超声波流量计篇1
关键词：多声道超声波流量计；原理；使用；维护
中图分类号：P631.5文献标识码：A文章编号：
前言：污水处理厂担负着处理兰州石化公司污水处理和动力厂、石化厂生产用水供水的重要作用，污水来水流量和供水流量的测量至关重要，流量表使用、维护的好坏严重关系着生产，通过对该流量表四年的使用和维护，我们发现了该表在使用中存在的一些问题，通过分析我们解决这些问题，保证了生产正常稳定运行。
1基本情况简介
污水处理厂化工污水处理部和低温水处理部在兰州石化系统中起着非常重要的作用，多声道超声波流量计用在污水来水量和地下水的输送流量测量上。在这两个装置中，我厂共使用了一台UR-Ex1000型五声道超声波流量计和两台UR-Ex1000型三声道超声波流量计。
多声道超声波流量计测流精度高，一般来说一台五声道超声波流量计在充满水的管道中其测流精度可达±0.5%。多声道超声波流量计的核心部件是一台微处理器（微型计算机），因此它能够实现流量的在线自动连续测量，能够进行数据远传和计算机联网，实现数据共享。
2多声道超声波流量计的测流原理
首先，分析一下单声道即一对换能器超声波流量计的情况。其测流原理，如图1所示。
设换能器、与水流方向的夹角为θ，水的流速为且不考虑横流的影响，声道长度为L，超声波在静水中的声速为C。当p1发射超声波P2接收时，超声波的顺流传播时间为：
（1）
当发射P2发射P1接收时，超声波的逆流传播时间为：
（2）
逆顺向传播的时间差为：
[作者简介]卓卫周（1983-），男，陕西省武功县人，大学本科，助理工程师，电话0931-7981178，电邮
（3）
因为COSθ≤1而且V2
（4）
受水温变化的影响，声速C在淡水中会在1400~1500m/s之间发生变化，为了消除温度变化的影响，将C用L和T1、T2代换。
因为
这里
由式（4）可得：
（5）
由（5）式计算出来的流速是超声波传播路径上的线平均流速。对于测流断面很小而且流态很好的场合，如对于有很长直管段的小口径管道，当流速在一定范围内时，可以求出线平均流速和面平均流速之间的相关系数，进而求得流量。但对于测流断面较大、流量也比较大而且流态分布比较复杂的情况而言，很难找出线平均流速和面平均流速之间的相关系数。在这种情况下，就必须用多声道超声波流量计进行测流。
对于多声道测量，由式（5）求出线平均流速，再用加权积分计算出面平均流速和流量，即：
（6）
（7）
式中：为面平均流速；Ki为第i声道加权积分系数（i=1，2，3，4）；Vi为第i声道线平均流速（i=1，2，3，4）；S为管道横截面面积；Q为测流断面流量。
3主要存在问题
从这三台流量计使用至今，出现过如下问题：
（1）声道长度L测不准引起的误差：因为线流速V与声道长度L成线性关系，所以L的任何误差都将给V带来相同的误差。
（2）声道角θ测不准引起的误差：因为与COSθ成反比，所以θ的测量误差也会引起线流速的误差。如当θ=45°时，θ角有1°的误差将会造成1.7%的线流速误差。
（3）当流线方向与测量断面轴线不平行时，类似于声路角的测量误差将表现在流速中。这一效应称为横流误差，通常是由上游有弯曲流道、流道形状及大小的变化或者障碍物离测量断面太近引起的。
（4）沿任一声道传播的超声波信号除正常传播损失外，还会由于液体中夹带汽泡、泥沙，或者由于换能器表面磨损、换能器表面附着水生物，或者挂上杂物等而产生衰减和失真。
（5）在排放化工污水的生产厂出现吹扫检修时，来水中固体较大颗粒含量比较多，严重影响流量的测量波动非常大，甚至造成换能器不工作。
（6）换能器的性能退化也会严重影响测量。
（7）供电质量存在问题造成元器件损坏无法工作。
4主要问题的分析及解决
总结引起这些问题的主要原因，主要涉及到以下方面：
（1）首先在流量计的安装过程中，采用专用安装测量工具或使用高精度的经纬仪、钢尺对每一对换能器的声道长度进行多次测量取平均值作为准确值，这样可使声道长度误差保持在0.1%以下。采用高精度激光经纬仪对换能器定位，可使声道角的测量误差小于0.03°。在测流段的多个相邻断面上多次测量管道的截面积并用其平均值作为准确值，可基本上保证流量误差小于0.2%。在有条件的地方，例如对于直管段很长的钢管，当其半径不很大而且具备施工条件时，可在钢管上安装“测量管”，测量管的内径与被测管道的内径完全相同。其次是在每次清洗或更换换能器后对声道长度L进行标定。
