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。

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