曲春英, 卞 之

(海南師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院 自動化系, 海南 海口 571158)

0 引 言

在工程建筑行業(yè),如果混凝土質(zhì)量不過關(guān)，會存在重大的安全隱患。因此,在生產(chǎn)混凝土?xí)r，混凝土各組成物料的精確計量是混凝土質(zhì)量的基本保證，為此,《GB 10172—1988混凝土攪拌站(樓)技術(shù)條件》對生產(chǎn)混凝土的攪拌設(shè)備規(guī)定了具體的計量精度要求[1]。而沙子是混凝土各組成物料之一，不言而喻，沙子的精確計量是保證混凝土質(zhì)量的重要因素。

目前,砂石料的計量方式大都是稱量式，此方法由于沙子含水量等問題，計量誤差較大，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重[2]。而超聲波系統(tǒng)具有精度高、惡劣環(huán)境適應(yīng)能力強、設(shè)備輕便、安裝與調(diào)試簡單,易于讀數(shù)和測量時不與被測介質(zhì)直接接觸等特點[3]。僅在物位測量方面，在多種物料中獲得成功應(yīng)用，例如：煤倉煤位監(jiān)測和液位檢測。

本文提出了一種新的容積法，即將超聲波傳感技術(shù)應(yīng)用到混凝土攪拌設(shè)備中，對沙子料位進行連續(xù)計量，進而得出沙子的用量。

1 超聲波測量沙子料位的理論依據(jù)

超聲波測距有時間差法、相位法等，由于時間差法成本低、實現(xiàn)簡單、應(yīng)用的測距范圍大，故本文選用該法。見圖1，即將超聲波發(fā)射端和接收端同時裝在盛沙料斗頂部，發(fā)射端發(fā)出超聲脈沖，遇到沙子界面反射回來,電子單元計算發(fā)射端發(fā)出信號和接收端收到信號的時間差t,得沙子界面到料斗頂部距離h=vt/2，進而得到料位L=H-h，其中,v為超聲波在空氣中的傳播速度[4]，L為料位高度，H為料斗高度 。

圖1 超聲波測料位示意圖

2 提高整體精度關(guān)鍵

2.1 溫度補償設(shè)計

溫度是影響超聲波測量誤差的一個主要原因，在空氣中超聲波傳播速度因溫度不同而不同，所以,在設(shè)計中需要溫度傳感器測出料斗上方環(huán)境溫度，進行聲速補償。

經(jīng)查資料，超聲波聲速與溫度的關(guān)系v=331.45+0.607T(m/s)，其中，v為補償后的聲速，T為料斗環(huán)境溫度,℃[5]。

另外考慮到在實際應(yīng)用中有時料斗較大，測量距離也較大，難于測量溫度分布，此時可加裝自動校準(zhǔn)裝置。需要注意校準(zhǔn)裝置的適當(dāng)安裝，避免校準(zhǔn)回波和主回波混迭[6]。

2.2 自動增大回波幅值

雖然此系統(tǒng)用于料斗出料時測量沙子用量多少，可以避免超聲波傳感器受到測量方向上的阻礙物、測量介質(zhì)堆積形狀等的影響。但沙子界面凸凹不平，極為粗糙，反射波信號微弱，另外,遠(yuǎn)距離測量時回波也會減弱[7]。所以,在這里采用了自動增益控制電路，使接收回波的幅值基本保持不變，再通過整形電路輸出，以提高測量精度[8]。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

采用臺灣華邦公司生產(chǎn)的高速單片機W77E58測量超聲波的傳播時間,測量分辨率為0.1 μs。環(huán)境溫度20 ℃時超聲波速度為343.6 m/s,1 mm距離的傳播時間為2. 91 μs。因此,采用W77E58計時,完全可以保證1 mm的測量精度。測量沙子料位下位機系統(tǒng)設(shè)計見圖2。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計框圖

3.1 超聲波發(fā)射與接收模塊

超聲波換能器種類繁多，有的要求被測物表面光滑、平整，有的盲區(qū)大，精度不高；綜合考慮采用T/R40—16型收發(fā)分體式壓電陶瓷超聲波傳感器，其工作電壓是5 V,正常工作時電流為30 mA,最大電流是50 mA[9]。輸入觸發(fā)信號最小為10 μs TTL電平脈沖；回波信號為TTL電平正脈沖,脈寬與距離呈比例。它的聲壓能級、靈敏度在40 kHz時最大，測量距離2 cm～3 m，W77E58通過P1.0和P3.2控制T/R40—16。在TRIGGER引腳給T/R40—16一觸發(fā)信號后,它將發(fā)射超聲波。當(dāng)超聲波投射到物體而反射回來時,ECHO引腳輸出一返回信號,給單片機一個中斷，單片機開始讀取測時時間，之后完成距離的計算。

3.2 測溫模塊

溫度測量使用Dallas公司的數(shù)字型單總線溫度傳感器DS18B20設(shè)計,其占用單片機的資源少,讀寫操作方便。DS18B20測量范圍是-55～+125 ℃,在-10～+85 ℃間,測量精度達(dá)±0.5 ℃,而在整個溫度測量范圍內(nèi)具有±2 ℃的測量精度[10],最大轉(zhuǎn)換時間為200 ms[11]。DS18B20采用+5 V電源供電,其數(shù)據(jù)總線DQ直接與W77E58的P3.1引腳相連。

