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 1 合理采用門閥設(shè)計(jì)，減小盲區(qū)眾所周知，使用超聲波液位計(jì)測(cè)距的原理主要是檢測(cè)回波與發(fā)射波之間時(shí)間差Δt，即：Δt = tn-tn-1

 其中：t0為發(fā)射波或稱始波觸發(fā)計(jì)時(shí)器時(shí)間；tn為各回波觸發(fā)計(jì)時(shí)器時(shí)間。如圖1所示。

 圖1 超聲檢測(cè)波形示意圖如圖1所示，在實(shí)際檢測(cè)的過程中，我們可以發(fā)現(xiàn)，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(dāng)被測(cè)液體高度比較低時(shí)，可能會(huì)造成多個(gè)超聲波液位計(jì)回波湮沒在始波附近的干擾波中，而且不容易識(shí)別出有效的回波信號(hào)tn來。合理有效的門閥t的設(shè)置，就很好的解決了這一問題。在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，我們?cè)O(shè)計(jì)的是每40ms發(fā)射一個(gè)始波。通過大量的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，***后我們把門限設(shè)置為2ms。也就是說當(dāng)始波觸發(fā)計(jì)時(shí)器后，計(jì)時(shí)器自動(dòng)關(guān)閉2ms，然后打開計(jì)時(shí)器，開始接收回波。這里需要注意的是，由于容器內(nèi)液體的多少是未知的，也就是說，此時(shí)測(cè)得的***個(gè)回波t1，不一定是真實(shí)的***個(gè)回波，因?yàn)楫?dāng)液位比較低的時(shí)候，前幾個(gè)回波很可能被門閥給過濾掉了。此時(shí)就需要比較回波時(shí)間差Δtn了，Δtn = tn-tn-1 。當(dāng)前后兩個(gè)Δt1和Δt2相差在一定范圍內(nèi)，則可認(rèn)為t1為***個(gè)回波，此時(shí)Δt可以取其中任一個(gè)。否則Δt只能取Δt2。當(dāng)液位比較高時(shí)，系統(tǒng)在一個(gè)檢測(cè)周期內(nèi)可能只能檢測(cè)到一個(gè)回波，此時(shí)的t1必然是***個(gè)回波。

 由于受系統(tǒng)及其他軟硬件條件所限，我們這個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)盲區(qū)大概在5ms左右。

 2 定標(biāo)模塊，去除溫度、介質(zhì)等影響

眾所周知，溫度對(duì)超聲波液位計(jì)的超聲波在介質(zhì)中傳播速度有較大影響。一般來說，溫度越高，超聲波在介質(zhì)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(huán)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(shí)驗(yàn)證明，在固體和液體介質(zhì)中，超聲波傳播亦是如此。不同的介質(zhì)中，超聲波的傳播速度也是不相同的。比如實(shí)驗(yàn)測(cè)得的結(jié)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(jì)時(shí)器1μs就會(huì)產(chǎn)生超過1個(gè)毫米的誤差。

 從上面的表述中可以看出，溫度和介質(zhì)對(duì)超聲波液位計(jì)測(cè)量結(jié)果影響也是很大的。考慮到即使是同一介質(zhì)，其濃度和溫度等因素對(duì)結(jié)果影響也是不可忽視的。正式由于諸多復(fù)雜的原因存在，并沒有哪個(gè)專業(yè)機(jī)構(gòu)能夠給出超聲波在每種介質(zhì)中的具體傳播速度數(shù)值。正所謂繆之毫厘差之千里。為此，我們另辟蹊徑，設(shè)計(jì)了一個(gè)定標(biāo)模塊。如圖2所示。

 該定標(biāo)模塊為一中空的圓柱體結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部底部距離上頂部外延高度設(shè)計(jì)為10cm，設(shè)計(jì)誤差為±10μm（受工藝所限，精度無法更高了）。其思路為，當(dāng)我們需要測(cè)量某一容器內(nèi)液位時(shí)，取與該容器內(nèi)液體注滿定標(biāo)模塊。打開液位檢測(cè)儀，首先測(cè)量該模塊，由于高度已知，可比較精準(zhǔn)的測(cè)得在當(dāng)前環(huán)境下該液體的速度值。然后再用此速度值去測(cè)量密閉容器的液位。

 此方法看似笨拙繁瑣，但在實(shí)際應(yīng)用中我們可以看到，通過這一定標(biāo)模塊的方法，基本消除了溫度和介質(zhì)的影響，大大地提高了檢測(cè)精度和準(zhǔn)確度。3 軟件處理，進(jìn)一步提高精準(zhǔn)度做系統(tǒng)設(shè)計(jì)的人都知道，有些誤差因素是系統(tǒng)固有的，是無法通過硬件的改進(jìn)來消除的。但在系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)過程中，我們可以通過一定的方法和算法進(jìn)一步降低誤差。方法之一就是對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)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(nèi)（我們這套系統(tǒng)大約在1m），回波是能夠接收到兩個(gè)或兩個(gè)以上的回波的。如果回波超過兩個(gè)，我們就取***和第二個(gè)的差值和第二個(gè)和第三個(gè)的差值作比較判斷并取均值備用。如果回波只有兩個(gè)，則取第二個(gè)差值做備用。如果只有一個(gè)回波，那就沒的選擇了。

 其次求均值。我們采取的每40ms發(fā)射一個(gè)發(fā)射波，也就是說，超聲波液位計(jì)系統(tǒng)是每40ms測(cè)量一次數(shù)據(jù)，我們采取的方法并不是每組數(shù)據(jù)直接送顯，而是采用每測(cè)得20組數(shù)據(jù)送顯一次。在取得20組數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)首先去除兩個(gè)較大的值，再去除兩個(gè)較小的值，然后把余下的16組數(shù)據(jù)求均值，然后送顯示器顯示。至于為什么是16組，搞過單片機(jī)的都知道。軟件處理方法之二是主動(dòng)消除固有偏差。表1所示為對(duì)高度約為90cm的液位進(jìn)行多次測(cè)量。

 通過以上測(cè)量結(jié)果來看，整體測(cè)量值比實(shí)際值大約偏高0.5cm，因此，在大約距離為1米左右時(shí)，我們通過把測(cè)得的數(shù)據(jù)均主動(dòng)減去0.5cm。這樣，顯示的結(jié)果與實(shí)際值就比較接近了。

軟件處理的方法之三就是注意細(xì)節(jié)處理。例如像前面所提到的通過定標(biāo)模塊進(jìn)行定標(biāo)時(shí)，會(huì)得到一個(gè)速度值，這個(gè)值會(huì)給后面的程序進(jìn)行計(jì)算時(shí)使用。我們?cè)趯?shí)際的操作中雖然在定標(biāo)時(shí)顯示了具體的速度值，但在后面實(shí)際計(jì)算時(shí)，并沒有直接用這個(gè)值，而是把測(cè)得的被除數(shù)和除數(shù)分別存儲(chǔ)起來，在具體計(jì)算時(shí)，采用的是乘以被除數(shù)，再除以除數(shù)。這樣在一定程度上又進(jìn)一步減少了計(jì)算誤差。

 4 結(jié)束語

本文著重介紹一些在具體使用超聲波液位計(jì)測(cè)量液位的過程中，分析了測(cè)距過程中誤差的產(chǎn)生及減小誤差的方法。實(shí)踐證明,采用這些方法將大大減小測(cè)量誤差,提高測(cè)量的準(zhǔn)確度。