CN104897249B - 一种超声波流量测量试验装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超声波流量测量试验装置，包括单片机、超声波传感器、超声波发射模块以及超声波信号处理模块，所述超声波传感器为一个以上，均为收发一体式超声波传感器，所述单片机采用STM32；STM32的IN1引脚与超声波发射模块的输入端连接，STM32的IN2引脚与超声波信号处理模块的输出端连接，超声波发射模块的输出端以及超声波信号处理模块的输入端连接后与每个超声波传感器连接；STM32还与上位机连接。本发明同时提供了基于该装置的测量方法，利用STM32自身的端口对超声波信号的发送和接收进行切换，同时利用与STM32连接的上位机对整个测量过程进行控制，方便操作和显示，提高了测量精度和稳定性。

Description

一种超声波流量测量试验装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种超声波流量测量试验装置及测量方法，属于工业控制领域。

背景技术

距离、管道流量、液位等是工业领域的重要参数，随着工业技术的发展，对这些参数的控制也越来越重要，因此，伴随着越来越多的流量计、液位计等装置的研制，如涡街流量计，超声波流量计等等。早期的这些参数的测量采用的是接触式测量，即管道预留接口，传感器通过该接口与流体接触来测量，这样的缺陷是对流体会产生一定的阻力，同时也破坏了管道的完整性。超声波传感器出现以后改进了这个缺陷，可以夹持在管道外侧，进行非接触式测量。但这些都是应用于工业流体的测量，在工控类实验室中，通常利用单片机芯片本身的模块对脉冲信号的生成、发射和接收进行控制，这种情况下想要将信号输出，需要单独的信号显示电路，结构复杂；同时，超声波传感器若为激发和接收功能一体，发送接收切换电路是必须的模块，用来转换超声波传感器的发送和接收功能，而发送接收切换电路常常结构复杂，使得性能稳定性较差，影响测试精度。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种超声波流量测量试验装置和测量方法，直接利用STM32自身的端口对超声波信号的发送和接收进行切换，同时利用与STM32连接的上位机对整个测量过程进行控制，方便操作和显示，提高了测量精度和稳定性。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种超声波流量测量试验装置，包括单片机、超声波传感器、超声波发射模块以及超声波信号处理模块，所述超声波传感器为一个以上，均为收发一体式超声波传感器，所述单片机采用STM32；STM32的IN1引脚与超声波发射模块的输入端连接，STM32的IN2引脚与超声波信号处理模块的输出端连接，超声波发射模块的输出端以及超声波信号处理模块的输入端连接后与每个超声波传感器连接；STM32还通过USB模块与上位机连接。

所述超声波信号处理模块由依次串联的滤波电路、反相放大电路、检波电路以及比较电路组成，超声波信号处理模块的输入端为滤波电路的输入端，超声波信号处理模块的输出端为比较电路的输出端。

单片机及超声波信号处理模块均用金属盒封装。

本发明同时提供了一种基于所述超声波流量测量试验装置的超声波流量检测方法，包括以下步骤：

(1)查询测量参数，包括当前环境下流体超声波传播速度、测量管道直径超声波射入角度和超声波穿出角度；一组超声波传感器中用于发射信号的超声波传感器为超声波传感器Ⅰ，用于接收信号的超声波传感器为超声波传感器Ⅱ，将超声波传感器Ⅰ和超声波传感器Ⅱ各自的探头分别安装于待测管道外侧横截面直径的两顶点处；

(2)上位机通过USB模块向STM32发送控制指令，控制STM32开启定时器，读取此时定时器的计时时刻t1，同时产生频率为1MHz的PWM窄脉冲信号，通过IN1脚将PWM窄脉冲信号经过超声波发射模块和超声波传感器Ⅰ进行发射；

