高精度超聲波微壓差測量?jì)x設計

發(fā)布時(shí)間:2010-8-2 16:43    發(fā)布者:lavida
關(guān)鍵詞: 測量?jì)x , 超聲波 , 高精度 , 微壓差
對于微小壓差的測最,傳統的方法是采用U型管壓力計,該壓力計結構簡(jiǎn)單,價(jià)格便宜,性能可靠,缺點(diǎn)是無(wú)法記錄壓力的瞬態(tài)變化,讀數慢而讀數誤差大,人工估讀時(shí),最大精度也只能精確到0.5 mm液柱高度。為了提高靈敏度,減小讀數誤差,隨之又出現了傾斜管壓力計,如果傾斜管壓力計的測量管傾斜角為30°,則測量精度可提高1倍。

隨著(zhù)壓力傳感器技術(shù)的發(fā)展,近年來(lái)又出現了電子微壓差傳感器,可將微小壓力直接轉換成電信號輸出。此類(lèi)傳感器使用方便,反應速度快,精度也可以做得較高,目前比較好的微壓傳感器測量分辨率已達到10 Pa左右。缺點(diǎn)是穩定性不夠好,溫漂和時(shí)漂都比較大,且價(jià)格昂貴。

上述微壓測量方法各有利弊,如果要繼續提高測量精度,以上測量裝置已經(jīng)難以勝任。針對這樣的現狀,我們設計了一種新型的微壓計--超聲波微壓計。這是在保留U型管壓力計原理、結構簡(jiǎn)單、可靠性高、直觀(guān)等優(yōu)點(diǎn)的基礎上,利用超盧波進(jìn)行精確而快速測量U型管中液柱高度的原理設計而成。它具有測最精度高、讀數準確(數顯)、測量速度快的特點(diǎn),可以通過(guò)RS-232接口與計算機連接,進(jìn)行相關(guān)的數據、圖表處理,具有廣闊的應用前景。  

1 超聲波及超聲波換能器

超聲波是機械波的一種,足機械振動(dòng)在連續介質(zhì)(氣體、液體、固體)中的傳播過(guò)程,所以,機械振動(dòng)是超聲波產(chǎn)生的根源。超聲波是指頻率f>20 kHz的彈性波。

超聲波換能器是發(fā)射和接收趟聲波信號的關(guān)鍵部件,它可以把電能轉換成高頻聲能,或者把盧能轉換成電能。超聲波換能器有多種形式,我們選用的是壓電換能器,它足基于某些晶體的壓電效應來(lái)實(shí)現電聲能量轉換的一種電性換能器。

壓電換能器具有正壓電效應和逆壓電效應。

正壓電效應是指當對某電介質(zhì)施加應力時(shí),產(chǎn)生的形變將引起內部正負電荷中心發(fā)生相對位移而產(chǎn)生極化,在介質(zhì)兩端面上出現符號相反的束縛電荷,其電荷密度與應力成正比。利用正壓電效應可將機械能即聲能轉換成電能,這種川來(lái)接收盧波的換能器稱(chēng)為接收換能器。

逆壓電效應是指將具有壓電效應的介質(zhì)置于電場(chǎng)內,由于電場(chǎng)作用引起介質(zhì)內部正負電倚中心發(fā)生位移,這種位移在宏觀(guān)上表現為產(chǎn)生了變形(或應變),它與電場(chǎng)強度成正比。利用這個(gè)效應能產(chǎn)生超聲波,即將適應的交變電信號施加到品體上面產(chǎn)生振動(dòng),振動(dòng)頻率與交變電壓的頻率相同,從而形成超聲波,發(fā)射聲波利用的是逆壓電效應。用米發(fā)射聲波的換能器稱(chēng)為發(fā)射器。

