CN112799072A - 一种超声波测距传感器和测距方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种超声波测距传感器，用于深井液位测量，包括超声波换能器、收发电路、温度补偿电路、处理器；所述超声波换能器，实现电信号和超声波相互转换；所述收发电路用于驱动超声波换能器、接收来自换能器的电信号；所述温度补偿电路，用于温度采集；所述处理器，用于根据温度值对超声波速度进行校正，比较超声回波包络和发射波包络之间的时差，计算液面的位置。本申请还包含一种超声波测距方法。本申请的技术方案解决超声波深井液位测试不准确的问题。
Description
技术领域
本申请涉及无线电测试技术领域，尤其涉及一种超声波测距传感器和超声波测距方法。
背景技术
在城市市政管网建设中，街道上大大小小的管道井起到了至关重要的作用，这些井按照功能不同，又会分为污水井、下水井、雨水井等等。如果不去加以维护，出现“水漫金山”，就会导致城市内涝的发生，给居民生活带来不便。需要通过检测这些井里液位的变化，来维护整个地下管网的顺利运行，从而保障城市不会出现内涝、下水井堵塞等现象的发生。
由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。但超声波测距也存在一些问题，雷达波发射角度往往过大，形成虚假回波，影响深井液位测量效果，急需一种适合窨井内液位测量的超声波传感器。
发明内容
本申请提出超声波测距传感器和超声波测距方法，解决超声波深井液位测试不准确的问题。
本申请实施例提出一种超声波测距传感器，用于深井液位测量，包括超声波换能器、收发电路、温度补偿电路、处理器；
所述超声波换能器，实现电信号和超声波相互转换；
所述收发电路用于驱动超声波换能器、接收来自换能器的电信号；
所述温度补偿电路，用于温度采集；
所述处理器，用于根据温度值对超声波速度进行校正，比较超声回波包络和发射波包络之间的时差，计算液面的位置。
优选地，所述换能器工作频率为40KHz；换能器发射角为不大于15°。
优选地，所述处理器，还用于在回波包络中去除虚假回波包络。
优选地，所述处理器，还用于进行虚假回波学习，生成虚假回波包络。
进一步地，所述超声波测距传感器，还包含存储器，用于存储参数数据、发射波包络数据、回波包络数据、虚假回波包络数据。
本申请实施例还提出一种超声波测距方法，包含以下步骤：
根据发射波包络数据，驱动换能器发出超声波；
接收超声回波，获得回波包络数据；
进行温度监测，获得温度参数数据；
根据温度值，确定超声波波速；
根据超声波波速、回波包络与发射波包络前沿之间的时差，计算液面到换能器的距离。
优选地，在获得回波包络数据的步骤中，进一步对回波包络数据进行数字滤波，所述数字滤波的方式为零相移的椭圆带通滤波器。
优选地，在获得回波包络数据的步骤中，进一步在回波包络中去除虚假回波包络。
优选地，本申请的方法还包含进行虚假回波学习，生成虚假回波包络数据的步骤。
本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
本发明公开了一种超声波测距传感器，作为液位监测仪测量液体水位的前端硬件设备，用于检测井内水位。该传感器能够控制发射角在15度范围内，从而消除深井内侧壁回波反射干扰的问题。该传感器还能根据设置的固定反射点排除干扰误报。该传感器通过频率控制实现高精度测量，精度达到1厘米。同时该传感器温度、湿度适应范围广，能够适应全国各地的井下恶劣环境，保持稳定工作。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本申请超声波测距方法实施例流程图；
图2为发射波包络和回波包络示意图；
图3为本申请的超声波测距传感器结构实施例。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。
图1为本申请超声波测距方法实施例流程图。
本申请实施例还提出一种超声波测距方法，包含以下步骤10～50。
步骤10、根据发射波包络数据，驱动换能器发出超声波；
步骤20、接收超声回波，获得回波包络数据；
在获得回波包络数据的步骤中，进一步对回波包络数据进行数字滤波，例如，所述数字滤波的方式为零相移的椭圆带通滤波器。优选地，在获得回波包络数据的步骤中，进一步在回波包络中去除虚假回波包络。
例如，在步骤20中，进一步包含步骤201～206。通过放大电路对回波进行放大；然后对回波进行AD采集、数字滤波、包络提取、峰值位置确定，进而计算出回波的时间。
