设超声波传感器至卷轴中心之间的距离为H,至纸卷外径距离为h,空气中超声波传输速度为c,超声波在传感器与纸卷外经之间的传播为t,则纸卷半径r:

r=H-h=H-0.5ct            (1)

在H已知的情况下,显然影响测量精度的因素主要是超声波传播速度c的确定和往返时间t的测定。超声波在空气中的传波速度主要取决于声波传播路径环境温度T,即:

c=20.0544(T+273.16)^1/2     (2)

式中t为环境的摄氏温度测量,由于在生产现场环境受风机、蒸汽等的影响,温度变化比较大,电气干扰也比较强。例如,在环境温度为30℃,h为1.5m,温度变化5℃时,卷径的测量误差△r为:

△r=-(1/2)h. △T/(T+273.16)

≈12.4mm              (3)

显然,温度对生产的影响是不能忽略的。解决的方法就是准确地测量出当时的现场环境温度,以式(2)来计算当时的声速。测量现场环境温度可利用三端集成温度传感器T(LM35),其灵敏度可达10mv/℃,再通过高精度、低漂移的集成仪器放大器AM(AD620A)放大,送入A/D,由单片机进行运算(如图1所示)。利用这种处理方式,温度测量不难做到0.1℃的误差,因而在同样情况下,卷径的测量误差△r仅为:

△r=-(1/2)h△T/(T+273.16)

≈0.25mm             (4)

这足以满足了对卷径的测量要求。

在测量距离较大时,传播途径上温度是不均匀的,ho难以测出其温度分布。这时,可采用标准距离校正的方法。这种方法是在超声波传播路径中的适当位置h₀上安装一固定的反射板,由超声波传感器发出的声波一部分直接由反射板反射回来,其传输时间为t₀,则ho为:

ho=0.5ct₀

另一部分则由被测目标反射回来,其传输时间为t,则h为:

h=0.5ct

这样,纸卷半径r便可由下式表示:

r=H-hot/to                 (5)

此时纸卷半径的测试精度只取决于反射板的安装精度和回波时间的测量精度,而与超声波的声速无关,也即消除了温度、湿度、粉尘、气流、气压等的影响。值得注意的是,要适当选择反射板的安装位置,使之反射回波不要与被测目标的反射回波混迭,并且不要使超声波受到过多的干扰。

回波时间t的测定是由回波前沿决定的,为抗干扰,通常选取一定的门限值,接收回波的包络线大于门限值时确定为回波的到达的时间,显然这里有一个原理上的滞后,并且在信噪比较小的情况下,误差就会比较大。通过对超声波接收回波的观察分析,发现接收回波包络检波后,其包络线前沿为指数上升曲线,大约在第九个波到包络线的峰顶,第三个波近似为峰顶的75%,因此提出一种自适应门限的检测方法。一般根据超声波传感器的频率特性;在空气中通常选超声波频率为40KHz,则接收回波包络线到达峰顶的时间为9/40 KHz=0.225ms,当测量距离为1~2m时,可选超声波发射周期为16ms,占空比为1/8。8个周期为一个脉冲列,二列脉冲间隔为32ms,回波的第一个周期的峰值作为测量标准,以该值的75%作为门限值,测出时间t₁,由此可以计算出超声波回波真实的到达时间为:

t=t₁-2.2/40KHz=t₁-55×10^-6

这样可避免直接以过0检测脉冲回波达到时间,因干扰噪声而引起的测量误差,同时还可以消除接收回波信号强弱不同造成测量误差。

对于该系统的软件设计,主要完成以下几个方面的控制程序及内容:

(1)CPU(8751单片机)的初始化;

(2)CPU(8751单片机)、INT0及INT1的中断控制程序;

(3)控制8751中的P1.3脚的置位与清零;

(4)控制延时1ms;

(5)读取U2、U3所记数据,并算;

(6)计算S值,并控制显示数据。

根据以上要求,列出超声波测距仪的程序流程图(如图3所示)。

由于本超声波径测量装置测量距离较小,故采用一只压电陶瓷双向晶体超声波传感器兼作发射与接收,因此存在一定的自身干扰(发身与接收采用两只压电陶瓷超声波传感器时,同样也有这个问题,只是自身干扰要小些)。另外,瓦楞纸板生产线电气干扰较多,再加上现场粉尘、气流等的影响,使超声波卷径检测装置测量时受到干扰尤为严重。

系统抗干扰措施必须从硬件和软件两个方面着手。为了抵制外部干扰,接收装置前置放大级采用LG并联谐振回路,其频率为40KHz,从而有效地抵制了事0KHz以外的各种频率成分干扰。但要注意谐振回路带宽不能太窄,以免降低了电路的稳定性,甚至还可能会引起放大器自激。电路元器件要选用低噪声器件,采取合理的电路布局,良好的印刷板电路走线,并注意进行屏蔽。

软件方面采用数字信号处理技术,利用算数平均值滤波和相关滤波以抵制芝带的随机噪声,以及在测量时间内近似呈现周期性的干扰。通过以上处理,可以有效地从强干扰背景中提取波形已知、到达时间未知的有用信号。

(1)        由单片机控制发射脉冲形式,如图4所示。

(2)发射功率由单片机计算出的包络线峰值确定其大小,使接收回波包络线峰值保持在合理幅度上。

(3)自每个发射脉冲Ton(Ton=2ms)的后沿起1ms内封锁接收回路,以抗混响干扰。并且放大回路增益在接收时间(Tof的后15ms)内依指数曲线增加,以降低传感器前方粉尘及其他障碍物引起的反射回波造成的干扰(此反射回波一般是指按规律衰减)。