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超音波距離測定 センサーに は一連の利点がありますが、測定精度に影響を与える要素が多く、より高い精度を達成するのは困難です。超音波距離測定の原理に基づいて、 超音波トランスデューサの温湿度補償プログラムは 単一であるため、変化しやすく過酷な環境では高精度の距離測定を実現できず、デュアル超音波トランスデューサの標準的なバッフル補償プログラムは .コストが高く、さまざまな分野の欠陥に広く適用できません。単一の標準的なバッフル補償 スキーム 圧電超音波 sセンサーは 、ステアリングギアを使用して超音波トランスデューサーの方向を制御するように設計されています。最初のエコー フロントを正確に捕捉できないという要件に応えて、さまざまな距離でエコーのリターン フロントを捕捉するプログラマブル ゲイン アンプが提案されています。実験結果は、伝播媒体として空気を使用し、反射面が放射特性の良い水である場合、7 m の範囲で測定誤差が 0.4% 以内に制御されることを示しています。この改良手法により、変化しやすい過酷な環境下でも低コストを実現できます。
導入
現在、液面レベル測定には、フロートレベル測定、入力圧力補助レベル測定、マイクロ波レーダーレベル測定、赤外線レベル測定、レーザーレベル測定、超音波レベル測定など、多くの方法があります。中でも 圧力センサーは 接触計測に代表される 、 重い土砂などの現場で使用すると汚染され、大きな誤差を引き起こします。非接触測距システムの場合、マイクロ波レーダーの液面レベル測定は技術的に難しく、コストがかかります。赤外線液面測定は低コストで実装が簡単ですが、指向性が悪く精度も低いです。超音波液面レベル測定はずに測定できるため せ液面に接触、 液体汚染や測定機器への腐食の影響を回避でき、光、煙、電磁干渉の影響を受け ず、高分解能、シンプルなシステム構造、便利な設置、低コストという利点があります。
超音波測距方式には、主に位相検出方式、音波振幅検出方式、伝播時間検出方式などがあります。位相検波方式は精度が高いものの、測定範囲が限られているため、あまり応用されていません。音響波振幅検出方式は精度が低く、反射波の影響を受けやすい。一方、通過時間法は最初の 2 つの方法の中間に位置し、より高い精度と測定範囲を持ち、広く使用されています。
実際のアプリケーションでは、測距システムの設計が測距精度に大きな影響を与えます。したがって、超音波測距の動作原理とプロセスを分析し、測距方法と方法を改善し、超音波測距 トランスデューサの精度を向上させること がますます注目を集めています。測距システムの特定の環境に応じて、精度を向上させる方法は若干異なります。この記事では、外部環境の影響を軽減することに重点を置き、超音波 トランスデューサの選択 と特定のシステムの実現を組み合わせて、超音波レベル測定の精度を向上させます。
原理 超音波 レンジングの
距離測定に使用される超音波は、通常、圧電セラミックスの圧電効果によって発生します。この圧電セラミックセンサーは、2 枚の圧電ウエハーと共振板を備えています。 2レベルの外部パルス信号の周波数が固有の圧電ウェハの周波数と等しい場合、発振周波数で圧電ウェハが共振し、共振板を振動させて超音波を発生します。共振プレートが超音波を受信すると、圧電ウエハーを押して振動させ、機械エネルギーを電気信号に変換します。
超音波測距の原理 トランスデューサ を示します。空気中の超音波の既知の伝播速度 v を使用して、超音波トランスデューサは液面に垂直に超音波を放射し、音波は水面と気体の界面で反射されて超音波トランスデューサに戻り、伝播時間 t が記録されます。つまり、超音波信号の送信から超音波エコー信号の受信までの時間、トランスデューサと液面の間の距離 L=0.5vt、実際の液体レベルは次のようになります。
S=HL=H-0.5vt(1)
測定要素とソリューションに影響を与える
式 (1) によると、超音波測距の精度に影響を与える主な要因は、超音波の伝播速度と超音波の伝播時間です。さらに、測定範囲と精度に影響を与える超音波周波数があります。ここでは、伝播時間は調査および議論されず、他の 2 つの側面の誤差のみが調査および分析され、合理的な解決策が提案されます。
