)发射强度 由于噪声的影响，接收换能器接收到的信号一般要求在几 十毫伏以上，超声波发射的强度越大，相同距离内接收探头收到的强度也越大，削弱声吸收的影响，所以，要使接收换能器能够可靠地工作，发射探头必须要能发射出足够的能量，以便接收探头分辨处理超声波首波，提高测量精度。 本设计中，选用了中心频率为 1MHz 的探头，入射角为 45176。 (4)工作温度 工作温度是指能使 换能 器正常工作的温度范围，其温度上限应远于 居里点温度。 超声波换能器的选择 超声波 换能 器有多种结构形式，可分成直探头 (接收纵波 )、斜探头 (接收横波 )、表面波探头 (接收表面波 )、收发一体式探头、收发分体式双探头等。 超声波 换能 器分通用型、宽频带型、耐高温型、密封放水型等多种产品。 一般电子市场上出售的超声波 换能器常见的有收发一体式和收发分体式两种。 其中收发一体式就是发送器和接受器为一体的 换能 器，即可发送超声波，又可接受超声波。 收发分体式是发送器用作发送超声波，接受器用作接受超声波。 本设计中选用的为收发一体式，选用两台材质和结构完全相同的换能器 T1和 T2进行交替发射接收，以实现顺流和逆流的时间测量。 在超声波测量系统中，频率取得太低，外界的杂音干扰较多。 频率取得太高，在传播的过程中衰减较大，检测距离越短，分辨力也变高。 超声波换能器的安装方式及选择 对于时差法超声波流量计来说，超声波换能器在管道上的安装位置通常有三种不同形式，如图 所示，分别为：平行式、 Z 式、 V 式。 T1T2T1T2T1T2 图 超声波换能器的 三种 安装方式 平行安装的超声波换能器位于管道轴线上，理论上讲，声波在管道的径向穿过流体截面的次数越多，其测量准确度就越高，但是换能器安装在管道轴向中心一方面会严重扰乱流场的分布，另一方面其测量的流体流速不具有整个流束截面的代表性，所以是不可取的； Z 型安装的声传播路程较 短，传播时间不易测量，会限制流量计在小管径上的应用；而 V 型结构既保证了波的传播方向又可以扩大声程，因此，两个换能器安装在同一侧对测量的准确度有很大的帮助。 本设计中选用了 V 型安装方式，在管道同一侧安装了两个相同的超声波换能器，这样不仅可以提高系统的分辨率，而且单通道形式可以消除由于双通道换能器参数不对称等引起的一切附加温度误差，特别是单通道的发射器、接收器安装在管壁同一侧，让超声波在管壁对侧反射一次的方法还可以减少流速断面分布不均匀的误差，另外这种方法也可以减少超声波在声道中多次反射引起的对测量的干扰。 时 差法测量原理及影响测量的主要因素 Z 型安装方式时差法测流量的测量原理 时差法的原理是利用声波在流体中顺流、逆流传播相同距离时存在时间差，而传播时间的差异与被测流体的流动速度有关系，因此测出时间的差异就可以得出流体的流速，也就可以计算除流体的流量。 其基本原理如图 所示： dvT1T2 图 时差法基本原理示意图 图中为液体管道，其中流有待测量液体，管道两侧装有超声波换能器 T1及 T2，它们是一对能同时发射和接收超声波的换能器。 首先换能器 T1发射超声波，超声 波顺流传播，传播速度提高，经过时间 1t 被换能器 T2接收；然后 T2发射，超声波逆流传播，传播速度减小，经过时间 2t 被 T1接收。 设超声波信号在被测流体中的声速为 C ， 声射线与管轴之间的夹角为  ，管道内径为 d ， 由于换能器布置在管道外，超声波在换能器和管壁中传播需要时间，而且电路也有延迟，总称为延迟时间 0 ， 0 远小于超声波在流体中的传播时间，则有： 01 sinc os   vCdt (21) 02 sinc os   vCdt (22)  22212 s int a n2 vC dvttt  (23) 在一般工业测量 中，超声波在液体中传播速度比液体的流速大得多，即 2C 远大于22sinv ，所以顺逆流时间差 12 ttt  可以简化为： tan2212 Cdvttt  (24) 因此，时差法超声波流量计的基本方程可以写为： tdCv  tan2 2 (25) vdQ 42 (26) 由于 C 、  和 d 均已知 ,只要测出 t 就可计算出 v 和 Q 来。 