超声波技术在固态粉料称重中的应用

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超声波是频率高于20kHz的机械波，它方向性好 ，穿透能力强。随着科技的发展，超声波在科学技术中的应用越来越广，超声物位测量的应用变得越来越普及。超声波测距作为-种非接触式距离测量方法，具有不受外界光及电磁场等因素影响的优点，实现起来电路结构简单，成本低。且超声波本身具有易于定向发射，方向性好 ，强度好控制，对人体伤害小等特点。目前，超声物位测量技术已广泛应用于石油化工、机械制造、电子冶金 、航海 、宇航、交通等工业领域。

1.系统原理1.1物料称重原理物料进仓后近似成-锥形，如图 1所示。

头图1料仓料位实测原理图通过安装在料仓顶部的超声波发生和接收装置，测得仓内物料距离料仓顶部的距离 s。图中采用超声波探头发射的a角度的超声波线发射后，传播到物料后反射回来后能被超声波接收探头接收，接收电路放大并处理，根据计时器记录的测出发射和接收回波的时间差 t。，计算出发射点距物料的距离S。，同理探头2发射的b角度的超声波，距物料的距离为 时间差为t 。已知料仓底面积为s，料仓总高度为H，可计算出物料的体积VdS -上 ，又已知物料比重为P，所以料仓内6(s2-s1J3物料 的重量为 MpV。

1.2超声波测距原理超声波传感器-般有收发-体式和收发分体式两种结构形式，常用的测距方法是渡越时间法。以分体式结构为例，测距原理如图2所示。超声波发射探头T发出超声波，经介质传播，中途遇到障碍物后反射回来 ，被超声波接收探头R接收，根据计时器记录测得发射和接收回波的时间差t，即渡越时间，已知超声波在空气中的传播速度为 c，大约为 340m/s。就可以计算出发射点距障碍物的距离 s，即：sct/2。在使用时，如果温度变化不大 ，则可认为声速是基本不变的。如果物位测量精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。由于超声波也是- 种声波，其声速 C与温度有关。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离，这就是超声波物位测量的原理。

障碍物图2超声波物位测量原理2.硬件设计2.1超声波发射电路发射传感器的驱动方式分为自激振荡型和它激振荡型。

(1)自激振荡型电路 ：自激振荡电路像晶体振子-样，用传感器自身所具有的共振性在共振频率附近产生共振。由于自激振荡型电路的振荡频率与串联共振频率不-致，偏靠逆共振频率，发射灵敏度偏离最大灵敏度，故发射效率不高。

(2)它激振荡驱动电路 ：发射传感器的驱动方式采用它激振荡型。使用高速CMOS电路74CH00四与非门电路作为激振荡驱动元件，构成受控多谐振荡器完成振荡及驱动功能。本课题研究中就采用了这种激振电路。由CMOS四与非门构成受控多谐振荡器，电路简单可靠 ，且频率可调。

2.2超声波接收电路超声波接收部分由滤波放大，倍压检波，电压 比较三部分组成。采用 MC3403构成低功耗四运放。每-级的反相输入端串人-个隔直电容，以滤除低频分量，使放大电路呈现高通特性；同时，利用运放 自身的低通特性，使二者结合构成带通滤波放大器。每级放大电路的增益不能太高(实际中取 l0)，以保证引人负反荔的上限截止频率大于40kHz。

3.温度补偿在常温下 ，超声波的传播速度为340m/s，但其传播速度v易受到空气中温度、湿度、压强等因素的影响，其中温度的影响最大，-般温度每升高1 oC，声速增加约为0.6m/s。表 1为超声波在不同温度下的波速值。

表 1波速与温度关系表由此可见温度对于超声波测距系统而言是不可忽略的。为了得到较为精确的测量结果，必须对波速进行温度补偿。通过实验可获得波速与温度之间的经验模型：v331.50.607T，T为现场温度，v为实际波速。从公式中可看出，要获得精准的波速值，必须首先获取现场温度T的大校目前，大多数温度测控系统在进行温度测量时，通常采用模拟式温度敏感元件，如热电阻、热电偶、红外测温仪等，将温度转化为电信号 ，经过信号将电路放大到合适的范围，再由A/D转化器转换为数字量。此种形式的温度测量结构复杂，调试繁琐，测量精度易受元器件参数影响。

本文采用数字温度传感器 DS18B20检测现场温度，用以实现实际波速的校准。DS18B20是 Dallas公司开发的单总线高精度数字式半导体温度传感器，抗干扰能力强，转换精度高，无需标定或调试，与微处理器的接 口电路简单，给硬件设计工作带来极大的方便。DS18B20通过AD拈与PLC直接相连，将获取的现场温度传给PLC，PLC会把温度值通过公式v331.50.607T补偿到超声波的波速中，使现场的实际波速得到校正，从而降低温度对测距结果的影响，提高超声波测距系统的精度。

4.系统结构设计该系统 由超声波发射-接收装置 、S7-200PLC、触摸屏等组成。其它料仓也都有独立的PLC进行控制，它们之间通过RS-485端口建立PPI网络实现点对点分布式控制系统。系统硬件结构如下图3所示：系统阡I总线图3系统硬件结构图5.系统软件设计本系统主要有PLC软件和触摸屏软件组成。其中PLC系统是在西门子SIEMENS编程软件STEP7 MicroWIN4.0的基础上进行程序开发 ，触摸屏采用MCGS进行组态。

PLC软件程序完成所有的检测与监测，并进行数据计算和处理。

触摸屏程序主要是图像组态，提供人机数据交换界面，供操作人员进行操作、数据设置、数据观察等。

6.结束语利用超声波技术实现了料仓物料的称重 ，相比于其他称重方式，这种方式更加安全方便 ，维护工作量小 ，而