关键字: 超声波；
明渠流量计；W77E58；MAX7219；温度补偿
1.1 国内外背景
我国开展近代流量测量技术方面的工作较晚，早期所需流量计均从国外进口，直到20世纪30年代中期才出现光华精密机械厂所制造的家用水表，20世纪50年代初有了新成仪表厂所开发的文丘里管差压流量计。20世纪60年代开始有了涡轮流量计和电磁流量计等本国产品。现在已形成一个相当规模从事流量测量技术和仪表研究开发和生产的产业。从事流量仪表研究和生产的单位超过230家，向中国仪器仪表协会流量仪表专业协会注册登记的单位也有50余家，它们均是有相当规模或有一定特色的企业。我国1990年流量仪表产量（不包括*表和家用水表）估计超过25万台。
流量计在国外的发展较快，几个工业发达国家均有相当数量的流量仪表生产厂家，有专业生产多品种的流量仪表的综合大型企业，也有专业生产品种单一性能*的流量仪表小型企业，数量上以后者居多。目前美国有200余家，英国、德国和日本也均有50家以上，我国有250家以上。
解决不同条件下各种不同被测介质的流量测量，至今已经发展了种类繁多的流量仪表，一般可分为如下*类：①差压式流量计；②浮子式流量计；③容积式流量计；④叶（涡）轮式流量计；⑤电磁流量计；⑥流体振荡式（包括涡街式）流量计；⑦超声流量计；⑧热式流量计；⑨科里奥利质量流量计；⑩明渠流量计。近年来，随着时代的发展，传统流量测量仪表如差压式、浮子式、容积式流量计在市场上所占据的份额已经呈现下降趋势，而新颖的流量计如电磁式、涡轮式、超声波式流量测量仪所占比重正逐年增加。
超声波流量计是20世纪70年代随着IC（集成电路）技术迅速发展才开始得到实际应用的一种非接触式仪表，相对于传统的流量计而言，它具有下列主要特点：
（1）解决了大管径、大流量及各类明渠、暗渠测量困难的问题。因为一般流量计随着管径的增加会带来制造和运输上的困难，不少流量计只适用于圆形管道，而且造价提高，能耗加大，安装不便，这些问题，超声波流量计都可以避免，这样就提高了流量测量仪表的性能价格比。
（2）对介质几乎无要求。超声波流量计不仅可以测量液体、气体，甚至对双相介质（主要是应用多普勒法）的流体流量也可以测量，由于可制成非接触式的测量仪表，所以不破坏流体的流场，没有压力损失，并且可以解决其它类型流量计难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性的流量问题。
（3）超声波流量计的流量测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、密度、粘度等参数的影响。
（4）超声波流量计的测量范围度宽，一般可达到20：1。
1.2选题依据及研究意义
随着工农业的发展，对流体流量和总量的计量及测试提出了越来越多、越来越高的要求。在注重节省能源，提高经济效益和产品质量的今天，流量计量与测试的重要性就更加突出并为越来越多的人所认识。特别是随着现代工业生产的飞速发展，人们对流量测量的要求越来越高，对流量测量技术和仪表的研究和开发也不断深入，流量测量方法和仪表的种类也越来越多。尤其是在近些年来，流量测量技术和仪表已经得到了长足的发展。流量仪表一般可分为如下类:压差式流量计、浮子式流量计、容积式流量计、叶（涡）轮式流量计、电磁式流量计、流体振荡式（包括涡街式）流量计、超声流量计、热式流量计、科里奥利质量流量计和明渠（或非满管）用流量计[1]。超声波流量计是20世纪70年代随着IC技术迅速发展才开始得到实际应用的一种非接触式仪表。