（2）经过为期一年的观察，三台超声波流量计在工艺介质比较正常的环境下正常运行半年后，其换能器表面就会被水中的一些杂质覆盖而无法工作。解决方法一是定期对其换能器进行清洗，二是原换能器55mm长度，其表面和管壁会形成一个凹槽，如图1所示容易沉积杂质，先把换能器更换为65mm长度后，如图2所示，就不容易沉积杂质可延长正常运行时间。
图1图2
（3）对于横流误差，我们采取两种方法予以控制：①将声道定位在尽可能远离测量流道的弯曲部。当这一条件不具备时，应将声道定位在与弯曲部的平面垂直的位置，以尽量减少横流误差。②另一种可选择的办法是在与原声道相同的高程上增加同等数量的声道，但安装的角度相反，如图3所示。
假设：两个声道长度都等于L，原声道角=θ=Ф=45°，实际流速方向角=θ'=43°、Ф'=47°，实际流速=V，测得：
这里K=2VL/C2
正确值应为：ΔT=KCOSθ
相对误差
若设置第二个交叉声道，则第二个测量值为ΔT=ΔT'=KCOSФ'
相对误差
平均相对误差为
E=（E1+E2）/2≈-0.0012
可见，在采用交叉声道测流时，横流误差可被恰当地抵消。
（4）在生产厂检修时经过观察在这段时间中化工污水入口UR-Ex1000型五声道超声波流量计基本上无法运行，因为这种时差式超声波流量计适用于水质比较清的介质，在生产厂运行正常时运行良好，但来水水质一发生变化，大的固体颗粒含量比较多时就无法正常工作。为解决这种问题在入口处在增加一台多普勒式超声波流量计，在生产厂出现检修吹扫时就可以用它来正常监测来水流量。
（5）经过观察大约两年时间换能器就会出现老化的问题，所以必须定期更换换能器。
（6）在生产运行过程中出现过几次元器件损坏的问题，原因是供电质量不好，所以我们在表的供电前端加了一个电源保护器后，大大的提高了元器件的寿命。
5结论
经过我们的认真分析和总结，UR-Ex1000超声波流量计存在的问题得以基本上解决，运行良好，满足了工艺生产的要求。
超声波流量计篇2
【关键词】超声波流量计;电磁流量计;特点;区别
一、电磁流量计
1、优点
（1）电磁流量计可用来测量工业导电液体或浆液。
（2）无压力损失。
（3）测量范围大，电磁流量变送器的口径从2.5mm到2.6m。
（4）电磁流量计测量被测流体工作状态下的体积流量，测量原理中不涉及流体的温度、压力、密度和粘度的影响。
2、缺点
（1）电磁流量计的应用有一定局限性，它只能测量导电介质的液体流量，不能测量非导电介质的流量，例如气体和水处理较好的供热用水。另外在高温条件下其衬里需考虑。
（2）电磁流量计是通过测量导电液体的速度确定工作状态下的体积流量。按照计量要求，对于液态介质，应测量质量流量，测量介质流量应涉及到流体的密度，不同流体介质具有不同的密度，而且随温度变化。如果电磁流量计转换器不考虑流体密度，仅给出常温状态下的体积流量是不合适的。
（3）供水管道结垢或磨损改变内径尺寸，将影响原定的流量值，造成测量误差。如100mm口径仪表内径变化1mm会带来约2％附加误差。
（4）变送器的测量信号为很小的毫伏级电势信号，除流量信号外，还夹杂一些与流量无关的信号，如同相电压、正交电压及共模电压等。为了准确测量流量，必须消除各种干扰信号，有效放大流量信号。应该提高流量转换器的性能，最好采用微处理机型的转换器，用它来控制励磁电压，按被测流体性质选择励磁方式和频率，可以排除同相干扰和正交干扰。但改进的仪表结构复杂，成本较高。
二、超声波流量计
1、优点
（1）超声波流量计是一种非接触式测量仪表，可用来测量不易接触、不易观察的流体流量和大管径流量。它不会改变流体的流动状态，不会产生压力损失，且便于安装。
（2）可以测量强腐蚀性介质和非导电介质的流量。
（3）超声波流量计的测量范围宽，测量口径范围从2cm～5m。
（4）超声波流量计可以测量各种液体和污水流量。
