阅读说明：本技术 一种高精度短距离超声波液位测量装置 (High-precision short-distance ultrasonic liquid level measuring device ) 是由 薛萍 邢健文 王宏民 于 2020-05-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高精度短距离超声波液位测量装置,属于测量仪器技术领域。本发明为了解决现有技术中的液位测量装置测量误差大的问题。本发明包括主控制器、超声波发射接收装置、波导管和浮板,波导管为上下两端敞口的空心筒状结构,波导管竖直安装且波导管的下端伸入待测液面内,浮板漂浮在导波管内的液面上,超声波发射接收装置安装在浮板上方；本发明提高了液位测量精度,解决了现有技术中液位测量装置测量误差大的问题。(The invention discloses a high-precision short-distance ultrasonic liquid level measuring device, and belongs to the technical field of measuring instruments. The invention aims to solve the problem that a liquid level measuring device in the prior art has large measuring error. The ultrasonic wave detection device comprises a main controller, an ultrasonic wave transmitting and receiving device, a waveguide tube and a floating plate, wherein the waveguide tube is a hollow cylindrical structure with openings at the upper end and the lower end; the invention improves the liquid level measurement precision and solves the problem of large measurement error of the liquid level measurement device in the prior art.)

一种高精度短距离超声波液位测量装置

技术领域

本发明涉及测量仪器技术领域，特别是涉及一种高精度短距离超声波液位测量装置，用于短距离液位的高精度测量。

背景技术

人耳能够听到的声波频率为20Hz-20kHz，超声波是超出人耳听力极限的声波即频率超过20kHz的机械波。超声波具有透性好、方向性强、波长短的特点，广泛用于测距、测速、碎石、杀菌消毒等。利用超声波进行测距，比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，测量精度也能达到要求，因此超声波在测距领域应用极为广泛。

利用超声波在传播过程中遇到介质的变化会发生发射这一特性，现有的超声波液位测量装置大多采用非接触式的方式，即超声波探头与液面有一定间隔，不和被测液面直接接触。在中国专利CN201410734794公开的一种小量程液位测量装置和中国专利CN209148097U公开的一种浮子反射式超声波液位传感器都是采用的是超声波换能器或导杆直接与液体接触的方法。然而这种方法若是使用在被测液体为酸碱的情况下，超声波换能器和导杆与液体直接接触会被腐蚀，造成影响。GB/T11828《水位测量仪器》的要求，准确度为在测量范围内，以静水施测得结果为准，超声波水位计的最大允许误差应不大于±3cm。现有的超声波液位计盲区通常在30cm-50cm，无法实现30cm一下短距离的测量；现有的非接触式超声波液位计在测量静态液面时较为准确，但是动态波动情况下误差较大，原因为，波动情况下，会造成回波乱反射，使得接收装置无法准确的接收到回波信号，会对测量结果造成干扰，误差增大。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种高精度短距离超声波液位测量装置，解决了现有技术中的液位测量装置盲区过大以及当液面不平稳时导致测量不准确的问题。

一种高精度短距离超声波液位测量装置，包括主控制器、超声波发射接收装置、波导管和浮板，所述波导管为上下两端敞口的空心筒状结构，波导管竖直安装且波导管的下端伸入待测液面内，浮板漂浮在导波管内的液面上，超声波发射接收装置安装在浮板上方。

进一步的，所述浮板下端设有若干均匀布置的配重体，所述配重体密度大于待测液体密度。

进一步的，所述配重体通过连接线悬挂在所述浮板下方。

进一步的，所述配重体安装在浮板的边缘处和浮板的中心处。

进一步的，所述配重体外部具有防腐壳体。

进一步的，所述超声波发射接收装置包括超声波发射电路和超声波接收电路，主控制器分别连接超声波发射电路和超声波接收电路。

进一步的，所述超声波发射电路包括超声波发射探头和并联连接的第一接收电路和第二接收电路，第一接收电路与第二接收电路的结构相同，所述第一接收电路包括第一电阻、加速电容、三极管、下拉电阻和若干并联的集电极电阻，所述第一电阻一端连接主控制器，第一电阻另一端连接三极管的基极，所述加速电容并接在第一电阻两端，下拉电阻的两端分别连接三极管的基极和发射极，所述集电极电阻一端连接三极管的集电极，另一端连接电源。

进一步的，所述超声波接收电路包括超声波接收探头和接收电路，所述接收电路包括第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第一电容、第六电容、电位器和比较放大器；第三电阻、电位器和第四电阻依次串联连接，第五电阻和第六电阻串联连接，超声波接收探头一端通过第二电阻连接电源，第一电容一端接在超声波接收探头与第二电阻之间，第一电容的另一端接在第三电阻和电位器之间，电位器的另一端通过第四电阻接地，电位器的滑动端连接比较放大器的反相输入端，比较放大器的同相输入端接在第五电阻和第六电阻之间，比较放大器的输出端连接由第八电阻和第六电容组成的RC滤波电路。

