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1、长春工业大学学位学士论文摘 要课题针对储油罐油量液位检测的实际问题，开发了一种使用单片机的超声波液位测量仪。介绍了液位测量仪的现状及发展趋势，深入讨论了用超声波作为信号源进行液位测量的可行性及优越性，以及产生误差的各种原因，并提出了相应的解决办法。本课题详细介绍了超声波传感器的原理和特性，以及Atmel公司的AT89C51单片机的性能和特点，并在分析了超声波测距原理的基础上，指出了设计测距系统的思路和所需考虑的问题。超声波液位测量仪利用超声波对油量液位进行自动检测和数据处理，给出了以单片机AT89C51为核心的低成本、高精度、微型化数字显示的硬件电路和软件设计方法。该系统硬件电路设计包含了超声
2、波发射电路、接收电路、温度补偿电路和相应的控制电路。软件设计中，我们采用模块化程序设计思想，将软件分为超声波驱动与数据处理模块、功能模块两大类。这套系统软硬件设计合理、工作稳定、性能良好、检测速度快、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到设计的要求。关键词：单片机；超声波；液位测量 Research on Oil Tank level Measurement SystemAbstractThis research on oil tank level measure system for the practical problems, developed a single chip
3、 using ultrasonic wave level measurement. Liquid level measuring instrument introduced status and development trends, in-depth discussion of the use of ultrasound as the signal source level measurement feasibility and superiority, and various reasons of generating errors, and put forward the corresp
4、onding of the solution. This subject has introduced principle and characteristic of the ultrasonic sensor in details, and the performance and characteristic of one-chip computer AT89C51 of Atmel Company ,and on the basis of analyzing principle that ultrasonic wave finds range ,the systematic thinkin
5、g and questions needed to consider that have pointed out.Ultrasonic level meter using ultrasonic fuel level detection make automatic detection and data processing. At the core of the design using AT89C51 low-cost, high accuracy, Micro figures show that the ultrasonic range finder hardware and softwa
6、re design methods. The hardware circuit includes ultrasonic transmitter circuit, receiver circuit, temperature compensation circuit and the corresponding control circuit. Software design, we design a modular program, the software is divided into ultrasonic drive and data processing modules, function
