在工程建筑行業(yè) ，如果混凝土質(zhì)量不過(guò)關(guān) ，會(huì)存在重大的安全隱患。因此，在生產(chǎn)混凝土?xí)r ，混凝土各組成物料的精確計(jì)量是混凝土質(zhì)量的基本保證，為此，《GB10172—1988 混凝土攪拌站(樓)技術(shù)條件》對(duì)生產(chǎn)混凝土的攪拌設(shè)備規(guī) 定了具體的計(jì)量精度要求。而沙子是混凝土各組成物料之一，不言而喻，沙子的精確計(jì)量是保證混凝土質(zhì)量的重要因素。

目前，砂石料的計(jì)量方式大都是稱量式，此方法由于沙子含水量等問(wèn)題，計(jì) 量誤差較大，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重。而超聲波系統(tǒng)具有精度高、惡劣環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、設(shè)備輕便、安裝與調(diào)試簡(jiǎn)單，易于讀數(shù)和測(cè)量時(shí)不與被測(cè)介質(zhì)直接接觸等特點(diǎn)。僅在物位測(cè)量方面，在多種物料中獲得成功應(yīng)用，例如：煤倉(cāng) 煤位監(jiān)測(cè)和液位檢測(cè) 。

1 超聲波測(cè)量沙子料位的理論依據(jù)

超聲波測(cè)距有時(shí)間差法、相位法等，由于時(shí)間差法成本低、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、應(yīng)用的測(cè)距范圍大，故本文選用該法。見(jiàn)圖l，即將超聲波發(fā)射端和接收端同時(shí)裝在盛沙料斗頂部，發(fā)射端發(fā)出超聲脈沖，遇到沙子界面反射回來(lái)，電子單元計(jì)算發(fā)射端發(fā)出信號(hào)和接收端收到信號(hào)的時(shí)間差t，得沙子界面到料斗頂部距離h=vt／2，進(jìn)而得到料位L=H-h，其中，為超聲波在空氣中的傳播速度，J為料位高度，為料斗高度。

圖 1 超聲波測(cè)料位示意圖

2 提高整體精度關(guān)鍵

2．1 溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)

溫度是影響超聲波測(cè)量誤差的一個(gè)主要原因，在空氣中超聲波傳播速度因溫度不同而不同，所以，在設(shè)計(jì)中需要溫度傳感器測(cè)出料斗上方環(huán)境溫度，進(jìn)行聲速補(bǔ)償。

另外考慮到在實(shí)際應(yīng)用中有時(shí)料斗較大，測(cè)量距離也較大，難于測(cè)量溫度分布，此時(shí)可加裝自動(dòng)校準(zhǔn)裝置。需要注意校準(zhǔn)裝置的適當(dāng)安裝，避免校準(zhǔn)回波和主回波混迭。

2．2 自動(dòng)增大回波幅值

雖然此系統(tǒng)用于料斗出料時(shí)測(cè)量沙子用量多少，可以避免超聲波傳感器受到測(cè)量方向上的阻礙物、測(cè)量介質(zhì)堆積形狀等的影響。但沙子界面凸凹不平，極為粗糙，反射波信號(hào)微弱，另外，遠(yuǎn)距離測(cè)量時(shí)回波也會(huì)減弱 j。所以，在這里采用了自動(dòng)增益控制電路，使接收回波的幅值基本保持不變，再通過(guò)整形電路輸出，以提高測(cè)量精度 _8]。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

采用臺(tái)灣華邦公司生產(chǎn)的高速單片機(jī)W77E58測(cè)量超聲波的傳播時(shí)間，測(cè)量分辨率為0.1s。環(huán)境溫度20℃時(shí)超聲波速度為343．6m／s，1mm距離的傳播時(shí)間為 2．91 s。因此，采用 W77E58計(jì)時(shí) ，完全可以保證測(cè)量精度。測(cè)量沙子料位下位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖 2

3．1 超聲波發(fā)射與接收模塊

3．2 測(cè)溫模塊

3．3 自動(dòng)增益控制模塊

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主程序是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，通過(guò)調(diào)用模塊子程序來(lái)驅(qū)動(dòng)各個(gè)模塊的硬件電路正常工作，以此來(lái)達(dá)到實(shí)時(shí)測(cè)量顯示沙子料位的功能。實(shí)際中通過(guò)計(jì)算可以顯示沙子用量多少，并加以控制。主程序流程圖見(jiàn)圖4，其中自動(dòng)增益電路的軟件實(shí)現(xiàn)采用逐步逼近的方法

圖 4 系統(tǒng) 主程序流程圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)室用了一個(gè)形狀規(guī)則的圓筒作為模擬料斗進(jìn)行多次測(cè)量，隨著料斗不斷地出料，顯示器顯示出了不同料位。

