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超聲波傳感器在沙子料位檢測中的應用0 引 言 在工程建筑行業(yè) ,如果混凝土質(zhì)量不過關 ,會存在重大的安全隱患。因此,在生產(chǎn)混凝土時 ,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,《GB10172—1988 混凝土攪拌站(樓)技術條件》對生產(chǎn)混凝土的攪拌設備規(guī) 定了具體的計量精 度要求。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,且結構復雜、笨重。而超聲波系統(tǒng)具有精度高、惡劣環(huán)境適應能力強、設備輕便、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。僅在物位測量方面,在多種物料中獲得成功應用,例如:煤倉 煤位監(jiān)測和液位檢測 。 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 、應用的測距范圍大,故本文選用該法。見圖l,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,為超聲波在空氣中的傳播速度 ,J為料位高度, 為料斗高度 。 圖 1 超聲 波測料位示意 圖 2 提高整體精度關鍵 2.1 溫度補償設計 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。 另外考慮到在實際應用中有時料斗較大,測量距離也較大,難于測量溫度分布,此時可加裝自動校準裝置。需要注意校準裝置的適當安裝,避免校準回波和主回波混迭。 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 ,遠距離測量時回波也會減弱 j。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0.1s。環(huán)境溫度20℃時超聲波速度為343.6m/s,1mm距離的傳播時間為 2.91 s。 因此 ,采用 W77E58計時 ,完全可以保證測量精度。 測量沙子料位下位機系統(tǒng)設計見圖 2 3.1 超聲波發(fā)射與接收模塊 3.2 測溫模塊 3.3 自動增益控制模 塊 4 系統(tǒng)軟件設計 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 圖 4 系 統(tǒng) 主 程 序 流 程 圖 5 實驗結果 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 3cm,實驗時距離。在室溫25℃的情況下 ,測量超聲波探頭到料面距離數(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精度達到1mm,且重復性好。20mm以內(nèi)為測量盲區(qū),相對較小。 顯然,料位高度乘以料斗有效面積得到沙子的體 積 ,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 結束語 1)本文設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,測量誤差達到了最小級 。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;同時還應考慮基準誤差, 實際測量距離應當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 致了基準的誤差。 參考文獻 : [1] 吳康雄 ,李 白光 ,陳 穎.基于電容傳感 原理的低成本 砂石計量技術 [J].中國工程機械學報 ,2006,4(1):102-105. [2] 劉 偉 .連續(xù)式 瀝青混合料攪拌設備 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 [M].南京 :東南大 學出 版社 ,2000. [4] 張攀峰 ,王玉萍 ,張 健 ,等.帶有溫 度補償 的超聲 波測距 儀 的設計[J].計算機測量與控制 ,2012,20(6):1717-1732. [5] 時 瑋 ,盂 軍 ,劉 波.溫度 修 正 的超 聲 波測 距 控 制 設 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) 的設計 [J].傳感 器與微 系統(tǒng) ,2010,29(4):111-113. [7] WangJinjin,YuanDong,CaiPing.Rangeresolutionofultrasonic distancemeasurementusing singlebitcrosscorrelation forrobots[c]//InternationalConferenceonInformation,2010:917-923. [8] YamashitaK,KatataH,OkuyamaM,eta1.Arrayedultrasonicmi— cmsensorswith high dreetivity forin—airuse using PZT thin film onsilicon diaphrams[J].Sensorsand Aetuatom A:Physical, 2002,97/98:302-307. [9] 渠笑納.超聲波測距 在泊車輔助 系統(tǒng) 中的應用 [D].大連 :大 連理工大學 ,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 學報 ,2007(7):1652-1654. [11]朱 向慶 ,陳志雄.帶溫度 補償 的360。超聲 波測距 測速 系統(tǒng)設 計 [J].壓電與聲光 ,2011,33(2):315-319. [12]HuangKenung,HuangYupei.Multiple—frequencyultrasonicdis— t using direct digital frequency synthesizer— s[J].SensorsandActuatorsA,2009,149:42-45. [13]鄒 軼.近距離高精度超聲測距 系統(tǒng) 的設 計 [D].大連 :大連 理工大學.2009. [14]楊輝媛 ,涂成軍 ,譚偉杰 .超聲 波測距 系統(tǒng) 的設計 [J].重慶科 技學院學報 :自然科學版 ,2009,11(3):163-166. BNRD脈沖高頻雷達物位計 |