基于调频脉冲回波法的超声波液位无线测量系统

孙茂喆，赵传华，马法山

泰山医学院化工学院，山东泰安　271016

基于调频脉冲回波法的超声波液位无线测量系统

孙茂喆，赵传华，马法山

泰山医学院化工学院，山东泰安271016

针对现有超声波液位计量程的扩大与精度的提高不能兼顾的缺点，设计了一种基于调频脉冲回波法的液位无线测量系统。该系统由调频脉冲测量模块、温度检测与补偿模块、数据发送和单片机控制模块、手持接受显示模块4个模块组成。通过该设计的频率可调的超声波液位测量装置，即能保证扩大测量量程，又能确保提高的测量精度。

调频脉冲回波法；超声波；无线传输；液位测量

液位测量在工业中有重要的作用，准确的液位测量是生产过程控制的重要手段［1］。在用于液位测量的众多技术中压电式、超声波式、应变式、浮球式、电容式5种测量技术应用最为广泛，而超声波式测量技术在实际使用中所占的比例最大［2-4］。但是现有的超声波液位计均使用固定频率的超声波发射探头，这种方法存在一定的局限性：如果采用较高的发射频率，方向性好，精度高，但是量程受限；如果采用较低的发射频率，衰减小，量程提高，但是精度降低［5-6］。因此，根据实际测量要求，有必要开发一种频率可调的超声波液位测量装置，即能保证大的量程又能确保高的精度。

根据实际需求，设计了一种基于调频脉冲回波法的超声波液位无线测量系统，利用调频脉冲回波技术，采用SRWF-501无线传输芯片实现大量程，高精度无线传输的液位测量装置。

1　调频脉冲回波法的测量原理

现有的超声波连续液位测量的方法有以下几种：回波法、共振法、频差法、超声衰减法［7］。共振法检测液位会受到一些条件的制约，这种方法需要和液面之间建立驻波关系，而且它是一种需要和液面直接接触的测量方法；频差测量法要利用调频器来产生调制频率；衰减法是利用测量超声波的衰减量来对液位进行检测［2］。相比于以上方法，超声波脉冲回波法不需要和液面之间建立驻波，可以实现非接触检测，并且测量方式简单，因此它是最适合的液位测量的方法［8-9］。

通常来说，频率为40kHz的超声波在空气中的声吸收约为4dB/m，因此，我们常使用的40kHz超声波测距的最大量程只有5m～6m。如果想延长测距的范围，使得测量量程达到十几米，就需要超声波在长距离传播中的声吸收很小，但是40kHz单频的超声波在15m测量距离的声吸收大于80dB，因此，用它来实现十几米大量程的测距基本是不可能实现的［10］。为了解决这一矛盾，我们使用调频脉冲回波技术，该技术是利用了高频与低频超声波在空气中传播时空气对它们吸收率不同的原理。同时发射2种频率的超声波，频率较高的超声波其波长较短，因此测量的精确度很高，但空气对它吸收率很高，只能用于近距离的距离测量；低频超声波其波长较长，虽然精度较低，但空气对它基本不吸收，可以测量较远的距离。通过实验测量发现，25kHz的超声波在15m的范围内，回波的损失大概在30dB左右，损失很少。因此基于该种技术，实现大量程、高精度的超声测距成为可能。

2　系统的理论设计

本文研制的超声波液位测量装置主体上由若干个测量终端和一个手持显示装置组成，测量终端主要由调频脉冲测量、温度检测与补偿、数据发送与单片机控制模块、手持显示模块4个模块组成。主要工作方式是通过安装在所需测量的容器上的各个测量终端测得容器的各项参数，通过无线模块将数据传送到手持显示装置予以显示和报警，其原理图如图1所示。

本装置是以STC80C52RC单片机为主控制器，基于调频脉冲回波技术进行非接触式液位测量，利用SRWF-501无线数据传输芯片实现数据在测量终端与手持显示装置间的无线采集，装置的模拟图如图2所示。

脉冲测量模块装置主要通过单片机控制发送两束不同频率的超声波，即先发射40kHz后发射25kHz，因为高频超声波先发出，到达目标后，它的回波比25kHz先到达接收端，即利用高频超声波测量近距离目标，保证了测量的精准度。而远处的目标，高频超声波基本被空气全部吸收，接受端接受到的只有低频的超声波［11］。