（5）超声波流量计测量的体积流量不受被测流体的温度、压力、粘度及密度等热物性参数的影响。可以做成固定式和便携式两种形式。
2、缺点
（1）超声波流量计的温度测量范围不高，一般只能测量温度低于200℃的流体。
（2）抗干扰能力差。易受气泡、结垢、泵及其它声源混入的超声杂音干扰、影响测量精度。
（3）直管段要求严格，为前20D，后5D.否则离散性差，测量精度差。
（4）安装的不确定性，会给流量测量带来较大误差。
（5）测量管道因结垢，会严重影响测量准确度，带来显著的测量误差，甚至在严重时仪表无流量显示。
（6）可靠性、精度等级不高（一般为1.5～2.5级左右），重复性差。超声波流量计是通过测量流体速度再乘以管道内截面积来确定流量。而该流量计无法直接测量内径和管道圆度，只能根据外径、壁厚按标准圆估算截面积，由此带来的不确定性已超过1％，因此精度受到限制。
（7）使用寿命短（一般精度只能保证二年）。
三、超声波流量计和电磁流量计的主要区别
1、介质不同
超声波流量计的流量测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响，又可制成非接触及便携式测量仪表，故可解决其它类型仪表所难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题。
电磁流量计不能测量导电率很低的液体，如石石油制品和有机溶剂等。通用型电磁流量计由于里衬材料限制，不能测量温度较高液体。电磁流量计是通过测量导电液体的速度确定工作状态下的体积流量。按照计量要求，对于液态介质，应测量质量流量，测量介质流量应涉及到流体的密度，不同流体介质具有不同的密度，而且随温度变化。如果电磁流量计转换器不考虑流体密度，仅给出常温状态下的体积流量是不合适的。
2、准确度不同
超声波流量计是通过测量流体速度来确定体积流量，对液体应该测量它的质量流量，仪表测量质量流量是通过体积流量乘以人为设定的密度后得到的，当流体温度变化时，流体密度是变化的，人为设定密度值，不能保证质量流量的准确度。只能在测量流体速度的同时，又测量了流体密度，才能通过运算，得到真实质量流量值。
超声波流量计和电磁流量计的测量媒介不同，超声波是采用声波，频率很低，超声波频率20KHz-100KHz,雷达是采用2.4GHz级别的电磁波，超声波的限制性比较大，很容易受到其它铁制物体的干扰，另外频率低，衰减大，测量范围小，应用的面比较窄，常用在大口径的水管线的流量测量和明渠类流量计测液位来换算成流量。也有用在固体料仓上的。电磁的频率高，衰减小，如果加上导波管测量范围可以很大，用在储罐上比较多。但是需要注意介电常数，介电常数太小的介质没法测或测量范围很小。
3、安装、维护、检定成本不同
超声波流量计适用于大型圆形管道和矩形管道，且原理上不受管径限制，其造价基本上与管径无关。对于大型管道不仅带来方便，可认为在无法实现实流校验的情况下是优先考虑的选择方案。超声流量计可作非接触测量。夹装式换能器超声流量计可无需停流截管安装,只要在既设管道外部安装换能器即可。这是超声流量计在工业用流量仪表中具有的独特优点，因此可作移动性(即非定点固定安装)测量，适用于管网流动状况评估测定超声流量计为无流动阻挠测量，无额外压力损失。
电磁流量计的安装与调试比其它流量计复杂，且要求更严格。变送器和转换器必须配套使用，两者之间不能用两种不同型号的仪表配用。在安装变送器时，从安装地点的选择到具体的安装调试，必须严格按照产品说明书要求进行。安装地点不能有振动，不能有强磁场。在安装时必须使变送器和管道有良好的接触及良好的接地。变送器的电位与被测流体等电位。在使用时，必须排尽测量管中存留的气体，否则会造成较大的测量误差。电磁流量计需要在有电导率的液体条件下安装，而且一般电磁流量计的安装必须截管安装，但是电磁流量计的特点是在符合条件的现场条件下准确度高。电磁流量计拆卸麻烦，必须要求工艺停车，拆卸送检麻烦，如果是0.5％准确度按国家计量检定规程每半年需检定一次。
超声波流量计篇3
关键词：天然气；贸易计量；超声波流量计；计量系统；准确度
