引 言

對于微小壓差的測最，傳統(tǒng)的方法是采用U型管壓力計，該壓力計結構簡單，價格便宜，性能可靠，缺點是無法記錄壓力的瞬態(tài)變化，讀數(shù)慢而讀數(shù)誤差大，人工估讀時，最大精度也只能精確到0.5 mm液柱高度。為了提高靈敏度，減小讀數(shù)誤差，隨之又出現(xiàn)了傾斜管壓力計，如果傾斜管壓力計的測量管傾斜角為30°，則測量精度可提高1倍。

隨著壓力傳感器技術的發(fā)展，近年來又出現(xiàn)了電子微壓差傳感器，可將微小壓力直接轉換成電信號輸出。此類傳感器使用方便，反應速度快，精度也可以做得較高，目前比較好的微壓傳感器測量分辨率已達到10 Pa左右。缺點是穩(wěn)定性不夠好，溫漂和時漂都比較大，且價格昂貴。

上述微壓測量方法各有利弊，如果要繼續(xù)提高測量精度，以上測量裝置已經(jīng)難以勝任。針對這樣的現(xiàn)狀，我們設計了一種新型的微壓計--超聲波微壓計。這是在保留U型管壓力計原理、結構簡單、可靠性高、直觀等優(yōu)點的基礎上，利用超盧波進行精確而快速測量U型管中液柱高度的原理設計而成。它具有測最精度高、讀數(shù)準確（數(shù)顯）、測量速度快的特點，可以通過RS-232接口與計算機連接，進行相關的數(shù)據(jù)、圖表處理，具有廣闊的應用前景。

1、 超聲波及超聲波換能器

超聲波是機械波的一種，足機械振動在連續(xù)介質(zhì)（氣體、液體、固體）中的傳播過程，所以，機械振動是超聲波產(chǎn)生的根源。超聲波是指頻率f》20 kHz的彈性波。

超聲波換能器是發(fā)射和接收趟聲波信號的關鍵部件，它可以把電能轉換成高頻聲能，或者把盧能轉換成電能。超聲波換能器有多種形式，我們選用的是壓電換能器，它足基于某些晶體的壓電效應來實現(xiàn)電聲能量轉換的一種電性換能器。

壓電換能器具有正壓電效應和逆壓電效應。正壓電效應是指當對某電介質(zhì)施加應力時，產(chǎn)生的形變將引起內(nèi)部正負電荷中心發(fā)生相對位移而產(chǎn)生極化，在介質(zhì)兩端面上出現(xiàn)符號相反的束縛電荷，其電荷密度與應力成正比。利用正壓電效應可將機械能即聲能轉換成電能，這種川來接收盧波的換能器稱為接收換能器。

逆壓電效應是指將具有壓電效應的介質(zhì)置于電場內(nèi)，由于電場作用引起介質(zhì)內(nèi)部正負電倚中心發(fā)生位移，這種位移在宏觀上表現(xiàn)為產(chǎn)生了變形（或應變），它與電場強度成正比。利用這個效應能產(chǎn)生超聲波，即將適應的交變電信號施加到品體上面產(chǎn)生振動，振動頻率與交變電壓的頻率相同，從而形成超聲波，發(fā)射聲波利用的是逆壓電效應。用米發(fā)射聲波的換能器稱為發(fā)射器。

壓電換能器同時具有正壓電效應和逆壓電效應。基于此原理，可以用一個超聲波換能器既做發(fā)射器，又做接收器。

2、 超聲波測壓原理

超聲波測壓原理見圖1（a）。2根玻璃管形成一個連通器，在A管的底部安裝一個超聲波換能器，被測壓力分別由A、B兩點引入，這種連接方式可測量兩壓力之間的壓差，如需要測量表壓，只要將4、B兩壓力中的任意一個接通大氣即可。

測量前需進行摹準零位校驗，將A、B兩點都接通大氣，此時因A、B兩壓力相等，連通器兩管中的液柱等高，測量出此時超聲波換能器發(fā)射面到液面之間的高度h0，該高度為基準高度（也稱為零點高度）。測量時，將B點接通大氣（測量表壓），被測壓力由A點引入，因A、B兩管存在壓差，則兩液柱形成高度差2△h，設兩玻璃管中的液體是純凈水，那么用mmH2O（1 mmH2O=9.806 65 Pa）來表示壓力，被測壓差為：

只要精確測量出h0和h1，就可準確測量出壓力。由式（1）可知，該壓力與超聲波換能器的安裝位置無關。

利用超聲波測量水柱高度，超聲波由換能器發(fā)射，遇到液面后反射，反射波再返回換能器，由換能器產(chǎn)生電脈沖，只要精確測量超聲波由換能器發(fā)射到反射波回到換能器這期間的時間△t即可。如采用24 MHz高頻脈沖作為時間測量單位，設△t時間內(nèi)共得到脈沖數(shù)為n，則：

設超聲波通過2h0路程需要時間為△t0，共記錄n0個脈沖；經(jīng)過2h1長的路程需時間為△t1，共記錄n1個脈沖，超聲波在水中的傳輸速度為ν，則被測量壓力為：

