基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究毕业设计论文(编辑修改稿)

基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

一些难题，主要包括：光检测器波长分辨率的提高、纤光栅的封装、波长微小位移的检测、宽光谱高功率光源的获得、光纤光栅的可靠性、交叉敏感的消除等 [11]。 论文的主要研究内容 由于工作要求和复杂环境的限制， 在工业测距场合中， 常常采用非接触测距的方法，非接触式测距进行测量可以完成许多用接触式测距手段无法完成的检测任务。 液面高度测量在工业应用中十分广泛，但目前市场的测量装置 很少考虑液面高度不一致的问题。 本设计在大量文献调研的基础上，采用三个超声波测距传感器解决了液面高度不一致的平均高度测量问题。 基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究 第 4 页 共 48 页 本设计主要进行了以下几个方面的工作： 详细讨论了超声波测距的相关原理，探讨了影响超声波测距精度的因素及一些解决办法。 提出了通过三点测量液位，经过数据处理，得到不一致液面高度的平均高度测量的方法。 完成了基于 STC89C52 单片机的液面高度测量系统的研制，最终通过系统改进，使得测量误差保持在 2cm以内。 利用研制的装置完成了大量的实验，对实验数据进行了处理和分析，提 出了设计的改进意见。 在第二章中介绍了系统的总体设计、超声波测距的原理及测距过程中导致误差的因素和一些解决办法；在第三章中详细介绍了各部分硬件电路的实现办法以及一些芯片的介绍；第四章介绍了系统软件的设计思路；第五章是是系统的调试过程以及调试结果和系统设计 结论。 基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究 第 5 页 共 48 页 2 系统 总体 设计 在复杂的液位边界条件下，液位表面通常不平整，此时，若采用单个传感器测距，测量结果的误差较大，所以在精度要求高的场合，需要多个传感器测量多组数据，经过一定算法，得到更加与实际液位高度更接近的结果。 系统设计思想 按 系统 设 计 要求，设计在液位的上方固定多个测距传感器，如图 21 所示。 在图 21中，若只是单点测距，传感器按在 A、 B、 C 三点的任一点，则测距显示正常，但是在D 点早已超出警戒要求。 所以，本设计中，设计多个测距传感器位于液位上方，测量多组数据，最后 基于一定 算法，实现 复杂边界液面条件下 所测距离的最佳精确，所测的实时液位高度满足 ),...,( 321 nSSSSfH 。 其中， S S Sn 为 n点测量的距离， f是算法函数。 图 21 复杂边界液面的 多点测量示意图 现在具体系统设 计的关键就在于选择每点测距方案，以及选择所测多点数据的融合算法，而提高每点测距的精确度又是提高系统最终测量结果的关键。 对比所有可能的液位测量方案，本文在每一点测距方案上选择超声波测距技术，采用三点法测距，在液位上方选用三个超声波探头，每组探头测量若干组数据，然后基于一定算法处理结果。 超声波测距技术现在也越来越成熟，并且超声波测距不受光线、被测对象颜色等因素的影响，对于被测物体处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下具 基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究 第 6 页 共 48 页 有一定的适应能力和很高的分辨力，因而其准确度也较其它方法为高；而且超声波传感器 具有结构简单、体积小、信号处理可靠 、 技术成熟 、 价格便宜等特点，对于本科生而言，更加易实现。 超声波的传播 人 的耳朵 能分辨在 20HZ~20KHZ 之间 的声波频率 ，频率大于 20KHZ 或小于 20HZ的声波是听不见的。 因此，我们将频率高于 20KHZ 的声波称为超声波。 发射的 超 声波 频率和周期 T 通常 只和 触发超声波的声源 振动频率和周期有关， 因此超声波的频率和周期是与介质本身特性无关的量 [12]。 