專利名稱：一種超聲波測距裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及到一種超聲波測距裝置，特別是涉及工業(yè)用超聲波物位測量裝置。
公知的超聲測距裝置，皆由超聲波換能器和具有收／發(fā)電路、中心控制器和運算、指示功能的指示儀表兩部分組成，其中指示儀表的具體應用電路中通常采用下列方法1.使用微處理機或多片數(shù)字集成電路構成中心控制器來控制整個裝置的各部分動作程序和動作時間，上述動作程序和時間是難以更改的，安裝整定的各項數(shù)據(jù)(如安裝高度)是用鍵盤輸入并儲存在電路的存儲器中。
2.回波信號放大器采用隨時間增長而增益變高的可變增益放大器，用以補償聲波隨距離增加造成的衰減。
上述公知的方法存在著電路復雜、成本高，斷電易丟失數(shù)據(jù)，需采取特殊的防斷電措施的缺點，在工作現(xiàn)場投入運行時的計算調(diào)試工作復雜。
本實用新型的目的旨在提供一種新型的超聲波測距裝置，它能克服公知方法的不足，而且具有電路結構簡單，工作可靠，不需專用器件，成本低廉的優(yōu)點，特別是能靈活地改變工作程序時間和回波檢測靈敏度，以適應不同使用場所的要求和適應不同型號換能器的特點。同時還具有盲區(qū)報警，故障報警和回波強度檢查功能。
本實用新型和公知的超聲測距裝置一樣，也是由超聲波換能器和指示儀表兩部分組成，其中指示儀表部分包括晶體振蕩時鐘單元A、分頻計數(shù)單元B、中心控制器C、發(fā)射單元D、收／發(fā)轉換單元E、接收單元G、采樣／保持單元J、時間／電壓發(fā)生單元H、溫度補償單元I等單元組成，其特征在于所說中心控制器C采用可編程只讀存儲器(PROM或EPROM)，分別與發(fā)射單元D、接收單元G、時間／電壓發(fā)生單元H和階梯波發(fā)生單元P相連接。上述儀表部分各電路單元皆采用通用型元件。其特征在于所說的接收單元G使用了型號為NE5532或NE5534的運算放大器。階梯波發(fā)生單元P采用了D／A轉換集成電路輸出階梯波電壓，或是使用集成模擬開關元件，或計數(shù)器元件與電阻網(wǎng)絡結合輸出階梯波電壓。各個單元電路的工作順序和動作延續(xù)時間是由已寫入只讀存儲器的數(shù)據(jù)內(nèi)容決定的。
上述儀表部分接收單元G與中心控制器C、收發(fā)轉換單元E和階梯波單元P相連接，再與采樣／保持單元J，故障報警單元R相連接。
為了增加上述儀表功能，本實用新型設置了盲區(qū)報警單元Q，該單元與中心控制器C和接收單元G相連接，與報警控制單元S相連接輸出信號。
為了能夠在較弱的回波峰值電壓下，使用普通指針式電壓表測取回波電壓強度，本實用新型儀表部分設置了回波電壓檢查單元J，該單元與接收單元G相連接。上述回波電壓檢查單元T亦可與采樣／保持單元J、盲區(qū)報警單元Q和故障報警單元R連接后，再與接收單元G相連，增加儀表部分功能。
上述指示儀表具有下列特點
1.采用普通的可編程只讀存儲器(PROM或EPROM)做為中心控制器，它的地址線由一個晶振穩(wěn)頻的計數(shù)器控制，它的多路數(shù)據(jù)輸出線分別用于控制裝置各個單元電路。各個單元電路的工作順序和動作延續(xù)時間是由已寫入只讀存儲器的數(shù)據(jù)內(nèi)容決定的，計數(shù)器的一個計數(shù)周期構成裝置的一個或幾個測試工作循環(huán)。
2.做為中心控制器使用的EPROM，數(shù)據(jù)是一些簡單的、隨地址變化的高低電平，不同于復雜的專用計算機軟件，只需根據(jù)一張工作時序圖就能編排，使用專用的寫入工具，就能方便地進行讀、寫操作，修改復制十分方便，不怕掉電，不用采取專門的防斷電措施。
3.接收電路采用可編程的、隨時間增長而逐步減小幅度的階梯波做為回波檢出的基準電壓。與某些公知的超聲測距裝置不同，這個措施主要是用來補償回波信號隨距離增加而造成的衰減，而不是象某些公知的裝置，可編程的基準電壓主要是用來記憶并避開某些固定的、不需要的回波電壓。該措施使接收電路變得十分簡單，并且具有良好的穩(wěn)定性和較低的噪聲電平，這個階梯波各階的間隔時間也由中心控制器輸出的脈沖控制。