環(huán)境溫度為25℃時，超聲波在水中的傳輸速度約為1 483 H1/s，根據(jù)理論計算，該微壓計的對水柱高度測量的分辨率為：

如需進一步提高測量精度，可提高記數(shù)脈沖的頻率或使用比重較小的液體。如純酒精作為測量液體，純酒精的比重為O.8，則此時的測量分辨率為：

由此可見，該微壓計的測量精度遠遠優(yōu)于目前使用的測量方法，能滿足絕大多數(shù)場合微小壓力的測量。

另外，這種方法測量速度很快，可以每秒300次左右的速率測量，因此能捕捉壓力的瞬態(tài)變化。而U型管壓力計或傾斜管壓力計讀一點數(shù)據(jù)至少需要1 s，在被測壓力急劇波動時無法讀取數(shù)值。

3、 硬件設計

3．1 超聲波發(fā)射電路

超聲波發(fā)射電路較為簡單，如圖2所示。由于發(fā)射和接收是同一換能器，且測壓液柱較短，所以這里不宜采用連續(xù)波發(fā)射，我們采取單脈沖波發(fā)射方式，由單片機發(fā)出啟動脈沖，經(jīng)過微分電路，使得三極管瞬間導通，在超聲波換能器上得到一個前沿很陡的高壓脈沖，由此換能器向液面發(fā)出超聲波脈。

3．2 超聲波接收、放大電路

圖3為超聲波接收放大電路。

由微分放大電路組成輸入級，來自超聲波換能器第1反射波（4點）得到進一步放大，同時使第1反射波信號變得更尖陡（B點），該信號再經(jīng)精密檢波電路檢波、濾波后，得到反射波的包絡線（C點），為消除地線及雜波等干擾信號，同時增強信噪比，C點的信號再經(jīng)過一個帶有域值比較的放大器進一步放大，得到一個比較干凈而幅值足夠大的第1反射波信號（D點），最后經(jīng)電壓比較器，輸出觸發(fā)信號（E點）給計數(shù)系統(tǒng)，使其停止計數(shù)。至此，完成反射波信號的放大與處理任務。各點的波形如圖4所示。

因為超聲波在液柱內(nèi)會產(chǎn)生多次反射，而我們只需要第1反射波，因此在對完成第1反射波處理后，就必須立刻停止計數(shù)，這部分由控制電路完成。

3．3 脈沖計時電路

控制系統(tǒng)采用MCS-51系列單片機，當單片機采用12 MHz晶振時，其最高記數(shù)頻率為500 kHz，而超聲波記時系統(tǒng)采用的是24 MHz高頻脈沖，因此通過74LS393把24MHz高頻脈沖進行256分頻后變成93.75 kHz，再送給單片機計數(shù)，見圖5。

在讀取時鐘脈沖數(shù)時，由74LS393讀取低8位，高16位由單片機內(nèi)部記數(shù)器讀取，這樣記數(shù)值可達到二進制24位。理論計算最大測量水柱高度為：

4、 軟件設計

該系統(tǒng)的軟件設計著重解決實時和同步問題。首先，在發(fā)射超聲波的同一時刻啟動計數(shù)器計數(shù)；其次，接收到第1反射波的同時，立刻停止計數(shù)器計數(shù)；再次，由于發(fā)射和接收是同一超聲波換能器，所以超聲波的發(fā)射端和接收放大電路的輸入端連接在同一點，在發(fā)射波發(fā)出的同時，接收放大電路同樣收到發(fā)射信號，如不采取措施，會誤將發(fā)射波當做有效的反射波，計數(shù)器在啟動的瞬間就會被關閉，造成誤操作，所以此時要采取必要的措施，對放大器的輸入端進行屏蔽處理。

另一方面，發(fā)射的電脈沖信號有一定的寬度，對超聲波的激勵是利用發(fā)射脈沖的前沿，加之電路存在延時效應，根據(jù)上述情況，應在發(fā)射后的一段時間內(nèi)需要屏蔽放大電路的輸入端，延時一段時間后再開放，以免誤觸發(fā)。因此，從發(fā)射信號到開放接收電路之間產(chǎn)生一個固定的時間差，必然存在一個測量死區(qū)，當液位高度小于死區(qū)高度時是無法測量的。

限于篇幅，此處僅給出測量程序的流程圖（見圖6），標定、中斷和鍵盤顯示程序略。

5、 結束語

該測量系統(tǒng)經(jīng)過實際使用，完全達到設計要求，曾在上海交通大學熱能工程系風洞壓力場應用中取得了很好的應用效果。由于超聲波在液體中的傳輸速度隨著環(huán)境溫度的變化而變化，我們在電路中設計了環(huán)境溫度檢測電路，通過軟件進行溫度補償，同時，液柱體積也會隨溫度變化而有所變化，而折合成高度的變化量很小，可以忽略不計。經(jīng)溫度補償后，該測量系統(tǒng)非常穩(wěn)定，測量數(shù)據(jù)精確，速度快，讀數(shù)方便，體積小巧，并可進行多點聯(lián)級使用，實現(xiàn)多點同時測量，便于捕捉壓力瞬態(tài)變化值，例如在上海交通大學熱能工程系風洞壓力場應用中實現(xiàn)了128點快速測量。如果U型管壓力計人工估讀精度為0.5 mm，超聲波微壓測量儀以0.03 mm測量精度計算，其測量精度提高16倍。U型管道壓力計測量一點的壓力最快也需1 s，而該超聲波微壓計每秒可測量300點，由此可知，其測量速度提高300倍，完全可取代常規(guī)的U型管道壓力計或傾斜管壓力計，是很好的更新?lián)Q代的產(chǎn)品，市場前景廣闊。

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