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基于调频脉冲回波法的超声波液位无线测量系统
作者：孙茂喆 赵传华 马法山 来源：《科技传播》2016年第13期
摘 要 针对现有超声波液位计量程的扩大与精度的提高不能兼顾的缺点，设计了一种基于调频脉冲回波法的液位无线测量系统。该系统由调频脉冲测量模块、温度检测与补偿模块、数据发送和单片机控制模块、手持接受显示模块4个模块组成。通过该设计的频率可调的超声波液位测量装置，即能保证扩大测量量程，又能确保提高的测量精度。 关键词 调频脉冲回波法；超声波；无线传输；液位测量
中图分类号 TP39 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2016）166-0219-03
液位测量在工业中有重要的作用，准确的液位测量是生产过程控制的重要手段[1]。在用于液位测量的众多技术中压电式、超声波式、应变式、浮球式、电容式5种测量技术应用最为广泛，而超声波式测量技术在实际使用中所占的比例最大[2-4]。但是现有的超声波液位计均使用固定频率的超声波发射探头，这种方法存在一定的局限性：如果采用较高的发射频率，方向性好，精度高，但是量程受限；如果采用较低的发射频率，衰减小，量程提高，但是精度降低[5-6]。因此，根据实际测量要求，有必要开发一种频率可调的超声波液位测量装置，即能保证大的量程又能确保高的精度。
根据实际需求，设计了一种基于调频脉冲回波法的超声波液位无线测量系统，利用调频脉冲回波技术，采用SRWF-501无线传输芯片实现大量程，高精度无线传输的液位测量装置。 1 调频脉冲回波法的测量原理
现有的超声波连续液位测量的方法有以下几种：回波法、共振法、频差法、超声衰减法[7]。共振法检测液位会受到一些条件的制约，这种方法需要和液面之间建立驻波关系，而且它是一种需要和液面直接接触的测量方法；频差测量法要利用调频器来产生调制频率；衰减法是利用测量超声波的衰减量来对液位进行检测[2]。相比于以上方法，超声波脉冲回波法不需要和液面之间建立驻波，可以实现非接触检测，并且测量方式简单，因此它是最适合的液位测量的方法[8-9]。
通常来说，频率为40kHz的超声波在空气中的声吸收约为4dB/m，因此，我们常使用的40kHz超声波测距的最大量程只有5m～6m。如果想延长测距的范围，使得测量量程达到十几米，就需要超声波在长距离传播中的声吸收很小，但是40kHz单频的超声波在15m测量距离的声吸收大于80dB，因此，用它来实现十几米大量程的测距基本是不可能实现的[10]。为了解
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决这一矛盾，我们使用调频脉冲回波技术，该技术是利用了高频与低频超声波在空气中传播时空气对它们吸收率不同的原理。同时发射2种频率的超声波，频率较高的超声波其波长较短，因此测量的精确度很高，但空气对它吸收率很高，只能用于近距离的距离测量；低频超声波其波长较长，虽然精度较低，但空气对它基本不吸收，可以测量较远的距离。通过实验测量发现，25kHz的超声波在15m的范围内，回波的损失大概在30dB左右，损失很少。因此基于该种技术，实现大量程、高精度的超声测距成为可能。 2 系统的理论设计
本文研制的超声波液位测量装置主体上由若干个测量终端和一个手持显示装置组成，测量终端主要由调频脉冲测量、温度检测与补偿、数据发送与单片机控制模块、手持显示模块4个模块组成。主要工作方式是通过安装在所需测量的容器上的各个测量终端测得容器的各项参数，通过无线模块将数据传送到手持显示装置予以显示和报警，其原理图如图1所示。
本装置是以STC80C52RC单片机为主控制器，基于调频脉冲回波技术进行非接触式液位测量，利用SRWF-501无线数据传输芯片实现数据在测量终端与手持显示装置间的无线采集，装置的模拟图如图2所示。
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脉冲测量模块装置主要通过单片机控制发送两束不同频率的超声波，即先发射40kHz后发射25kHz，因为高频超声波先发出，到达目标后，它的回波比25kHz先到达接收端，即利用高频超声波测量近距离目标，保证了测量的精准度。而远处的目标，高频超声波基本被空气全部吸收，接受端接受到的只有低频的超声波[11]。
对于临界状态的分析，我们只考虑最先到达的超声波信号此时就算高频超声波衰减较为严重，只要能接收到，依旧可以保证精度高于低频超声波。 2.2 温度检测与补偿模块