4.設置了盲區(qū)報警功能。超聲測距裝置皆有工作盲區(qū)，在盲區(qū)范圍內(nèi)裝置往往出現(xiàn)錯誤指示，大多數(shù)情況下，錯誤指示比不能指示的后果更為危險。工業(yè)生產(chǎn)中因某些原因致使容器(特別是小型儲罐)液位異常升高，進入裝置盲區(qū)的情況是時有發(fā)生的。本實用新型在每個工作循環(huán)中都將回波與一個基準時間(該基準時間與換能器多項性能有關)比較，發(fā)現(xiàn)回波即將或進入盲區(qū)時，以數(shù)字顯示器明滅交替閃動和輸出電流大幅度擺動的方式進行報警，提醒有關人員注意此時的指示數(shù)值是不可信任的。
5.設置了回波電壓檢查功能。在現(xiàn)場安裝和定期檢查裝置時，常常需用示波器檢查回波電壓，十分不便。本實用新型設置了回波電壓檢查單元電路，它利用中心控制器輸出的基準時間脈沖(該基準時間與換能器的多項性能有關)消除發(fā)射強脈沖的影響后，測出并保持較弱的回波峰值電壓，使用普通指針式電壓表就能測出回波電壓，大大簡化了調(diào)整手續(xù)。
下面將結合附圖對本實用新型作進一步詳細描述。
圖1是本實用新型的電路構成框圖和信號流程。
圖2是本實用新型的最佳(非限定的)實施例電路圖。
圖3是本實用新型的最佳實施例中心控制器寫入數(shù)據(jù)示意圖。
參照附圖1和附圖2，和一般公知的超聲測距裝置一樣，本實用新型也是利用回聲反射原理完成測距的。本實用新型根據(jù)電路功能分為(A～U)21個單元部分，其中晶體振蕩時鐘單元(A)為整個裝置提供基準時鐘，分頻計數(shù)單元(B)將時鐘分頻并轉換為并行地址數(shù)據(jù)提供給可編程只讀存儲器構成的中心控制器(C)，這種設計的最小的一步動作時間為一個時鐘周期的n倍(n為前置分頻器的分頻系數(shù))，輸入中心控制器地址數(shù)據(jù)的一個計數(shù)周期構成裝置的一個測試工作循環(huán)，每個工作循環(huán)時間選定在0.2～2秒之間。若選用更大存儲容量的EPROM和更多位的計數(shù)器，也能在一個計數(shù)周期內(nèi)完成多個測試循環(huán)。發(fā)射單元(D)在中心控制器的指令控制下，通過收／發(fā)轉換單元(E)向超聲換能器(F)輸出一組與換能器中心諧振頻率相同的高頻電壓，該高頻電壓由換能器轉換為超聲脈沖射向被測物體后，有部分超聲能量被反射回來，被同一個換能器轉換成回波脈沖電壓，被接收單元(G)放大并檢出回波脈沖控制電壓，控制采樣／保持單元(J)在時間／電壓發(fā)生單元(H)產(chǎn)生的鋸齒波上采樣并在一個工作循環(huán)周期內(nèi)保持一個與超聲脈沖發(fā)射至回波脈沖檢出時間相對應的直流電壓，該電壓代表了聲波反射傳輸?shù)臅r間，在已知聲速的前提下，可換算成對應距離，實現(xiàn)了測距的目的。
為了消除溫度對聲速的影響，設置了溫度補償單元(I)，對時間／電壓轉換的斜率進行修正。由于在大多數(shù)的工業(yè)應用中，特別是液位測量，多采用換能器裝入容器上部，向下垂直發(fā)射超聲波的“液上式”測量方式，測出的是“空度”，而非“液位”，設置了減法運算單元(K)，將安裝參數(shù)設定單元電路(L)設定的參數(shù)與測出的“空度”進行減法運算，得到“液位”結果，本實用新型采用精度已能滿足使用要求的模擬運算方式，安裝參數(shù)設定單元電路可采用簡單的一個多圈電位器或是由轉碼開關控制的電壓合成電路，后者設置時更為直觀和方便。(M)為功能選擇開關，它與數(shù)字電壓表(N)配合，可選擇顯示“參數(shù)設定”、“空度”和“液位”，液位電壓信號同時傳至電流輸出單元電路(O)轉換為工業(yè)標準恒流信號輸出至二次顯示儀表。(P)為階梯波發(fā)生單元電路，它接收中心控制器(C)發(fā)出的控制脈沖，形成階梯波電壓送至接收單元(G)用于回波檢出?？刂泼}沖的間隔分布時間，是根據(jù)換能器特性、量程等參數(shù)選取的。中心控制器根據(jù)上述基本功能要求對各單元動作起始時間和每一動作的延續(xù)時間實施控制。