近几年来，随着电子技术、数字技术和声楔材料等技术的发展，利用超声波脉冲测量流体流量的技术发展很快。基于不同原理，适用于不同场合的各种形式的超声波流量计已相继出现，其应用领域涉及到工农业、水利、水电等部门，正日趋成为流量测量工作的工具[2]。目前应用较多的超声波流量计测量方法主要有时差法、多普勒效应法、相关法、噪声法、波束偏移法等，其中时差法应用zui为普遍。超声波流量计的时差测量法是基于超声波在具有流速的媒质里传播时，其传播时间（速率）会随着媒质流速的变化而变化的原理来实现媒质流速测量的方法[3]。
时差法的关键是对于时间测量的高精度，近几年来，随着集成电路的高速发展，高速时间计数处理芯片不断出现，使得几十皮秒的测量精度变得可能，这也对时差法超声波流量计的发展产生了极大的推动。
1.3本设计的主要工作
1.3.1 设计要求
（1）测量距离范围要求为 ；
（2）精度要求优于1%；
（3）进行温度补偿；
（4）显示方式要求为数码管显示；
1.3.2本设计的主要工作
本文围绕堰式超声波流量计测量技术的实现，详细地分析和叙述了系统硬件和软件各部分的组成和设计原理。本文内容由以下5部分组成:
（1）分析了超声波流量计的发展现状及工作原理，并说明了超声波测流量的优点。
（2）超声波明渠流量计的发射电路设计；
（3）超声波明渠流量计的接收电路设计以及显示电路设计；
（4）超声波明渠流量计的软件设计；
（5）总结论文完成的内容，并针对不同的场合提出了改进方案。
2超声波明渠流量计技术概述
2.1超声波的基本性质
声波是一种传递信息的媒体，它与机械振动密切相关，可以由物体的撞击、运动所产生的机械振动以波的形式向外传播。根据振动所产生波的频率高低分为可闻声波、次声波和超声波，高于 20KHz的声波称为超声波。
超声波具有类似光线的一些物理性质：
（1）超声波的传播类似于光线，遵循几何光学的规律，具有反射、折射现象，也能聚焦，因此可以利用这些性质进行测量、定位、探伤和加工处理等。在传播中，超声波的速度与声波相同；
（2）超声波的波长很短，与发射器、接收器的几何尺寸相当，由发射器发射出来的超声波不向四面八方发散，而成为方向性很强的波束，波长愈短方向性愈强，因此超声用于探伤、水下探测，有很高的分辨能力，能分辨出非常微小的缺陷或物体；
（3）能够产生窄的脉冲，为了提高探测精度和分辨率。要求探测信号的脉冲极窄，但是一般脉冲宽度是波长的几倍（如要产生更窄的脉冲在技术上是有困难的），超声波波长短，因此可以作为窄脉冲的信号发生器；
（4）功率大，超声波能够产生并传递强大的能量。声波作用于物体时，物体的分子也要随着运动，其振动频率和作用的声波频率一样，频率越高，分子运动速度越快，物体获得的能量正比于分子运动速度的平方。超声频率高，故可以给出大的功率。
声波在真空中不能进行传播，必须通过气体、液体、固体或者三者的组合体作为介质才能传播。通常情况下，声波在空气中的传播速度约为 344m/s。根据声源在介质中施力方向与声波传播方向的不同，声波的波形也不同，通常有以下几种：
（1）纵波。质点的振动方向与波的传播方向一致的波。它能在固体、液体和气体中传播；
（2）横波。质点振动方向垂直于传播方向的波。它只能在固体中传播；
（3）表面波。质点的振动介于纵波与横波之间，沿表面传播。振幅随深度增加而迅速衰减的波。
从上述分类可看出，只有纵波可以在气体中传播。因此，目前在空气中的超声波测量系统大多依靠纵波来实现。而实际测量用的超声波主要集中在频率为 40kHz 的范围内。其中，靠近低频段主要用于空气和液体介质中的测量系统，中频和高频段主要用于固体介质的测量。这主要是由于介质对声波能量的吸收随声波频率的升高而增加，频率越高，声波在介质中衰减就越快。而在固体介质中，测量的量程比较短（例如超声波探伤，测工件厚度等），在液体和气体中，测量的量程比较长（例如空气中的超声波测距，海洋中测深度等），因此，气体和液体中测量所选择的声波频率就要比固体介质中低。
