關鍵字: 超聲波；
明渠流量計；W77E58；MAX7219；溫度補償
1.1 國內外背景
我國開展近代流量測量技術方面的工作較晚，早期所需流量計均從國外進口，直到20世紀30年代中期才出現光華精密機械廠所制造的家用水表，20世紀50年代初有了新成儀表廠所開發的文丘里管差壓流量計。20世紀60年代開始有了渦輪流量計和電磁流量計等本國產品。現在已形成一個相當規模從事流量測量技術和儀表研究開發和生產的產業。從事流量儀表研究和生產的單位超過230家，向中國儀器儀表協會流量儀表專業協會注冊登記的單位也有50余家，它們均是有相當規模或有一定特色的企業。我國1990年流量儀表產量（不包括*表和家用水表）估計超過25萬臺。
流量計在國外的發展較快，幾個工業發達國家均有相當數量的流量儀表生產廠家，有專業生產多品種的流量儀表的綜合大型企業，也有專業生產品種單一性能*的流量儀表小型企業，數量上以后者居多。目前美國有200余家，英國、德國和日本也均有50家以上，我國有250家以上。
解決不同條件下各種不同被測介質的流量測量，至今已經發展了種類繁多的流量儀表，一般可分為如下*類：①差壓式流量計；②浮子式流量計；③容積式流量計；④葉（渦）輪式流量計；⑤電磁流量計；⑥流體振蕩式（包括渦街式）流量計；⑦超聲流量計；⑧熱式流量計；⑨科里奧利質量流量計；⑩明渠流量計。近年來，隨著時代的發展，傳統流量測量儀表如差壓式、浮子式、容積式流量計在市場上所占據的份額已經呈現下降趨勢，而新穎的流量計如電磁式、渦輪式、超聲波式流量測量儀所占比重正逐年增加。
超聲波流量計是20世紀70年代隨著IC（集成電路）技術迅速發展才開始得到實際應用的一種非接觸式儀表，相對于傳統的流量計而言，它具有下列主要特點：
（1）解決了大管徑、大流量及各類明渠、暗渠測量困難的問題。因為一般流量計隨著管徑的增加會帶來制造和運輸上的困難，不少流量計只適用于圓形管道，而且造價提高，能耗加大，安裝不便，這些問題，超聲波流量計都可以避免，這樣就提高了流量測量儀表的性能價格比。
（2）對介質幾乎無要求。超聲波流量計不僅可以測量液體、氣體，甚至對雙相介質（主要是應用多普勒法）的流體流量也可以測量，由于可制成非接觸式的測量儀表，所以不破壞流體的流場，沒有壓力損失，并且可以解決其它類型流量計難以測量的強腐蝕性、非導電性、放射性的流量問題。
（3）超聲波流量計的流量測量準確度幾乎不受被測流體溫度、壓力、密度、粘度等參數的影響。
（4）超聲波流量計的測量范圍度寬，一般可達到20：1。
1.2選題依據及研究意義
隨著工農業的發展，對流體流量和總量的計量及測試提出了越來越多、越來越高的要求。在注重節省能源，提高經濟效益和產品質量的今天，流量計量與測試的重要性就更加突出并為越來越多的人所認識。特別是隨著現代工業生產的飛速發展，人們對流量測量的要求越來越高，對流量測量技術和儀表的研究和開發也不斷深入，流量測量方法和儀表的種類也越來越多。尤其是在近些年來，流量測量技術和儀表已經得到了長足的發展。流量儀表一般可分為如下類:壓差式流量計、浮子式流量計、容積式流量計、葉（渦）輪式流量計、電磁式流量計、流體振蕩式（包括渦街式）流量計、超聲流量計、熱式流量計、科里奧利質量流量計和明渠（或非滿管）用流量計[1]。超聲波流量計是20世紀70年代隨著IC技術迅速發展才開始得到實際應用的一種非接觸式儀表。