(3)超声波传感器Ⅱ接收PWM窄脉冲信号，PWM窄脉冲信号经过超声波信号处理模块处理后，从STM32的IN2脚进入，STM32关闭定时器，读取此时定时器的计时时刻t2，再通过USB接口将PWM窄脉冲信号、t1和t2传输至上位机；

(4)上位机通过USB模块接收PWM窄脉冲信号、t1和t2，根据PWM窄脉冲信号进行波形显示，若有波形呈现且持续呈现，则进入步骤(5)，如果未呈现波形或波形不能持续呈现，则调整超声波传感器Ⅰ和超声波传感器Ⅱ各自的探头安装位置，返回步骤(2)；

(5)上位机根据测量参数、t1和t2计算流量，同时将测量参数、t1、t2、PWM窄脉冲信号以及结果数据进行保存。

本发明同时提供了一种基于所述超声波流量测量试验装置的超声波距离检测方法，包括以下步骤：

(1)查询测量参数，包括超声波传播速度；一组超声波传感器中用于发射信号的超声波传感器为超声波传感器Ⅰ，用于接收信号的超声波传感器为超声波传感器Ⅱ，将超声波传感器Ⅰ和超声波传感器Ⅱ各自的探头分别安装于待测管道外侧横截面直径的两顶点处；

(2)上位机通过USB模块向STM32发送控制指令，控制STM32开启定时器，读取此时定时器的计时时刻t1，同时产生频率为1MHz的PWM窄脉冲信号，通过IN1脚将PWM窄脉冲信号经过超声波发射模块和超声波传感器Ⅰ进行发射；

(3)超声波传感器Ⅱ接收PWM窄脉冲信号，PWM窄脉冲信号经过超声波信号处理模块处理后，从STM32的IN2脚进入，STM32关闭定时器，读取此时定时器的计时时刻t2，再通过USB接口将PWM窄脉冲信号、t1和t2传输至上位机；

(4)上位机通过USB模块接收PWM窄脉冲信号、t1和t2，根据PWM窄脉冲信号进行波形显示，若有波形呈现且持续呈现，则进入步骤(5)，如果未呈现波形或波形不能持续呈现，调整超声波传感器Ⅰ和超声波传感器Ⅱ各自的探头安装位置，返回步骤(2)；

(5)上位机根据测量参数、t1和t2计算超声波传感器Ⅰ和超声波传感器Ⅱ各自的探头之间的距离，同时将测量参数、t1、t2、PWM窄脉冲信号以及结果数据进行保存。

本发明同时提供了一种基于所述超声波流量测量试验装置的超声波液位检测方法，包括以下步骤：

(1)查询测量参数，包括当前环境下液体中超声波传播速度、测量管道直径超声波射入角度、超声波穿出角度以及超声波在空气中的传播速度；将一组超声波传感器中的超声波传感器I的探头安装于待测液体液面上方；

(2)上位机通过USB模块向STM32发送控制指令，控制STM32开启定时器，读取此时定时器的计时时刻t1，同时产生频率为1MHz的PWM窄脉冲信号，通过IN1脚将PWM窄脉冲信号经过超声波发射模块和超声波传感器Ⅰ进行发射；

(3)超声波传感器Ⅰ接收返回的PWM窄脉冲信号，PWM窄脉冲信号经过超声波信号处理模块处理后，从STM32的IN2脚进入，STM32关闭定时器，读取此时定时器的计时时刻t2，再通过USB接口将PWM窄脉冲信号、t1和t2传输至上位机；

(4)上位机通过USB模块接收PWM窄脉冲信号、t1和t2，根据PWM窄脉冲信号进行波形显示，若有波形呈现且持续呈现，则进入步骤(5)，如果未呈现波形或波形不能持续呈现，调整超声波传感器Ⅰ的探头安装位置，返回步骤(2)；

(5)上位机根据测量参数、t1和t2计算液位，同时将测量参数、t1、t2、PWM窄脉冲信号以及结果数据进行保存。

本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：

(1)本发明的超声波流量测量试验装置直接利用STM32自身的端口对超声波信号的发送和接收进行切换，简化了传统的繁杂的发送接收切换电路，提高了测量的可控制性以及稳定性，使测量精度提高；