壓電換能器同時(shí)具有正壓電效應和逆壓電效應;诖嗽,可以用一個(gè)超聲波換能器既做發(fā)射器,又做接收器。

2 超聲波測壓原理

超聲波測壓原理見(jiàn)圖1(a)。2根玻璃管形成一個(gè)連通器,在A(yíng)管的底部安裝一個(gè)超聲波換能器,被測壓力分別由A、B兩點(diǎn)引入,這種連接方式可測量?jì)蓧毫χg的壓差,如需要測量表壓,只要將4、B兩壓力中的任意一個(gè)接通大氣即可。

測量前需進(jìn)行摹準零位校驗,將A、B兩點(diǎn)都接通大氣,此時(shí)因A、B兩壓力相等,連通器兩管中的液柱等高,測量出此時(shí)超聲波換能器發(fā)射面到液面之間的高度h0,該高度為基準高度(也稱(chēng)為零點(diǎn)高度)。測量時(shí),將B點(diǎn)接通大氣(測量表壓),被測壓力由A點(diǎn)引入,因A、B兩管存在壓差,則兩液柱形成高度差2△h,設兩玻璃管中的液體是純凈水,那么用mmH2O
(1 mmH2O=9.806 65 Pa)來(lái)表示壓力,被測壓差為:




只要精確測量出h0和h1,就可準確測量出壓力。由式(1)可知,該壓力與超聲波換能器的安裝位置無(wú)關(guān)。

利用超聲波測量水柱高度,超聲波由換能器發(fā)射,遇到液面后反射,反射波再返回換能器,由換能器產(chǎn)生電脈沖,只要精確測量超聲波由換能器發(fā)射到反射波回到換能器這期間的時(shí)間△t即可。如采用24 MHz高頻脈沖作為時(shí)間測量單位,設△t時(shí)間內共得到脈沖數為n,則:



設超聲波通過(guò)2h0路程需要時(shí)間為△t0,共記錄n0個(gè)脈沖;經(jīng)過(guò)2h1長(cháng)的路程需時(shí)間為△t1,共記錄n1個(gè)脈沖,超聲波在水中的傳輸速度為ν,則被測量壓力為:



環(huán)境溫度為25℃時(shí),超聲波在水中的傳輸速度約為1 483 H1/s,根據理論計算,該微壓計的對水柱高度測量的分辨率為:



如需進(jìn)一步提高測量精度,可提高記數脈沖的頻率或使用比重較小的液體。如純酒精作為測量液體,純酒精的比重為O.8,則此時(shí)的測量分辨率為:



由此可見(jiàn),該微壓計的測量精度遠遠優(yōu)于目前使用的測量方法,能滿(mǎn)足絕大多數場(chǎng)合微小壓力的測量。

另外,這種方法測量速度很快,可以每秒300次左右的速率測量,因此能捕捉壓力的瞬態(tài)變化。而U型管壓力計或傾斜管壓力計讀一點(diǎn)數據至少需要1 s,在被測壓力急劇波動(dòng)時(shí)無(wú)法讀取數值。  

3 硬件設計  

3.1 超聲波發(fā)射電路

超聲波發(fā)射電路較為簡(jiǎn)單,由于發(fā)射和接收是同一換能器,且測壓液柱較短,所以這里不宜采用連續波發(fā)射,我們采取單脈沖波發(fā)射方式,由單片機發(fā)出啟動(dòng)脈沖,經(jīng)過(guò)微分電路,使得三極管瞬間導通,在超聲波換能器上得到一個(gè)前沿很陡的高壓脈沖,由此換能器向液面發(fā)出超聲波脈。  

3.2 超聲波接收、放大電路

由微分放大電路組成輸入級,來(lái)自超聲波換能器第1反射波(4點(diǎn))得到進(jìn)一步放大,同時(shí)使第1反射波信號變得更尖陡(B點(diǎn)),該信號再經(jīng)精密檢波電路檢波、濾波后,得到反射波的包絡(luò )線(xiàn)(C點(diǎn)),為消除地線(xiàn)及雜波等干擾信號,同時(shí)增強信噪比,C點(diǎn)的信號再經(jīng)過(guò)一個(gè)帶有域值比較的放大器進(jìn)一步放大,得到一個(gè)比較干凈而幅值足夠大的第1反射波信號(D點(diǎn)),最后經(jīng)電壓比較器,輸出觸發(fā)信號(E點(diǎn))給計數系統,使其停止計數。至此,完成反射波信號的放大與處理任務(wù)。  