3.3 自動增益控制模塊

自動增益控制電路由放大器AD620，數(shù)字電位器MCP41100，通過單片機控制實現(xiàn)增益可調(diào)，見圖3。

圖3 自動增益控制電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

主程序是整個控制系統(tǒng)的核心，通過調(diào)用模塊子程序來驅(qū)動各個模塊的硬件電路正常工作，以此來達(dá)到實時測量顯示沙子料位的功能。實際中通過計算可以顯示沙子用量多少，并加以控制。主程序流程圖見圖4，其中自動增益電路的軟件實現(xiàn)采用逐步逼近的方法[12,13]。

圖4 系統(tǒng)主程序流程圖

5 實驗結(jié)果

在實驗室用了一個形狀規(guī)則的圓筒作為模擬料斗進行多次測量，隨著料斗不斷地出料，顯示器顯示出了不同料位。

為了盡可能地減少測量誤差，安裝時傳感器盡可能地與地面平行，且安裝高度不能過低；為減小超聲波旁瓣的影響，超聲波傳感器的2個探頭之間的距離要大于3 cm，實驗時距離為5 cm。在室溫25 ℃的情況下，測量超聲波探頭到料面距離h數(shù)據(jù)見表1。

表1 超聲波探頭到料面距離h數(shù)據(jù)與誤差

通過實驗可得，此系統(tǒng)測得距離h精度達(dá)到1 mm，且重復(fù)性好。20 mm以內(nèi)為測量盲區(qū)，相對較小。

顯然，料位高度L乘以料斗有效面積S得到沙子的體積V，沙子的體積乘以沙子的密度即得到料斗內(nèi)沙子質(zhì)量G。所以，既可以通過計算機監(jiān)控料斗內(nèi)沙量剩余多少，也可以通過計算監(jiān)控沙子用料多少，進而實現(xiàn)各種場合中沙子的精確配比。

6 結(jié)束語

1)本文設(shè)計了一基于超聲波傳感器的測距系統(tǒng),用于沙子料位的連續(xù)測量；采用了高速單片機自動增益電路。經(jīng)過測試，系統(tǒng)精度較高，測量誤差達(dá)到了mm級。該系統(tǒng)還可與上位機進行通信，擴展成具有存貯、打印輸出、越位報警等各種功能。

2)此料位測量系統(tǒng)適用于大多數(shù)固體料位，如水泥和谷類等極干燥和多塵的材料,甚至動態(tài)條件下的料位測量。

3)為進一步提高精度，應(yīng)考慮環(huán)境的濕度，因為超聲波在液體和固體中的傳播速度更快；同時還應(yīng)考慮基準(zhǔn)誤差，實際測量距離應(yīng)當(dāng)是壓電晶片到障礙物之間的距離,由于壓電晶片在探頭內(nèi)部,導(dǎo)致了基準(zhǔn)的誤差[14]。

參考文獻(xiàn):

[1] 吳康雄,李自光,陳 穎.基于電容傳感原理的低成本砂石計量技術(shù)[J].中國工程機械學(xué)報,2006,4(1):102-105.

[2] 劉 偉.連續(xù)式瀝青混合料攪拌設(shè)備的計量控制[J].建筑機械化,2004(8)：68-70.

[3] 賈伯年,俞 樸,宋愛國.傳感器技術(shù)[M]．南京：東南大學(xué)出版社，2000.

[4] 張攀峰,王玉萍,張 健,等.帶有溫度補償?shù)某暡y距儀的設(shè)計[J].計算機測量與控制,2012,20(6):1717-1732.

[5] 時 瑋,孟 軍,劉 波.溫度修正的超聲波測距控制設(shè)計[J].機械工程與自動化,2005(6):85-87.

[6] 賀桂芳.一種高精度超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng),2010,29(4):111-113.

[7] Wang Jinjin,Yuan Dong,Cai Ping.Range resolution of ultrasonic distance measurement using single bit cross correlation for robot-s[C]∥International Conference on Information,2010:917-923.

[8] Yamashita K,Katata H,Okuyama M,et al.Arrayed ultrasonic microsensors with high drectivity for in-air use using PZT thin film on silicon diaphrams[J].Sensors and Actuators A:Physical,2002,97/98:302-307.

[9] 渠笑納.超聲波測距在泊車輔助系統(tǒng)中的應(yīng)用[D].大連:大連理工大學(xué),2010.

[10] 張淑清,靳世久,李 雋.提高超聲波物位檢測精度方法的研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報,2007(7):1652-1654.

[11] 朱向慶,陳志雄.帶溫度補償?shù)?60°超聲波測距測速系統(tǒng)設(shè)計[J].壓電與聲光,2011,33(2):315-319.

[12] Huang Kenung,Huang Yupei.Multiple-frequency ultrasonic distance measurement using direct digital frequency synthesizer-s[J].Sensors and Actuators A，2009,149:42-45.

[13] 鄒 軼.近距離高精度超聲測距系統(tǒng)的設(shè)計[D].大連：大連理工大學(xué).2009.

[14] 楊輝媛,涂成軍,譚偉杰.超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版,2009,11(3):163-166.