基于300 kHz超声波换能器的高精度测距装置

2014-03-23王英健

仪表技术与传感器 2014年1期

王英健，张　柳

(长沙理工大学电气与信息工程学院，湖南长沙　410076)

0　引言

超声波作为一种高效、准确、非接触式检测手段，被广泛应用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等领域。在化工、石油、冶金、电力、水处理等行业中，对存储在容器、储罐、仓库内的物料物位检测的准确性、适时性对于实现安全、高效的工业生产具有十分重要的意义。计量的准确与否将对企业的成本核算、能源消耗等指标的正确计算及可信程度产生影响。

常用的40 kHz超声波测距装置由于存在测量精度不高等问题，已难以满足生产中高精度测量的需要。近年来，超声波测距原理虽然变化不大，但由于新材料、新技术的应用，不仅使测量精度有了大幅的提高，而且应用范围也大为扩展，被认为是目前最有前途的测量方法之一[1]。

超声波的频率在很大程度上影响着超声波的传播，其频率越高，声束扩散角越小，能量越集中，方向性和分辨力也越好，但是对于同一材料来说，频率越高，声波衰减也越大[2]。此外，影响超声测距精度的因素除了传感器本身的制作工艺差别外，还与发射和接收电路的性能以及环境的温度等误差的修正方法有关，而关键是准确测量超声波传播时间和环境温度[3]。要实现超声波测量的较高精度，需要仔细分析误差成因，并有针对性地设计相关硬件电路和测量软件，以有效排除超声波受到的各种干扰，提高测量精度。

文中仔细分析了超声波测距的误差主要成因，通过合理选择微处理器型号和超声波换能器、合理调整接收电路放大倍数和门限电压、对回波的脉宽进行测量，以降低回波滞后产生的时间测量误差，设计了一种超声波测距装置，该装置在0～600 mm的测量范围内，误差可控制在±1 mm以内。

2　误差成因与对策及系统方案

2．1误差成因与对策

2．1．1单片机计时量化对距离测量误差的影响

超声波依据S=Ct/2来测量距离，其误差主要由声速C和时间t的测量误差构成。而t的测量误差取决于单片机系统计时量化带来的误差。

ΔS=CΔt

(1)

要求误差小于1 mm，假设C=344 m/s(20 ℃)，这时对应的时间为：

(2)

即Δt<2.907 μs

系统采用MP430F235单片机，主频为16 MHz，其计时量化单位为0．062 5 μs，远小于2．907 μs，故其产生的计时误差可忽略。

2．1．2超声波频率对距离测量误差的影响

目前超声波换能器的超声波频率一般有40 kHz、100 kHz、200 kHz和300 kHz等几种规格。超声波测距采用组波发送形式，即一次发送10个周期左右的完整波形，然后进入接受回波状态。接收通道一般都有放大器和比较器。超声波回声会随距离增大而衰减。其波形如图1所示。

图1　超声波回波波幅衰减图

经设有门限的比较器处理后的波形图如图2所示。

图2　经比较器整形后波形

从图2可以看出随着距离的增加，接收脉冲的宽度变窄，前沿后移，造成时间测量误差。整形后的波形由若干个超声波周期构成，前沿后移意味着超声波回波测量时间延后。如果采用40 kHz超声波，丢失一个超声波周期最大可能滞后25 μs，这将造成最大8．6 mm的误差；如果采用300 kHz的超声波，丢失一个超声波周期最大可能滞后3．3 μs，将造成最大1．1 mm的误差，要比40 kHz超声波小很多，但如若不采取适当措施，误差仍不满足要求，因此，即使采用300 MHz，仍要采取措施来降低时间测量的误差。为减少波形前沿延后产生的误差，有人采用自动增益的方式，将整形后的脉冲调成等宽度，但电路较复杂，增益控制难以准确，误差不能彻底消除。还有多种滞后时间估算方法，但要检测的参数多，增加电路复杂性，多种参数测量还会带来新的误差。故设计不采以上现有方式，而采用3种方式的组合来减少时间测量误差：(1)尽可能增大接收回路放大倍数，使正弦波的前沿变陡峭，从而使整形后的脉冲前沿提前；(2)适当调整比较器门限电压，降低门限电压可使整形后的脉冲前沿提前，但要兼顾噪声抑制；(3)在进行前述处理的基础上，文中提出一种按回波脉宽计算滞后时间的方法，测量电路和计算都很简单，基本可以消除时间滞后误差。该方法原理如下：

图3中的虚线是发送的超声波周期，实线是回波宽度。图4表示发送波和回波前沿的相位关系。

图3　超声波回波波幅衰减图

图4　发送波形与回波关系图

式中：T为发送的300 kHz超声波波族周期：

T1为测得的回波脉冲宽度；Δt为滞后时间。

显然有

(3)

(4)

计算实例：表1是对于不同距离，不同回波宽度，应用式(4)计算的结果。其中S1为无补偿时的距离值，S2为补偿后的计算值。

表1　补偿计算表

可见距离越远，回波脉冲越窄，时间滞后越多，补偿量越大。

2．1．3接收电路增益对距离测量误差的影响

接收电路增益越大，门限越低，波形超声波滞后越少。但是电路增益大，门限低，易引入干扰信号，造成更严重的误差。为此要根据系统噪声情况精心设置电路增益和门限电压值，使电路的增益尽可能大，门限尽可能低，但又不出现严重噪声。