為了盡可能地減少測(cè)量誤差，安裝時(shí)傳感器盡可能地與地面平行，且安裝高度不能過(guò)低；為減小超聲波旁瓣的影響，超聲波傳感器的2個(gè)探頭之間的距離要大于 3cm，實(shí)驗(yàn)時(shí)距離。在室溫25℃的情況下，測(cè)量超聲波探頭到料面距離數(shù)據(jù)見(jiàn)表 1。

表 1 超聲波探頭到料面距離 h數(shù) 據(jù)與誤差

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可得，此系統(tǒng)測(cè)得距離h精度達(dá)到1mm，且重復(fù)性好。20mm以內(nèi)為測(cè)量盲區(qū)，相對(duì)較小。

顯然，料位高度乘以料斗有效面積得到沙子的體積，沙子的體積乘以沙子的密度即得到料斗內(nèi)沙子質(zhì)量G。所以，既可以通過(guò)計(jì)算機(jī)監(jiān)控料斗內(nèi)沙量剩余多少，也可以通過(guò)計(jì)算監(jiān)控沙子用料多少，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各種場(chǎng)合中沙子的精確配比。

6 結(jié)束語(yǔ)

1)本文設(shè)計(jì)了一基于超聲波傳感器的測(cè)距系統(tǒng) ，用于沙子料位的連續(xù)測(cè)量；采用了高速單片機(jī)自動(dòng)增益電路。經(jīng)過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)精度較高，測(cè)量誤差達(dá)到了最小級(jí) 。該系統(tǒng) 還可與上位機(jī)進(jìn)行通信，擴(kuò)展成具有存貯、打印輸出、越位報(bào) 警等各種功能。

2)此料位測(cè)量系統(tǒng)適用于大多數(shù)固體料位，如水泥和谷類等極干燥和多塵的材料，甚至動(dòng)態(tài)條件下的料位測(cè)量。

3)為進(jìn)一步提高精度，應(yīng)考慮環(huán)境的濕度。因?yàn)槌暡ㄔ谝后w和固體中的傳播速度更快；同時(shí)還應(yīng)考慮基準(zhǔn)誤差，實(shí)際測(cè)量距離應(yīng)當(dāng)是壓電晶片到障礙物之間的距離，由于壓電晶片在探頭內(nèi)部，導(dǎo) 致了基準(zhǔn)的誤差。

參考文獻(xiàn) ：

[1] 吳康雄，李白光，陳穎．基于電容傳感原理的低成本砂石計(jì)量技術(shù) [J]．中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào) ，2006，4(1)：102-105．

[2] 劉偉．連續(xù)式瀝青混合料攪拌設(shè)備的計(jì) 量控制 [J]．建筑機(jī) 械化，2004(8)：68-70．

[3] 賈伯年，俞樸，宋愛(ài) 國(guó)．傳感器技術(shù) [M]．南京：東南大學(xué)出版社，2000．

[4] 張攀峰，王玉萍，張健，等．帶有溫度補(bǔ)償的超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)[J]．計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2012，20(6)：1717-1732．

[5] 時(shí) 瑋，盂軍，劉波．溫度修正的超聲波測(cè) 距控制設(shè) 計(jì) [J]．機(jī) 械工程與自動(dòng)化，2005(6)：85-87．

[6] 賀桂芳．一種高精度超聲波測(cè)距系統(tǒng) 的設(shè)計(jì) [J]．傳感器與微系統(tǒng) ，2010，29(4)：111-113．

[7] WangJinjin，YuanDong，CaiPing．Rangeresolutionofultrasonic distancemeasurementusing singlebitcrosscorrelation forrobots[c]／／InternationalConferenceonInformation，2010：917-923．

[8] YamashitaK，KatataH，OkuyamaM，eta1．Arrayedultrasonicmi— cmsensorswith high dreetivity forin—airuse using PZT thin film onsilicon diaphrams[J]．Sensorsand Aetuatom A：Physical， 2002，97／98：302-307．

[9] 渠笑納．超聲波測(cè)距在泊車輔助系統(tǒng) 中的應(yīng)用 [D]．大連：大連理工大學(xué) ，2010．

[10]張淑清，靳世久，李雋．提高超聲波物位檢測(cè) 精度方法的研究 [J]．傳感技術(shù) 學(xué)報(bào) ，2007(7)：1652-1654．

[11]朱向慶，陳志雄．帶溫度補(bǔ)償的360。超聲波測(cè)距測(cè)速系統(tǒng)設(shè) 計(jì) [J]．壓電與聲光，2011，33(2)：315-319．

[12]HuangKenung，HuangYupei．Multiple—frequencyultrasonicdis— t using direct digital frequency synthesizer— s[J]．SensorsandActuatorsA，2009，149：42-45．

[13]鄒軼．近距離高精度超聲測(cè)距系統(tǒng) 的設(shè) 計(jì) [D]．大連：大連理工大學(xué)．2009．

[14]楊輝媛，涂成軍，譚偉杰．超聲波測(cè)距系統(tǒng) 的設(shè)計(jì) [J]．重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào) ：自然科學(xué)版，2009，11(3)：163-166．