基于气介式超声波传感器的雨量液位测量系统设计

摘要：在分析传统雨量液位测量系统的基础上，使用气介式超声波传感器和AT89S52单片机设计了一种新型的雨量液位测量系统。采用超声波测距方法，实现雨量的高精度实时测量；利用固定挡板反射回波进行声速校正，解决了温度补偿精度的问题；采用外围保护装置，使该系统在恶劣环境中能正常使用。该系统还具有与PC机通信的功能，可实现低成本、远距离的控制和监测。
关键词：雨量液位测量；气介式超声波传感器；单片机；AT89S52

0 引言
降水量是用来衡量降水多少的一个概念，是指雨水(或融化后的固体降水)既不流走，也不渗透到地里，同时也不被蒸发掉而积聚起来的水的深度，通常以毫米为单位。雨量液位的测量是气象部门对天气系统分析研究的重要环节之一。传统使用的虹吸式、翻斗式的测量方法受外界因素的影响较大，另外使用电容传感器易受干扰，在暴雨、冰雹、雨雪天气误差较大时，其他一些方法则无法实现对雨量数据的实时观察与处理。超声波传感器以非接触、高可靠测量，解决了其他一些方式带来的缠绕、接触介质等问题。根据超声波换能器的安装位置来划分，又可分为气介式、固介式和液介式三种。其中，气介式是指探头安装在被测液面上方，超声波的传播介质为气体。因为气介式安装较其他几种方式最为方便灵活，故本系统设计采用气介式超声波传感器。然而在传统的超声波测量方法中常使用温度传感器测量，若在单片机中存表实现补偿，既增加了成本，也无法达到很高的精度要求，同时也无法实现远程通信的目的。针对上述问题，本系统设计给出了方案。

1 超声波测量的基本原理
根据声学原理，当声波从一种介质向另一种介质传播时，在两种密度不同、声速不同的介质界面上，会发生反射和折射。其反射率为：

当声波传播到水面时，R≈1。超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到的障碍物所反射的回波来测出发射和接收回波的时间差△t，然后求出距离S。测量雨量液位是属于测量面与点距离的性质，液位、换能器与换能器所在测量参考平面之间存在一个角度，其测量如图1所示。

式中：Y是换能器(R40和T40)之间的距离；So为测量三点构成的几何图形面积；X1为R40到测量反射点之间的距离；v为超声波在上层介质中传播的速度；△t为从发射到接收一次的传播时间；S为测量桶顶部距离液位的距离；H为桶顶部距离底部的距离；h为液位高度。