7、 modules into two categories. This circuit of system is reasonable in design, working stability, performance good measuring speeding soon , calculating simple , easy to accomplish real-time control ,and it can reach industrys practical demand in measuring the precision.Keywords: Single Chip Microcom
8、puter; Ultrasonic Wave; Liquid Level Measurement毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即
9、：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪 论11.1 液位测量仪的现状11.1.1 液位测量仪的现状11.1.2 储罐液位测量仪表的现状31.2 超声波油量测量仪的研究目的及意义31.3 超声波油量测量仪的研究内容4第2章 超声波油量测量仪测量原理52.1 概 述52.2 超声波传感器工作原理52.2.1 超声波传感器基本结构及工作原
10、理52.2.2 超声波传感器的检测方式72.2.3 T/R40超声波传感器82.3 超声波油量测量仪测量原理102.3.1 测量原理102.3.2 超声波测距的理论分析11第3章 超声波油量测量仪的总体设计及硬件设计153.1 超声波油量测量仪的总体设计153.1.1 总体设计思想153.1.2 工作过程153.2 超声波油量测量仪的硬件设计思想163.3 AT89C51单片机最小系统163.4 超声波发射电路设计193.4.1 超声波发射电路功能193.4.2 超声波发射电路原理图203.5 超声波接收电路213.5.1 超声波接收电路功能213.5.2 超声波接收电路原理图213.6 82
11、79接口电路与键盘显示电路223.6.1 可编程键盘/显示器接口芯片8279简介223.6.2 8279接口电路设计243.6.3 MC1413介绍253.7 蜂鸣音报警接口25第4章 软件设计274.1 软件总体设计274.1.1 软件设计总体框图274.1.2 软件程序中各部分模块介绍274.2 超声波驱动与数据处理模块284.2.1 超声波发射程序294.2.2 外部中断0的中断服务程序294.3 功能模块294.4 键盘与显示子程序30第5章 误差分析335.1 声速随温度变化的情况分析以及补偿方法335.2 渡越时间对测量结果的影响及减小误差的办法34结束语35致 谢36参考文献37
12、附 录3945第1章 绪 论1.1 液位测量仪的现状1.1.1 液位测量仪的现状液位测量仪早期大多采用机械原理，但近年来随着电子技术的应用，逐步向机电一体化发展，并且发展了许多新的测量原理。在传统原理中也渗透了电子技术及微机技术，结构有了很大的改善，功能有了很大的提高。从国内外液位仪表发展的技术方向看，当前主要有三个热点：接触测量方式的液位仪；非接触测量方式的液位仪；新原理的小型液位开关27。目前使用的液位仪有以下几种：(1)人工检尺利用浸入式刻度钢皮尺测量液位，取样测量油温和密度，通过计算，得到储液的体积和重量，这是至今仍然在全世界广泛使用的储罐计量方法，也可把它用作现场检验其他测量仪表的参
13、考手段。人工液位测量的精度一般为2mm的人为误差。(2)机械钢带式液位仪60年代到80年代初期，开始研制和使用各种钢带式液位仪。这种液位仪采用一个又大又重的浮子，由一条多孔钢带将浮子连接至一个恒转矩装置或平衡锤。浮子的重量足以带动多孔钢带通过齿轮装置推动机械计数器作现场显示，同时带动电动变送器，以便获得远距离显示。由于滑轮机械装置的摩擦力和钢带重量，这类液位仪的测量误差一般约为(410)mm。机械钢带式液位仪的优点是：结构简单、价格低；缺点是：仅能测液位，传动部件多，可靠性较差，又因需要罐内安装，维护困难。适用范围为存储非腐蚀液体的常压罐、高压罐。(3)智能化液位仪伺服式液位仪是此类仪表的代表