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.08.228
0前言
天然气作为一种优质能源和化工原料其计量越来越被人们重视。由于天然气的可膨胀性、可压缩性等特性，造成天然气要比液体计量困难得多。气体超声流量计没有如节流装置几何形状及尺寸变化影响仪表特性的问题，其声道长度，声道角及管道横截面面积是恒定的参数；也没有引压管线之类易引起故障的部件，能够根据现场条件确定仪表系数并为此长期稳定。天然气流量计量系统，具有高精度、无压损、低能耗、结实耐用、维护少的特点。
1超声波流量计的结构及原理
1.1流量计结构
DANIEL3400系列气体超声流量计结构主要分三部分：流量计本体、超声换能器、MarkII电子数据处理单元。
1.2四声道超声波流量计工作原理（如图1）
2超声波流量计的特点及在计量系统中的应用
普光净化厂产品气贸易计量精心选择了各种设备组成计量系统，整体计量精度优于0.70%。计量系统中包括Daniel高级超声波流量计、DanielS600流量计算机、在线色谱分析仪。
2.1daniel超声波流量计
Daniel超声波流量计是时间直通式超声波流量计，声波由一个探头发射另一个探头接受，不经管壁反射，声波由上游向下游传输的时间（由于声波被气流推动）小于声波由下游向上游传输的时间（声波被气流方向阻拦），这两个时间之差与气流的速度存在某种对应关系。从上下游测得的传输时间可以计算出气流的平均速度和声波的速度。
2.2daniels600流量计算机
Daniels600流量计算机适合于石油天然气贸易交接计量和标定的各种应用。可作为多流路计量的一个部分或独立运行。单台流量计算机可以计量多路油气，最多可达到6路计量。带有键盘和LCD显示，方便数据记录和显示。有多方向快捷件，可以方便搜寻显示条目。带有4级密码管理，可以分级管理操作人员和信息内容。它可计算瞬间流量和总流量并通过打印口打印报告，打印口可组态。S600系列流量计算机不间断进行诊断自检。一旦发现问题，会触发报警提醒操作员采取措施所有报警信息都会被记录或打印。CPU板带有两个RS232口和三个RS422口连接其它设备。通讯口可以用于与上位机系统，SCADA或其它设备通讯。另外带有一个10BaseT（TwistedPair）以太网界面用于网络连接。S系列流量计算机的组态可以使用标准格式，也可以按照客户要求使用组态软件定制。
2.3色谱分析仪
色谱分析仪系统由样品预处理系统、色谱分析仪组成。样品由采样点取出，经样品管线传输至样品预处理进行样品处理，经过样品过滤器进入色谱分析仪进行样品分析，分析的结果以Modbus通信送入DCS系统和天然气计量系统。
3效益及结论
普光净化厂使用气体超声波流量计作为产品气贸易计量流量计大大降低了计量装置故障的发生概率，延长了计量设备的寿命，避免了一些不必要的计量纠纷，提升了企业的声誉，树立了良好的形象。
参照有关计量技术部门的数据，因计量准确度偏离造成的经济损失：以年输气1亿立方米为例：温度偏差1摄氏度---计量0.34%偏差；压力偏差1kPa---计量0.1%偏差；由色谱仪造成的组分计量偏差―0.1%。总误差造成的损失约30～50万立方米气。由此可见，有效地提高计量准确度，确保计量偏差控制在最低水平，对于我们年外输气120亿立方米的企业来说，每年直接或间接的经济效益影响大约3000万元。
气体超声波流量计有非常多的优点，同时也存在着一些局限性。如：对气体流态和管道噪声有要求。在大流量贸易计量中，如何最大的发挥气体超声波流量计的效能，解决和避免影响其测量准确度的因素。为我们在日常使用中带来了新的研究课题，是我们的研究方向。
参考文献：
[1]孙淮清.气体超声流量计与孔板流量计在天然气工业中应用的比较[J].重庆工业自动化仪表研究所，石油工业技术监督，1998，14（06）.
[2]中国石油西南油气田分公司.超声流量计的现场应用与研究技术报告[J].2001（03）.
[3]黄和，文代龙，陈汝培，游明定.浅谈我国天然气计量与国际接轨[J].2001（04）.
[4]GB/T18604-2001《用气体超声波流量计测量天然气流量》.