近幾年來，隨著電子技術、數字技術和聲楔材料等技術的發展，利用超聲波脈沖測量流體流量的技術發展很快。基于不同原理，適用于不同場合的各種形式的超聲波流量計已相繼出現，其應用領域涉及到工農業、水利、水電等部門，正日趨成為流量測量工作的工具[2]。目前應用較多的超聲波流量計測量方法主要有時差法、多普勒效應法、相關法、噪聲法、波束偏移法等，其中時差法應用zui為普遍。超聲波流量計的時差測量法是基于超聲波在具有流速的媒質里傳播時，其傳播時間（速率）會隨著媒質流速的變化而變化的原理來實現媒質流速測量的方法[3]。
時差法的關鍵是對于時間測量的高精度，近幾年來，隨著集成電路的高速發展，高速時間計數處理芯片不斷出現，使得幾十皮秒的測量精度變得可能，這也對時差法超聲波流量計的發展產生了極大的推動。
1.3本設計的主要工作
1.3.1 設計要求
（1）測量距離范圍要求為 ；
（2）精度要求優于1%；
（3）進行溫度補償；
（4）顯示方式要求為數碼管顯示；
1.3.2本設計的主要工作
本文圍繞堰式超聲波流量計測量技術的實現，詳細地分析和敘述了系統硬件和軟件各部分的組成和設計原理。本文內容由以下5部分組成:
（1）分析了超聲波流量計的發展現狀及工作原理，并說明了超聲波測流量的優點。
（2）超聲波明渠流量計的發射電路設計；
（3）超聲波明渠流量計的接收電路設計以及顯示電路設計；
（4）超聲波明渠流量計的軟件設計；
（5）總結論文完成的內容，并針對不同的場合提出了改進方案。
2超聲波明渠流量計技術概述
2.1超聲波的基本性質
聲波是一種傳遞信息的媒體，它與機械振動密切相關，可以由物體的撞擊、運動所產生的機械振動以波的形式向外傳播。根據振動所產生波的頻率高低分為可聞聲波、次聲波和超聲波，高于 20KHz的聲波稱為超聲波。
超聲波具有類似光線的一些物理性質：
（1）超聲波的傳播類似于光線，遵循幾何光學的規律，具有反射、折射現象，也能聚焦，因此可以利用這些性質進行測量、定位、探傷和加工處理等。在傳播中，超聲波的速度與聲波相同；
（2）超聲波的波長很短，與發射器、接收器的幾何尺寸相當，由發射器發射出來的超聲波不向四面八方發散，而成為方向性很強的波束，波長愈短方向性愈強，因此超聲用于探傷、水下探測，有很高的分辨能力，能分辨出非常微小的缺陷或物體；
（3）能夠產生窄的脈沖，為了提高探測精度和分辨率。要求探測信號的脈沖極窄，但是一般脈沖寬度是波長的幾倍（如要產生更窄的脈沖在技術上是有困難的），超聲波波長短，因此可以作為窄脈沖的信號發生器；
（4）功率大，超聲波能夠產生并傳遞強大的能量。聲波作用于物體時，物體的分子也要隨著運動，其振動頻率和作用的聲波頻率一樣，頻率越高，分子運動速度越快，物體獲得的能量正比于分子運動速度的平方。超聲頻率高，故可以給出大的功率。
聲波在真空中不能進行傳播，必須通過氣體、液體、固體或者三者的組合體作為介質才能傳播。通常情況下，聲波在空氣中的傳播速度約為 344m/s。根據聲源在介質中施力方向與聲波傳播方向的不同，聲波的波形也不同，通常有以下幾種：
（1）縱波。質點的振動方向與波的傳播方向一致的波。它能在固體、液體和氣體中傳播；
（2）橫波。質點振動方向垂直于傳播方向的波。它只能在固體中傳播；
（3）表面波。質點的振動介于縱波與橫波之間，沿表面傳播。振幅隨深度增加而迅速衰減的波。
從上述分類可看出，只有縱波可以在氣體中傳播。因此，目前在空氣中的超聲波測量系統大多依靠縱波來實現。而實際測量用的超聲波主要集中在頻率為 40kHz 的范圍內。其中，靠近低頻段主要用于空氣和液體介質中的測量系統，中頻和高頻段主要用于固體介質的測量。這主要是由于介質對聲波能量的吸收隨聲波頻率的升高而增加，頻率越高，聲波在介質中衰減就越快。而在固體介質中，測量的量程比較短（例如超聲波探傷，測工件厚度等），在液體和氣體中，測量的量程比較長（例如空氣中的超聲波測距，海洋中測深度等），因此，氣體和液體中測量所選擇的聲波頻率就要比固體介質中低。
