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 1 合理采用門(mén)閥設計，減小盲區眾所周知，使用超聲波液位計測距的原理主要是檢測回波與發(fā)射波之間時(shí)間差Δt，即：Δt = tn-tn-1

 其中：t0為發(fā)射波或稱(chēng)始波觸發(fā)計時(shí)器時(shí)間；tn為各回波觸發(fā)計時(shí)器時(shí)間。如圖1所示。

 圖1 超聲檢測波形示意圖如圖1所示，在實(shí)際檢測的過(guò)程中，我們可以發(fā)現，在始波附近，存在大量的干擾波，主要是由于容器壁的多次反射形成的干擾。

 當被測液體高度比較低時(shí)，可能會(huì )造成多個(gè)超聲波液位計回波湮沒(méi)在始波附近的干擾波中，而且不容易識別出有效的回波信號tn來(lái)。合理有效的門(mén)閥t的設置，就很好的解決了這一問(wèn)題。在整個(gè)系統設計的過(guò)程中，我們設計的是每40ms發(fā)射一個(gè)始波。通過(guò)大量的實(shí)驗檢測，***后我們把門(mén)限設置為2ms。也就是說(shuō)當始波觸發(fā)計時(shí)器后，計時(shí)器自動(dòng)關(guān)閉2ms，然后打開(kāi)計時(shí)器，開(kāi)始接收回波。這里需要注意的是，由于容器內液體的多少是未知的，也就是說(shuō)，此時(shí)測得的***個(gè)回波t1，不一定是真實(shí)的***個(gè)回波，因為當液位比較低的時(shí)候，前幾個(gè)回波很可能被門(mén)閥給過(guò)濾掉了。此時(shí)就需要比較回波時(shí)間差Δtn了，Δtn = tn-tn-1 。當前后兩個(gè)Δt1和Δt2相差在一定范圍內，則可認為t1為***個(gè)回波，此時(shí)Δt可以取其中任一個(gè)。否則Δt只能取Δt2。當液位比較高時(shí)，系統在一個(gè)檢測周期內可能只能檢測到一個(gè)回波，此時(shí)的t1必然是***個(gè)回波。

 由于受系統及其他軟硬件條件所限，我們這個(gè)系統的檢測盲區大概在5ms左右。

 2 定標模塊，去除溫度、介質(zhì)等影響

眾所周知，溫度對超聲波液位計的超聲波在介質(zhì)中傳播速度有較大影響。一般來(lái)說(shuō)，溫度越高，超聲波在介質(zhì)中的傳播速度越快。例如，超聲波在空氣中的傳播速度可以表示為：C=331+0.6T。其中T為環(huán)境溫度。也就是說(shuō)在空氣中溫度每上升1°，超聲波的傳播速度都要增加0.6m/s。實(shí)驗證明，在固體和液體介質(zhì)中，超聲波傳播亦是如此。不同的介質(zhì)中，超聲波的傳播速度也是不相同的。比如實(shí)驗測得的結果表明，在汽油中，超聲波的傳播速度大約在1300m/s上下，而在水中則在1400m/s左右。計時(shí)器1μs就會(huì )產(chǎn)生超過(guò)1個(gè)毫米的誤差。

 從上面的表述中可以看出，溫度和介質(zhì)對超聲波液位計測量結果影響也是很大的�？紤]到即使是同一介質(zhì)，其濃度和溫度等因素對結果影響也是不可忽視的。正式由于諸多復雜的原因存在，并沒(méi)有哪個(gè)專(zhuān)業(yè)機構能夠給出超聲波在每種介質(zhì)中的具體傳播速度數值。正所謂繆之毫厘差之千里。為此，我們另辟蹊徑，設計了一個(gè)定標模塊。如圖2所示。

 該定標模塊為一中空的圓柱體結構，其內部底部距離上頂部外延高度設計為10cm，設計誤差為±10μm（受工藝所限，精度無(wú)法更高了）。其思路為，當我們需要測量某一容器內液位時(shí)，取與該容器內液體注滿(mǎn)定標模塊。打開(kāi)液位檢測儀，首先測量該模塊，由于高度已知，可比較精準的測得在當前環(huán)境下該液體的速度值。然后再用此速度值去測量密閉容器的液位。

 此方法看似笨拙繁瑣，但在實(shí)際應用中我們可以看到，通過(guò)這一定標模塊的方法，基本消除了溫度和介質(zhì)的影響，大大地提高了檢測精度和準確度。3 軟件處理，進(jìn)一步提高精準度做系統設計的人都知道，有些誤差因素是系統固有的，是無(wú)法通過(guò)硬件的改進(jìn)來(lái)消除的。但在系統的軟件設計過(guò)程中，我們可以通過(guò)一定的方法和算法進(jìn)一步降低誤差。方法之一就是對測得的數據進(jìn)行進(jìn)一步判斷、求均值。首先是判斷。從圖1的波形所示來(lái)看，在一定的距離內（我們這套系統大約在1m），回波是能夠接收到兩個(gè)或兩個(gè)以上的回波的。如果回波超過(guò)兩個(gè)，我們就取***和第二個(gè)的差值和第二個(gè)和第三個(gè)的差值作比較判斷并取均值備用。如果回波只有兩個(gè)，則取第二個(gè)差值做備用。如果只有一個(gè)回波，那就沒(méi)的選擇了。

 其次求均值。我們采取的每40ms發(fā)射一個(gè)發(fā)射波，也就是說(shuō)，超聲波液位計系統是每40ms測量一次數據，我們采取的方法并不是每組數據直接送顯，而是采用每測得20組數據送顯一次。在取得20組數據后，系統首先去除兩個(gè)較大的值，再去除兩個(gè)較小的值，然后把余下的16組數據求均值，然后送顯示器顯示。至于為什么是16組，搞過(guò)單片機的都知道。軟件處理方法之二是主動(dòng)消除固有偏差。表1所示為對高度約為90cm的液位進(jìn)行多次測量。

 通過(guò)以上測量結果來(lái)看，整體測量值比實(shí)際值大約偏高0.5cm，因此，在大約距離為1米左右時(shí)，我們通過(guò)把測得的數據均主動(dòng)減去0.5cm。這樣，顯示的結果與實(shí)際值就比較接近了。

軟件處理的方法之三就是注意細節處理。例如像前面所提到的通過(guò)定標模塊進(jìn)行定標時(shí)，會(huì )得到一個(gè)速度值，這個(gè)值會(huì )給后面的程序進(jìn)行計算時(shí)使用。我們在實(shí)際的操作中雖然在定標時(shí)顯示了具體的速度值，但在后面實(shí)際計算時(shí)，并沒(méi)有直接用這個(gè)值，而是把測得的被除數和除數分別存儲起來(lái)，在具體計算時(shí)，采用的是乘以被除數，再除以除數。這樣在一定程度上又進(jìn)一步減少了計算誤差。

 4 結束語(yǔ)

本文著(zhù)重介紹一些在具體使用超聲波液位計測量液位的過(guò)程中，分析了測距過(guò)程中誤差的產(chǎn)生及減小誤差的方法。實(shí)踐證明,采用這些方法將大大減小測量誤差,提高測量的準確度。