第26卷第2期
2005年6月渤海大学学报(自然科学版) Jou rnal of Bohai U n iversity (N atu ral Science Editi on ) . 26N o. 2V o l Jun . 2005
近海海水深度和浪高的测量
刘 瀛
(辽东学院机电系, 辽宁丹东118003)
摘 要:, 给出
了测量系统的主程序流程图和实现结果(部分) 。测量, 而且能对一天24。
关键词::A 文章编号:167320569(2005) 0220165204
目前, 国内外有很多关于深海测量的技术与设备, 但对于浅海海域各种参数的测量还较欠缺。一方面, 许多深海的测量技术与设备由于其技术指标的限制[1], 并不能应用于浅海的测量中; 另一方面, 以往开发的测试装置大多是基于单一的深度的测量[2]或基于单一的浪高测量[3], 两者并没有结合在一起, 这使得测量装置的使用具有较大的局限性。而一些浅海娱乐场的兴起, 浅海了望台的建立, 浅海码头的规划, 潮汐规律的研究等等, 都需要我们不仅对浅海海域的深度有一个确切的了解, 也需要对浪高有一个精确的测量。本文开发的近海海水深度和浪高的测量系统, 将海水深度和浪高的测量有机地结合起来, 实现24小时无间断报告。它不仅具有数据存储, 打印输出及报警功能, 而且给其他液位测量提供了参考设计方案, 采用的声速校正方案简单可行, 具有很高的应用价值。
1 传感器的选用
对于海水深度和浪高的测量, 其测量原理还是
测量距离, 所以首先要选用一个合适的传感器进行
信号采集。在理论上, 测量深度可以用多种类型的传
感器。但是如何根据测试目的和实际条件合理地选
用合适的传感器是本课题的关键。首先, 随着海水深
度的增加, 光线逐渐减弱, 到达一定深度后, 没有任
何光线存在了。所以各种光电式和光纤传感器不适
合这个系统。其次, 愈是深入海下, 压力也愈大, 每深
10m , 压强就要增加100KP, 所以对压力和电容传感图1 系统测量原理图
器的要求也非常高, 而且压力、电容和深度之间的换算关系非常繁杂, 需要大量的算法支持, 在硬件上还需要采样保持、模数转换等电路, 在实际测量工作中没有超声波传感器使用方便。因此, 在这个测量系统中, 作者选用SSA 226型超声波传感器[4], 它能同时对深度和浪高进行测量, 环境应用范围广
, 对光线没有特殊要求, 可以实现24小时的无间断检测。而且其理论测量距离正好适合本系统的要求(发射频率为20KH z, 理论测量范围为60m ) 。
收稿日期:2004212212.
作者简介:刘 瀛(19722) , 女, 硕士, 主要从事自动化教学研究.
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超声波为直线传播方式, 频率越高, 绕射能力越弱, 但反射能力越强。超声波传感器[5]就是靠超声波的这种特性进行自动检测的, 由于声波与介质的电导率, 热导率及介电常数等无关, 只要界面的声阻抗率不同, 就可达到测量的目的。超声波传感器有专用型和兼用型, 本系统从经济和测量精度考虑选用兼用型超声波传感器, 既可发送超声波, 又可接收超声波。
超声波发射探头发出的超声脉冲在海水中传到海面, 经过反射后再返回到接收探头。如果测出超声脉冲从发射到接收所需的时间, 那么根据介质中已知的声速就能计算出从探头到海面的距离。经数据分析, 较大值为浪高值(从发射到接收所需的时间较长) , 较小值为深度值。其测量原理如图1所示。超声探头1和单片机1固定安装在海底。如果探头至液面的垂直距离为L , 从发射到接收经过的时间为t , 已知超声波在介质中的传播速度为c , 则海水深度或浪高就能根据L =1 2ct 计算出来。
2. 超声波发送接收电路[6, 7]
超声波发送接收电路如图2所示:
2. 1 发送电路:
, 1, 2, R 和C 1构成自激多谐振荡器。与1。具体过程如下:
图2 超声波发射与接收电路图
CC 4049两个与非门H 1, H 2组成多谐振荡器, 产生20K H
z 电压信号, 因为系统的振荡频率不仅取决于阈值电平, 而且还取决于时间常数R C 1, 所以我选用数字电位计A D 8402, 这样, 调节R 可调节谐振频率。而且可以通过程序直接调节超声波的发射频率, 提高系统的测量精度。其中f =1 2. 2R C 1, 则R =1 20×103
第2期 刘 瀛:
近海海水深度和浪高的测量167×2. 2×560×10-12=40. 6K Μ。
信号通过反相器H 3-H 6进行功率放大。另外, 超声波振子若长时间加直流电压, 会使传感器的特性明显变差, 因此, 用交流电压通过耦合电容C 2传给超声波振子S SA 226。
P 1. 7控制多谐振荡器的振荡, 当P 1. 7为高电平时, 电路振荡, 发射20KH z 超声波。P 1. 7为低电平时, 停止发射。
2. 2 接收电路
