超声波传感器在沙子料位检测中的应用*

曲春英, 卞 之

(海南师范大学 物理与电子工程学院 自动化系, 海南 海口 571158)

0 引 言

在工程建筑行业,如果混凝土质量不过关，会存在重大的安全隐患。因此,在生产混凝土时，混凝土各组成物料的精确计量是混凝土质量的基本保证，为此,《GB 10172—1988混凝土搅拌站(楼)技术条件》对生产混凝土的搅拌设备规定了具体的计量精度要求[1]。而沙子是混凝土各组成物料之一，不言而喻，沙子的精确计量是保证混凝土质量的重要因素。

目前,砂石料的计量方式大都是称量式，此方法由于沙子含水量等问题，计量误差较大，且结构复杂、笨重[2]。而超声波系统具有精度高、恶劣环境适应能力强、设备轻便、安装与调试简单,易于读数和测量时不与被测介质直接接触等特点[3]。仅在物位测量方面，在多种物料中获得成功应用，例如：煤仓煤位监测和液位检测。

本文提出了一种新的容积法，即将超声波传感技术应用到混凝土搅拌设备中，对沙子料位进行连续计量，进而得出沙子的用量。

1 超声波测量沙子料位的理论依据

超声波测距有时间差法、相位法等，由于时间差法成本低、实现简单、应用的测距范围大，故本文选用该法。见图1，即将超声波发射端和接收端同时装在盛沙料斗顶部，发射端发出超声脉冲，遇到沙子界面反射回来,电子单元计算发射端发出信号和接收端收到信号的时间差t,得沙子界面到料斗顶部距离h=vt/2，进而得到料位L=H-h，其中,v为超声波在空气中的传播速度[4]，L为料位高度，H为料斗高度 。

图1 超声波测料位示意图

2 提高整体精度关键

2.1 温度补偿设计

温度是影响超声波测量误差的一个主要原因，在空气中超声波传播速度因温度不同而不同，所以,在设计中需要温度传感器测出料斗上方环境温度，进行声速补偿。

经查资料，超声波声速与温度的关系v=331.45+0.607T(m/s)，其中，v为补偿后的声速，T为料斗环境温度,℃[5]。

另外考虑到在实际应用中有时料斗较大，测量距离也较大，难于测量温度分布，此时可加装自动校准装置。需要注意校准装置的适当安装，避免校准回波和主回波混迭[6]。

2.2 自动增大回波幅值

虽然此系统用于料斗出料时测量沙子用量多少，可以避免超声波传感器受到测量方向上的阻碍物、测量介质堆积形状等的影响。但沙子界面凸凹不平，极为粗糙，反射波信号微弱，另外,远距离测量时回波也会减弱[7]。所以,在这里采用了自动增益控制电路，使接收回波的幅值基本保持不变，再通过整形电路输出，以提高测量精度[8]。

3 系统硬件设计

采用台湾华邦公司生产的高速单片机W77E58测量超声波的传播时间,测量分辨率为0.1 μs。环境温度20 ℃时超声波速度为343.6 m/s,1 mm距离的传播时间为2. 91 μs。因此,采用W77E58计时,完全可以保证1 mm的测量精度。测量沙子料位下位机系统设计见图2。

图2 系统设计框图

3.1 超声波发射与接收模块

超声波换能器种类繁多，有的要求被测物表面光滑、平整，有的盲区大，精度不高；综合考虑采用T/R40—16型收发分体式压电陶瓷超声波传感器，其工作电压是5 V,正常工作时电流为30 mA,最大电流是50 mA[9]。输入触发信号最小为10 μs TTL电平脉冲；回波信号为TTL电平正脉冲,脉宽与距离呈比例。它的声压能级、灵敏度在40 kHz时最大，测量距离2 cm～3 m，W77E58通过P1.0和P3.2控制T/R40—16。在TRIGGER引脚给T/R40—16一触发信号后,它将发射超声波。当超声波投射到物体而反射回来时,ECHO引脚输出一返回信号,给单片机一个中断，单片机开始读取测时时间，之后完成距离的计算。

3.2 测温模块

温度测量使用Dallas公司的数字型单总线温度传感器DS18B20设计,其占用单片机的资源少,读写操作方便。DS18B20测量范围是-55～+125 ℃,在-10～+85 ℃间,测量精度达±0.5 ℃,而在整个温度测量范围内具有±2 ℃的测量精度[10],最大转换时间为200 ms[11]。DS18B20采用+5 V电源供电,其数据总线DQ直接与W77E58的P3.1引脚相连。