14、。这类仪表通过一个平衡浮子和重力敏感装置，测量浮子的重量(在液面、液内、界面上有不同的浮力)，并控制伺服电机动作升降浮子，跟踪液位变化，同时发出远传信号。伺服式液位仪的微机智能化，使得它的跟踪误差可达0.1mm。同时还能补偿液面高低对钢丝绳产生的附加重量的误差，最高精度可达0.7mm。另外还可以测量密度、界位等计量参数，具有自诊断及通信功能。由于几乎没有传动部件，因此仪表可靠性高。目前荷兰Enraf公司的ATG 854伺服液位仪精度可达lmm，主要适用于储罐的精密计量。(4)超声波液位仪超声波液位仪是非接触液位测量仪中发展最快的一种。该技术基于超声波在空气中的传播速度及遇到被测物体表面产生反射
15、的原理。智能化的超声波液位测量仪带有一个功能很强的智能回波分析软件包。它可以将各种干扰过滤出来，识别多重回波，分析信号强度和环境温度等有关信息，这样即便在有扰动条件下读数也是精确的。新型气密结构、耐腐蚀的超声换能器可测量高达15m的液位，E+H公司研制的Prosonic FMU860/861/862超声液位仪精度可达0.2% FMU 40/41超声液位仪精度可达2mm，输出信号符合HART协议或profibus总线标准或FF总线标准。(5)雷达液位仪雷达液位仪发明于60年代，通常采用调频雷达原理，利用同步调频脉冲技术，将微波发射器和接收器安装在罐顶，向液面发射频率调制的微波信号。当接收到回波信
16、号时，由于来回传播时间的延迟，发射频率发生了改变。将两种信号混合处理，所得信号的差频正比于罐顶到液面之间的距离。雷达液位仪特别适用于高粘度或高污染的产品，如沥青等。雷达液位仪的测量精度较高，而且无需定期维修和重新定标，但是安装比较复杂且价格不菲。(6)激光液位仪其测量原理同超声波式液位仪，只是用光波代替超声波。即传感器发射激光，照射被测物面、液面，接收反射光，将从发射至接收的时间换算成液位。激光的光束是很窄的，在液位仪中通过光学系统转换成约20mm宽的光束，这样即使被测物面很粗糙，漫反射光也能被传感器接收。激光液位仪非常适用于开口很窄的容器及高温、高粘度的测量对象。(7)射线液位仪该技术是基于
17、射线对不同物质产生不同衰减的理论，将放射源钻60或艳137置于一个防护容器内，放在被测容器的一侧，在其对面，装有一个检测器，当射线穿透容器时，它被衰减，其衰减率取决于被测液体的密度、吸收系数和厚度。液位越高，衰减越大，接收器将射线量变为光脉冲信号，再由光电倍增管转换为电脉冲信号。由于液位与射线衰减量是非线性关系，所以必须通过统计标定。射线液位仪特别适用于传统测量仪表不能解决的测量问题，因为测量件没有任何部件与被测物体相接触。E+H公司提出了一个“点放射/棒探头接收”的概念，这样放射源被降到最小，而且容易安装，目前该公司研制的FMG671已用于过程控制。(8)新原理的小型液位开关在液位仪表智能化
18、的同时，一些利用新检测原理、新型电子部件构成的小型现场液位开关大量推向市场，使液位仪表呈现两极发展的趋势。较典型的是利用超声波穿透空气及液体时衰减率的显著差别来检测液面的超声液位开关；利用空气和液体对振动体的阻尼差别来检测液位的振动式液位开关；以及利用空气和液体电导率的不同来检测液位的电导式液位开关。液位开关信号可现场显示，还能发出控制信号，有的还采用二线制，能直接和计算机接口。德国Krohne公司的LS3000谐振振动开关精度可达1mm。1.1.2 储罐液位测量仪表的现状立式油罐主要分布在炼油厂、化工厂和石油销售公司三大系统。从计量方法看主要有三种：检尺法、液位法和静压法。目前国内计量仪表的
19、发展主要采用引进加仿制等手段，还有许多合资企业代理国外相应产品。近年来中科院声学所、武汉大学都研制了光纤液位测量系统，北京航天智控工程公司研制的UBG光导电子液位仪精度可达2mm，MET-I型磁效应液位仪采用磁效应原理，精度为0.05%，1995年又推出了BL30雷达液位仪，精度为1+(空高)x3。总后油料研究所最新研制的UGJ98型光导式油罐计量遥测系统，采用光栅干涉原理，以圆光栅传感器为核心，结合高速数据采集和抗干扰处理技术及RS-485总线标准，实现了机光电一体化，一次仪表不带电，系统综合精度达到2mm。 1.2 超声波油量测量仪的研究目的及意义在石油化工领域中，储油罐中油量的测量越来越
20、显示出其重要地位。目前石化部门使用的大型储油罐大多是立式圆柱形油罐或球形油罐，其容量一般在1000100000m3之间，很小的测量误差会造成很大的绝对误差。因此提高油量的测量精度和自动化管理水平，其重要性是明显的。从80年代开始，随着微电子、计算机、光纤、超声波、传感器等高科技的迅猛发展，一些发达国家纷纷将各种新技术、新方法、新仪表渗入到储罐计量领域，使储罐油量自动计量达到了“多功能、高精度、现场化”的新阶段。人工检尺法是利用浸入式刻度钢皮尺测量液位，操作人员需要爬到储罐的顶部进行测量。这种方法的缺点是测量精度低，速度慢，劳动强度大，不便于微机管理。机械钢带式液位仪传动部件多，可靠性较差，又因