超音波伝播速度
多くの文献では音速を補償するために温度補正法を使用することが提案されており、伝播速度の式は v=331.5+0.607T (T は温度 (℃)) となります。次に、温度と湿度の二重補償方法が提案され、伝播速度の式は次のようになります。
このうち、pwは水蒸気分圧、pは大気圧、T0は絶対温度、tは測定気温、vは補正後の超音波速度です。著者は、実際の空気は完全に乾燥しているわけではないと考えており、空気の平均モル質量と比熱比は補正されています。この方法では音速に対する湿度の影響が考慮されていますが、実際の環境条件では伝播速度は伝播媒体、風速、圧力にも関係します。他の要因も関係しているため、測定結果には依然として大きな誤差が生じます。
伝播速度に対する環境の影響に基づいて、ベンチマーク測定方法が提案されている文献もあります。原理は 2 チャンネル方式を使用することです。 1 つのチャネルは超音波伝播速度の測定に使用されます。距離が既知の標準バッフルが超音波トランスデューサーの前に配置されます。する。 バッフルに到達する超音波の時間差を測定し、環境内での超音波の伝播速度を計算もう一方のチャネルは通常の測定方法に従って距離を測定します。したがって、図に示した標準的なバッフル設置方法を提案します。この方法は、より高精度な測定を実現し、さまざまな複雑な環境に適応できます。ただし、標準バッフルの取り付けには厳しい要件があります。そのため、対応する計算は2倍になります。超音波振動子の設置位置マップは複雑であり、実際の環境の不確実性により超音波がバッフルに到達し、多重反射により無駄な超音波が発生し、測定精度に影響を与える可能性があります。そこで、デュアル超音波トランスデューサが提案されています。.互いに影響を与えることなく、一方は伝播速度の測定に、もう一方は伝播時間の測定に使用されるこの方法は計算の複雑さを軽減し、無駄な超音波を排除し、測定精度を向上させますが、2 つのトランスデューサーのコストが比較的大きいため、普及にはつながりません。
上記の研究と分析に基づいて、本論文では、ステアリングギアを使用して単一の超音波トランスデューサの方向を制御する方法を提案します。これは、伝播速度に影響を与える要因を考慮するだけでなく、コストも削減でき、さまざまな分野での普及に有益です。標準バッフルは垂直に配置され、超音波トランスデューサーと同じ水平線上に配置されます。 2 つの間の距離は固定されており、超音波トランスデューサーのブラインド ゾーンよりも大きくなります。ステアリングギアが超音波振動子を制御する方向では、シングルチップマイコンがステアリングギアに指令を送り、振動子を液面に垂直に向けて超音波を送信して伝播時間を測定し、次に振動子を90度回転させて標準バッフルに垂直に向けて超音波を送信して伝播速度を測定するように制御します。
超音波周波数
空気中の超音波伝播の波動方程式。ここで、A は超音波トランスデューサーが受信する振幅、A0 は超音波トランスデューサーが発する初期振幅、x は超音波の伝播距離、ω は超音波の角周波数、t は超音波の伝播時間、λ は超音波の波長、α は超音波の減衰係数です。式は次のようになります。 α=bf2、ここで、bは誘電率、fは超音波の周波数です。
式(3)より、空気中の超音波の伝播距離が0.5αに達すると、超音波の振幅は1/eに減衰することがわかります。超音波の周波数が高くなるほど減衰が激しくなり、検出できる距離範囲が狭くなりますが、放射される超音波の広がり角が小さくなり、ビームが細くなり指向性が良くなります。
は、エコーのフロントエッジを決定するためにデュアルコンパレータ整形の使用を提案していますが、実際の測定環境の不確実性により、2 つのコンパレータのしきい値が小さすぎるか大きすぎるように設定される可能性があり、その結果、測定精度が低下します。これに基づいて、この記事では、プログラマブル ゲイン アンプ PGA112 を使用して、複数のゲイン補正を通じて最初のエコーのフロント エッジを捕捉する精度を向上させることを提案します。
ソフトウェア設計
3.1 プログラム設計上の考え方と留意点