对于临界状态的分析，我们只考虑最先到达的超声波信号此时就算高频超声波衰减较为严重，只要能接收到，依旧可以保证精度高于低频超声波。

2.2温度检测与补偿模块

该模块通过在需测容器底部、中部、顶部安装3个温度探测器，及时捕获到容器中液体和空气的温度，为温度补偿提供参数。声波速度受温度影响较大，其传播速度与温度T的关系为［12-13］。温度补偿模块将采集到的空气温度代入编写的程序中对声波速进行修正，从而达到精确测量。

2.3数据发送与单片机控制模块

该模块以STC80C52RC单片机为核心处理芯片，实现了对各个测量、显示、报警模块的控制。利用SRWF-501无线数据传输芯片实现数据的无线采集，可以大大提高测量的效率。

2.4手持显示模块

手持显示模块主要由数据接收、手持单片机控制系统、液晶显示、自动报警4部分组成。工作时单片机将各个测量终端传输的数据通过液晶显示器予以显示，同时通过程序的设计，设定一定的警戒液位和警戒温度，当液位达到该数值或者温度过高时，蜂鸣器会发出警报。

3　系统的硬件设计

3.1脉冲的调频发射与接收处理

实现基于调频脉冲回波法测量液位的框图如图3。图中STC89C52RC为本装置使用的核心处理芯片，PreAmpH 是高频通道前置放大器、PreAmpL低频通道前置放大器，BPH、BPL为高、低频通道的带通滤波器，TVG为时间电压增益控制器［14-16］。

调频超声波测距装置的工作时间顺序如图4。

当STC89C52RC接到测距的指令后，从I/O口发出频率为40kHz的PWM波，随后再送出8个25kHz的低频PWM波，2种不同频率的PWM波通过功率放大电路被放大后，使得发射端的换能器发出2种不同频率的超声波。当超声波被前方目标物反射后，形成回波，回波经前置放大，滤波与检波后，形成高，低频两种回波脉冲信号。因为高频声波是先发出，它生成的回波会先到达单片机，即近距离的目标就会利用高频超声波进行探测；而远处的目标，高频超声波基本被空气吸收，单片机只能接受到低频回波脉冲，即远距离的目标用低频超声波进行测量。

在图4中，t0高频超声波开始发射的时间，t1低频超声波开始发射的时间，t2是接收到高频回波的时间，t3是接收到低频超声波回波的时间。2种频率所测距离DH，DL分别为：

c 是空气中的声速，它与温度T 的关系为：

由于在空气中温度对超声波声速影响很大，所以接收端测得的信号在单片机内部还要进行温度修正，该步骤主要依靠温度补偿模块来实现。

量的精准度，系统设计采取了迭加平滑技术，即持续测距N次，并由单片机对结果进行处理分析，将测得的数据传送给手持显示装置，其工作流程图如图5。

3.2超声波接收端电路设计

现有的超声波接收方式主要使用cx20106集成芯片处理脉冲，而后经由单片机解码进行计算，但cx20106芯片的使用频率在38kHz～41kHz之间，通常使用40kHz作为使用频率，对于本系统设计的25kHz高量程超声波则无法使用，所以我们设计了适用于25kHz的超声波接收电路，从而使同时接收40kHz与25kHz的超声波成为可能。图6和图7分别为40kHz超声波接收电路和自主设计的25KHz超声波接收电路Multisim软件仿真图。

4　测量结果及分析

通过实验检测所设计的装置是否满足大量程，高精度的要求。实验在温度为23℃的实验室中进行，对实际工业生产中的液位的测量进行模拟测量。得到测量结果如表1所示。

表1　测量结果

由表1所示，在测量距离小于10m时，测量的误差小于1cm，在一定范围内，该装置的测量精度可以达到±1mm，并且测量的量程可以达到17m，符合设计所预期的高精度，大量程的要求。

5　结论

通过对系统总体的设计以及硬件的调试和程序的编写，实现了液位检测的功能。通过实验可以验证基于调频脉冲回波法的液位测量装置具有测量精度高，量程大，结构简单，运行稳定等优点。通过设计的接收端将无线通信技术应用于液位测量领域，可以解决一些地方无法布线的问题，并且降低的布线所需的成本，该装置的设计能够满足大部分工业液位的测量的需要。

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TP39

A

1674-6708（2016）166-0219-03

赵传华，党总支副书记，泰山医学院化工学院。

孙茂喆，学生，泰山医学院化工学院。马法山，学生，泰山医学院化工学院。