21、需要罐内安装，维护困难。伺服式液位仪属机械式测量装置，机械磨损会直接影响其测量精度，需定期维修和重新标定，工作寿命仍不是很长，测量的重复精度较低，且安装困难。雷达液位仪的测量精度较高，但安装较为复杂，而且价格相当昂贵。激光的传播速度很快，不便于信号处理。射线液位仪使用了放射源，易引起对环境的污染。由上一节可知，现在已有多种液位仪供用户选择，但考虑到价格、安装的方便与否、测量的精度等等问题，对于资金并不充裕的小型加油站来说，可供选择的油量测量仪就不多了。研制一种安装、使用简便，测量准确又价格低廉的油量测量仪就是本课题要完成的任务。超声波在空气中的传播速度为340米/秒，与光的传播速度(3x108
22、米/秒)相比小很多，因此对超声波信号的处理也容易很多，加之成本较低，所以，超声波是比较理想信号源。随着智能化检测技术的不断发展，利用超声波进行油量检测在加油站及油库中起着越来越重要的作用。虽然一些地区使用了超声波油量测量仪，但绝大多数是用集成电路设计成的，这种专用集成电路成本很高，没有显示，操作很不方便。为了克服这些缺点，本课题利用单片机AT89C51为核心，控制超声波对油量进行自动检测和数据处理，提供了一个带显示，键盘和微型打印机的人机对话界面，且能与PC机通信。该超声波油量测量仪使用简便，与传统的测量方法相比具有非接触、精度高、实时测量、可靠性强等优点。1.3 超声波油量测量仪的研究内容确
23、定了总体方案后，在对超声波测距的可行性进行了理论分析的基础上，利用计算机技术、电子技术、以及超声波在介质中的传播特性等，研制出了超声波油量测量仪的硬件部分，编写了相应的软件程序，并进行了调试和试运行。在硬件电路的设计中，由于我们需要测的距离较长(几米到十几米)，针对超声波在传播时呈指数衰减的特性，我们采用了最大限度提高驱动能力、对回波进行多级放大等措施，扩大了测量的范围。在软件设计中，我们采用模块化程序设计思想，将软件分为超声波驱动与数据处理模块和功能模块，每个模块又由若干小模块组成。对软件的这种处理不但能使软件的结构清晰，而且有利于软件的调试和修改。由于本设计对计算的精度要求较高，所以采用C
24、51编程，借助C语言的浮点计算能力，提高计算精度。另外，为了保证超声波油量测量仪工作的可靠性和稳定性，在软、硬件两个方面都采取了相应的抗干扰措施。 本文讨论了产生误差的各种原因，提出了相应的解决办法，为研制更完善的超声波油量测量仪打下了基础。第2章 超声波油量测量仪测量原理2.1 概 述在弹性媒质中，如果波源所激起的纵波的频率在20Hz到20000Hz之间，就能引起人的听觉。在这一频率范围内的振动称为有声振动，声振动所激起的纵波称为声波。频率高于20000Hz的机械波叫做超声波；频率低于20Hz的机械波叫做次声波36。 与光波不同，超声波是一种弹性机械波，它可以在气体、液体和固体中传播。我们知
25、道，电磁波的传播速度为3108，而超声波在空气中的传播速度为340m/s，其速度相对电磁波是非常慢的。超声波在相同的传播媒体里(大气条件)传播速度相同，即在相当大的频率范围内声速不随频率变化，波动的传播方向与振动方向一致。是纵向振动的弹性机械波，它是借助于传播介质的分子运动而传播的，波动方程描述方法与电磁波的是类似的 (2-1) (2-2) 式中A (x)为x处分子的最大位移量，叫做振幅，A0常数，为波源处分子的振幅，为圆频率，x为传播距离，一般选波源处为坐标原点，即波源处x=0，k=2/又为波数，t为时间；又为波长；a为衰减系数。 衰减系数与声波所在介质及频率的关系为 (2-3) 式中，b为
26、介质常数,f为振动频率，f=/2在空气里，b=210-13s2/cm，当振动的声波频率f=40kHz代入式(2-3)可得a=3.210-4cm，即1/a=31m；若f=30kHz，则1/a=56m。它的物理意义是：声波在空气媒质里传播，因空气分子运动摩擦等原因，能量被吸收损耗。在(1/a)长度上，平面声波的振幅衰减为原来的e分之一，由此可以看出，频率越高，衰减得越厉害，传播的距离也越短。考虑实际工程测量要求，在设计超声波油量计时，选用频率户40kHz的超声波，波长为0.85cm。 2.2 超声波传感器工作原理2.2.1 超声波传感器基本结构及工作原理人们可以听到的声音频率为20Hz20kHz，