(2)本发明的超声波流量测量试验装置利用与STM32连接的上位机对整个测量过程进行控制，方便操作和显示，提高了测量精度和稳定性；

(3)本发明的超声波流量测量试验装置可同时与多个超声波传感器连接，应用于不同的测量试验，提高了系统的可扩展性；

(4)本发明的基于超声波流量测量试验装置的测量方法，利用上位机的显示功能，能够对超声波信号波形进行实时反馈，为优化超声波传感器的探头安装位置提供了有力依据，能够提高测量精度。

附图说明

图1是利用本发明的超声波流量测量试验装置的测量示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明提供了一种超声波流量测量试验装置，参照图1，包括单片机、超声波传感器、超声波发射模块以及超声波信号处理模块，所述超声波传感器为5个，分别为两个超声波传感器A、两个超声波传感器B以及一个超声波传感器C，均为收发一体式超声波传感器，所述单片机采用STM32；STM32的IN1引脚与超声波发射模块的输入端连接，STM32的IN2引脚与超声波信号处理模块的输出端连接，超声波发射模块的输出端以及超声波信号处理模块的输入端连接后与每个超声波传感器连接；STM32还通过USB模块与上位机连接。

所述超声波信号处理模块由依次串联的滤波电路、反相放大电路、检波电路以及比较电路组成，超声波信号处理模块的输入端为滤波电路的输入端，超声波信号处理模块的输出端为比较电路的输出端。

单片机及超声波信号处理模块均用金属盒封装。

本发明同时提供了一种基于所述超声波流量测量试验装置的超声波流量检测方法，图1所示的一对超声波传感器B用于测流量，包括以下步骤：

(1)查询测量参数，包括当前环境下流体超声波传播速度、测量管道直径超声波射入角度和超声波穿出角度；一组超声波传感器中用于发射信号的超声波传感器为超声波传感器Ⅰ，用于接收信号的超声波传感器为超声波传感器Ⅱ，将超声波传感器Ⅰ和超声波传感器Ⅱ各自的探头分别安装于待测管道外侧横截面直径的两顶点处；

(2)上位机通过USB模块向STM32发送控制指令，控制STM32开启定时器，读取此时定时器的计时时刻t1，同时产生频率为1MHz的PWM窄脉冲信号，通过IN1脚将PWM窄脉冲信号经过超声波发射模块和超声波传感器Ⅰ进行发射；

(3)超声波传感器Ⅱ接收PWM窄脉冲信号，PWM窄脉冲信号经过超声波信号处理模块处理后，从STM32的IN2脚进入，STM32关闭定时器，读取此时定时器的计时时刻t2，再通过USB接口将PWM窄脉冲信号、t1和t2传输至上位机；

(4)上位机通过USB模块接收PWM窄脉冲信号、t1和t2，根据PWM窄脉冲信号进行波形显示，若有波形呈现且持续呈现，则进入步骤(5)，如果未呈现波形或波形不能持续呈现，则调整超声波传感器Ⅰ和超声波传感器Ⅱ各自的探头安装位置，返回步骤(2)；

(5)上位机根据测量参数、t1和t2计算流量，同时将测量参数、t1、t2、PWM窄脉冲信号以及结果数据进行保存。

本发明同时提供了一种基于所述超声波流量测量试验装置的超声波距离检测方法，图1所示的一对超声波传感器A用于测距，包括以下步骤：

(1)查询测量参数，包括超声波传播速度；一组超声波传感器中用于发射信号的超声波传感器为超声波传感器Ⅰ，用于接收信号的超声波传感器为超声波传感器Ⅱ，将超声波传感器Ⅰ和超声波传感器Ⅱ各自的探头分别安装于待测管道外侧横截面直径的两顶点处；