进一步的，第二电容、第三电容、第四电容、第五电容，所述第二电容和第三电容并联构成第一滤波电路，第四电容和第五电容并联构成第二滤波电路，所述第一滤波电路连接第三电阻，第二滤波电路连接第五电阻。

进一步的，所述比较放大器的输出端连接第七电阻。

如上所述，本发明提供的一种高精度短距离超声波液位测量装置，具有如下效果：

本申请采用了波导管和浮板配合的结构，在液面发生波动时，波导管与其内部的浮板配合，大大降低了浮板的波动幅度，最大限度的保持了浮板与超声波发射接收装置位置的平衡，提高了测量精度。

本申请采用浮子底下配有重物，防止浮子抖动使装置更加稳定可靠，而且现有的装置只适用于纯净的液体，本装置采用的材料是聚四氟乙烯，可适用于酸性等腐蚀性液体的测量环境中。

本申请适于测量距离范围在2cm-10cm之间的短距离液位测量，测量精度可达到1mm。

附图说明

图1为本发明具体实施例的高精度短距离超声波液位测量装置整体结构示意图；

图2为本发明具体实施例的浮板与配重体的俯视图；

图3为本发明具体实施例的超声波发射电路原理图；

图4为本发明具体实施例的超声波接收电路原理图；

图5为本发明具体实施例的的回波信号处理结果波形图；

图6为本发明具体实施例的超声波回波幅衰减图；

图7为本发明具体实施例的超声波回波经比较器整形后波形；

图8为采用脉宽补偿后的超声波回波波幅衰减图及发送波形与回波关系，图8a为超声波回波波幅衰减图，图8b为发送波与回波关系；

图9为本发明具体实施例的液位测量流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本实施例的一种高精度短距离超声波液位测量装置，如图1所示，包括：包括外壳1、外壳1内包括主控制器，外壳下端安装有超声波发射接收装置2，外壳1的下端安装有波导管3，所述波导管3为上下两端敞口的空心筒状结构，波导管3竖直安装且波导管的下端伸入待测液体6内，被测液体6装在容器5中，在导波管3内的液面上漂浮有浮板4，所示超声波发射接收装置2安装在浮板4上方，本实施例采用的主控器包括STC15单片机。

浮板4的轴向边缘与波导管3的内壁之间的距离范围为4mm-7mm之间，本实施例选择的距离为5mm，这个距离可以使浮板能够在波导管中自由上下活动，并且能最大限度的保持液面的稳定，本实施例选择的浮板4的材质为聚四氟乙烯。本实施例中，超声波探头直径为1.3cm，波导管内壁直径6cm，波导管长度为13cm。

所示超声波发射接收装置2用以发射和接收超声波，所示浮板4始终漂浮在被测液体6的液面上，并且随着被测液体6液面的升高而升高，随着所示被测液体6的液面降低而降低，在液面发生波动时，浮板4由于波导管3的限制只会垂直上下运动，使浮板4的上表面始终与超声波发射接收装置2的表面保持平行，使超声波以反射面的90度角进行反射，避免反射回来的信号不能原路返回。

由于浮板密度较小，所以在液面出现波动时容易出现抖动，在超声波液位测量过程中会给测量结果带来误差，所以，本实施例浮板下端设有若干均匀布置的配重体7，所述配重体7密度大于待测液体6的密度，在测量过程中保证浮板4在液面上始终保持稳定，减少抖动，保证回波信号原路返回。

由于不同的被测液体的密度不同，需要设置不同的配重体，为了安装替换方便，所述配重体7通过连接线悬挂在所述浮板4下方，并且为了使浮板4的上表面保持水平，所述配重体7安装在浮板的边缘处和浮板的中心处，如图2所示，本实施例的配重体7的数量为5个，使浮板4的中心下移，保持稳定不会随意抖动。

