基于氣介式超聲波傳感器的雨量液位測量系統(tǒng)設(shè)計

摘要：在分析傳統(tǒng)雨量液位測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，使用氣介式超聲波傳感器和AT89S52單片機(jī)設(shè)計了一種新型的雨量液位測量系統(tǒng)。采用超聲波測距方法，實(shí)現(xiàn)雨量的高精度實(shí)時測量；利用固定擋板反射回波進(jìn)行聲速校正，解決了溫度補(bǔ)償精度的問題；采用外圍保護(hù)裝置，使該系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中能正常使用。該系統(tǒng)還具有與PC機(jī)通信的功能，可實(shí)現(xiàn)低成本、遠(yuǎn)距離的控制和監(jiān)測。
關(guān)鍵詞：雨量液位測量；氣介式超聲波傳感器；單片機(jī)；AT89S52

0 引言
降水量是用來衡量降水多少的一個概念，是指雨水(或融化后的固體降水)既不流走，也不滲透到地里，同時也不被蒸發(fā)掉而積聚起來的水的深度，通常以毫米為單位。雨量液位的測量是氣象部門對天氣系統(tǒng)分析研究的重要環(huán)節(jié)之一。傳統(tǒng)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，其他一些方法則無法實(shí)現(xiàn)對雨量數(shù)據(jù)的實(shí)時觀察與處理。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的纏繞、接觸介質(zhì)等問題。根據(jù)超聲波換能器的安裝位置來劃分，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?yàn)闅饨槭桨惭b較其他幾種方式最為方便靈活，故本系統(tǒng)設(shè)計采用氣介式超聲波傳感器。然而在傳統(tǒng)的超聲波測量方法中常使用溫度傳感器測量，若在單片機(jī)中存表實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，既增加了成本，也無法達(dá)到很高的精度要求，同時也無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信的目的。針對上述問題，本系統(tǒng)設(shè)計給出了方案。

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

當(dāng)聲波傳播到水面時，R≈1。超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到的障礙物所反射的回波來測出發(fā)射和接收回波的時間差△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(gòu)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。