27、即为可听声波，超出此频率范围的声音，即20Hz以下的声音称为低频声波，20kHz以上的声音称为超声波，一般说话的频率范围为100Hz8kHz913。超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强，为此利用超声波的这种性质就可以制成超声波传感器。另外，超声波在空气中传播的速度较慢，约为330m/s，这就使得超声波传感器使用变得非常简单。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可以具有发送和接收声波的双重作用，即为可逆元件。一般市场上出售的超声波传感器有专用型和兼用型，专用型就是发送器用作发送超声波，接收器用作接收超声波；兼用型就是发送器和接收器为一体传感器，即可发送超声波
28、，又可接收超声波。超声波传感器的谐振频率(中心频率)有23kHz、40kHz、75kHz、200kHz、400kHz等。谐振频率变高，则检测距离变短，分解力也变高。用超声波作为感知或检测物体的媒介，有非破坏性、遥控性、实时、可穿透等优点，在许多方面体现了其它方法所没有的独到之处。很早以前，人们便掌握了超声波探伤与声纳的技术。近年来，超声波的波长范围已达m级，频率已扩大到GHz领域，分辨率达m量级的超声波显微镜已实用化。在这种频率范围，超声波敏感元件成为薄膜状，与传统的形状大相径庭，它的进步将对电子学的发展起重要作用。 人们为研究和应用超声波，已发明设计并制成了许多类型的超声波发生器：机械方式和
29、电气方式产生超声波发生器。实质上，超声波发生器即是超声波换能器：它将其它形式的能量转换成超声波的能量(发射换能器来完成)和使超声波的能量转换成其它易于检测的能量(接收换能器来完成)。一般是用电能和超声能量相互转换。电气方式类型包括：压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械式方式有：气流旋笛、液哨、加尔统笛等。各种类型的超声波发生器产生的超声波的功率、频率和声波特性都不相同。目前使用较多的是电气类中的压电型超声波发生器。 压电型超声波传感器的工作原理：它是借助压电晶体的谐振来工作的，即陶瓷的压电效应。其结构原理如图2-1所示。图2-1 超声波传感器内部结构 超声波传感器有两块压电晶片和一块共振板。给它
30、的两电极加脉冲信号(触发脉冲)，当其频率等于晶片的固有频率时，压电晶片就会发生共振，并带动共振板振动，从而产生超声波。相反，电极间未加电压，则当共振板接收到回波信号时，将压迫两压电晶片振动，从而将机械能转换为电信号，此时的传感器就成了超声波接收器。超声波传感器用等效电路(如图2-2所示)来分析共振频率附近的超声波换能器的特性： 图2-2 超声波传感器等效电路 换能器的能量用Qm，电能用Qe表示。由图2-2分析可知，Q恰好是电路的串联支路的Q值。设换能器在空载(Z1=0)和有载(Z1-R1)时的Q值分别为QM0、Qm，则有： （2-4） （2-5） （2-6） （2-7）超声波换能的工作效率为：
31、 （2-8）当交变电信号从引线加到超声波发射器件中，由压电陶瓷片和谐振片组成的振子会弯曲振动，驱动锥形辐射器发出超声波，当空中传来的超声波被接收器件的锥形辐射器会聚后，驱动振子产生弯曲振动，从而在电极间输出与此波动相对应的交变电信号，通过对此信号的处理，可实现各种检测。2.2.2 超声波传感器的检测方式1.穿透式超声波传感器的检测方式当物体在发送器与接收器之间通过时，检测超声波束衰减或遮挡的情况从而判断有无物体通过。这种方式的检测距离约1m，作为标准被检测物体使用100mm100mm的方形板。它与光电传感器不同，也可以检测透明体等。2.限定距离式超声波传感器的检测方式当发送超声波束碰到被检测物
32、体时，仅检测电位器设定距离内物体反射波的方式，从而判断在设定距离内有无物体通过。若被检测物体的检测面为平面时，则可检测透明体。若被检测物体相对传感器的检测面为倾斜时，则有时不能检测到被测物体。若被检测物体不是平面形状，实际使用超声波传感器时一定要确认是否能检测到被测物体。3.限定范围式超声波传感器的检测方式在距离设定范围内放置的反射板碰到发送的超声波束时，则被检测物体遮挡反射板的正常反射波，若检测到反射板的反射波衰减或遮挡情况，就能判断有无物体通过。另外，检测范围也可以是由距离切换开关设定的范围。4.回归反射式超声波传感器的检测方式回归反射式超声波传感器的检测方式与穿透超声波传感器的相同，主要