由于部分被测液体具有腐蚀性，因此本实施例的配重体7外部具有防腐壳体。

本实施例的超声波发射接收装置包括超声波发射电路和超声波接收电路，主控制器分别连接超声波发射电路和超声波接收电路。

如图3所示，本实施例的超声波发射电路采用的三极管开关电路，因为超声波换能器需要交替的激励信号才能驱动，而且为了能够有足够的驱动电压，所以选择了两个三极管开关电路，既能产生激励信号，又有放大作用可以产生足够的驱动电压，具体超声波发射电路如图所示，包括超声波发射探头S1和并联连接的第一接收电路A和第二接收电路B，第一接收电路A与第二接收电路B的结构相同，相应部件的作用相同，所述第一接收电路A包括第一电阻R1、加速电容C1、三极管Q、下拉电阻R2和并联的集电极电阻R3、R4、R5、R6、R7，并联连接的R3、R4、R5、R6、R7可以增大功率，防止电压过大导致电阻过热，所述第一电阻R1一端连接主控制器，第一电阻R1另一端连接三极管Q的基极，所述加速电容C1并接在第一电阻R1两端，下拉电阻R2的两端分别连接三极管Q的基极和发射极，所述集电极电阻一端连接三极管Q的集电极，另一端连接电源，相应的，第二接收电路B包括电阻R1`、加速电容C1`、三极管Q`、下拉电阻R2`，并联连接的集电极电阻R3`、R4`、R5`、R6`、R7`，电阻R1和电阻R1`的两端与主控制器的两个引脚项链，首先通过串口发送命令给STC15单片机，STC15单片机通过I/O向发射电路的两端发送频率为300kHz、占空比为1：1、周期相差半个周期的方波，数量为10个，用以驱动发射探头S1，采用的超声波频率越高，波长越短，声束扩散角越小，能量越集中，方向性和辨别力也越好，频率越高，声波衰减也越大，可以进行短距离的测量，解决了现有技术中通常使用40khz频率的超声波存在无法满足短距离情况的测量，实现测量距离范围在2cm-10cm之间的短距离液位测量，测量精度可达到1mm；所述超声波发射电路采用12V电压供电，采用三极管的放大作用，这样超声波发射探头S1两端能产生幅值为15V交替的方波，更好的驱动超声波发射探头S1，从而产生超声波。

如图4所示，本实施例的超声波接收电路包括超声波接收探头S2和接收电路，所述接收电路包括第二电阻R8、第三电阻R9、第四电阻R10、第五电阻R11、第六电阻R12、第七电阻R13、第八电阻R14、第一电容C2、第二电容C3、第三电容C4、第四电容C5、第五电容C6、第六电容C7、电位器R和比较放大器U；第三电阻R9、电位器R和第四电阻r10依次串联连接，第五电阻R11和第六电阻R12串联连接，超声波接收探头S2一端通过第二电阻R8连接电源，第一电容C2一端接在超声波接收探头S2与第二电阻R8之间，第一电容C2的另一端接在第三电阻R 9和电位器R之间，电位器R的另一端通过第四电阻R10接地，电位器R的滑动端连接比较放大器U的反相输入端，比较放大器U的同相输入端接在第五电阻R11和第六电阻R12之间，比较放大器U的输出端连接由第八电阻R14和第六电容C7组成的RC滤波电路，将放大后的信号整形滤波输出给主控制器，所述比较放大器的输出端连接第七电阻R13；超声波接收探头S2接收到的信号幅值太小，主控制器无法识别也无法进行处理，所述，超声波接收探头S2接收到的信号通过第一电容C2耦合到电位器R的一端，比较放大器U的正输入端幅值为2.5V，可以将噪音过滤掉，只将有用信号放大；比较放大器U的输出端为OC门输出，需要在输出端加上第七电阻R13作为上拉电阻；整个电路采用的是5V的电源供电。首先超声波接收探头S2接收到回波信号，经过接收部分，电容C2将小信号耦合到滤波部分，经过滤波电容之后，将信号送到放大比较器部分，经过比较器之后提取有用信号，再经过RC滤波电路，将信号进行整流，使信号保持稳定，返回到主控制器时可以保持同样的判断标准，减小误差。

所述第二电容C3和第三电容C4并联构成第一滤波电路，第四电容C5和第五电容C6并联构成第二滤波电路，由于300kHz信号频率较高，电源对信号造成的干扰较大，需要在电源处加上滤波电容，减小电源噪声的干扰，所述第一滤波电路连接第三电阻R9，第二滤波电路连接第五电阻R11。

所述超声波发射探头S1和超声波接收探头S2为一个探头，当超声波发射探头S1发射完超声波后转为超声波接收探头S2。

主控制器的控制输出端连接超声波发射电路的三极管开关电路和超声波接收电路输出端，用以保存设定的门限电压；并向超声波发射电路发送控制命令，并接收由超声波接收电路收到的返回信号，并对返回信号进行处理，得到距离信息，使用主控制器内部的时钟计时经过整形处理后的回波信号如图5所示，通道CH1为处理后的回波信号，通道CH2为发射信号；经过处理之后的信号更稳定，本实施例的主控制器采用的是下降沿触发，停止计时，经过回波信号处理电路的整形之后，可以保证每一次的回波下降沿更平稳，可以使主控制器的触发标准相同，减小误差。