接收电路由二极管钳位电路以及LM 324运算放大器等组成。发送接收信号共用一个超声波传感器, 因而收发信号之间要产生干扰, 较大的发送信号能量有可能直接进入接收电路, 直接进入的能量会比发射波大得多, 因此, 前级放大器会饱和, 电路工作不稳定, 为此, 接收信号放大器的输入端要接入二极管V D 1和V D 2组成的钳位电路, 使输入电压保持定值。LM 324中三个运算放大器A 1、A 2、A 3组成三级回波信号放大电路。因为传感器输出信号为1. 2-5mV , 所以A 1、A 2、A 3运放的放大倍数均选为101、C 3组成的并联谐振电路构成选频电路(与C 3串联的电阻R 略, R K z 之外的干扰信号。利用二极管的单相导电性和电容的36, 将接收到的20K H z 。A 4作为电压比较器, 将信号直1V , , 比较器输出正脉冲, V T 5导通, P 3. 2为低电平, C PU 中断, , 并转换为距离。
3 声速校正及方法[5]
超声波测量液位以声速C 是已知值为先决条件, 但是声速在液体中的传播受很多因素影响:成分, 温度, 压力等等。为了提高这个装置的测量精度, 得到一个准确的声速值, 必须进行声速校正, 找出与工作中完全相同的声速值。对被测液体来说, 上部和下部的液体成分可能多少都有些差别; 同时, 对于温度, 也有温度梯度的情况。若仅仅把校正具放在某一水平面或某一点上得出的声速值是很难与实际工作时的声速值完全一致的, 为了进一步提高精度, 我采用浮臂校正具法校正声速。其测量原理如图3所示:
校正具上端(反射板端) 与浮子相连,
下端(单探头2端) 则连在固定于海底(40m
左右) 的铰链上。校正具上端在浮子的带动
下, 随着液面高低而上下浮动。这样测量中所
处的密度梯度和温度梯度就和校正具所处的
密度梯度和温度梯度相同。我制做一个长为
L 0=50m 的浮臂。超声探头(2) 和单片机(2)
封装在一起。通过测量超声探头(2) 发射和
接收的时间t , 得出C =2L 0 t =100 t 。这个
声速值就是测量深度和浪高所用的值。利用
这种方法可以大大提高系统的测量精度。
在距离测量探头(1) 不小于60m 处安装
校正装置, 这样可消除两超声波传感器之间1—浮子 2—浮臂 3—超声探头(2) 4—铰链 5—反射板图3 浮臂式校正具
的干扰。测量装置和校正装置测得的回波时
间值分别传送给PC 机, 在P C 机中利用V B 高级语言进行声速和距离的计算。
4 数据传送与处理结果(部分)
本测量系统选用In tel 公司开发的M CS -51型系列单片机, 测量部分选用A T 89C 52单片机(1) , 校正部分选用A T 89C 2051单片机(2) 。超声波传感器的发送探头由单片机(1) 的P 1. 7口控制发送10个频率为20K H z 的方波信号(单片机(1) 与探头(1) 封装在一起) , 由单片机(1) 的T 0记录回波信号的返回时间t 。单片机(2) 用于校正装置中校正声速数据的采集, 其测量原理与单片机(1) 相同(单片机(2) 与探头(2) 封装在
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一起) 。
在超声波传感器采集完信号之后, 数据
的传输处理和分析过程在PC 机上进行。PC
机通过串口和单片机相连, 经数据分析后得
出深度和浪高值, 现场实测信号可以实时显
示在P C 机的界面上, 并且具有打印输出, 超
水位报警的功能。主窗体如图4所示:
5 结束语
本文提出了一种测量海水深度和浪高的
全新方案。水深数据的正确与否取决于声速
和所测时间的正确性。一方面, 通过校正装置
校正声速, 保证了超声波声速值的准确性; 另
一方面,
在测量回波反射时间的过程中在采:图4 主窗体界面
射超声波脉冲后, 80m s 再取采样值, 以
排斥掉不真实的回波干扰(最大测量距离为60m ) 。每秒连续采样10次, 分别取其最大值(浪高) 和最小值(深度) 。本测量系统利用低成本的测量仪器和计算机技术相结合, 加上必要的人工干预, 使水深数字化工作的效率和准确率得到提高。
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Su rvey of dep th of sea w ater and heigh t of w ave
L I U Y ing
(M echanical and E lectronic D epartm ent , L iaodong Institute , D andong 118003, Ch ina )
Abstract :T h is article in troduces the basic design p rinci p le of the su rvey of the dep th of the sea w ater and the heigh t of the w ave . It also in troduces the relevan t circu it and the p rogram . T h is system can no t on ly su rvey the dep th of the sea w ater and the heigh t of
the w ave bu t also can m on ito r the change in tw en ty -fou r hou rs . A nd it can give an alar m .
Key words :u ltrason ic sen so r ; co rrecti on device ; series comm un icati on