(2)上位机通过USB模块向STM32发送控制指令，控制STM32开启定时器，读取此时定时器的计时时刻t1，同时产生频率为1MHz的PWM窄脉冲信号，通过IN1脚将PWM窄脉冲信号经过超声波发射模块和超声波传感器Ⅰ进行发射；

(3)超声波传感器Ⅱ接收PWM窄脉冲信号，PWM窄脉冲信号经过超声波信号处理模块处理后，从STM32的IN2脚进入，STM32关闭定时器，读取此时定时器的计时时刻t2，再通过USB接口将PWM窄脉冲信号、t1和t2传输至上位机；

(4)上位机通过USB模块接收PWM窄脉冲信号、t1和t2，根据PWM窄脉冲信号进行波形显示，若有波形呈现且持续呈现，则进入步骤(5)，如果未呈现波形或波形不能持续呈现，调整超声波传感器Ⅰ和超声波传感器Ⅱ各自的探头安装位置，返回步骤(2)；

(5)上位机根据测量参数、t1和t2计算超声波传感器Ⅰ和超声波传感器Ⅱ各自的探头之间的距离，同时将测量参数、t1、t2、PWM窄脉冲信号以及结果数据进行保存。

本发明同时提供了一种基于所述超声波流量测量试验装置的超声波液位检测方法，图1所示的超声波传感器C用于测液位，包括以下步骤：

(1)查询测量参数，包括当前环境下液体中超声波传播速度、测量管道直径超声波射入角度、超声波穿出角度以及超声波在空气中的传播速度；将一组超声波传感器中的超声波传感器I的探头安装于待测液体液面上方；

(2)上位机通过USB模块向STM32发送控制指令，控制STM32开启定时器，读取此时定时器的计时时刻t1，同时产生频率为1MHz的PWM窄脉冲信号，通过IN1脚将PWM窄脉冲信号经过超声波发射模块和超声波传感器Ⅰ进行发射；

(3)超声波传感器Ⅰ接收返回的PWM窄脉冲信号，PWM窄脉冲信号经过超声波信号处理模块处理后，从STM32的IN2脚进入，STM32关闭定时器，读取此时定时器的计时时刻t2，再通过USB接口将PWM窄脉冲信号、t1和t2传输至上位机；

(4)上位机通过USB模块接收PWM窄脉冲信号、t1和t2，根据PWM窄脉冲信号进行波形显示，若有波形呈现且持续呈现，则进入步骤(5)，如果未呈现波形或波形不能持续呈现，调整超声波传感器Ⅰ的探头安装位置，返回步骤(2)；

(5)上位机根据测量参数、t1和t2计算液位，同时将测量参数、t1、t2、PWM窄脉冲信号以及结果数据进行保存。

本发明的超声波流量测量试验装置的超声波信号产生原理如下：超声波发射模块是用压电原件做成的，当给压电原件一个电信号时，它会发生机械变形，即可发出超声波信号，此时若另一个压电元件若接收到空气中的超声波，则会产生电信号输出，发射和接收是可逆的。由STM32的定时器输出一路1MHz、占空比为80％的窄脉冲信号，该脉冲信号经过MOSFET驱动芯片，将脉冲幅值拉到5V，驱动IRF830管的通断。当MOS管断开时，电容在300V电源下充电，两端压差达到300V；MOS管导通，电容放电，两端压差短时间为300V，而电容左侧近似接地，右侧电压瞬间达到-300V，此时，后面超声波探头得到-300V的激励电压，维持时间为STM32输出窄脉冲信号宽度。