超声波流量计篇4
【关键词】超声波方向角自动跟踪智能航行
船舶在航行过程中一般都需要检测周围的船只的位置，防止发生碰撞或实现自动跟踪功能。
如果采用电磁波作为介质去测量远处体积很小的目标物体的位置，电路处理中高频信号和超高频信号的相位很难控制、中低频信号的测量精度太低，而且海水对电磁波的干扰也比较大。由于超声波的波长较短，目前各大厂家生产的超声波传感头的体积越来越小，而且防水性能都比较好，如果采用超声波鉴相技术去测量目标物体方向角，则可以满足实际应用的跟踪效果。
本文基于超声波鉴相技术，对超声波发射装置方向角测量控制系统进行了设计与分析。
1超声波方向角测量原理
2超声波源方向角测量电路
超声波源方向角的测量电路一般有以下两种方案。
（1）首先使用运算放大电路把超声波接收头接收到的正弦波信号分别放大后，再利用电压比较器把之转换为微控制器可以识别的TTL（晶体管-晶体管逻辑电平）电平的方波。通过检测两路输出的方波的相位差来计算出方向角。这种测量思路适用于中断响应速度比较快的微控制器，方位角测量的精度稍低。
（2）为了让更多的微控制器能够满足方向角测量需要。可以通过判断方向角测量电路的两路方波相位的超前或者滞后，再结合异或门电路和滤波电路，把一定相位差转换为与之对应的模拟直流电压，从而实现更加精确地测量方向角。
本文采用第二种方案，超声波源方向角测量电路如图1所示。
方向角的偏左和偏右是通过检测相位的超前或滞后来进行判断，即检测两路输出方波触发的外部中断响应的先后。最小测量角度值的准确性取决于所选用单片机或者嵌入式ARM等的中断响应时间。此外，为了让超声波源方向角测量系统准确、稳定地工作，两个超声波接收头的距离应尽量小，本文测的两个超声波接收头的中心间距为10mm。
两路比较器LM393分别输出占空比约为50%的方波，这两路输出用来判断方向角的大致方向为偏左或偏右。电路设计的关键部分就在于把两路有一定相位差的方波通过异或门进行异或作用，再选取适当的滤波电路进行滤波，就可以把相位差的大小转换为输出的直流电压U0的大小。通过检测直流电压U0的大小和两路输出方波的相位超前或滞后，就可以得到超声波源具体的方向角。其中，滤波电路采用RC串联滤波。
3方向角显示原理
方向角显示原理的系统框图如图2所示。图1中，超声波源方向角测量电路的输出电压Uo1、Uo2分别与图2中STM32的1#外部中断和2#外部中断相连。与方向角对应的模拟直流电压Uo3经过模数转换成数字信号后，交给stm32处理。最后，显示模块把方向角显示在屏幕上。
4实验结果及分析
基于以上，完成了超声波发射装置方向角测量系统实验平台的搭建，如图3所示，其中左边的是超声波收发装置，中间的是ARM控制板，右边的是显示装置。
通过示波器可以观察到排阵P1的引脚Pin1和Pin3输出的两路方波电压Uo1、Uo2比较规则。此外，两路输出方波Uo1、Uo2的相位差也比较明显。如图4、图5所示，当超声波发射源的位置偏左或偏右时，其中一路方波相比较另一路相位超前，或者一路方波相比较另一路相位滞后。
方向角的理论测量范围为偏左23°至偏右23°，通过实验实际可测得的方向角的范围约为偏左22.5°至偏右22.5°，达到了测量要求。
5结语
本文对超声波发射装置方向角测量控制系统进行了设计，搭建了实验平台，完成了对40KHz超声波发射源的方向角一定范围内的准确测量。此方案可以用来对超声波源进行自动跟踪，可以用于实现船舶的智能航行。
参考文献
[1]陈庭勋.基于超声波的方向角测量方案研究[J].实验技术与管理，2007，24（1）；41-45.
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[3]周泽均，欧阳清，施冠羽.清污超声相控声源阵列设计[J].舰船科学技术，2014，12：172-177.
[4]陈建华，潘树国.才宇彤等.基于ARM/Linux的嵌入式卫星定位平台设计及实现[J].舰船科学技术，2012，11：135-139.
[5]孙牵宇，童峰，许肖梅.一种大角度范围的高精度超声波测距处理方法[J].厦门大学学报，2006（04）.
作者简介
张玉锦（1989-），男。现为江苏赛联信息产业研究院工程师。研究方向为电力电子专业。
超声波流量计篇5
【关键词】倒车雷达;温度补偿;电噪声低;精度高
1.引言
我们知道，由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。超声波发生器可以分为两大类：一类是电气方式产生超声波;另一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、电动型等;机械方式有加尔统笛，气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前在近距离测量方面较为常用的是压电式超声波换能器。超声波是一种在弹性介质中的机械振荡[1]。传播速度仅为光波的百万分之一，纵向分辨率较高。利用超声波检测距离设计比较方便，计算处理比较简单，可以达到日常某些精度要求不太高的场合。但是，在汽车的倒车雷达系统中，由于倒车速度如果过快，或光线不足、有灰尘或烟雾、强电磁干扰、有毒等恶劣的环境下，容易出现误报、慢报车后障碍物距离，给车或障碍物造成不必要的伤害。故笔者提出一种采用DS28B20集成芯片的温度补偿电路，供给上述超声波测距系统中，改善了它的不足之处。
2.总体方案设计
超声波的发射电路有三种[2]：一种是通过使用三极管将单片机的发射信号进行放大而实现的;另一种是使用时基电路555来产生振荡信号的：第三种则是通过使用反相器将单片机输出地发射信号强度提高来实现的。
为了能够设计出精度较高，操作较简易且价格低廉的倒车雷达系统，综合各方面的因素，我们决定采用AT89C51单片机作为主控制器，用动态扫描法实现LED数字实时显示，同时加上DS18B20温度传感器实现温度补偿，超声波驱动信号用单片机的定时器完成，使用上述的第三种发射电路。该倒车雷达系统设计框图如图1所示：
图1系统设计框图
图2单片机系统及显示电路
硬件电路主要分为单片机系统及显示电路、温度补偿电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路四部分。
2.1单片机系统及显示电路
单片机采用比较常用的AT89C52或其他兼容的系列。系统采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，并减小测量误差[3]。单片机用P1.0端口输出超声波换能器所需的40KHz方波信号，利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管。单片机系统及显示电路如图2所示。
2.2温度补偿电路
稳定准确的超声波传播速度是保证测量精度的必要条件。而超声波在空气中传播时，其速度受到了温度、湿度、粉尘、大气压、气流等因素的影响[4]。其中温度影响最大，超声波在空气中的速度与温度的关系表达式为：
由泰勒公式将其展开，可得到近似计算公式：。