盲區(qū)報警單元電路(Q)可在液位異常變高，進入換能器盲區(qū)不能正常測量時，通過報警控制單元(S)，使數(shù)字電壓表(N)顯示數(shù)值產(chǎn)生快速的明滅閃動，輸出電流信號也大幅度快速擺動。故障報警單元(R)在連續(xù)3秒鐘內(nèi)沒有檢出回波信號的情況下，通過報警控制單元(S)，使數(shù)字電壓表(N)的顯示數(shù)值產(chǎn)生慢速閃動，輸出電流也大幅度慢速擺動，提醒有關人員注意。回波電壓檢查單元(T)能測出并保持較弱的回波峰值電壓，使用普通指針式電壓表就能測得回波電壓強度。電源供給單元(U)輸出正負四組穩(wěn)壓電源，供裝置各部分電路使用。
參照附圖2，本實用新型最佳實施例的晶振時鐘單元(A)使用廉價的時基電路(型號為NE555)，也可使用某些包含晶振電路的專用分頻電路(例如CD4060B)，可使元件數(shù)量更為減少。中心控制器(C)使用EPROM(型號2764或2732)，一個數(shù)據(jù)輸出通過與非門(15、16)去控制發(fā)射單元(D)中用時基電路(9)組成的振蕩器的輸出，使之成為占空比很小的脈沖輸出，通過功率晶體管(19、20)放大成為功率輸出，經(jīng)變壓器(21)升壓，輸出至超聲換能器(26)。回波信號經(jīng)前置放大器(27)放大后，由精密檢波器(28)檢出直流包絡線，經(jīng)電壓比較器(29)與階梯波基準電壓比較，檢出回波脈沖，使超聲發(fā)射時刻翻轉的D型觸發(fā)器(30)復原，在發(fā)射期間和回波檢出后至下次發(fā)射前的全部時間內(nèi)，中心控制器(8)的一路控制電壓和D型觸發(fā)器(30)輸出的控制電壓，使雙向模擬開關(31)導通，短路信號電壓，使裝置在每個測試工作周期內(nèi)只接收第一組回波電壓，不受容器內(nèi)多次回波反射的影響。時間／電壓轉換單元(H)使用了最簡單的積分方式，模擬開關(44)在中心控制器控制下，使積分器(43)在超聲發(fā)射時刻開始對溫度補償單元(I)輸出的代表溫度數(shù)值的電壓進行積分，得到一個以發(fā)射時刻為座標原點的高度線性鋸齒波，采樣／保持單元(J)由單穩(wěn)態(tài)電路(54)和專用采樣／保持器(55)(型號LM398)構成，在回波檢出時刻將鋸齒波上代表距離的那點電壓采樣并保持輸出電壓，由于溫度補償單元的輸出是受溫度傳感元件(48)控制的，隨氣溫變化而變化，直接改變了鋸齒波的斜率，達到了溫度自動補償?shù)男Ч?。本實用新型采用的測溫元件(48)型號為AD590JH，輸出電流與溫度變化為線性關系，而聲速與氣溫為非線性關系，為了達到精確補償，可在測溫放大器(47)的反饋回路增加非線性反饋環(huán)節(jié)，進一步提高補償精度。切換開關(65)可使用普通開關或模擬開關，在附圖2中開關在“空度”位置，其它兩個位置分別為“參數(shù)設定”(A)、“液位”(B)。數(shù)字電壓表(66)可選用LED或LCD顯示的31／2位表頭，詳細電路從略。電流輸出單元(O)只畫出了最簡單的0～10mA標準信號輸出電路，在輸出端子(69、70)之間的外接負載電阻(71)允許在0～1千歐之間變動而不影響恒流性能。如果需要4～20mA標準電流信號輸出，還應在放大器(67)的輸入端加入一額定電壓，使之輸出4mA起始電流。階梯波發(fā)生單元(P)是由計數(shù)器(76)和8選1模擬開關(77)構成，在中心控制器輸出脈沖的作用下，將模擬開關(77)輸出端的電阻逐一接通正電源，與電阻(42)分壓的結果，形成階梯波。附圖2中僅畫出了4路輸出，其余4路從略。盲區(qū)報警單元(Q)和故障報警單元(R)都是由單穩(wěn)態(tài)電路(82、87)組成的。