本发明的超声波流量测量试验装置的超声波信号接收原理如下：在流量测量实验中，超声波在穿透管壁过程中伴随有很大的衰减，接收探头接收到超声波以后输出的信号是mV级，STM32不能识别，需要通过放大电路进行信号的放大，采用基于AD603的程控放大电路，将探头输出的弱信号放大到3V以上。通过STM32内部自带集成的D/A输出模块，数字输入经过DAC被线性地转换为模拟电压输出，其范围为0到VREF+。通过该方式可以完成放大电路较大的自适应增益调节。经过放大后输出信号包含大量的噪声等干扰信号，需要设计滤波电路来滤取这些干扰信号。无源滤波器伴随这信号的衰减很大，采用有源滤波。选用OPA2690运放，滤波电路设计为中心频率1MHz，此时信号增益为18dB。接收探头信号经过放大滤波以后，并不像PWM波那样规则，为了减小测量误差，选择将接收到的脉冲段通过检波的方式整成一个尖峰，经过比较电路整形后，达到STM32能识别的信号波形。这里选用专业的电压比较器芯片LM393，该芯片切换速度快，延迟时间小，设计比较整形电路，以5V为供电电压，参考端接地，当输入信号为正信号时，即输出接近3V的高电平信号，否则即为0。

本发明的超声波流量测量试验装置的通道切换原理如下：流量测量原理是基于时差的方法，测量流量时，需要测量顺流与逆流两组传播时间，采用收发一体的超声波传感器，就只需要将发射与接收探头功能交换就可以实现。当超声波发射探头发射超声波时，STM32通过控制IN1或者IN2脚，来关闭超声波发射探头，同时导通接收探头，将接收探头的输出信号导通到输出端D，进行信号的处理。STM32捕获到信号后，交换超声波探头发射或接收功能，测量另外一个时间。

Claims (3)

1.一种基于超声波流量测量试验装置的超声波流量检测方法，所述超声波流量测量试验装置，包括单片机、超声波传感器、超声波发射模块以及超声波信号处理模块，所述超声波传感器为一个以上，均为收发一体式超声波传感器，所述单片机采用STM32；STM32的IN1引脚与超声波发射模块的输入端连接，STM32的IN2引脚与超声波信号处理模块的输出端连接，超声波发射模块的输出端以及超声波信号处理模块的输入端连接后与每个超声波传感器连接；STM32还通过USB模块与上位机连接，其特征在于包括以下步骤：

(1)查询测量参数，包括当前环境下流体超声波传播速度、测量管道直径超声波射入角度和超声波穿出角度；一组超声波传感器中用于发射信号的超声波传感器为超声波传感器Ⅰ，用于接收信号的超声波传感器为超声波传感器Ⅱ，将超声波传感器Ⅰ和超声波传感器Ⅱ各自的探头分别安装于待测管道外侧横截面直径的两顶点处；

(2)上位机通过USB模块向STM32发送控制指令，控制STM32开启定时器，读取此时定时器的计时时刻t1，同时产生频率为1MHz的PWM窄脉冲信号，通过IN1脚将PWM窄脉冲信号经过超声波发射模块和超声波传感器Ⅰ进行发射；

(3)超声波传感器Ⅱ接收PWM窄脉冲信号，PWM窄脉冲信号经过超声波信号处理模块处理后，从STM32的IN2脚进入，STM32关闭定时器，读取此时定时器的计时时刻t2，再通过USB接口将PWM窄脉冲信号、t1和t2传输至上位机；

(4)上位机通过USB模块接收PWM窄脉冲信号、t1和t2，根据PWM窄脉冲信号进行波形显示，若有波形呈现且持续呈现，则进入步骤(5)，如果未呈现波形或波形不能持续呈现，则调整超声波传感器Ⅰ和超声波传感器Ⅱ各自的探头安装位置，返回步骤(2)；

