基于氣介式超聲波傳感器的雨量液位測量系統設計

摘要：在分析傳統雨量液位測量系統的基礎上，使用氣介式超聲波傳感器和AT89S52單片機設計了一種新型的雨量液位測量系統。采用超聲波測距方法，實(shí)現雨量的高精度實(shí)時(shí)測量；利用固定擋板反射回波進(jìn)行聲速校正，解決了溫度補償精度的問(wèn)題；采用外圍保護裝置，使該系統在惡劣環(huán)境中能正常使用。該系統還具有與PC機通信的功能，可實(shí)現低成本、遠距離的控制和監測。
關(guān)鍵詞：雨量液位測量；氣介式超聲波傳感器；單片機；AT89S52

0 引言
降水量是用來(lái)衡量降水多少的一個(gè)概念，是指雨水(或融化后的固體降水)既不流走，也不滲透到地里，同時(shí)也不被蒸發(fā)掉而積聚起來(lái)的水的深度，通常以毫米為單位。雨量液位的測量是氣象部門(mén)對天氣系統分析研究的重要環(huán)節之一。傳統使用的虹吸式、翻斗式的測量方法受外界因素的影響較大，另外使用電容傳感器易受干擾，在暴雨、冰雹、雨雪天氣誤差較大時(shí)，其他一些方法則無(wú)法實(shí)現對雨量數據的實(shí)時(shí)觀(guān)察與處理。超聲波傳感器以非接觸、高可靠測量，解決了其他一些方式帶來(lái)的纏繞、接觸介質(zhì)等問(wèn)題。根據超聲波換能器的安裝位置來(lái)劃分，又可分為氣介式、固介式和液介式三種。其中，氣介式是指探頭安裝在被測液面上方，超聲波的傳播介質(zhì)為氣體。因為氣介式安裝較其他幾種方式最為方便靈活，故本系統設計采用氣介式超聲波傳感器。然而在傳統的超聲波測量方法中常使用溫度傳感器測量，若在單片機中存表實(shí)現補償，既增加了成本，也無(wú)法達到很高的精度要求，同時(shí)也無(wú)法實(shí)現遠程通信的目的。針對上述問(wèn)題，本系統設計給出了方案。

1 超聲波測量的基本原理
根據聲學(xué)原理，當聲波從一種介質(zhì)向另一種介質(zhì)傳播時(shí)，在兩種密度不同、聲速不同的介質(zhì)界面上，會(huì )發(fā)生反射和折射。其反射率為：

當聲波傳播到水面時(shí)，R≈1。超聲波測距是通過(guò)不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到的障礙物所反射的回波來(lái)測出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差△t，然后求出距離S。測量雨量液位是屬于測量面與點(diǎn)距離的性質(zhì)，液位、換能器與換能器所在測量參考平面之間存在一個(gè)角度，其測量如圖1所示。

式中：Y是換能器(R40和T40)之間的距離；So為測量三點(diǎn)構成的幾何圖形面積；X1為R40到測量反射點(diǎn)之間的距離；v為超聲波在上層介質(zhì)中傳播的速度；△t為從發(fā)射到接收一次的傳播時(shí)間；S為測量桶頂部距離液位的距離；H為桶頂部距離底部的距離；h為液位高度。