超声波液位检测仪的设计

　　1 引 言

　　在工业自动化控制系统中，超声波液位检测仪具有很大的应用潜力：超声液位测量技术既可以实现接触测量，也可以实现非接触测量;既能够定点和连续 测位，也能够方便地提供遥测或遥测所须的信号。与放射性技术相比，超声技术不需防护;和红外、激光及无线电测距相比，在近距范围内超声测距不受光线影响、 结构简单、成本低。

　　此外，超声液位测量的环境介质可以为空气、液体或固体，适用范围广泛[1]。但目前的测量装置存在精度低，测量数据不稳定等问题，影响到超声波测距系统在一些精度要求较高的场合的应用[2]，分析影响超声波液位检测仪测试精度的成因并提出解决办法具有很大的现实意义。

　　本文针对各种影响超声波测量精度因素提出了带有温度补偿的动态自校正超声液位测量方案，为了实现小盲区高精度测量，设计了发射电路、多级接收和 单片机控制回路，抑制了发射脉冲的拖尾，实现了变增益回波信号的放大;同时在硬件方面，为了减小液面起伏和容器内柱、板对测量的影响，增加了导波管，实现 动态液面跟随。

　　2 系统的硬件设计

　　超声液位测量硬件系统需要完成如下功能[3]: 1) 提供超声波换能器的发射脉冲信号并发射超声波;2) 拾取超声波换能器的回波信号并进行分析处理 ;3) 计算及显示被测液位;4) 远距离传输信号或数据的功能。设计的原型系统的结构框图如图 1 所示[5]，发射电路中，由NE555 产生脉冲，同时启动计数器，在经发射电路放大产生足够驱动换能器的高压脉冲激励;检测回波方面采用多级集成运放来构成滤波放大电路;电源电路给整个系统供 电。硬件部分还包括显示电路和4-20mA 的模拟传输通道，用于远程传输。

　　发射电路如图 2 所示，采用NE555 构成多谐振荡电路产生高频窄脉冲串构成发射级，由组合功率管TG1、TG2 和脉冲变压器T1 构成驱动级，由于换能器为高阻抗元件，要驱动它，须经过功率匹配和阻抗匹配才能实现。发射脉冲经过功率放大和脉冲变压器升压后，才能激发换能器产生超声波 信号。

　　在选择换能器的工作频率时，应在考虑声衰减的前提下选的尽量高，由于换能器的工作频率越高，波长越短，测量精度也越高，当f =200kHz 时，波长约为1.7mm，当f=40kHz时，波长约为8.5mm;显然测量精度降低了很多，但频率高也会带来衰减快的问题，测量距离会大大减小，由于本 测距仪的测量距离在1m以内，测量距离较短，所以最终选择频率较高的200kHz的换能器。

　　换能器的工作频率高，Q 值也很大，发射脉冲宽度对脉冲拖尾长度影响较大。设计中，比较了 30μs，40μ，60μs，100μs的发射脉冲宽度作为发射信号后的接收信号，最终选用 40μs (8 个 200KHz 脉冲方波)的发射脉冲宽度。此时，从接收回波信号幅度和测量盲区两个方面来衡量比较适中。