33、用于发送器设置与布线困难的场合。若反射面为固定的平面物体，则可用作回归反射式超声波传感器的反射板。另外，光电传感器所用的反射板同样也可以用于这种超声波传感器。这种超声波传感器可用脉冲市制的超声波替代光电传感器的光，因此，可检测透明的物体。利用超声波的传播速度比光速慢的特点，调整用门信号控制被测物体反射的超声波的检测时间，可以构成限定距离式与限定范围式超声波传感器。2.2.3 T/R40超声波传感器本仪器所采用的TR40-16型超声波传感器的压电效应曲线如图2-5所示。(1)超声波传感器型号代码(2)超声波传感器结构图 (3)性能指标 T/R40-10 T/R40-12 T/R40-16中心频率
34、 401 kHZ 401 kHZ 401 kHZ发射声压大于 107Db 大于112dB 大于115dB接收灵敏度 -74dB/v/uBar -67dB/v/uBar -64dB/v/ubar-6dB指向 100deg 80deg 50deg电容 110025%PF 250025%PF 240025%PF允许输入电压 20V 20V 20V(4)典型特性曲线声压电平和灵敏度特性曲线如图2-5、图2-6所示。由这些特性曲线可知：T/R40超声波传感器在输入频率为40kHz时，各种特性都呈现出最佳状态，因此为了得到最佳效果必须使单片机输出方波的频率为40kHz。 2.3 超声波油量测量仪测量原理2
35、.3.1 测量原理超声波测距的方法有很多种，如相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等。相位检测法虽然精度高，但检测范围非常有限；声波幅值检测法易受反射波的影响。本超声波油量测量仪采用渡越时间检测法。 图2-7为超声波测量原理图储油罐不是标准的圆柱形或球形，制成以后，计量部门要进行各种测量绘制出油的高度与油量的对应表，以便查对。现在常用的人工检尺法就是用钢卷尺测出油的高度，查表得到储油量。下面仅以标准的圆柱形油罐为例进行说明，其他形状的油罐通过改变计算公式同样可以进行油量测量。本次设计的超声波油量仪的发射器和接收器是固定在一起的，安装在罐中表井的盖子上，也就是罐的顶部。超声波为直线传播方式
36、，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强。用超声波测量储罐内的油量，实际就是要测量罐顶到油面的距离，由此算出储油罐内油面的高度，进一步计算出油的体积和重量27。从超声波发射器发出的超声波，经气体介质的传播到接收器的时间，就是渡越时间。如图2-7所示，要测量储油罐内油面的高度h，可先测量罐顶到油面的距离，又转化为测量渡越时间T，若超声波的传播速度为u，罐的总高度为H，则 (2-9)由下式计算测量误差 (2-10)式中，占h为h的测量误差，T为渡越时间的测量误差，u为声速的测量误差。如要求h的测量误差小于1cm，已知声速=344m/s ( 20时)，忽略声速误差，则测量时间的误差显然，直接用秒表测
37、时间是不现实的。因此，实现声波测距必须避开直接测量时间的方法，才能获得实用的测量精度。在这里使用单片机定时器计数，间接测量时间，可以把声波传播的时间精度提高到所需准确度。具体的做法是，每隔一段时间发射一串超声波脉冲，在发射脉冲串的同时开始单片机定时器记数，在超声波接收器接收到反射信号时，停止单片机计数。单片机定时一器所计的时间，就是渡越时间，代入式(2-9)中，就可以算出油量。由于超声波是一种声波，其速度与温度有关，u(331.45+0.6t)m/s，t为摄氏温度，在使用中，根据环境温度的变化，要经常进行标定，否则将会有比较大的误差，这也是本仪器需要改进之处。2.3.2 超声波测距的理论分析
38、超声波油量测量仪已经广泛应用于石油化工领域，与传统的液位测量仪表相比，它具有原理简单、易于微机控制、无接触测量、价格低廉等优点15。由于液位测量仪一般安装在储油罐的井盖上，测量的空间非常窄小，而超声波又是不可见波，超声波传感器的接收器接收到的信号，是否正好是从液面反射的信号，无法确定，一般存在三种可能情况：（本测量仪也适用于一般的液体，故做一般性讨论) (1)从液面反射的信号。 (2)储油罐井壁反射的信号。 (3)超声波传感器的发射器发出信号，经液面上方的气体层，穿过液体层，在罐底反射，再经过液体、气体，直到被接收器接收。 如果这三种信号都足够强，就会给信号处理带来一定的困难，使处理器无法分辨