2.2 超声波传感器的原理及应用
超声波传感器是实现声、电转换的装置，又称*或超声波探头。这种装置能发射超声波和接收超声波回波，并转换成相应电信号。目前常见的超声波发射和接收器件的标称频率一般为 40kHz，频率取得太低，外界杂音干扰较多，太高在传播过程中衰减较大[4]。按作用原理不同，超声波传感器可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，其中压电陶瓷晶片制成的换能器zui为常用。在原理上利用压电陶瓷材料在电能与机械能之间相互转换的功能。
压电陶瓷晶片传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成，如图2.1所示。需用的压电材料较少，价格低廉且非常适用于气体和液体介质中。在压电陶瓷片加有大小和方向不断变化的交流电压时，据压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向是于外加电压的大小和方向成正比的。也就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为 f 的电压脉冲，晶片就会产生同频率的机械振动。这种机械振动推动空气等媒质，便会发出超声波。反之，如在压电陶瓷晶片上有超声波作用，将会使其产生机械变形，这种机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声波相同的电信号。当在 A，B 间施加交流电压时，若上片的电场方向与极化方向相同，则下面的方向相反，因此，上下一伸一缩，形成超声波振动。压电陶瓷晶片有一个固有的谐振频率，即中心频率 F0，发射超声波时，加在其上面的交变电压频率要与它的固有谐振频率一致，接收超声波时，作用在它上面的超声机械波的频率也要与它的固有谐振频率一致。这样，超声波传感器才有较高的灵敏度，当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可以非常方便地改变其固有频率。
超声波传感器由压电陶瓷晶片、锥形谐振板、底座、端子、金属壳及金属网构成。如图2.2所示。其中，压电陶瓷晶片是传感器的核心，锥形谐振板是发射和接收超声波的
图2.1 双压电晶片示意图
能量集中，并使传感器有一定的指向角。金属壳可防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形谐振板的损害，金属网也是起保护作用的，但不影响发射和接收超声波。
图2.2 超声波传感器结构图
超声测距传感器按其作用距离可以分为大、中、小三种量程。其中，小量程探测距离小于2m，工作频率在 60-300kHz 之间；中量程探测距离约为 2-l0m，工作频率在40-60kHz 之间；大量程探测距离约为 20-50m，工作频率处16-30kHz 之间。
超声波传感器是超声波测距电路中的重要元件，其性能优劣直接影响到测距准确度和可靠性。超声波传感器按收发方式可分两类：一类是发射和接收分别是两种不同的分体式超声波传感器，此类传感器测距有效范围比较大，但不具备防尘、防水性能，如用于发射的CSB40T及用于接收的 CSB40R。另一类是具有双向的发射/接收功能的收发一体式超声波传感器，如 TR40-16，不仅用于发射超声波，也用于接收超声波，此类超声波测距有效范围比较小，防尘、防水性能好。根据实际工作时所处的环境的要求，本系统所选用的超声波传感器为分体式超声波传感器 CSB40T，其中心频率为 40kHz。CSB40T探头各项参数为：频率为 40 kHz，阻抗 500，灵敏度为 103dB（min），带宽在 -3dB 时为 1.5K，角度zui大值为 （-6dB），静电容 200010%PF，zui大驱动电压 150Vp-p（10%工作周期），回波灵敏度为 -70dB（min），声压电平 0dB=1uvolt/bar。