因為超聲波在液柱內會(huì )產(chǎn)生多次反射,而我們只需要第1反射波,因此在對完成第1反射波處理后,就必須立刻停止計數,這部分由控制電路完成。  

3.3 脈沖計時(shí)電路

控制系統采用MCS-51系列單片機,當單片機采用12 MHz晶振時(shí),其最高記數頻率為500 kHz,而超聲波記時(shí)系統采用的是24 MHz高頻脈沖,因此通過(guò)74LS393把24MHz高頻脈沖進(jìn)行256分頻后變成93.75 kHz,再送給單片機計數。
  
在讀取時(shí)鐘脈沖數時(shí),由74LS393讀取低8位,高16位由單片機內部記數器讀取,這樣記數值可達到二進(jìn)制24位。理論計算最大測量水柱高度為:

   
4 軟件設計

該系統的軟件設計著(zhù)重解決實(shí)時(shí)和同步問(wèn)題。首先,在發(fā)射超聲波的同一時(shí)刻啟動(dòng)計數器計數;其次,接收到第1反射波的同時(shí),立刻停止計數器計數;再次,由于發(fā)射和接收是同一超聲波換能器,所以超聲波的發(fā)射端和接收放大電路的輸入端連接在同一點(diǎn),在發(fā)射波發(fā)出的同時(shí),接收放大電路同樣收到發(fā)射信號,如不采取措施,會(huì )誤將發(fā)射波當做有效的反射波,計數器在啟動(dòng)的瞬間就會(huì )被關(guān)閉,造成誤操作,所以此時(shí)要采取必要的措施,對放大器的輸入端進(jìn)行屏蔽處理。

另一方面,發(fā)射的電脈沖信號有一定的寬度,對超聲波的激勵是利用發(fā)射脈沖的前沿,加之電路存在延時(shí)效應,根據上述情況,應在發(fā)射后的一段時(shí)間內需要屏蔽放大電路的輸入端,延時(shí)一段時(shí)間后再開(kāi)放,以免誤觸發(fā)。因此,從發(fā)射信號到開(kāi)放接收電路之間產(chǎn)生一個(gè)固定的時(shí)間差,必然存在一個(gè)測量死區,當液位高度小于死區高度時(shí)是無(wú)法測量的。

5 結束語(yǔ)

該測量系統經(jīng)過(guò)實(shí)際使用,完全達到設計要求,曾在上海交通大學(xué)熱能工程系風(fēng)洞壓力場(chǎng)應用中取得了很好的應用效果。由于超聲波在液體中的傳輸速度隨著(zhù)環(huán)境溫度的變化而變化,我們在電路中設計了環(huán)境溫度檢測電路,通過(guò)軟件進(jìn)行溫度補償,同時(shí),液柱體積也會(huì )隨溫度變化而有所變化,而折合成高度的變化量很小,可以忽略不計。經(jīng)溫度補償后,該測量系統非常穩定,測量數據精確,速度快,讀數方便,體積小巧,并可進(jìn)行多點(diǎn)聯(lián)級使用,實(shí)現多點(diǎn)同時(shí)測量,便于捕捉壓力瞬態(tài)變化值,例如在上海交通大學(xué)熱能工程系風(fēng)洞壓力場(chǎng)應用中實(shí)現了128點(diǎn)快速測量。如果U型管壓力計人工估讀精度為0.5 mm,超聲波微壓測量?jì)x以0.03 mm測量精度計算,其測量精度提高16倍。U型管道壓力計測量一點(diǎn)的壓力最快也需1 s,而該超聲波微壓計每秒可測量300點(diǎn),由此可知,其測量速度提高300倍,完全可取代常規的U型管道壓力計或傾斜管壓力計,是很好的更新?lián)Q代的產(chǎn)品,市場(chǎng)前景廣闊。
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