影响测量的主要因素 在实际的测量中，测量环境 不是一成不变的，有各种因素制约着流量的准确测量，在机械方面，与管段的几何尺寸有关；在物理方面，与来流的速度分布与温度变化有关；电子方面，与时间的测量有关。 在使用超声波流量计进行测量时，通常流场相对稳定，超声波在液体中传播衰减相对较小，对于流体温度对测量的影响，以往的超声流量计均采用压电超声换能器进行测量，只有在被测流体温度较高，超过 150℃ 的情况下，才无法进行测量，而一般情况下的测量，温度在不超过 150℃的情况下，精确度是比较高的，因此常温下可不考虑此问题。 在以上三个方面中，前两个因素的制约相对较小 ，因 此，传播时间的测量对整个课题的研究和整机的性能是最关键的问题。 另外，超声波换能器的性能，主机中对信号的采集和处理是另一个测量的重要因素。 因此，本设计中对超声波流量计的设计和研发主要针对这些问题进行探讨，只有很好地克服和解决这些问题，才能保证流量计的测量精确度，使整机性能达到精确指标。 V 型安装方式时差法原理介绍 首先，针对 V 型安装方式的测量原理对流速测量公式进行推导，原理图如图 所示： dvT1T2 图 V型安装方式 时差法原理示意图 当管道中流体以速度 v 流动时，超声波信号在流体中的顺逆流传播时间分别为 1t 、 2t ，那么对于 V 型安装有： sincos21 vCdt (27) sincos22 vCdt (28) 22212 s i nt a n4 vC dvttt  (29) tdCv  tan4 2 (210) 多脉冲测量原理 超声波顺逆流发射的传播时间差 t 仅为 95ns 左右，如果 要求系统测量精度为 1 ，则测量分辨率至少应达到 1ns，那么就需要采用 1000MHz 的时钟脉冲计数来记时，并且相应的要提高各种门电路开关速度，在现今电子技术发展情况下，这样高的频率时钟电路和计数电路都难以实现，可见极力去精确测量单个纳秒级的时差是不现实的，为了解决这个难题，本设计采用了多脉冲法作为测时方法。 多脉冲测量方法是进入九十年代以来，国外生产厂家首先采用的一种测时方法，但多脉冲仅仅作为一个术语出现在产品介绍，或在产品说明书中一带而过。 本设计结合微 处理器的特点， 对超声波时差流量测量的多脉冲测量方法进行了较深入的研究。 多脉冲测量方法不仅能有效的滤除干扰信号获得可靠的超声波传播时间，而且能在流量测量过程中结合多脉冲测量方法的特点，利用概率论和数理统计等相关理论对测量时差法做出了合理估计，从而确保了流量测量的精度。 多脉冲测量方法就是利用超声波的多次发射和接收过程，对某一物理量进行测量的方法，工作示意图见图 ，首先使一个超声波换能器 T1作为发射探头，另一个换能器作为接收探头，如图 a 所示，然后将触发信号施加在发射探头 T1上使其发射超声波。 超声波顺流传播被接收探头 T2接 收并转换为电信号，接收的电信号经放大、整形处理后又代替触发信号去触发换能器 T1第二次发射超声波，如此重复上述的超声波发射、接收过程，就形成了自激的顺流超声波声循环。 在完成 N 次声循环后循环停止，假设这 N 次顺流声循环所需的时间为 3t ，它包括 N 次固有延迟时间 )(i ，（ i= 3… N）之和以及 N个超声波在水中单次顺流传播时间 1t 之和，即： 113 )( NtitNi   (211) dvT1T2dvT1T2启 动 启 动放 大放。