2.3 流量测量
2.3.1 流量的定义
在流体的流动中，具有某一定面积的截面，把流过该截面的体积或质量与时间之比称为流量。用流体流过的体积与时间之比来表示流量时，称为体积流量（或容积流量）。用流体流过的质量与时间之比来表示流量时，称为质量流量。
一般地说，流量的测量对象就是流过管路或沟渠的流体。在这种情况下，我们来研究具有某个一定面积的管路或沟渠的截面，称流过该截面的流量为流过该管路或沟渠的流体流量。
如果流体的流动是不随时间而变化的流动，即稳定流。那么，体积流量可以用流体在单位时间内通过具有一定面积的截面时的体积来表示。质量流量可以用流体在单位时间内通过具有一定面积的截面时的质量来表示。当流体是非稳定流时，流量时时刻刻地都在变化着。这种情况下的某一时刻的流量，可以假定该时刻的流动保持恒定不变，用单位时间内流过的流体的体积或质量来表示。设流体通过截面中的某一微小面积为dF，并将通过该微小面积流体的流速取为v时，则流体通过微小面积dF的体积流量dQ为:
（2.1）
所以，流体通过整个截面的体积流量Q可对截面面积F进行积分而求出，即:
（2.2）
如果整个截面上各点流速相同，由式（2.2）可以导出:
（2.3）
质量流量可以用体积流量和流动流量的密度之积来表示。如果质量流量为G，流动
流体的密度为ρ，则:
（2.4）
测量这些流量的仪器叫流量计。专门测量体积流量的流量计称为体积流量计，测量质量的流量计称为质量流量计。它们一般都是用于测量流过管路或沟渠的流体的流量。现在使用的很多流量计，都是在测量流量的同时，也测量出通过体积或通过质量。如果体积流量为Q，质量流量为G，那么，在时间t内流体的通过体积V和通过质量M为:
（2.5）
（2.6）
因此，如果流动流体的密度p为一定的话，由式（2.5）可得V=Qt，由（2.6）可得M=Gt，如果由式（2.4）的关系对此进行整理，则:
（2.7）
通过体积V和通过质量M分别如式（2.5）和式（2.6）的关系所表示的那样，为体积流量和质量流量的累积值，因此，把这样测量的总和M累积流量。以测量累积流量为主的流量计称为累积流量计。准确地说，累积流量就是流过流体的体积或质量。体积流量的单位为m3/h，cm3/s;质量流量单位为kg/h，g/h;流量单位为m/h，m/s等[5]。
2.3.2 流量测量方法
目前已投入使用的流量计超过了100种，这些流量测量仪表已成为过程控制与检测仪表中的重要部分。根据现代设备、现代控制及生产现场对流量检测技术的要求，流量测量方法可分为接触式与非接触式两大类[6][7]。
非接触式——*的流量测量方法。非接触式流量测量是借助于超声波、射线、激光等发展起来的流量测量新技术，它通过安装在渠道两侧的检测装置之间接感知信号。由于检测元件不与被测流体直接接触，所以克服了传统的接触法流量测量中存在的问题。它不但可以提高测量精度（因为无节流压力损失，不破坏原来流场）及仪表寿命（因为检测元件不受流体冲击、磨蚀作用），而且可以实现用一套测量装置来测量渠道系统多个部位的流量，因而是一种具有广泛发展与应用前景的*的流量测量方法。为此，多年来，各国科技工作者运用超声、热、核磁共振、相关技术等物理现象对非接触测流量方法作了许多艰辛的探索，也有了很大的进步。
超声流量计的特点:
超声流量计是近年来发展迅速的流量计之一，和传统的流量计，如差压流量计、转子流量计、文丘里流量计、涡街流量计等相比，超声波流量计有以下突出的优点:
（1）采用非接触式测量，换能器安装在渠道外壁而不与被测流体直接接触，基本上不干扰流场无压力损失，是一种比较理想的仪表。