超声波的波长是指 超声波的 波峰与波峰 (或波谷与波谷 )之间的距离，波长与频率成反比，与速度成正比，关系如 (2l)所示。 fc (21) 在公 式 21 中 ， λ为 超声波 波长。 C 为 超 声波传播速度。 f 为 超 声波的频率。 超声波的传播速度 C 和 声波 波形 只与 传播介质的弹性常数及介质密度 有关。 在相当大的频率范围内， 速度和 频率变化 无关 ，即不同频率的超声波在相同的传播介质中速度相同。 超声波是借助于传播介质的分子运动而传播的 ，在传播过程中， 由于空气分子运动摩擦、 空气中杂质等原因，超声波能量在传播过程中被吸收损耗， 超声波能量会发生衰减， 衰减系数与超声波所在介质及频率的关系为 : 2a f (22) 在公 式 22 中 :α为衰减系数。 a 为介质常数。 f 为振动频率。 由此可以看出，当频率越高时衰减 系数越大，超声波在传播过程中衰减 得越厉害，传播距离也会越短。 因此，选用合适频率的超声波便成为了 系统设计的 一 个至关重要的问题。 当 使用的超声波频率较小 时，尽管衰减系数 较 小，传播距离远，但脉冲的波长较长，从而影响测量的精度。 例如，当 f=40kHz时，波长为 厘米。 当 f=20kHz时，波长为 厘米，显然，系统的测量精度就会降低一倍。 因此在设计超声波液位测量系统时，应该综合考虑 测量精度和接收时的强度这 两 个方面 的 因素。 本文 设计的系统 通过参数比较后，为了 达到 测量精度的要求，也满足接受强度等一系列条件，选用了 40kHz的超声波作为液位测量系统的测量介质。 基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究 第 7 页 共 48 页 超声波测距原理 陶瓷的压电效应 是超声波传感器 工作 的基 本 原理。 给超声波传感器一个 电脉冲 信号之后 ，超声波发射探头便 发出与电脉冲频率相同的 超 声波信号， 后 经 固体或液体物体 表面反射后折回，回波信号 的振动能量引起 接收传感器的机械振动，通过压电效应变成电信号。 目前 ，超声波测距 系统基本 上采用 回波 法 ，通过 接收和 分析回波信号 测量出 整个超声波的飞行 时间，从而实现距离的测量。 根据 超声波传感器 工作方式 的不同 ，可分为一发一收双传感器方式 和自发自收单传感器方式； 根据超声波传播介质的不同，超声波测量技术又可分为气介式和液介式两种类型。 液介式超声波液位测量是以液体作 为超声波的传播媒介。 通过 在水底或者其他液体底部安置超声波传感器 ， 从下向上 定向朝液面发射 超声波 ， 超 声波到达液面后，在液面反射回换能器，测得传输过程消耗的时间为 t。 但是，在液位很深的情况下， 液介式 不易于安装和维护此设备。 气介式 [13]超声波液位测量是以空气作为传播媒介，采用空气声学回声测距原理，根据超声脉冲在空气传播过程中的往返时间来测量液位。 气介式超声波液位测量系统是非接触式测量，系统安装维护方便。 本文设计的就是采用气介式超声波传感器的液位测量系统。 气介式超声波测距的基本原理如图 22 所示。 首先 ， 超声波传感器向空气中发射 超声波 脉冲 ， 超 声波 在 遇到被测液面后反射回来，若测出第一个回波达到的时间与发射脉冲间的时间差 t，利用公式 tv21s ，即可算得传感器与反射点间的距离 s[14]。 测量距离222d  hs ，若 hS  时，则 d≈ s； 若采用收发同体传感器，故 h≈ 0，则 tv21sd 。 图 22 超声波测距原理 基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究 第 8 页 共 48 页 复杂液面条件下 影响超声波测量精度的因素 由公式 tv21d 知，影响超声波液位计液位测量精度的主要因素是声速与传播时间，除此之外受外部条件影响产生液位波动等也会造成测量误差。 空气温度因素 对于 气介式超声波测距系统而言， 已产生的 超声波借助于空气以纵波的形式平行于振动面传播。 由于气体具有扩张 和反抗压缩的弹性性质，在空气分子受到超声波 振动面交替的 扩张 与 压缩时， 空气分子具有自恢复力， 超声波的传播也就相当于是气体为反抗压缩变化力的作用而实现弹性波的传播。 