2．1．4温度对距离测量误差的影响

超声波传播的介质温度对传播速度有较大影响。一般经验公式为：

cs=331.5+0.607T(m/s)

(5)

式中T为摄氏度，℃．

将式(5)代入超声波距离公式，对温度求导后有：

ΔS=0.335tΔT

(6)

此式表示温度检测分辨率与距离检测绝对误差之间的关系。

在600 mm测量范围内测得的声波传播时间不大于2 ms，系统采用的DS18B20数字温度集成电路的最高分辨率为0．062 5 ℃．代入可知，由温度测量误差带来的距离最大误差为0．0419 mm，故用DS18B20进行温度检测完全可以满足精度要求。

2．2超声波测距方案

该设计以单片机为主控制器，通过软件实现300 kHz超声波信号的产生，经驱动放大给换能器提供超声波发射信号。同时单片机启动计时器开始计时，超声波信号遇到障碍物后反射回来被同一换能器接收，经过放大、滤波、整形后触发单片机关闭计时器。再根据超声波测距原理，调用测试子程序，计算距离。超声波液位测量系统的硬件结构如图5所示。

图5　硬件结构框图

3　系统各部分硬件设计

3．1微处理器选型与电路设计

微处理器的选择直接决定了系统的性能。MSP430F235单片机内部集成了超低功耗闪存、高性能模拟电路和16位精简指令集计算机(RISC)CPU．指令周期可达125 ns；工作电压为1．8～3．6 V，电流消耗很低，活动模式下，电流消耗330 μA，低功耗工作模式时，电流消耗可低至0．2 μA．片内资源丰富，含多个16位定时器，12位A/D转换器，通过软件可以选择片上通用I/O口中断功能的触发方式，支持汇编语言和C语言编程。设计中采用MSP430F235单片机的16 MHz钟频，可提高系统计时精度。

3．2超声波传感器选型与发射电路设计

为了追求安装的方便与更小体积，设计采用FUS300收发一体的压电式超声波探头，中心频率为300 kHz．

超声波发射电路包括超声波产生电路和超声波发射电路两个部分。设计选用软件发生法产生300 kHz超声波，通过输出脚引入至驱动器，经过驱动器后推动换能器发射超声波。相对于硬件发生法，这种方法的特点是充分利用软件，灵活性好，但需要设计一个驱动电流100 mA以上的驱动电路。

驱动电路采用推挽输出方案，剔除了笨重的输出变压器，可满足40 V/100 mA以上的驱动要求。

图6为超声波输出实测波形。

图6　300 kHz超声波输出波形

3．3超声波接收系统设计

根据电路的要求，接收电路必须满足要求：微弱信号放大，放大倍数要求可将mV级电压放大到10 V级电压；波形整形；产生单片机定时/计数器的启停控制信号。

设计的接收电路由6部分组成，电路组成如图7所示。第一部分为采用两级运算放大器组成的前置放大电路，将接收到的微弱信号放大至后续电路可以检测到的范围；第二部分是滤波电路，对信号中非300 kHz的噪声信号进行滤除，所采用的滤波器的中心频率计算公式为：

(7)

图7　接收电路结构图

第三部分为输出放大级；第四部分为限幅比较电路，可将接收到的强弱不一的信号转换成幅度一致的信号，采用电压比较器LMV331将模拟信号转换为脉冲信号，输出至JK触发器的K端；第五部分中JK触发器的输出Q送入单片机计时器，作为定时器捕捉时间的触发信号。第六部分为回波脉宽检测电路，将300 kHz脉冲群转换成方波以控制单片机定时/计数器的启停。

3．4回波信号宽度检测电路

电路将300 kHz脉冲群转换成方波以控制单片机定时/计数器的启停。电路采用AD650 V/F转换芯片组成F/V转换器。该芯片具有以下特点：

(1)工作频率高，V/F变换工作频率可达1 MHz；

(2)非常低的非线性度；

(3)输入电压范围大，输出方式灵活；

(4)既可做V/F 变换，又可做F/V变换；

(5)容易与标准逻辑电路或光电耦合器接口。

测量电路如图8所示。

图8　接收电路结构图

4　系统软件设计

4．1程序设计思想及测距装置工作原理

为了精确测距，该软件要完成的工作：(1)产生300 kHz超声波；测量超声波的传输时间t；(2)根据现场温度计算超声波的传输速度c；(3)为了进行温度补偿需要对温度进行精确测量；(4)文中采用了测量回波脉宽的方法来估算回波滞后时间，还要对回波脉宽T1进行测量。(5)上传、存贮和显示数据。该装置300 kHz的脉冲串由软件产生；对超声波的传输时间t的测量及回波脉冲宽度的测量采用单片机的定时/计数器完成；温度测量采用DS18B20完成。软件的工作就是对各个模块的工作进行协调。

超声波液位测量系统的软件设计主要由主程序、超声波发射模块、超声波接收模块、测温模块、通讯模块组成。软件设计的总体框图如图9所示。

图9　软件设计总体框图

4．2主程序流程

主程序流程如图10所示。

主控器首先测量当前温度，接着发送超声波，在发出超声波的同时启动定时/计数器1工作；当超声波探头接收到回波信号时停止计时；由此得出超声波的来回传输时间t；当回波前沿到达时，启动定时/计数器2，后沿到达时停止计数器2，以测定回波脉宽T1．按经验公式(5)算出声速C，按式(4)计算距离S，存储显示数据。并经RS-485接口将数据传送到上位机处理、存储或显示结果。