2.2 超聲波傳感器的原理及應用
超聲波傳感器是實現聲、電轉換的裝置，又稱*或超聲波探頭。這種裝置能發射超聲波和接收超聲波回波，并轉換成相應電信號。目前常見的超聲波發射和接收器件的標稱頻率一般為 40kHz，頻率取得太低，外界雜音干擾較多，太高在傳播過程中衰減較大[4]。按作用原理不同，超聲波傳感器可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等數種，其中壓電陶瓷晶片制成的換能器zui為常用。在原理上利用壓電陶瓷材料在電能與機械能之間相互轉換的功能。
壓電陶瓷晶片傳感器一般采用雙壓電陶瓷晶片制成，如圖2.1所示。需用的壓電材料較少，價格低廉且非常適用于氣體和液體介質中。在壓電陶瓷片加有大小和方向不斷變化的交流電壓時，據壓電效應，就會使壓電陶瓷晶片產生機械變形，這種機械變形的大小和方向是于外加電壓的大小和方向成正比的。也就是說，在壓電陶瓷晶片上加有頻率為 f 的電壓脈沖，晶片就會產生同頻率的機械振動。這種機械振動推動空氣等媒質，便會發出超聲波。反之，如在壓電陶瓷晶片上有超聲波作用，將會使其產生機械變形，這種機械變形使壓電陶瓷晶片產生頻率與超聲波相同的電信號。當在 A，B 間施加交流電壓時，若上片的電場方向與極化方向相同，則下面的方向相反，因此，上下一伸一縮，形成超聲波振動。壓電陶瓷晶片有一個固有的諧振頻率，即中心頻率 F0，發射超聲波時，加在其上面的交變電壓頻率要與它的固有諧振頻率一致，接收超聲波時，作用在它上面的超聲機械波的頻率也要與它的固有諧振頻率一致。這樣，超聲波傳感器才有較高的靈敏度，當所用壓電材料不變時，改變壓電陶瓷晶片的幾何尺寸，就可以非常方便地改變其固有頻率。
超聲波傳感器由壓電陶瓷晶片、錐形諧振板、底座、端子、金屬殼及金屬網構成。如圖2.2所示。其中，壓電陶瓷晶片是傳感器的核心，錐形諧振板是發射和接收超聲波的
圖2.1 雙壓電晶片示意圖
能量集中，并使傳感器有一定的指向角。金屬殼可防止外界力量對壓電陶瓷晶片及錐形諧振板的損害，金屬網也是起保護作用的，但不影響發射和接收超聲波。
圖2.2 超聲波傳感器結構圖
超聲測距傳感器按其作用距離可以分為大、中、小三種量程。其中，小量程探測距離小于2m，工作頻率在 60-300kHz 之間；中量程探測距離約為 2-l0m，工作頻率在40-60kHz 之間；大量程探測距離約為 20-50m，工作頻率處16-30kHz 之間。
超聲波傳感器是超聲波測距電路中的重要元件，其性能優劣直接影響到測距準確度和可靠性。超聲波傳感器按收發方式可分兩類：一類是發射和接收分別是兩種不同的分體式超聲波傳感器，此類傳感器測距有效范圍比較大，但不具備防塵、防水性能，如用于發射的CSB40T及用于接收的 CSB40R。另一類是具有雙向的發射/接收功能的收發一體式超聲波傳感器，如 TR40-16，不僅用于發射超聲波，也用于接收超聲波，此類超聲波測距有效范圍比較小，防塵、防水性能好。根據實際工作時所處的環境的要求，本系統所選用的超聲波傳感器為分體式超聲波傳感器 CSB40T，其中心頻率為 40kHz。CSB40T探頭各項參數為：頻率為 40 kHz，阻抗 500，靈敏度為 103dB（min），帶寬在 -3dB 時為 1.5K，角度zui大值為 （-6dB），靜電容 200010%PF，zui大驅動電壓 150Vp-p（10%工作周期），回波靈敏度為 -70dB（min），聲壓電平 0dB=1uvolt/bar。
2.3 流量測量
2.3.1 流量的定義
