在工程建筑行业，如果混凝土质量不过关，会存在重大的安全隐患。因此，在生产混凝土时，混凝土各组成物料的精确计量是混凝土质量的基本保证，为此，《GB10172—1988 混凝土搅拌站(楼)技术条件》对生产混凝土的搅拌设备规定了具体的计量精度要求。而沙子是混凝土各组成物料之一，不言而喻，沙子的精确计量是保证混凝土质量的重要因素。

目前，砂石料的计量方式大都是称量式，此方法由于沙子含水量等问题，计量误差较大，且结构复杂、笨重。而超声波系统具有精度高、恶劣环境适应能力强、设备轻便、安装与调试简单，易于读数和测量时不与被测介质直接接触等特点。仅在物位测量方面，在多种物料中获得成功应用，例如：煤仓煤位监测和液位检测。

1 超声波测量沙子料位的理论依据

超声波测距有时间差法、相位法等，由于时间差法成本低、实现简单、应用的测距范围大，故本文选用该法。见图l，即将超声波发射端和接收端同时装在盛沙料斗顶部，发射端发出超声脉冲，遇到沙子界面反射回来，电子单元计算发射端发出信号和接收端收到信号的时间差t，得沙子界面到料斗顶部距离h=vt／2，进而得到料位L=H-h，其中，为超声波在空气中的传播速度，J为料位高度，为料斗高度。

图 1 超声波测料位示意图

2 提高整体精度关键

2．1 温度补偿设计

温度是影响超声波测量误差的一个主要原因，在空气中超声波传播速度因温度不同而不同，所以，在设计中需要温度传感器测出料斗上方环境温度，进行声速补偿。

另外考虑到在实际应用中有时料斗较大，测量距离也较大，难于测量温度分布，此时可加装自动校准装置。需要注意校准装置的适当安装，避免校准回波和主回波混迭。

2．2 自动增大回波幅值

虽然此系统用于料斗出料时测量沙子用量多少，可以避免超声波传感器受到测量方向上的阻碍物、测量介质堆积形状等的影响。但沙子界面凸凹不平，极为粗糙，反射波信号微弱，另外，远距离测量时回波也会减弱 j。所以，在这里采用了自动增益控制电路，使接收回波的幅值基本保持不变，再通过整形电路输出，以提高测量精度 _8]。

3 系统硬件设计

采用台湾华邦公司生产的高速单片机W77E58测量超声波的传播时间，测量分辨率为0.1s。环境温度20℃时超声波速度为343．6m／s，1mm距离的传播时间为 2．91 s。因此，采用 W77E58计时，完全可以保证测量精度。测量沙子料位下位机系统设计见图 2

3．1 超声波发射与接收模块

3．2 测温模块

3．3 自动增益控制模块

4 系统软件设计

主程序是整个控制系统的核心，通过调用模块子程序来驱动各个模块的硬件电路正常工作，以此来达到实时测量显示沙子料位的功能。实际中通过计算可以显示沙子用量多少，并加以控制。主程序流程图见图4，其中自动增益电路的软件实现采用逐步逼近的方法

图 4 系统主程序流程图

5 实验结果

在实验室用了一个形状规则的圆筒作为模拟料斗进行多次测量，随着料斗不断地出料，显示器显示出了不同料位。

为了尽可能地减少测量误差，安装时传感器尽可能地与地面平行，且安装高度不能过低；为减小超声波旁瓣的影响，超声波传感器的2个探头之间的距离要大于 3cm，实验时距离。在室温25℃的情况下，测量超声波探头到料面距离数据见表 1。

表 1 超声波探头到料面距离 h数据与误差

通过实验可得，此系统测得距离h精度达到1mm，且重复性好。20mm以内为测量盲区，相对较小。

显然，料位高度乘以料斗有效面积得到沙子的体积，沙子的体积乘以沙子的密度即得到料斗内沙子质量G。所以，既可以通过计算机监控料斗内沙量剩余多少，也可以通过计算监控沙子用料多少，进而实现各种场合中沙子的精确配比。

6 结束语

1)本文设计了一基于超声波传感器的测距系统，用于沙子料位的连续测量；采用了高速单片机自动增益电路。经过测试，系统精度较高，测量误差达到了最小级。该系统还可与上位机进行通信，扩展成具有存贮、打印输出、越位报警等各种功能。

2)此料位测量系统适用于大多数固体料位，如水泥和谷类等极干燥和多尘的材料，甚至动态条件下的料位测量。

3)为进一步提高精度，应考虑环境的湿度。因为超声波在液体和固体中的传播速度更快；同时还应考虑基准误差，实际测量距离应当是压电晶片到障碍物之间的距离，由于压电晶片在探头内部，导致了基准的误差。

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