奚宇晗，張從鵬，楊正富

（北方工業(yè)大學機械與材料工程學院，北京 100144）

0 引言

在水體測量方面，通常在所測水體附近設置一個細長豎管，使用連通管將豎管和所測水體連接起來，所測水體的水位與豎管中液位相同，只要測出管中液位即可求出所測水體中的液位。

目前常用的液位測量儀器中，浮子式液位計和壓力感應式液位計屬于接觸式液位計，其測量元件需要直接與被測液體接觸，容易受到水質(zhì)影響，且不適用于帶有腐蝕的液體；射線式液位計的信號衰減和能量損失較快，且具有一定的輻射；超聲波液位計和雷達液位計一般有5°～10°的發(fā)射束角，較大的發(fā)射束角限制了其安裝環(huán)境。特別是在細長豎管內(nèi)進行長距離測量時，波束角范圍內(nèi)的管壁會形成大量雜波信號，如果增大發(fā)射功率來保證回波強度，雜波信號也會同樣增強，影響其正常使用[1]。

激光的頻率和不同溫度下的波速較為穩(wěn)定，基本不會受到不同外界自然氣候氣象條件等環(huán)境因素的波動干擾；激光發(fā)射頭和激光接收管體積較小，適用于狹窄管道。同時，在管道中進行測量時，環(huán)境光對脈沖激光接收影響極小，基本可以忽略其影響，且激光束集中、波束角小，更適合細長豎管內(nèi)進行較長距離的液位測量。

1 細長豎管內(nèi)激光測距原理

本系統(tǒng)采用的測液位原理為激光脈沖法，對于脈沖法激光測距而言，距離的測量本質(zhì)上可以轉(zhuǎn)化為對時間的測量，最重要的就是對激光往返飛行時間進行精確測量，以保證距離測量的精確性。

測距示意圖如圖1所示。通過連通管保證水位井和渠道中水位相同，激光發(fā)射器發(fā)射的激光直射反光浮子并反射回到激光接收器，測出激光飛行時間T，根據(jù)光速C，可知激光測距系統(tǒng)與反光浮子之間的距離S=CT/2，再根據(jù)安裝高度L，即可求出當前水位H=L-S。

圖1 液位測量示意圖

2 液位計的硬件設計

2.1 系統(tǒng)硬件總體設計

系統(tǒng)總體硬件框圖如圖2所示。系統(tǒng)以STM32F103 CBT6單片機為控制核心，并使用TDC-GP22芯片進行激光飛行時間的測量。TDC電路Fire管腳控制驅(qū)動電路發(fā)射脈沖激光信號，并由Stop管腳接收回波信號。根據(jù)收發(fā)信號之間的時間間隔來計算激光的往返時間，再由單片機計算出對應的水位高度。開關(guān)驅(qū)動電路可以提供足夠的功率，激光在管道中即便有一定的衰減，也有足夠強度的回波信號返回接收端。在將返回的激光信號轉(zhuǎn)換成電信號后，通過信號處理電路對其進行濾波放大，以此觸發(fā)TDC 電路的終止計時。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.2 TDC-GP22外圍電路設計

TDC-GP22芯片的時間測量單元以時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC）為核心，其最大的測量精度由外部的信號通過邏輯門的頻率和時間所決定[2]。TDC-GP22在模式一下時間測量的分辨率可達到45 ps。

在本設計中僅使用Stop1通道對時間間隔進行測量；其中，Stop1引腳連接發(fā)射端，Start引腳連接接收端。引腳9至引腳13與單片機相連，其中4個引腳為SPI協(xié)議控制，另一個為中斷反饋引腳RSIN。PT1與PT2兩個引腳分別連接2個PT-1000溫度傳感器，用以輔助監(jiān)測管道內(nèi)溫度。

2.3 激光收發(fā)電路設計

在激光信號的發(fā)送方面，TDC-GP22芯片自帶的高頻脈沖信號發(fā)生器系統(tǒng)可產(chǎn)生200 kHz的脈沖信號，但由于其產(chǎn)生的200 kHz方波信號的電壓峰峰值為3.3 V，驅(qū)動電流大約為96 mA，電壓不足以至于不能滿足激光發(fā)射器的正常工作條件，驅(qū)動能力無法滿足本設計的需求。為此選用了高品質(zhì)的6引腳SOT23封裝的開關(guān)芯片MAX4644，在保證200 kHz方波信號的同時為激光發(fā)射器提供所需的工作電壓。