（2）换能器形式多样，可适合不同场合的需要，除了用于测量水、石油等一般导声流体外，还可用来测高温、高压、高粘度、强腐蚀、非导电、易爆和放射性等导声流体。
（3）通用性好，在可测范围内，同一台流量计可测任何不同的渠道。
（4）无可动部件，无磨损，使用寿命长，重量轻。
（5）安装维修方便，不需要专门的阀门等且不必中断流体流动，不影响生产。
2.4.2明渠流量计类型
农业和公用事业常用的明渠流量仪表的测量原理大体可分为堰法、槽法、流速-水位计算法和电磁流量计法。以下仅介绍实际应用的堰式和槽式流量计的原理与特点。
1.堰式流量计
堰式测流法是早已为人们所熟知的明渠流量测量方法，其基本原理是在明渠中途或末端设置上部有规则缺口的板，流体受阻后液位上升，当升到档板上端堰（缺）口处时，水流便依靠重力从堰的缺口流出，当堰口流出的流量等于渠道中的流量时，水位便稳定在某一高度。此时的水位和流量具有一定的关系，测量这一水位就可以间接得到流量。图2.4描绘了堰式测量的基本原理，其中D为堰缺口底端的相对高度，h为上流侧水位距堰口的相对高度。
根据缺口的形状，堰可分为三角形堰、矩形堰、全宽堰以及梯形堰等。量水堰的形式有许多种，薄壁堰适用于小流量并有较高的精度，多用于实验室、灌溉渠道和钻井等处测定流量。河道或实际工程中也常采用宽顶堰和实用剖面堰来量测较大流量。三者原理基本相同。
堰式流量计具有结构简单、加工方便、价格便宜并且可靠性高的特点，但在实际中应用很少，主要原因在于：
（1）压力损失较大，且只宜用于窄渠、固体杂质少或无沉积物的流体流量检测，否则堰前易沉积杂物，要定期清理。
（2）部分堰已标准化，但原理是非线性的。比例堰可实现线性化但未能标准化，缺乏设计的必要数据，而且国内尚无专业厂家批量制造。
（3）流量时，溢流水舌易附着在堰的外侧，从而造成误差。
（4）装调整较为复杂。
2.槽式流量计
对于平坦地面上的水渠以及工厂排水等大量场合的流量测量，实际上常采用槽式测量的方法。槽式流量测量的基本原理是在水路上安装具有特定形状的水糟，使得渠路中的水流在流经水槽喉管部时产生节流，从而引起流速的变化。根据柏努利原理，节流处的水位能转化为流速能，因而流速的增大将导致节流处水位的下降。通过测量这个水位数据，那么在已知测量槽各部分尺寸参数的条件下便可利用相关公式计算出流量。
2.5 超声波明渠流量测量原理
明渠流量计中使用zui多是堰式流量计和槽式流量计，通过测出堰槽内堰顶水头高度h，采用流量计算公式（2.8）、（2.9）可得到流量。
汤姆森公式:
（2.8）适用范围为 ，范围较窄。
斯特里克兰公式：
（2.9）
适用范围为 。
则一段时间内的累积流量为：
（2.10）
式中Q为流体单位时间的流量，经过积分后求得的为时间t1-t2时间段内的累积流量。
标准气压下，超声波在空气中的传播速度为C，因此只要测定超声波从发送到接收的传播时间就可以计算出两者之间的距离。
设超声波发射和接收的时间差为t,可以计算出发射点距障碍物的距离S，即:
（2.11）
超声波在空气中的传播速度为C，0℃时的传播速度为331 ，25℃时为347 ，其与环境T（℃）的关系见（2.12）式。
（2.12）
由于超声波的声速受到温度的影响，如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正,为了补偿温度条件的影响，设计了温度传感器DS18B20。通过DS18B20进行温度补偿后,水位与超声波的速度无关,提高超声波测距精度。
3.系统的硬件设计
3.1 系统硬件总体框图
系统包括超声波发射电路，接收电路及其他，接收电路包括信号放大和比较电路；外加LED显示电路、光电隔离电路；温度检测电路、核心功能模块单片机控制器等。如图3.1所示。