(5)上位机根据测量参数、t1和t2计算流量，同时将测量参数、t1、t2、PWM窄脉冲信号以及结果数据进行保存。

2.一种基于超声波流量测量试验装置的超声波距离检测方法，所述超声波流量测量试验装置，包括单片机、超声波传感器、超声波发射模块以及超声波信号处理模块，所述超声波传感器为一个以上，均为收发一体式超声波传感器，所述单片机采用STM32；STM32的IN1引脚与超声波发射模块的输入端连接，STM32的IN2引脚与超声波信号处理模块的输出端连接，超声波发射模块的输出端以及超声波信号处理模块的输入端连接后与每个超声波传感器连接；STM32还通过USB模块与上位机连接，其特征在于包括以下步骤：

(1)查询测量参数，包括超声波传播速度；一组超声波传感器中用于发射信号的超声波传感器为超声波传感器Ⅰ，用于接收信号的超声波传感器为超声波传感器Ⅱ，将超声波传感器Ⅰ和超声波传感器Ⅱ各自的探头分别安装于待测管道外侧横截面直径的两顶点处；

(2)上位机通过USB模块向STM32发送控制指令，控制STM32开启定时器，读取此时定时器的计时时刻t1，同时产生频率为1MHz的PWM窄脉冲信号，通过IN1脚将PWM窄脉冲信号经过超声波发射模块和超声波传感器Ⅰ进行发射；

(3)超声波传感器Ⅱ接收PWM窄脉冲信号，PWM窄脉冲信号经过超声波信号处理模块处理后，从STM32的IN2脚进入，STM32关闭定时器，读取此时定时器的计时时刻t2，再通过USB接口将PWM窄脉冲信号、t1和t2传输至上位机；

(4)上位机通过USB模块接收PWM窄脉冲信号、t1和t2，根据PWM窄脉冲信号进行波形显示，若有波形呈现且持续呈现，则进入步骤(5)，如果未呈现波形或波形不能持续呈现，调整超声波传感器Ⅰ和超声波传感器Ⅱ各自的探头安装位置，返回步骤(2)；

(5)上位机根据测量参数、t1和t2计算超声波传感器Ⅰ和超声波传感器Ⅱ各自的探头之间的距离，同时将测量参数、t1、t2、PWM窄脉冲信号以及结果数据进行保存。

3.一种基于超声波流量测量试验装置的超声波液位检测方法，所述超声波流量测量试验装置，包括单片机、超声波传感器、超声波发射模块以及超声波信号处理模块，所述超声波传感器为一个以上，均为收发一体式超声波传感器，所述单片机采用STM32；STM32的IN1引脚与超声波发射模块的输入端连接，STM32的IN2引脚与超声波信号处理模块的输出端连接，超声波发射模块的输出端以及超声波信号处理模块的输入端连接后与每个超声波传感器连接；STM32还通过USB模块与上位机连接，其特征在于包括以下步骤：

(1)查询测量参数，包括当前环境下液体中超声波传播速度、测量管道直径超声波射入角度、超声波穿出角度以及超声波在空气中的传播速度；将一组超声波传感器中的超声波传感器I的探头安装于待测液体液面上方；

(2)上位机通过USB模块向STM32发送控制指令，控制STM32开启定时器，读取此时定时器的计时时刻t1，同时产生频率为1MHz的PWM窄脉冲信号，通过IN1脚将PWM窄脉冲信号经过超声波发射模块和超声波传感器Ⅰ进行发射；

(3)超声波传感器Ⅰ接收返回的PWM窄脉冲信号，PWM窄脉冲信号经过超声波信号处理模块处理后，从STM32的IN2脚进入，STM32关闭定时器，读取此时定时器的计时时刻t2，再通过USB接口将PWM窄脉冲信号、t1和t2传输至上位机；

(4)上位机通过USB模块接收PWM窄脉冲信号、t1和t2，根据PWM窄脉冲信号进行波形显示，若有波形呈现且持续呈现，则进入步骤(5)，如果未呈现波形或波形不能持续呈现，调整超声波传感器Ⅰ的探头安装位置，返回步骤(2)；

(5)上位机根据测量参数、t1和t2计算液位，同时将测量参数、t1、t2、PWM窄脉冲信号以及结果数据进行保存。