39、哪个是有用的信号，从而造成测量上的误差。因此，我们在设计、制作超声波油量测量仪的时候，首先要分清接收器接收到的究竟是哪个信号。下面将就此问题进行讨论。 我们知道，超声波在实际介质中传播时，其能量将随距离的增大而逐渐减小，这种现象称为衰减。引起衰减的原因大致有三个： 1.由声束扩展引起的衰减。 2.由散射引起的衰减。 3.由介质的吸收引起的衰减811。 某一点(x处)瞬间所具有的压强，与没有声波存在时该点的静压强之差，称为该点的声压(P)。我们把超声波传感器发出的超声波近似看成是平面波，其声压不随传播距离变化，故忽略扩散衰减。由于超声波传播过程中所遇到的介质颗粒都比较小(大多为挥发性气体分子)，
40、散射衰减也可忽略。因此，我们只需讨论吸收衰减。一束超声波(视为平面波)的声压可表示为： (2-11)式中，P0为声压振幅，P0=PA；P为介质密度：轴的正方向；为超声波的圆频率，=2f；f为振动频率；为介质中声速；必为初相，与记时起点有关。由于存在着吸收衰减，声波振幅随传播距离的增大而减小。由式(2-2) (2-3)知，在空气里，b=210-13s2/cm，当振动的声波频率户f=40kHz，代入式(2-3)可得a=3.2 x10-4cm-1。沿着波的传播方向10米处x=10处： 就是说声波传播出去l0m后，振幅衰减了约1/4016。 我们把单位时间内，通过垂直于波的传播方向上单位面积的能量称为
41、能流密度，能流密度的时间平均值，称为波的强度。 (2-12)c为声特性阻抗，记作Z=c由(2-11)，(2-12)式知，IA2,那么声波传播出去约10米后，声强就衰减了1/2，这就要求在处理超声波接收器接收到的信号时采取多级放大的办法。 下面讨论波被反射、折射时的情况。 1.波束垂直入射到两种介质的界面如图2-8所示，当声平面波垂直入射到声特性阻抗不同的两种介质的平界面时，入射波的能量I0的一部分进入介质II，透射波能量为(It)；另一部分被界面反射，仍在I中传播，其能量为(Ir)根据能量守恒定律 (2-13)声压反射系数 (2-14) 声压透射系数 (2-15) 声强反射系数 (2-16)声
42、强透射系数 (2-17)在空气与液体（如汽油）的界面上，计算r、t、R、T波束从空气中入射到界面，r为正值，说明入射波和反射波相位相同，反射波声压占入射波声压的99.9%。图2-8 波束垂直入射到液面的反射波和投射波t为正值，入射波和透射波相位相同，透射波具有入射波声压的200%说明反射波与入射波的强度之比为99.8%。说明透射波与入射波的强度之比为0.2%。由此可知，在此界面上虽然透射波的声压比较大，但是波的能量非常小，几乎都被反射回空气介质中。由于波的强度正比于振幅的平方，透射波的振幅已经很小很小了，以后的传播过程可以不考虑。2.波束斜入射到液面和井壁(如铝罐)当超声波由一种介质斜入射到另
43、一种介质时，如果两种介质的声速不同，在界面上会产生声波的反射、折射、和波形转换等现象。由于折射波不会被接收器接收，我们只考虑波的反射问题18。波的反射遵循反射定律，入射角为a，反射角为，有： (2-18)因为入射波和反射波在同一种介质里传播，波的传播速度都是u，因此有：，即入射角等于反射角。超声波的方向性很强，扩散得很少，加上这部分信号多次反射，所以被接收器接收到的可能性很小，可以不作考虑。由以上分析可知，虽然超声波在传播过程中有能量损耗，且波束可以有多种路径传播，同时还存在着多种干扰信号，但就接收器接收到的信号强弱而言，只有从液面反射的信号最强。所以可以很容易地将此信号滤出，并对它进行处理。
44、图2-9为波束斜入射到液面示意图 图2-10为波束斜入射到井壁示意图第3章 超声波油量测量仪的总体设计及硬件设计3.1 超声波油量测量仪的总体设计3.1.1 总体设计思想超声波油量测量仪是根据“回波测距”的原理设计的。由超声波的发射器发射超声波，声波遇到障碍物后反射，由超声波接收器接收。测出从超声波发射脉冲串至接收到回波信号的传输时间，即渡越时间，超声波在同一种介质中的传输速度是不变的，那么由渡越时间和声速，就可算出要测的距离。根据设计要求，本油量检测仪需要将超声波检测技术与计算机技术相结合，对储油罐中的油量进行自动测量，并能显示和打印出有关数据，还能与上位机进行通讯便于监控和管理1923。图3-1 超声波油量测量仪的总体设计框图超声波油量测量仪是由硬件和软件两部分组成。硬件主要包括AT89C51单片机最小系统、超声波发射电路、超声波接收电路、8279接口电路、键盘显示电路、打印接口电路和与上位机通信的接口电路等部分。软件部分主要包括系统初始化模块、超声波驱动及信号处理模块、键盘及显示模块、打印和通信模块等，软件采用模块化设计思想，可使程序设计思路清晰，便于调试。为了提高系统的稳定性