图3.1 系统硬件结构框图
根据设计要求并综合各方面因素，选择了超声波探头的型号选用CSB40T，zui大探测距离为 6m，发射扩散角为 60度。同时，采用W77E58单片机作为主控制器，用动态扫描法实现LED数字显示。
3.2 超声波发射电路
本文中利用超声波发生电路或通用发生电路产生超声波信号，并直接驱动换能器产生超声波。这种方法的特点是无需驱动电路，但缺乏灵活性，具体的电路如图3.2所示。
从图中可知，40KHz的超声波信号使利用555时基电路振荡产生的。其振荡频率计算式如下：
（3.1）
将R10设计为可调电阻的目的是为了调节信号频率，使之与换能器的40KHz固有频率一致。为保证555时基具有足够的驱动能力，宜采用+12V电源。CNT为超声波发射控制信号，由单片机进行控制。
555电路在作定时器或多谐振荡器使用时，常常利用放电端给外接电容一个接地放电的通路。555电路在作振荡器使用时，输出脉冲的zui高频率可达500千赫。555电路的输出有高电平和低电平两种状态，好象它内部有一个控制开关能自动动作。
3.3 超声波接收电路
超声接收电路[10]由放大滤波电路和检波电路两部分组成。详述如下：
1.放大滤波电路
接收电路原理图如图 3.3所示，放大电路共有三级：前置放大器是高阻抗输入级，高输入阻抗是为了与传感器的高阻抗匹配；中间放大器对信号进行有选择的放大，只放大中心频率 40KHz的回波信号；第三级是增益放大，利用OP07放大器增加对超声波回波信号的放大倍数，放大增益为 10。
为调试方便，本设计采用OP07构成三级反相放大器，每一级的放大倍数以不超过100倍为宜，总的放大倍数可按实际信号大小确定。每一级的反相输入端串入一个隔直电容，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，使二者结合构成所需放大器。
图3.3 超声波接收电路
前置放大器放大倍数为：
（3.2）
中间级放大器要求高信噪比，即放大有用信号，抑制噪声。其放大倍数为：
（3.3）
第三级是增益放大，利用OP07放大器增加对超声波回波信号的放大倍数，放大倍数A为-10。
2.检波电路
超声接收换能器在接收到超声波后输出一个失真的正弦波，为了使单片机能够准确及时的检测到回波，设计了如下检波电路，将失真的正弦波转变为矩形波。如下图所示电路，它由电压比较器LM393构成，反相输入端参考电压应小于有效信号的峰值，大于噪声信号的峰值。输出高电平约为5V，可直接驱动TTL电路。检波输出引起单片机CPU中断，CPU记录发射信号与接收信号之间的时间，并转换为距离。
图3.4 检波电路
3.6N137芯片特点及作用
6N137隔离电压 3KV，频率10MHz。高速光电耦合器 6N137被设计用于高速数字连接的应用，由两个发光二级管组成一个完整的光检验器。6N137主要起到隔离作用。隔离高电平，使其对主控电路不产生干扰。6N137管脚如图3.5。
在6N137中，由2,3脚组成的发光二极管导通后，相应的它所对应的发光二极管也导通，这时，只要7脚有效为高电平,输出脚6为低电平。此外，6脚都输出高电平。
4.OP07芯片特点及作用
OP07是高精度低失调电压的精密运放集成电路,用于微弱信号的放大,如果使用双电源.能达到的放大效果。广泛应用于稳定积分、比较器，值电路、及微弱信号的放大，尤其适应于宇航、军工的应用。可和uA741,uA709,LM301,LM308, LF356,OP07，op37,max427这些运放来直接代换。OP07是高精度低失调电压的精密运放集成电路,用于微弱信号的放大,如果使用双电源.能达到的放大效果下面介绍一下他的引脚图资料。