區(qū)別在于盲區(qū)報警是用中心控制輸出的基準時間脈沖做為與非門(90)的控制條件之一，與非門(91)具有施密特輸入特性，接成振蕩器后，定時電容(96)受模擬開關(93)短路控制，使振蕩器輸出具有2HZ和0.5HZ兩種輸出頻率，用以區(qū)分兩種報警狀態(tài)，報警電壓分別送至數(shù)字電壓表(66)的“熄滅”控制端和電流輸出放大器(67)的輸入端，以數(shù)字閃滅和輸出電流擺動的方式報警。電源供給單元(U)使用常規(guī)元件，具體電路從略。如果使用專用開關電源器件，可降低功耗和實現(xiàn)直流24V電源供電，安裝使用更為安全方便。
參照附圖3，附圖3中(a)為前置分頻后的時鐘波形，每一個時鐘周期為中心控制器的一個最小動作時間單位。(b)為發(fā)射時間控制波形。(c)為模擬開關(31)的控制電壓波形。(d)為積分模擬開關(44)控制波形，兼作計數(shù)器(76)的復零脈沖。(e)為盲區(qū)報警基準時間波形。從附圖3中可以看到，與計算機專用軟件不同，本實用新型中心控制器寫入的控制指令都是各自獨立的。編寫修改都十分直觀方便。
上述特殊設計保證了裝置在各種情況下的正常應用，為工業(yè)物位測量提供了一種新型的測量儀器裝置。
權利要求1.一種超聲波測距裝置，由超聲波換能器和指示儀表兩部分組成，其中儀表部分包括中心控制器C、發(fā)射單元D、接收單元G等，其特征在于所說的儀表部分中心控制器C采用只讀存儲器(8)，分別與發(fā)射單元D、接收單元G、時間/電壓發(fā)生單元H、階梯波發(fā)生單元P相連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的超聲波測距裝置，其特征在于所說的儀表部分接收單元G分別與中心控制器C，收發(fā)轉換單元E和階梯波單元P相連接，再與采樣／保持單元J，故障報警單元R相連接輸出信號。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的超聲波測距裝置，其特征在于所說的儀表部分設置了盲區(qū)報警單元Q，該單元與中心控制器C和接收單元G相連接輸入信號，與報警控制單元S相連接輸出信號。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的超聲波測距裝置，其特征在于所說的儀表部分設置了回波電壓檢查單元T，該單元與接收單元G相連接。
5.根據(jù)權利要求1所述的超聲波測距裝置，其特征在于所說的儀表部分回波電壓檢查單元T與采樣／保持單元J，盲區(qū)報警單元Q和故障報警單元R相并接，再與接收單元G連接。
6.根據(jù)權利要求1所述的超聲波測距裝置，其特征在于所說的儀表部分階梯波發(fā)生單元P使用了D／A轉換集成電路輸出階梯波電壓，或是使用集成模擬開關元件，或計數(shù)器元件與電阻網(wǎng)絡結合輸出階梯波電壓。
7.根據(jù)權利要求1所述的超聲波測距裝置，其特征在于所說的儀表部分接收單元G使用了型號為NE5532或NE5534的運算放大器。
專利摘要本實用新型公開了一種超聲波測距裝置，該裝置包括超聲波換能器和指示儀表兩部分。其特點是指示儀表中采用可編程序只讀存儲器做為中心控制器C、分別與發(fā)射單元D、接收單元G、時間/電壓發(fā)生單元H、階梯波發(fā)生單元P和回波電壓檢查單元T相連接。上述中心控制器的多路數(shù)據(jù)輸出用于控制整個裝置的動作程序、動作時間、盲區(qū)報警、故障報警和回波電壓檢查功能。本裝置具有電路簡單可靠，能靈活地改變工作程序時間，以適應不同使用場所要求等優(yōu)點。在工業(yè)測距、物位測量方面有著重要作用和廣闊前景。
文檔編號G01B17/00GK2164019SQ9321162
公開日1994年5月4日 申請日期1993年5月4日 優(yōu)先權日1993年5月4日
發(fā)明者陳義新 申請人:陳義新