式中，T是环境摄氏温度（℃）。所以，温度每变化1℃，声波的速度变化为0.6m/s。可见温度对声速影响很大，测量时必须进行温度补偿。DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司推出的一种改进型智能温度传感器，测温范围为-55～125℃。最大分辨率可达0.0625℃。DS18B20可以直接读出被测温度值，而且采用了线制与单片机相连，减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的特点。DS18B20温度传感器接法电路如图3所示：
图3DS18B20温度传感器接法电路
2.3超声波发射电路
超声波发射电路原理如图4所示。发射电路主要由反向器74LS04和超声波换能器构成，单片机P1.0端口输出的40KHz方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，可以提高驱动能力。上拉电阻一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力;另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，以缩短其自由振荡的时间。压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两级外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板超声超声波，这时它就是一个超声波发生器;反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片做振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器了。超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同。
图4超声波发射电路原理图
2.4超声波检测接收电路
集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38KHz与测距的超声波频率40KHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路，其中的前置放大器具有自动增益控制功能，可以保证在超声传感器接收较远反射信号输出微弱电压时，放大器有较高的增益，在近距离输入信号强时放大器不会过载;其带通滤波器中心频率可由芯片5脚的外接电阻调节，不需要外接电感，可避免外磁场对电路的干扰，可靠性较高。CX20106A接收超声波有很高的灵敏度和抗干扰能力，可以满足接收电路的要求。同时，使用集成电路也可以减少电路之间的相互干扰，减少电噪声。
图5集成电路CX20106A的接法电路
3.软件设计
倒车雷达的软件设计主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成。由于C语言程序有利于实现较复杂的算法，汇编语言程序则具有较高的效率并且容易精确计算程序运行的时间，而超声波测距器的程序既有较复杂的计算（计算距离时），又要求精确计算程序运行时间（超声波测距时），所以控制程序可采用C语言和汇编语言混合编程。下面对倒车雷达测距器的算法、主程序、超声波发生子程序和超声波接收中断程序逐一介绍。
3.1倒车雷达的算法设计
超声波发生器在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就会被超声波接收器接收到。这样，只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。该距离的计算公式如下：
d=s/2=vt/2，其中d为被测物与测距器的距离;s为声波来回路程;v为声速;t为声波来回所用的时间。由2.2温度补偿电路的设计中知道，超声波的速度与温度有关[5]。表1列出了几种不用温度下的超声波声速。在进行测距时，如果温度变化不大，则可以认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。
表1不同温度下声速与温度关系表
温度/0℃-30-20-100102030100
超声波速度313319325331338344349386
表2列出温度补偿后不同声速与温度关系表，可以看出0℃以下基本相同，0℃以上最大误差不超过5%。
表2补偿后声速与温度关系
温度/0℃-30-20-100102030100
超声波速度313319325331337343349381
3.2主程序
主程序首先要对系统环境初始化，流程图如图6，设置定时器T0工作模式为16位定时/计数器模式，置位总中断允许为位EA并对现实端口P0和P2清0;然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲。为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直接波触发，需要延时约0.1ms（这也就是超声波测距器会有一个最小可测距离的原因）后才打开外中断0接收返回的超声波信号。由于频率是12MHz的晶振，计数器每计一个数就是1us，所以当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器T0中的数（即超声波来回所用的时间）按式d=vt/2计算，即可得被测物体与测距器之间的距离。设计时取20℃时的声速为344m/s，则有：
d=（172T/10000）cm
其中：T为计算器T0的计数值。
测出距离后，结果将以十进制BCD码方式送往LED显示约0.5s，然后再发超声波脉冲重复测量过程。
图6主程序流程图
3.3超声波发生子程序和超声波接收中断程序
超声波发生子程序的作用是通过P1.0端口发送两个左右的超声波脉冲信号（频率约40KHz的方波），脉冲宽度为12us左右，同时把计数器T0打开进行计时。超声波发生子程序较简单，但要求程序运行时间准确，所以采用汇编语言编程。倒车雷达主程序利用外中断0检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（即INT0引脚出现低电平），立即进入超声波接收中断程序。进入该中断程序后，就立即关闭计数器T0，停止计时，并将测距成功标志字赋值1，如果当计时器溢出时还没检测到超声波返回信号，则定时器T0溢出中断将外中断0关闭，并将测距成功标志字赋值2，以表示本次测距不成功。
4.结论
本设计主要使用51单片机作为系统核心，加上温度补偿电路和超声波发射以及接受电路作为外设，实现一个比较高精度的，操作简单且价值低廉的倒车雷达系统。该系统经过在实验室中调试，测距范围为0.1～5m，最大的测量误差为1cm，实时播报与同步显示时间间隔小于2秒。我们在保证倒车过程安全的情况下进行调试，即不管倒车速度快或慢，或者人为制造环境因素（烟、雾、温度等），发现超声波的发射换能器（探头）和接收换能器（障碍物）必须与反射物体垂直，不然测出的距离都是超过测距器的测量范围的，这与我们制作的超声波测距器的硬件有关系。
参考文献
[1]符艳辉，李爱芹.基于单片机控制的超声波测距仪的设计[J].农业与技术，2008，28（1）：171-173.