在 空气气压、湿度、温 度、密度 等因素 发生改变时，超声波在空气中的传播收到影响，超声波的速度发生改变。 与其他环境因素的影响，大气温度对 超声波速度 C 的影响最为明显。 超声波在空气中 的 传播速度与当前 空气 温度的关系式如式 (23)所示。 MRTC  （ 23） 其中，γ： 表示气体定压热容和定容热容的比值，在空气中为常量。 R： 表示 气体普适常量， 在空气中 为。 M: 表示 气体分子量， 在空气中 为 *。 由 公式 23 我们 可以计算出 在不同气温下 的 超声波速度 ，例如 :当温度 为 T=293K （ 20℃ ）时， 此时 超 声波速度 为 C=。 在空气中，温度因素相较于其他因素而言， 对 超声波速度 的影响最大。 一般上，可近似认为 [15]： ）（ sm /0 . 6 0 7 T3 3 1 . 4 5C T  （ 24） 式中： T 为空气温度（℃）。 从 公 式 24 中 可以推导 ， 在 1m的 测量 距离中，温度误差 10℃ ，超声波速度变化 6m/s，大约能造成。 因此，为了最 大限度的减小测量误差，必须准确测量周围的环境温度。 在测量距离较小 时，为把测量精度控制在厘米范围内，则温度的分辨率应达到 1℃。 根据式 24 关系可以 得出在空气中 超声波速度随温度变化的关系曲线图 ， 如 图 23所示。 由图中我们可以得知， 当温度 T 从小变大，从 0℃到变化到 40℃时， 温度将会导致超声波在空气中的 速度产生 +8%变化 ，即相差 24m/s。 因此，为了提高测量精度减小误差， 提高系统对周围环境温度的适应， 必须根据当前环境温度对 超声波速度 进行实时 基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究 第 9 页 共 48 页 修正，在系统中设计温度矫正单元是很有必要的。 图 23 空气中声速随温度变化曲线 液位波动和液面表面杂质的因素 通常超声波液位计测量不建液位测井，因此，在受风浪船行波、液面杂碎物质如木头等的影响，不平整的 复杂液 面使超声波的反射方向发生改变，从而减弱超声波回波信号。 可以采用 多点 测量的办法， 在一定时间内，多次采样后求平均来使测量值接近真值。 采样 点越多，采集的 时间越长 、 数据越多，则测得液位越精确。 为了消除船行波等造成水面不规则升降变化的影响 ， 也可以将采样的数据进行排序去掉最大和最小的一部分数据取中间数据的平均值，用这种中间平均法可以有效防止一些测量的干扰。 在液位变化比较平缓的地方可以采用控制液位变化率的方法来进行滤波。 例如每次采样数据液位变化只允许 1cm,多次采样后的数据就等于或接近真实位，这样可以减少一些随机干扰。 超声波传感器之间的回波干扰 当采用多个超声波传感器测 量复杂边界液面 时，由于反射面的不平整容易造成回波信号 不是垂直反射回去，这样超声波传感器能够接收到临近的超声波传感器所发射的超声波信号，从而造成传感器的误判，引起测量误差。 尤其是在相邻超声波传感器的位置距离较近时就 更 要考虑回波信号之间的干扰问题 [16]。 基于多传感器融合的复杂边界液面高度测量装置的研究 第 10 页 共 48 页 影响超声波测量计时准确性的因素 测量液位实际就是测量声波从探头发出到达水面，再从 液面 反射回到探头的时间。 这个传播时间的测量精度实际就反映了液位测量精度。 上述影响测量精度的因素采用适当的措施和方法比较容易解决，但对超声波的回波进行准确的计时却比较困 难。 主要影响的因素有：超声波传感器的工作频率与探头的通频带宽度、门限电平与检测方法、干扰鉴别等。 （ 1）超声波工作频率与通频带 超声波传感器 是 基于压电陶瓷的工作原理， 施加的电脉冲信号使得压电陶瓷上 产生机械振动，从而带动空气振动产生超声波。 当超声波遇液面返回时，返回 的 声波信号使压电陶瓷振动而产生电信号。 超声波信号示意如 图 24 所示。 图 24 超声波信号示意图 通常超声波探头通频带（ BW）与谐振频率（ W0）、品质因素 Q 的关系 [17]为： QW0wB  （ 25） 当探头的品质因素 Q 值越高，通频带越窄，这给压电陶瓷的起始机械振动带来一个较长的时间。 通频带越宽，起振时间就越短。 因此，在相同的 t 值时，选用较高的工作。