步骤201、时间增益放大。时间增益放大例如是通过控制放大器AD8338引脚7的电压值来实现的，通过单片机的D/A来控制电压值。
步骤202、AD采集：AD采集选择DMA的传输方式。本申请的一个实施例，采样率为525KHz，采样数据长度为256。
步骤203、数字滤波：数字滤波器采用椭圆带通滤波器方式，例如，调用库函数arm_biquad_cascade_df1_f32实现，库函数用到的参数通过MATLAB的ftool工具生成。椭圆滤波器会出现非线性的相移，导致滤波后波形发生变形。通过算法改进，可以实现零相移带通滤波器。算法方式：前向滤波->数据在时域做反转->后向滤波->数据在时域做反转；上文“->”表示算法各步骤的顺序关系。
步骤204、包络提取：包络提取选择包络检波法。
步骤205、峰值位置确定：通过数值比较，从数组中找到最大值，并返回最大值在数组中位置。结合AD的采样率，可以计算出从AD开始采集到达到最大值这段时间值。
步骤206、判断正确回波：
当未设置消除虚假回波的功能时，第一次有效回波即正确回波。
当设置了消除虚假回波的功能时，先去掉学习记录的虚假回波，剩下回波中最靠前的为正确回波。当实际液位达到学习记录的虚假回波附近时，若实际液位的回波强度比学习记录的虚假回波的强度大6dB时，则可以不去掉虚假回波。
进一步优选地，本申请的方法还包含进行虚假回波学习、生成虚假回波包络数据的步骤。例如：
步骤20A、虚假回波学习过程：虚假回波设置值指的是一个范围，例如设置值为2米，则需要学习记录2米以内所有的回波。虚假回波学习过程，记录40次。存储每次所有设置值范围内的回波值和对应的距离值。在虚假回波学习过程中，例如可以记录不同液位条件下的井壁反射，提取预设的液面反射回波发生之前的井壁反射波，作为虚假回波；再例如，改变发射波包络数据，针对每一种形态的发射波(例如改变发射波的幅度、脉宽、脉冲形状)，提取预设的液面发射回波发生之前的井壁反射波。虚假回波学习过程，是运用本申请步骤20的一种方式，可以单独实施。例如，虚假回波学习的步骤20A作为步骤20的前置步骤，其仍需步骤201～205的方法来实施。或者，虚假回波学习的步骤20A还可作为步骤20的一部分实施。
步骤30、进行温度监测，获得温度参数数据；
步骤40、根据温度值，确定超声波波速；
根据温度值对超声波速度进行校正，为
V＝331.5+0.607×T
其中，V为超声波波速，T为温度。
步骤50、根据超声波波速、回波包络与发射波包络前沿之间的时差，计算液面到换能器的距离。
所述计算液面的位置，为
D＝V×Δt/2，其中D为液面到换能器的距离，Δt为回波包络与发射波包络前沿之间的时差。
受环境影响，发送一次8脉冲，会有多次回波，采取的策略是处理记录10米范围内所有的回波。当没有设置消除虚假回波功能时，采集的第一个有效回波为正确回波；当设置了消除虚假回波功能时，过滤掉虚假回波后，第一个有效回波为正确回波。为避免单次较大测量误差，采用多次测量，取平均值的策略，进行100次测量，去掉20个最大值，去掉20个最小值，剩下的60个数据取平均值。
图2为发射波包络和回波包络示意图。
包络峰值检测法是将接收到的超声波回波信号处理转化为回波包络曲线，通过对回波包络地分析确定回波前沿到达的时间。在使用超声波进行距离检测时，对同一个被测物体，在不同距离上产生的回波包络曲线较为相似，波形基本一致，波幅不同；对同一距离上的不同探测物体，回波包络前沿大致相同，波幅不同。因此，可以近似认为超声回波包络曲线的形状基本不随外在条件的变化而变化，即回波前沿到达的时间与回波峰值时间的时间差基本确定。所以只要通过包络峰值检测确定回波峰值时间tp，减去固有时间差t0，就能确定回波前沿到达的时间Δt＝tp-t0。
本申请采用包络峰值检测法，首先单片机通过PWM发送8脉冲，驱动换能器实现超声波的发送；然后通过放大电路对回波进行放大；然后对回波进行AD采集、数字滤波、包络提取、峰值位置确定；进而计算出回波的时间。
图3为本申请的超声波测距传感器结构实施例。
本申请实施例提出一种超声波测距传感器，用于深井液位测量，包括超声波换能器、收发电路、放大电路、温度补偿电路、处理器。
工作逻辑为：处理器通过PWM控制收发电路发出超声波脉冲。放大电路对接收电路接收到的超声回波进行放大，放大采用时间增益补偿放大，由处理器控制放大增益。经过放大的超声回波被处理器的AD采集，然后进行数字处理。温度补偿电路为数字温度传感器，用于温度采集，对超声波速度进行补偿。存储电路用于存储参数数据，例如为I2C接口的EEPROM。处理器通过485接口和外部主机通信。