高精度な液面計測を実現するために、ソフトウェアで行うべき作業は次のとおりです。
(1) 40 kHz の超音波を生成します。
（２）超音波の伝播時間を測定する。
（３）ステアリングギアのステアリングを制御して、超音波トランスデューサの送信端と受信端の方向を制御する。
(4) 超音波の伝播速度を測定する。
(5) 距離に応じて、テスト対象として適切な超音波周波数を選択します。
(6) 液面高さを計算し、データ表示などの対応を行います。デバイスの 40 kHz パルス列はソフトウェアによって生成されます。超音波の伝播時間や速度の計測、ステアリングギアの操舵制御はワンチップマイコンのタイミング／カウンタによって完結します。
システム プログラムを作成するときは、ハードウェア接続を考慮するだけでなく、記憶領域の設定、レジスタおよび外部割り込みピンの使用も考慮します。また、余振や屈折波の回折が存在するため、超音波の送信終了後、エコーを受信して対応する処理を行うまでに時間がかかる。
主なプログラムの流れ
このシステムは、メインプログラムモジュール、超音波伝播時間測定モジュール、ステアリングギアステアリングモジュール、超音波伝播速度測定モジュール、液面計算モジュール、データ表示およびその他の対応するモジュールを含むモジュール式プログラミングを採用しています。 超音波モジュール距離センサー。システムが初期化された後、while(1) ステートメントを使用して次の無限ループを実現します。最初に超音波伝播時間測定モジュールを呼び出し、同時に超音波を送信し、カウンターをオンにして計時を開始し、外部割り込みをオフにします。 1 ms 遅延してから、外部割り込みをオンにしてエコーを待ちます。エコーが検出されると、外部割り込みプログラムでタイマーを停止し、タイマーの値を保存し、エコー受信フラグが 1 に設定されます。その後、ステアリング ギアのステアリング モジュールを呼び出し、カウンターをオンにしてタイミングを開始し、位置 1 を制御します。パルス幅が 2.5 ms より大きい場合、位置 0 を制御します。カウントが 3ms に達するとカウンタがクリアされ、ステアリングギアが 90°になります。次に、超音波伝播速度測定モジュールを呼び出し、標準バッフルの固定距離を通過する音速を計算します。ステアリングギアのステアリングモジュールで、ステアリングギアが0°回転するようにパルス幅を1.5msに設定します。最後に、マイクロコントローラーは液位計算プログラムを呼び出し、データ表示などの対応する動作を実行します。
実験結果と分析
シングルチップマイコンSTC12C5A60S2のソフトウェアを固化したシステムです。超音波液面計測システムの計測効果を検証するため、屋外の流量が比較的安定している水槽を選定し、バルブを制御して水位を変化させて計測しました。システムはタンクの底から 7 m の位置に設置されました。システムのランダム誤差を減らすために、3 回の測定値の平均を取る方法が採用されています。
の測定結果は 、 表1に示すように、超音波距離トランスデューサ と水位計の測定データを比較します。実験的な測定と誤差分析によると、システムの測定不感地帯は30 mmで、測定誤差は基本的に0.4%に制御され、高精度測距を実現し、工業生産および農業生産における測定ニーズを満たすことができます。
結論
超音波液面レベル測定システムでは、原因を徹底的に解析した結果、 u超音波トランスデューサセンサーは、超音波伝播速度の測定のために、環境要因の影響とコスト問題の考慮に従って、ステアリングギアを使用して超音波トランスデューサーの方向を制御し、コストを節約し、設計を簡素化し、環境影響要因を十分に考慮するバッフル補償補正方法を実現することが提案されています。これは、液面測定の関連文献には記載されていない方法および技術的手段です。最初の超音波エコー前エッジを正確に捕捉するために、ゲインプログラム可能な方法が採用され、最初のエコー前エッジの捕捉が改善され、それによって測距精度が向上します。省エネ、環境保護、簡素化をテーマとする産業および農業用途において、この改良された方法は、その独自の利点を備えた超音波レベル測定の新しいアイデアとなっています。