本实施例所述的液位测量装置工作过程为：

超声波发射探头向障碍物发射十个频率为300kHz的超声波，根据频率与波长公式λ＝uT，其中λ为波长，u为波速，T为周期，可以得出波长为1.15mm，该频率满足要求；

延时一段时间开始计时，避免余震信号产生干扰，延时时间由发射信号图像决定的，因为设置的为每次发射一组十个脉冲，从发射第一脉冲开始计时，每周期为3.3微秒，所以延时最少为33微秒；

所述超声波测距装置向目标障碍物发射超声波之后，转换为接收模式，接收返回的信号，超声波接收探头接收到返回信号，经放大器将信号放大，发送给主控制器；

主控制器接收到放大过后的信号，停止计时，对数据进行处理，得出距离信息，但当超声波信号返回时，随着距离的增加，接收信号宽度会逐渐减小，当经过比较器整形之后，会造成前沿后移，而前沿后移意味着超声波回波测量时间延后，当丢失一个信号，将造成最大1.1mm的误差，所以本实施例的主控制器采用回波补偿方法对回波信号进行补偿，补偿方式为：

其中T为发送的300kHz超声波波族的周期，T₁为测得的回波脉冲宽度，v为超声波传播的速度，S为待测液面到超声波换能器的距离，t为渡越时间，该方法可以补偿后移的前沿，减少波形前沿延后产生的误差。

对于精度要求较高的环境，需要考虑温度对超声波传输速度的影响，按v＝331.5+0.607C对超声波的传输速度进行补偿，以减小误差，其中C为实际温度，单位为摄氏度，v为超声波实际传播速度，单位为m/s。

具体的补偿原理如图6-8所示，超声波测距采用的是组波发送形式，即一次性发送10个左右的完整波形，然后进入回波接收模式，接收电路部分一般都有比较器和放大器，超声波回波的波幅会随着距离的增大而减小，超声波回波信号衰减图及经比较器整形后波形如图6-7所示。从图中可以看出，随着距离的增加，接收脉冲的宽度变窄，前沿后移，造成时间测量误差。整形后的波形由若干个超声波周期构成，前沿后移意味着超声波回波测量时间延后本设计采用的是300kHz超声波，丢失一个超声波周期将造成1.1mm的误差，所以要采取措施降低时间测量的误差。

图8是采用回波脉宽补偿方法的示意图，图中的虚线是发送的超声波周期，实线是回波宽度。图表示发送波和回波前沿的相位关系。T₁为测得的回波脉冲宽度；Δt为滞后时间；可以见得，该方法可以对回波的脉宽进行补偿，距离越远，回波脉冲宽度越窄，时间滞后越多，补偿量越大。

回波补偿后，将得到的补偿后的信号再采用互相关法检测方法进行测量，得到准确的渡越时间，当测量距离越长，回波能量越弱，所以采用本申请的回波补偿的方法使得到的回波波形更准确，进而计算出的渡越时间也就越准确。

互相关法是测量渡越时间最基本也是最有效的方法之一，它具有较强的噪声抑制能力。互相关法的测量原理为，如果超声波发出的信号为x(t)，而接受到的超声波信号为y(t)，则两路信号的互相关函数M_xy(T)可由

得出。通过上式进行互相关运算之后，便可以得到互相关函数的峰值点所对应的时间T，从而可以得到准确的渡越时间T。

针对本装置测距距离较短的问题，在测量前需要设定测距距离为2cm-10cm的阈值，该阈值设定用以排除掉噪声提取到有用信号，在本实施例中，所采用的的振幅阈值为45dB；在实际测量中，为了更好地区分出有效信号和干扰信号，所述阈的幅值通过实验的调试确定，以此测出特定距离下对应的准确的阈值，然后将得到的信号进行补偿。

经过回波补偿后的信号进行处理，使信号整形成为正弦信号，也就是将补偿之后的超声波信号进行优化，得到一个理想的信号，然后该信号为输入的y(T)，一开始发射的超声波信号为x(T)，互相关函数由公式得出，得到渡越时间。针对本装置测量距离短的特点，渡越时间通过M_xy(T)＝x(-T)*y(T)获取，其中*为卷积，然后运用快速傅里叶算法计算出互相关信号，不仅提高计算效率，也利于提高测量精度。

得到的渡越时间即为检测发出超声波和接收回波的时间差，从而计算出目标物与超声波发射探头的距离。

本申请采用的是频率为300kHz的超声波，现有的超声波测距装置普遍采用的是频率为40kHz的超声波，该频率的超声波波长较长，无法测量短距离，所以采用高频率的超声波，而且40kHz超声波测距装置存在测量精度不高的问题，所以选择采用频率为300kHz的超声波，由于新材料、新技术的应用，可以使测量精度大幅的挺高，而且应用范围也大为扩展。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。