所述超声波换能器，实现电信号和超声波相互转换。优选地，所述换能器工作频率为40KHz；换能器发射角范围为不大于15°，例如，发射角范围为15°。
所述收发电路用于驱动超声波换能器、接收来自换能器的电信号。收发电路进一步包含发射和接收电路单元。其中，发射电路用于驱动换能器，发送超声波脉冲。接收电路用于接收超声波回波信号。发射和接收电路单元与其他单元的接口：发射和接收电路单元与电源单元采用电压接口；发射和接收电路单元与处理单元采用I/O口连接；发射和接收电路单元与放大电路单元采用差分接口。
所述温度补偿电路，用于温度采集。温度传感器选择1-Wire总线数字式温度传感芯片DS18B20，测温范围-55℃～+125℃。温度补偿单元与处理器通过1-Wire总线接口进行连接，温度单元与电源单元通过3.3V电压进行连接。
所述处理器，用于根据温度值对超声波速度进行校正，比较超声回波包络和发射波包络之间的时差，计算液面的位置。优选地，所述处理器，还用于在回波包络中去除虚假回波包络。优选地，所述处理器，还用于进行虚假回波学习，生成虚假回波包络。所述处理器，还用于对回波包络数据进行数字滤波，所述数字滤波的方式为零相移的椭圆带通滤波器。处理器可选择ARM Cortex-M4内核微处理器STM32F405RCT6，资源丰富且适合浮点数运算。
进一步地，所述超声波测距传感器，还包含存储器，用于存储参数数据、发射波包络数据、回波包络数据、虚假回波包络数据。其中参数数据至少包含温度数据。存储芯片可选择富士通公司的铁电存储器MB85RC64。
所述放大电路，主要用于回波信号的放大。放大电路单元与其他单元的接口：放大电路单元与电源单元通过电压接口进行连接，放大电路单元与处理器通过I/O口进行连接，放大电路单元与发送和接收单元通过差分接口进行连接。放大电路选择ADI公司的可编程增益放大器AD8338和仪表放大器AD8226。
电源模块为收发电路、处理器、放大电路、存储电路、温度补偿电路、485接口供电。可选择MAXIM公司的降压型DCDC芯片MAX1837EUT33(3.3V)。
本申请的超声波测距传感器作为非接触式的测量液位方式，受空气湿度、液体的黏度和密度影响较小，结构简单，维护方便。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种超声波测距传感器，用于深井液位测量，其特征在于，包括超声波换能器、收发电路、温度补偿电路、处理器；
所述超声波换能器，实现电信号和超声波相互转换；
所述收发电路用于驱动超声波换能器、接收来自换能器的电信号；
所述温度补偿电路，用于温度采集；
所述处理器，用于根据温度值对超声波速度进行校正，比较超声回波包络和发射波包络之间的时差，计算液面的位置。
2.如权利要求1所述超声波测距传感器，其特征在于，
所述换能器工作频率为40KHz。
3.如权利要求1所述超声波测距传感器，其特征在于，
所述根据温度值对超声波速度进行校正，为
V＝331.5+0.607×T
其中，V为超声波波速，T为温度。
4.如权利要求1所述超声波测距传感器，其特征在于，
换能器发射角为不大于15°。
5.如权利要求1所述超声波测距传感器，其特征在于，
所述计算液面的位置，为
D＝V×Δt/2，其中D为液面到换能器的距离，Δt为回波包络与发射波包络前沿之间的时差。
6.如权利要求1所述超声波测距传感器，其特征在于，
所述处理器，还用于在回波包络中去除虚假回波包络。
7.如权利要求1所述超声波测距传感器，其特征在于，
所述处理器，还用于进行虚假回波学习，生成虚假回波包络。
8.如权利要求1所述超声波测距传感器，其特征在于，还包含存储器，
所述存储器，用于存储参数数据、发射波包络数据、回波包络数据、虚假回波包络数据。
9.一种超声波测距方法，使用权利要求1～8任意一项所述超声波测距传感器，包含以下步骤：
根据发射波包络数据，驱动换能器发出超声波；
接收超声回波，获得回波包络数据；
进行温度监测，获得温度参数数据；
根据温度值，确定超声波波速；
根据超声波波速、回波包络与发射波包络前沿之间的时差，计算液面到换能器的距离。
10.如权利要求9所述方法，其特征在于，还包含以下步骤
在获得回波包络数据的步骤中，进一步对回波包络数据进行数字滤波，所述数字滤波的方式为零相移的椭圆带通滤波器。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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