[2]张丹，贺西平.基于单片机的超声波测距系统的设计[J].纺织高校基础科学学报，2008，21（1）：117-120.
[3]吴超，戴亚文.基于AT89S52单片机的超声波测距系统的设计[J].中原工学院学报，2008，19（5）：65-68.
[4]陆冬妹.基于温度补偿的超声波倒车测距系统的设计[J].齐齐哈尔大学学报（自然科学版），2011（02）：143-145.
超声波流量计篇6
1引言
近年来，由于电子技术及压电陶瓷材料的发展，使超声检测技术得到了迅速的发展。在无损探伤，测温，测距，流量测量，液体成分测量，岩体检测等方面，新的超声检测仪表不断出现，超声波广泛地应用在各种领域中。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。主要用于智能玩具车自动避开障碍物前进，汽车倒车时提醒司机后方是否有障碍物等，本文介绍的就是其在倒车测距中的应用。
2总体方案的设计
2.1方案论证
为研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一、是用电气方式产生超声波；二、是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同，目前较为常用的是压电式超声波发生器。所以在本设计中我们选择压电式超声波发生器。其利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。其内部结构图如图2.1所示：
2.2系统分析与介绍
超声波倒车雷达在生活中应用广泛，非常具有实际意义，本系统要求倒车雷达的测量距离是0.1m～10m，精度小于±1cm；能显示距离且有语音播报距离功能；在不同距离用不用颜色的LED灯指示，提醒障碍物距离是处在危险距离、或是保持距离、或是安全距离；图2.2是系统整体框图：
本测距仪以ATmega16做为控制核心，用单片机定时器产生40KHz的方波信号，通过驱动电路把超声波发射出去，当单片机接收到接收器送回的信号后，计算出障碍物的距离，用LCD12864显示出距离，同时控制语音芯片APR9600播报距离。经过实验发现超声波测距仪能测量较远的距离时，就非常难测到0.1m短距离，为了能符合测距仪的要求，在系统中我们使用了两套超声波测距仪，一套做近距离测量，一套用于远距离测量；默认方式为远距离测量，当距离变小时就换用另一套来测量；语音芯片APR9600的并行录音最多只能分8段，无法满足要求，所以本系统也是采用两套一样的APR9600模块，总共16段录音，协同单片机完成声音播报功能。
2.3超声波测距仪原理
2.3.1测量原理
超声波是指频率高于20KHz的机械波。本设计中使用超声波探头来发射与接受，发射频率是40KHz。超声波发射器定期发出的超声波，遇到障碍物时就反射，反射信号经超声波接收并转化为电信号，让单片机测出发射与接收到时间差T，若超声波的传播速度为C，则与障碍物的距离为：
由于超声波是一种声波，其声速与温度有关，C≈331.45十0.6*t，t为摄
氏温度，所以在实际应用中，要根据环境温度的变化，对声速进行补偿，以减小误差。
2.3.2超声波测距盲区分析
由于超声波测距仪的发射头和接收头之间一般安装得都比较近，超声波发射器发射信号后还有余震，如果处理不好此时接收器就会接收到的信号，从而测出不正确的数据，所以在发射器发射超声波后必须延时一小段时间，避免发射信号直接被接受器就收，而这一小段延时时间就引入一段无法测量的距离，即所谓的盲区。障碍物只有在盲区之外才能正确测量出距离。
3系统硬件设计
3.1主控MCU
本设计以ATmega16为控制核心，ATmega16是基于增强型低功耗8位CMOS微控制器，它具有如下特点：具有16K字节的系统内可编程Flash，512字节EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，8路10位ADC，其相对传统51单片机硬件资源丰富。总共有40个引脚，其各端口的详细功能可以参考ATmega16芯片手册。
3.2LCD显示
建立一个良好人机交换界面在近年来越来越重要，而LCD显示模块应用最为普遍，如我们平时使用得比较多的1602，12864等，本测距仪要求能显示中文字幕，故我们选择显示功能比较强大的点阵汉字图形显示模块LCD12864。它可以显示汉字和图像，与单片机有并行和串行两种连接接口，在本测距仪使用串行连接方式，只需连接RS、R/W、EN共三个控制引脚就可以完成显示功能。