在接收處理方面，由于光電探測器探測轉(zhuǎn)化得來的電信號幅值較小，其中還夾雜著大量雜波信號，不足以直接被TDC-GP22芯片接收并處理。因此設計帶通濾波電路對信號進行濾波和放大，以供TDC-GP22芯片接收。在本設計中，濾波放大使用的是OPA2350UA型運算放大器?；夭ㄐ盘柕奶幚黼娐啡鐖D3所示。

圖3 帶通濾波電路原理圖

硬件系統(tǒng)中還包含最小系統(tǒng)模塊、線性電源模塊、輔助溫度檢測模塊和RS485串口通信模塊，由于篇幅限制在此不做贅述。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)測量過程通過以下步驟實現(xiàn)：首先由STM32主芯片對TDC-GP22芯片進行配置并下達運行指令，TDCGP22接收到測量指令后發(fā)出方波信號給發(fā)射端，經(jīng)過開關(guān)電路和激光發(fā)射器完成激光發(fā)射工作；接收端將接收到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，并進行濾波處理后傳遞給計時芯片，測算出激光在發(fā)射和接收之間的飛行時間，完成硬件的測量部分；MCU通過算法計算獲得水位數(shù)據(jù)，并通過485通信傳遞給上位機。測量程序的流程圖如圖4所示。

圖4 測量程序流程圖

為了對數(shù)據(jù)進行降噪處理，本設計中采用平均值法濾波的方式進行濾波處理。計時開始時建立一個10位的數(shù)組，將每次測量得到的數(shù)據(jù)給數(shù)組中的一個元素賦值。完成10次計時后利用排序法找到這10個數(shù)當中的最大值和最小值并將其排除[3]，再對剩下的數(shù)組求平均值，將該平均值作為處理后的時間數(shù)據(jù)用以計算液位高度。

4 系統(tǒng)測試與誤差分析

4.1 系統(tǒng)測試

由于條件所限，該液位測量系統(tǒng)的測試工作在實驗室內(nèi)進行，實驗現(xiàn)場如圖5所示。將反光浮子投入不銹鋼豎管內(nèi)，再將激光液位計的位置固定在管道頂端，激光的測量光斑對準內(nèi)側(cè)的反光浮子。再將不銹鋼豎管嵌套進較粗的外側(cè)標定有高度數(shù)值的亞克力透明管道內(nèi)，根據(jù)大氣連通原理，亞克力透明管道的水位即為不銹鋼豎管內(nèi)的水位。

圖5 實驗現(xiàn)場圖

實驗中使用卷尺標定，精確度為1 mm 的管道，水位從0.6 m處開始增加，每次注水使水位上升0.05 m，共測量19組數(shù)據(jù)，測量得到的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 水位測量實驗測量數(shù)據(jù)表 m

標準差公式如式（1）所示。

將測量的數(shù)據(jù)量n、實測距離xi和實際距離xˉ代入式（1），可得標準差S1=˙0.0080 m；將測量的數(shù)據(jù)量n、實測間距xi和實際間距xˉ代入式（1），可得標準差S2=˙0.0058 m。

該數(shù)據(jù)結(jié)果表明該型激光液位計的測量穩(wěn)定性能較高，且絕對誤差<15 mm，量程10 m的情況下相對誤差保持在0.3%以下，符合設計要求。

4.2 誤差分析

在系統(tǒng)中，外界環(huán)境、硬件電路的性能、傳播過程中的延時、軟件的算法都會對測量產(chǎn)生影響[4]。方波信號從TDC-GP22的FIRE_UP引腳產(chǎn)生后，需要經(jīng)過開關(guān)電路、激光收發(fā)電路及濾波電路才能回到計時芯片，得到的時間值略大于激光的飛行時間，這部分誤差僅能通過數(shù)據(jù)對比盡可能減小，無法徹底消除。

5 結(jié)語

本文利用高性價比、低功耗的STM32作為處理器，結(jié)合TDC-GP22數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片測量激光飛行時間以測量水位高度。本設計更適用于在地形狹窄、水質(zhì)較差、懸浮物和氣泡較多的管道內(nèi)測量激光飛行時間，并通過計算轉(zhuǎn)換為渠道內(nèi)水位高度。綜上，該脈沖激光液位計具有較高的環(huán)境適應性、精度和穩(wěn)定性，符合設計要求。