高精度超声波介质传输速度测试仪

罗文汐 赵家敏 廖海伶 周玲芳 张涛

摘要：为了实现高精度且适用于不同介质的超声波测速仪，该设计采用防水型超声波探头，以及NTC热敏电阻搭建电桥实时采集电压值换算成温度的方式进行温度补偿来减小误差。系统包括发射、接收、温度采集等电路，采用热敏电阻搭建电桥加三路采集以及冒泡排序来校准温度上的误差，并通过数学建模和控制变量法确定管子的精确长度以減小长度所带来的误差，通过实验证明了设计的有效性。

关键词：超声波;测速测距;高精度;温度补偿

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）30-0031-03

超声波是一种频率高于20k赫兹的声波，它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能。超声波在气体、液体及固体中以不同的速度传播，在水中传播距离远。在本设计中我们实现了在1.7米水管中不同介质不同温度情况下时的速度测量，并使其测量误差在0.1%以内;因超声波传播受温度影响比较大，故在本设计中采用了温度补偿、硬件部分的可控性以及软件滤波来增加测试速度及距离的精度。本设计主要可以应用于不同介质条件下的管道测量。

1系统设计

1.1测量原理

设计采用40KHZ方波作为发射信号，利用超声波的反射性质将接收到的信号反馈给单片机。根据超声波在不同介质中传播速度与温度的关系计算出不同温度下的理论速度，从而校准管长，再利用公式V=sT求出不同温度下对应的实际速度。

1.2系统框图

本设计以STC8A8K64S4A12单片机为控制芯片，主要包括温度采集模块、按键模块、发射模块、信号接收调理模块及显示模块，总体框图如图1。

接收模块将接收到的信号经AD转换反馈给单片机后，定时器停止计时得到t。为了减小温度带来的误差，设计采用NTC热敏电阻搭建电桥的方案，并利用

本设计R2与R1分别采用5KQ和500Ω的滑动变阻器，滑动R2、R1即可得到q=1/2，即输出信号的正负向脉冲宽度相等的矩形波。

驱动放大模块采用变压器驱动发射电路，通过控制NE555芯片间断输出信号至三极管9013并用三极管升压，用1：7的变压器将信号电压放大，接收探头便能接收到完整的回波。

2.2超声波接收电路

超声波接收电路前级采用LM358芯片构成放大器，后级由LM311比较器对信号进行调整，比较电压在LM31l的IN-管脚处，在放大器与比较器之间采用PNP型三极管（s8550）并使它保持导通，接收电路设计如图3。

2.3温度传感模块

为获得更高的精度，本设计采用NTC热敏电阻传感器。由欧姆定律U=IR，可得电阻两端电压，通过分压公式：

程序总流程如图5所示，由按键模块确定启动，单片机触发NE555芯片发射40KHZ方波，同时进行温度采集。为了防止回波的影响，延时后不断地检测LM358的输出电平是否为高电平，若否，则继续进行温度采集;若是，则关闭定时器。利用时间读取模块换算出时间，接着进行介质判断，得到此时所测介质，结合实际所得的公式（13），（14）两式换算出当前温度下的速度，最后把数据实时显示出来。

4系统测试结果与分析

仪器准备：数字示波器（D$4054），五位半数字万用表（DM3058E），热电偶温度计（UT325）。

测试方案如下：

（1）通过示波器显示的传播时间与理论时间的差值，调试好硬件电路;

（2）通过比对示波器上显示的传播时间与单片机所示时间的差值，判断测量的精确程度;

（3）通过搭建NTC电桥，拟合其电压与温度的函数关系式，得到精确的实时温度;

（4）分别测量空气中和水中的超声波传输速度，测试结果如表1，表2所示。记录多组温度与时间、速度的值。

（5）通过拟合函数关系式得到准确的管长，将起振时间与温度的关系式、温度与速度的关系式代入程序计算不同介质时相对应的20℃时的速度值，以此来检测精度。

分别测得介质为空气和水状态下的相对误差如表1，表2所示。从表中可知，空气中和水中的实测速度转换为20℃下的速度误差均在0.1%以内，满足设计要求。利用超声波探头在水中和空气中测得的波形如下图6、7所示，其中紫色波形为超声波发射波形，红色波形是回波波形，绿色波形是LM358芯片输出脚波形。

5结束语

实测结果表明，本设计的超声波介质传输测试仪在不同介质皆满足误差在0.1%以内。空气中的测量误差为0.044%，水中的测量误差为0.075%，且测量误差与拟合的电压一温度曲线、速度一温度曲线有极大的关联。在理想情况下，若采集的数据库足够充足，拟合的曲线会越好，误差将会更小甚至趋于0。本超声波介质传输速度测试仪试验运行良好，性能优良、成本低、能有效改善测量技术，适合于精密度测量、液面测量等。