3.3语音播报电路
APR9600语音录放芯片是继美国ISD公司以后采用模拟存储技术的又一款音质好、噪音低、不怕断电、可反复录放的新型语音电路，单片电路可录放32-60秒，串行控制时可分256段以上，并行控制时最大可分8段，与ISD同类芯片相比它具有：价格便宜，有多种手动控制方式，分段管理方便、多段控制时电路简单、采样速度及录放音时间可调、每个单键均有开始停止循环多种功能等特点。
在本设计我们选择并行控制，分八段录音模式，由于需要录下“0-10”，“点”“米”总共13段录音，所以一片APR9600没办法实现，必须再加一片来完成13个声音的录音。为了节约单片机接口，我们采用74LS154译码器来完成对13段录音的播放控制，只用了单片机的4个I/O口。APR9600直接推动喇叭的声音比较小，为了需要较大的声音可以加一级音频功放，选用LM386集成功放对语音芯片输出信号进行功率放大。
3.4超声波测距发射接收电路
3.4.1超声波发射驱动电路
测距仪使用了两套超声波发射模块，一套小功率发射测量短距离，其发射部分驱动电路图如图3.4.1所示，一套大功率发射测量远距离，其发射部分驱动电路图如图3.4.2所示。
远近距离的测量发射模块在原理上基本上是差不多的，都是由单片机产生40KHz到方波，然后控制三级管的导通截至，使超声波能够起振，把超声波发射出去。三级管是电流控制器件，在放大区基级电流决定集电极和发射级的电流，在近距离测量发射模块中基级限流电阻是1K而远距离测量发射模块是560欧姆，可见远距离发射测量发射模块的发射功率较大。故能测量的距离较远。
3.4.2超声波接收电路
两套超声波的差别仅是在发射部分到发射功率上，接收部分所用的电路原理元件参数都是一样的，原理图如图3.4.2所示。
图中的CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，其个引脚功能图表3.4所示，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38KHz与超声波频率40KHz较为接近，可以利用它作为超声波检测电路。实验证明其具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。R2和C9是控制CX20106内部放大增益，R6控制带通滤波器的中心频率，适当改变C9的大小，可改变接受电路的灵敏度和抗干扰能力。
当超声波接收到信号后，经过CX20106放大、滤波、整形会在第7脚产生一个低电平，单片机用端口扫描法及时检查出该下降信号，马上停止定时器计数，读出计数值并转换为时间T，用公式2-3-1计算出障碍物的距离，式中C≈331.45十0.6*t（t是环境温度），然后在显示器上显示并播报数据。
3.3温度补偿部分
超声波之所以需要温度补偿是因为超声波在空气中传播的速度受温度的影响比较大，为提高测量精度温度补偿是必不可少的部分，这里我们使用比较常见且易于控制的集成数字温度传感器DS18B20来测量温度。
4软件设计
程序的总体思路：用定时器0和定时器2的比较匹配方式产生40KHz的方波，发几个周期驱动超声波发射电路，把超声波发射出去，此时打开定时器1从初值0开始计数，超声波接收电路一旦收到回波，立即停止计数，读出这个时候的计数值并换算出时间间隔，计算出障碍物的距离，如果在一定时间内没有扫描到低电平，就提示出错。在系统中我们用了两套超声波，定时器2是给远距离的测量发射电路提供40KHz的方波，定时器0是给近距离的测量发射电路提供40KHz的方波，在进入程序时默认使用远距离测量超声波收发模块，如果发现测量距离低于某个值就立即更换使用近距离测量超声波收发模块，同样如果近距离测量模块测得的数据大于某个值，就立即更换为远距离测量模块，如此协调工作，保证系统稳定，测量精确。
5系统测试
连接好电路各部分，上电测试数据如下所示，测试条件1：室外、温度34.6摄氏度，40cm×40cm木板做为反射板，数据如表5.1所示。
参考文献：
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