3.3 自动增益控制模块

自动增益控制电路由放大器AD620，数字电位器MCP41100，通过单片机控制实现增益可调，见图3。

图3 自动增益控制电路

4 系统软件设计

主程序是整个控制系统的核心，通过调用模块子程序来驱动各个模块的硬件电路正常工作，以此来达到实时测量显示沙子料位的功能。实际中通过计算可以显示沙子用量多少，并加以控制。主程序流程图见图4，其中自动增益电路的软件实现采用逐步逼近的方法[12,13]。

图4 系统主程序流程图

5 实验结果

在实验室用了一个形状规则的圆筒作为模拟料斗进行多次测量，随着料斗不断地出料，显示器显示出了不同料位。

为了尽可能地减少测量误差，安装时传感器尽可能地与地面平行，且安装高度不能过低；为减小超声波旁瓣的影响，超声波传感器的2个探头之间的距离要大于3 cm，实验时距离为5 cm。在室温25 ℃的情况下，测量超声波探头到料面距离h数据见表1。

表1 超声波探头到料面距离h数据与误差

通过实验可得，此系统测得距离h精度达到1 mm，且重复性好。20 mm以内为测量盲区，相对较小。

显然，料位高度L乘以料斗有效面积S得到沙子的体积V，沙子的体积乘以沙子的密度即得到料斗内沙子质量G。所以，既可以通过计算机监控料斗内沙量剩余多少，也可以通过计算监控沙子用料多少，进而实现各种场合中沙子的精确配比。

6 结束语

1)本文设计了一基于超声波传感器的测距系统,用于沙子料位的连续测量；采用了高速单片机自动增益电路。经过测试，系统精度较高，测量误差达到了mm级。该系统还可与上位机进行通信，扩展成具有存贮、打印输出、越位报警等各种功能。

2)此料位测量系统适用于大多数固体料位，如水泥和谷类等极干燥和多尘的材料,甚至动态条件下的料位测量。

3)为进一步提高精度，应考虑环境的湿度，因为超声波在液体和固体中的传播速度更快；同时还应考虑基准误差，实际测量距离应当是压电晶片到障碍物之间的距离,由于压电晶片在探头内部,导致了基准的误差[14]。

参考文献:

[1] 吴康雄,李自光,陈 颖.基于电容传感原理的低成本砂石计量技术[J].中国工程机械学报,2006,4(1):102-105.

[2] 刘 伟.连续式沥青混合料搅拌设备的计量控制[J].建筑机械化,2004(8)：68-70.

[3] 贾伯年,俞 朴,宋爱国.传感器技术[M]．南京：东南大学出版社，2000.

[4] 张攀峰,王玉萍,张 健,等.带有温度补偿的超声波测距仪的设计[J].计算机测量与控制,2012,20(6):1717-1732.

[5] 时 玮,孟 军,刘 波.温度修正的超声波测距控制设计[J].机械工程与自动化,2005(6):85-87.

[6] 贺桂芳.一种高精度超声波测距系统的设计[J].传感器与微系统,2010,29(4):111-113.

[7] Wang Jinjin,Yuan Dong,Cai Ping.Range resolution of ultrasonic distance measurement using single bit cross correlation for robot-s[C]∥International Conference on Information,2010:917-923.

[8] Yamashita K,Katata H,Okuyama M,et al.Arrayed ultrasonic microsensors with high drectivity for in-air use using PZT thin film on silicon diaphrams[J].Sensors and Actuators A:Physical,2002,97/98:302-307.

[9] 渠笑纳.超声波测距在泊车辅助系统中的应用[D].大连:大连理工大学,2010.

[10] 张淑清,靳世久,李 隽.提高超声波物位检测精度方法的研究[J].传感技术学报,2007(7):1652-1654.

[11] 朱向庆,陈志雄.带温度补偿的360°超声波测距测速系统设计[J].压电与声光,2011,33(2):315-319.

[12] Huang Kenung,Huang Yupei.Multiple-frequency ultrasonic distance measurement using direct digital frequency synthesizer-s[J].Sensors and Actuators A，2009,149:42-45.

[13] 邹 轶.近距离高精度超声测距系统的设计[D].大连：大连理工大学.2009.

[14] 杨辉媛,涂成军,谭伟杰.超声波测距系统的设计[J].重庆科技学院学报：自然科学版,2009,11(3):163-166.