采用超聲波液位計進行液位檢測的設計方案交流分享

 1 合理采用門閥設計，減小盲區眾所周知，使用超聲波液位計測距的原理主要是檢測回波與發射波之間時間差Δt，即：Δt = tn-tn-1

 其中：t0為發射波或稱始波觸發計時器時間；tn為各回波觸發計時器時間。如圖1所示。

 圖1 超聲檢測波形示意圖如圖1所示，在實際檢測的過程中，我們可以發現，在始波附近，存在大量的干擾波，主要是由于容器壁的多次反射形成的干擾。

 當被測液體高度比較低時，可能會造成多個超聲波液位計回波湮沒在始波附近的干擾波中，而且不容易識別出有效的回波信號tn來。合理有效的門閥t的設置，就很好的解決了這一問題。在整個系統設計的過程中，我們設計的是每40ms發射一個始波。通過大量的實驗檢測，***后我們把門限設置為2ms。也就是說當始波觸發計時器后，計時器自動關閉2ms，然后打開計時器，開始接收回波。這里需要注意的是，由于容器內液體的多少是未知的，也就是說，此時測得的***個回波t1，不一定是真實的***個回波，因為當液位比較低的時候，前幾個回波很可能被門閥給過濾掉了。此時就需要比較回波時間差Δtn了，Δtn = tn-tn-1 。當前后兩個Δt1和Δt2相差在一定范圍內，則可認為t1為***個回波，此時Δt可以取其中任一個。否則Δt只能取Δt2。當液位比較高時，系統在一個檢測周期內可能只能檢測到一個回波，此時的t1必然是***個回波。

 由于受系統及其他軟硬件條件所限，我們這個系統的檢測盲區大概在5ms左右。

 2 定標模塊，去除溫度、介質等影響

眾所周知，溫度對超聲波液位計的超聲波在介質中傳播速度有較大影響。一般來說，溫度越高，超聲波在介質中的傳播速度越快。例如，超聲波在空氣中的傳播速度可以表示為：C=331+0.6T。其中T為環境溫度。也就是說在空氣中溫度每上升1°，超聲波的傳播速度都要增加0.6m/s。實驗證明，在固體和液體介質中，超聲波傳播亦是如此。不同的介質中，超聲波的傳播速度也是不相同的。比如實驗測得的結果表明，在汽油中，超聲波的傳播速度大約在1300m/s上下，而在水中則在1400m/s左右。計時器1μs就會產生超過1個毫米的誤差。

 從上面的表述中可以看出，溫度和介質對超聲波液位計測量結果影響也是很大的?？紤]到即使是同一介質，其濃度和溫度等因素對結果影響也是不可忽視的。正式由于諸多復雜的原因存在，并沒有哪個**機構能夠給出超聲波在每種介質中的具體傳播速度數值。正所謂繆之毫厘差之千里。為此，我們另辟蹊徑，設計了一個定標模塊。如圖2所示。

 該定標模塊為一中空的圓柱體結構，其內部底部距離上頂部外延高度設計為10cm，設計誤差為±10μm（受工藝所限，精度無法更高了）。其思路為，當我們需要測量某一容器內液位時，取與該容器內液體注滿定標模塊。打開液位檢測儀，首先測量該模塊，由于高度已知，可比較**的測得在當前環境下該液體的速度值。然后再用此速度值去測量密閉容器的液位。

 此方法看似笨拙繁瑣，但在實際應用中我們可以看到，通過這一定標模塊的方法，基本消除了溫度和介質的影響，大大地提高了檢測精度和準確度。3 軟件處理，進一步提高**度做系統設計的人都知道，有些誤差因素是系統固有的，是無法通過硬件的改進來消除的。但在系統的軟件設計過程中，我們可以通過一定的方法和算法進一步降低誤差。方法之一就是對測得的數據進行進一步判斷、求均值。首先是判斷。從圖1的波形所示來看，在一定的距離內（我們這套系統大約在1m），回波是能夠接收到兩個或兩個以上的回波的。如果回波超過兩個，我們就取***和第二個的差值和第二個和第三個的差值作比較判斷并取均值備用。如果回波只有兩個，則取第二個差值做備用。如果只有一個回波，那就沒的選擇了。

 其次求均值。我們采取的每40ms發射一個發射波，也就是說，超聲波液位計系統是每40ms測量一次數據，我們采取的方法并不是每組數據直接送顯，而是采用每測得20組數據送顯一次。在取得20組數據后，系統首先去除兩個較大的值，再去除兩個較小的值，然后把余下的16組數據求均值，然后送顯示器顯示。至于為什么是16組，搞過單片機的都知道。軟件處理方法之二是主動消除固有偏差。表1所示為對高度約為90cm的液位進行多次測量。

 通過以上測量結果來看，整體測量值比實際值大約偏高0.5cm，因此，在大約距離為1米左右時，我們通過把測得的數據均主動減去0.5cm。這樣，顯示的結果與實際值就比較接近了。

軟件處理的方法之三就是注意細節處理。例如像前面所提到的通過定標模塊進行定標時，會得到一個速度值，這個值會給后面的程序進行計算時使用。我們在實際的操作中雖然在定標時顯示了具體的速度值，但在后面實際計算時，并沒有直接用這個值，而是把測得的被除數和除數分別存儲起來，在具體計算時，采用的是乘以被除數，再除以除數。這樣在一定程度上又進一步減少了計算誤差。

 4 結束語

本文著重介紹一些在具體使用超聲波液位計測量液位的過程中，分析了測距過程中誤差的產生及減小誤差的方法。實踐證明,采用這些方法將大大減小測量誤差,提高測量的準確度。