在流體的流動中，具有某一定面積的截面，把流過該截面的體積或質量與時間之比稱為流量。用流體流過的體積與時間之比來表示流量時，稱為體積流量（或容積流量）。用流體流過的質量與時間之比來表示流量時，稱為質量流量。
一般地說，流量的測量對象就是流過管路或溝渠的流體。在這種情況下，我們來研究具有某個一定面積的管路或溝渠的截面，稱流過該截面的流量為流過該管路或溝渠的流體流量。
如果流體的流動是不隨時間而變化的流動，即穩定流。那么，體積流量可以用流體在單位時間內通過具有一定面積的截面時的體積來表示。質量流量可以用流體在單位時間內通過具有一定面積的截面時的質量來表示。當流體是非穩定流時，流量時時刻刻地都在變化著。這種情況下的某一時刻的流量，可以假定該時刻的流動保持恒定不變，用單位時間內流過的流體的體積或質量來表示。設流體通過截面中的某一微小面積為dF，并將通過該微小面積流體的流速取為v時，則流體通過微小面積dF的體積流量dQ為:
（2.1）
所以，流體通過整個截面的體積流量Q可對截面面積F進行積分而求出，即:
（2.2）
如果整個截面上各點流速相同，由式（2.2）可以導出:
（2.3）
質量流量可以用體積流量和流動流量的密度之積來表示。如果質量流量為G，流動
流體的密度為ρ，則:
（2.4）
測量這些流量的儀器叫流量計。專門測量體積流量的流量計稱為體積流量計，測量質量的流量計稱為質量流量計。它們一般都是用于測量流過管路或溝渠的流體的流量。現在使用的很多流量計，都是在測量流量的同時，也測量出通過體積或通過質量。如果體積流量為Q，質量流量為G，那么，在時間t內流體的通過體積V和通過質量M為:
（2.5）
（2.6）
因此，如果流動流體的密度p為一定的話，由式（2.5）可得V=Qt，由（2.6）可得M=Gt，如果由式（2.4）的關系對此進行整理，則:
（2.7）
通過體積V和通過質量M分別如式（2.5）和式（2.6）的關系所表示的那樣，為體積流量和質量流量的累積值，因此，把這樣測量的總和M累積流量。以測量累積流量為主的流量計稱為累積流量計。準確地說，累積流量就是流過流體的體積或質量。體積流量的單位為m3/h，cm3/s;質量流量單位為kg/h，g/h;流量單位為m/h，m/s等[5]。
2.3.2 流量測量方法
目前已投入使用的流量計超過了100種，這些流量測量儀表已成為過程控制與檢測儀表中的重要部分。根據現代設備、現代控制及生產現場對流量檢測技術的要求，流量測量方法可分為接觸式與非接觸式兩大類[6][7]。
非接觸式——*的流量測量方法。非接觸式流量測量是借助于超聲波、射線、激光等發展起來的流量測量新技術，它通過安裝在渠道兩側的檢測裝置之間接感知信號。由于檢測元件不與被測流體直接接觸，所以克服了傳統的接觸法流量測量中存在的問題。它不但可以提高測量精度（因為無節流壓力損失，不破壞原來流場）及儀表壽命（因為檢測元件不受流體沖擊、磨蝕作用），而且可以實現用一套測量裝置來測量渠道系統多個部位的流量，因而是一種具有廣泛發展與應用前景的*的流量測量方法。為此，多年來，各國科技工作者運用超聲、熱、核磁共振、相關技術等物理現象對非接觸測流量方法作了許多艱辛的探索，也有了很大的進步。
超聲流量計的特點:
超聲流量計是近年來發展迅速的流量計之一，和傳統的流量計，如差壓流量計、轉子流量計、文丘里流量計、渦街流量計等相比，超聲波流量計有以下突出的優點:
（1）采用非接觸式測量，換能器安裝在渠道外壁而不與被測流體直接接觸，基本上不干擾流場無壓力損失，是一種比較理想的儀表。
（2）換能器形式多樣，可適合不同場合的需要，除了用于測量水、石油等一般導聲流體外，還可用來測高溫、高壓、高粘度、強腐蝕、非導電、易爆和放射性等導聲流體。
