設超聲波傳感器至卷軸中心之間的距離為H,至紙卷外徑距離為h,空氣中超聲波傳輸速度為c,超聲波在傳感器與紙卷外經之間的傳播為t,則紙卷半徑r:

r=H-h=H-0.5ct            (1)

在H已知的情況下,顯然影響測量精度的因素主要是超聲波傳播速度c的確定和往返時間t的測定。超聲波在空氣中的傳波速度主要取決于聲波傳播路徑環境溫度T,即:

c=20.0544(T+273.16)^1/2     (2)

式中t為環境的攝氏溫度測量,由于在生產現場環境受風機、蒸汽等的影響,溫度變化比較大,電氣干擾也比較強。例如,在環境溫度為30℃,h為1.5m,溫度變化5℃時,卷徑的測量誤差△r為:

△r=-(1/2)h. △T/(T+273.16)

≈12.4mm              (3)

顯然,溫度對生產的影響是不能忽略的。解決的方法就是準確地測量出當時的現場環境溫度,以式(2)來計算當時的聲速。測量現場環境溫度可利用三端集成溫度傳感器T(LM35),其靈敏度可達10mv/℃,再通過高精度、低漂移的集成儀器放大器AM(AD620A)放大,送入A/D,由單片機進行運算(如圖1所示)。利用這種處理方式,溫度測量不難做到0.1℃的誤差,因而在同樣情況下,卷徑的測量誤差△r僅為:

△r=-(1/2)h△T/(T+273.16)

≈0.25mm             (4)

這足以滿足了對卷徑的測量要求。

在測量距離較大時,傳播途徑上溫度是不均勻的,ho難以測出其溫度分布。這時,可采用標準距離校正的方法。這種方法是在超聲波傳播路徑中的適當位置h₀上安裝一固定的反射板,由超聲波傳感器發出的聲波一部分直接由反射板反射回來,其傳輸時間為t₀,則ho為:

ho=0.5ct₀

另一部分則由被測目標反射回來,其傳輸時間為t,則h為:

h=0.5ct

這樣,紙卷半徑r便可由下式表示:

r=H-hot/to                 (5)

此時紙卷半徑的測試精度只取決于反射板的安裝精度和回波時間的測量精度,而與超聲波的聲速無關,也即消除了溫度、濕度、粉塵、氣流、氣壓等的影響。值得注意的是,要適當選擇反射板的安裝位置,使之反射回波不要與被測目標的反射回波混迭,并且不要使超聲波受到過多的干擾。

回波時間t的測定是由回波前沿決定的,為抗干擾,通常選取一定的門限值,接收回波的包絡線大于門限值時確定為回波的到達的時間,顯然這里有一個原理上的滯后,并且在信噪比較小的情況下,誤差就會比較大。通過對超聲波接收回波的觀察分析,發現接收回波包絡檢波后,其包絡線前沿為指數上升曲線,大約在第九個波到包絡線的峰頂,第三個波近似為峰頂的75%,因此提出一種自適應門限的檢測方法。一般根據超聲波傳感器的頻率特性;在空氣中通常選超聲波頻率為40KHz,則接收回波包絡線到達峰頂的時間為9/40 KHz=0.225ms,當測量距離為1~2m時,可選超聲波發射周期為16ms,占空比為1/8。8個周期為一個脈沖列,二列脈沖間隔為32ms,回波的第一個周期的峰值作為測量標準,以該值的75%作為門限值,測出時間t₁,由此可以計算出超聲波回波真實的到達時間為:

t=t₁-2.2/40KHz=t₁-55×10^-6

這樣可避免直接以過0檢測脈沖回波達到時間,因干擾噪聲而引起的測量誤差,同時還可以消除接收回波信號強弱不同造成測量誤差。

對于該系統的軟件設計,主要完成以下幾個方面的控制程序及內容:

(1)CPU(8751單片機)的初始化;

(2)CPU(8751單片機)、INT0及INT1的中斷控制程序;

(3)控制8751中的P1.3腳的置位與清零;

(4)控制延時1ms;

(5)讀取U2、U3所記數據,并算;

(6)計算S值,并控制顯示數據。

根據以上要求,列出超聲波測距儀的程序流程圖(如圖3所示)。

由于本超聲波徑測量裝置測量距離較小,故采用一只壓電陶瓷雙向晶體超聲波傳感器兼作發射與接收,因此存在一定的自身干擾(發身與接收采用兩只壓電陶瓷超聲波傳感器時,同樣也有這個問題,只是自身干擾要小些)。另外,瓦楞紙板生產線電氣干擾較多,再加上現場粉塵、氣流等的影響,使超聲波卷徑檢測裝置測量時受到干擾尤為嚴重。

系統抗干擾措施必須從硬件和軟件兩個方面著手。為了抵制外部干擾,接收裝置前置放大級采用LG并聯諧振回路,其頻率為40KHz,從而有效地抵制了事0KHz以外的各種頻率成分干擾。但要注意諧振回路帶寬不能太窄,以免降低了電路的穩定性,甚至還可能會引起放大器自激。電路元器件要選用低噪聲器件,采取合理的電路布局,良好的印刷板電路走線,并注意進行屏蔽。

軟件方面采用數字信號處理技術,利用算數平均值濾波和相關濾波以抵制芝帶的隨機噪聲,以及在測量時間內近似呈現周期性的干擾。通過以上處理,可以有效地從強干擾背景中提取波形已知、到達時間未知的有用信號。

(1)        由單片機控制發射脈沖形式,如圖4所示。

(2)發射功率由單片機計算出的包絡線峰值確定其大小,使接收回波包絡線峰值保持在合理幅度上。

(3)自每個發射脈沖Ton(Ton=2ms)的后沿起1ms內封鎖接收回路,以抗混響干擾。并且放大回路增益在接收時間(Tof的后15ms)內依指數曲線增加,以降低傳感器前方粉塵及其他障礙物引起的反射回波造成的干擾(此反射回波一般是指按規律衰減)。