（3）通用性好，在可測范圍內，同一臺流量計可測任何不同的渠道。
（4）無可動部件，無磨損，使用壽命長，重量輕。
（5）安裝維修方便，不需要專門的閥門等且不必中斷流體流動，不影響生產。
2.4.2明渠流量計類型
農業和公用事業常用的明渠流量儀表的測量原理大體可分為堰法、槽法、流速-水位計算法和電磁流量計法。以下僅介紹實際應用的堰式和槽式流量計的原理與特點。
1.堰式流量計
堰式測流法是早已為人們所熟知的明渠流量測量方法，其基本原理是在明渠中途或末端設置上部有規則缺口的板，流體受阻后液位上升，當升到檔板上端堰（缺）口處時，水流便依靠重力從堰的缺口流出，當堰口流出的流量等于渠道中的流量時，水位便穩定在某一高度。此時的水位和流量具有一定的關系，測量這一水位就可以間接得到流量。圖2.4描繪了堰式測量的基本原理，其中D為堰缺口底端的相對高度，h為上流側水位距堰口的相對高度。
根據缺口的形狀，堰可分為三角形堰、矩形堰、全寬堰以及梯形堰等。量水堰的形式有許多種，薄壁堰適用于小流量并有較高的精度，多用于實驗室、灌溉渠道和鉆井等處測定流量。河道或實際工程中也常采用寬頂堰和實用剖面堰來量測較大流量。三者原理基本相同。
堰式流量計具有結構簡單、加工方便、價格便宜并且可靠性高的特點，但在實際中應用很少，主要原因在于：
（1）壓力損失較大，且只宜用于窄渠、固體雜質少或無沉積物的流體流量檢測，否則堰前易沉積雜物，要定期清理。
（2）部分堰已標準化，但原理是非線性的。比例堰可實現線性化但未能標準化，缺乏設計的必要數據，而且國內尚無專業廠家批量制造。
（3）流量時，溢流水舌易附著在堰的外側，從而造成誤差。
（4）裝調整較為復雜。
2.槽式流量計
對于平坦地面上的水渠以及工廠排水等大量場合的流量測量，實際上常采用槽式測量的方法。槽式流量測量的基本原理是在水路上安裝具有特定形狀的水糟，使得渠路中的水流在流經水槽喉管部時產生節流，從而引起流速的變化。根據柏努利原理，節流處的水位能轉化為流速能，因而流速的增大將導致節流處水位的下降。通過測量這個水位數據，那么在已知測量槽各部分尺寸參數的條件下便可利用相關公式計算出流量。
2.5 超聲波明渠流量測量原理
明渠流量計中使用zui多是堰式流量計和槽式流量計，通過測出堰槽內堰頂水頭高度h，采用流量計算公式（2.8）、（2.9）可得到流量。
湯姆森公式:
（2.8）適用范圍為 ，范圍較窄。
斯特里克蘭公式：
（2.9）
適用范圍為 。
則一段時間內的累積流量為：
（2.10）
式中Q為流體單位時間的流量，經過積分后求得的為時間t1-t2時間段內的累積流量。
標準氣壓下，超聲波在空氣中的傳播速度為C，因此只要測定超聲波從發送到接收的傳播時間就可以計算出兩者之間的距離。
設超聲波發射和接收的時間差為t,可以計算出發射點距障礙物的距離S，即:
（2.11）
超聲波在空氣中的傳播速度為C，0℃時的傳播速度為331 ，25℃時為347 ，其與環境T（℃）的關系見（2.12）式。
（2.12）
由于超聲波的聲速受到溫度的影響，如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償的方法加以校正,為了補償溫度條件的影響，設計了溫度傳感器DS18B20。通過DS18B20進行溫度補償后,水位與超聲波的速度無關,提高超聲波測距精度。
3.系統的硬件設計
3.1 系統硬件總體框圖
系統包括超聲波發射電路，接收電路及其他，接收電路包括信號放大和比較電路；外加LED顯示電路、光電隔離電路；溫度檢測電路、核心功能模塊單片機控制器等。如圖3.1所示。
圖3.1 系統硬件結構框圖
根據設計要求并綜合各方面因素，選擇了超聲波探頭的型號選用CSB40T，zui大探測距離為 6m，發射擴散角為 60度。同時，采用W77E58單片機作為主控制器，用動態掃描法實現LED數字顯示。
3.2 超聲波發射電路
本文中利用超聲波發生電路或通用發生電路產生超聲波信號，并直接驅動換能器產生超聲波。這種方法的特點是無需驅動電路，但缺乏靈活性，具體的電路如圖3.2所示。
從圖中可知，40KHz的超聲波信號使利用555時基電路振蕩產生的。其振蕩頻率計算式如下：
（3.1）
將R10設計為可調電阻的目的是為了調節信號頻率，使之與換能器的40KHz固有頻率一致。為保證555時基具有足夠的驅動能力，宜采用+12V電源。CNT為超聲波發射控制信號，由單片機進行控制。
555電路在作定時器或多諧振蕩器使用時，常常利用放電端給外接電容一個接地放電的通路。555電路在作振蕩器使用時，輸出脈沖的zui高頻率可達500千赫。555電路的輸出有高電平和低電平兩種狀態，好象它內部有一個控制開關能自動動作。
3.3 超聲波接收電路
超聲接收電路[10]由放大濾波電路和檢波電路兩部分組成。詳述如下：
1.放大濾波電路
接收電路原理圖如圖 3.3所示，放大電路共有三級：前置放大器是高阻抗輸入級，高輸入阻抗是為了與傳感器的高阻抗匹配；中間放大器對信號進行有選擇的放大，只放大中心頻率 40KHz的回波信號；第三級是增益放大，利用OP07放大器增加對超聲波回波信號的放大倍數，放大增益為 10。
為調試方便，本設計采用OP07構成三級反相放大器，每一級的放大倍數以不超過100倍為宜，總的放大倍數可按實際信號大小確定。每一級的反相輸入端串入一個隔直電容，以濾除低頻分量，使放大電路呈現高通特性；同時利用運放自身的低通特性，使二者結合構成所需放大器。
圖3.3 超聲波接收電路
前置放大器放大倍數為：
（3.2）
中間級放大器要求高信噪比，即放大有用信號，抑制噪聲。其放大倍數為：
（3.3）
第三級是增益放大，利用OP07放大器增加對超聲波回波信號的放大倍數，放大倍數A為-10。
2.檢波電路
超聲接收換能器在接收到超聲波后輸出一個失真的正弦波，為了使單片機能夠準確及時的檢測到回波，設計了如下檢波電路，將失真的正弦波轉變為矩形波。如下圖所示電路，它由電壓比較器LM393構成，反相輸入端參考電壓應小于有效信號的峰值，大于噪聲信號的峰值。輸出高電平約為5V，可直接驅動TTL電路。檢波輸出引起單片機CPU中斷，CPU記錄發射信號與接收信號之間的時間，并轉換為距離。
圖3.4 檢波電路
3.6N137芯片特點及作用
6N137隔離電壓 3KV，頻率10MHz。高速光電耦合器 6N137被設計用于高速數字連接的應用，由兩個發光二級管組成一個完整的光檢驗器。6N137主要起到隔離作用。隔離高電平，使其對主控電路不產生干擾。6N137管腳如圖3.5。
在6N137中，由2,3腳組成的發光二極管導通后，相應的它所對應的發光二極管也導通，這時，只要7腳有效為高電平,輸出腳6為低電平。此外，6腳都輸出高電平。
4.OP07芯片特點及作用
OP07是高精度低失調電壓的精密運放集成電路,用于微弱信號的放大,如果使用雙電源.能達到的放大效果。廣泛應用于穩定積分、比較器，值電路、及微弱信號的放大，尤其適應于宇航、軍工的應用。可和uA741,uA709,LM301,LM308, LF356,OP07，op37,max427這些運放來直接代換。OP07是高精度低失調電壓的精密運放集成電路,用于微弱信號的放大,如果使用雙電源.能達到的放大效果下面介紹一下他的引腳圖資料。
