CN107576371A - 一种超声波液位测量方法和超声波液位测量装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种超声波液位测量方法和超声波液位测量装置，该方法包括：向待测液面发射超声波信号作为检测信号，接收经所述待测液面反射回的超声波回波信号，并将所述超声波回波信号转换为电信号，以得到反馈信号，将所述反馈信号与预定信号强度阈值进行比较，获取时间补偿因子Δt，计算测量传播时间，利用时间补偿因子Δt计算补偿时间并对测量传播时间进行补偿，然后计算得到精确的液面距离。本申请公开的一种超声波液位测量方法和基于该方法的超声波液位测量装置在不增加制造成本的情况下，使用简单易实现的装置，提高了超声波液位测量的稳定性和精确度。

Description

一种超声波液位测量方法和超声波液位测量装置

技术领域

本发明涉及超声波测距技术领域，具体涉及一种超声波液位测量方法和超声波液位测量装置。

背景技术

目前，在液体液位的测量应用中，由于超声波液位计具有非接触式测量，易维护，寿命长等优点，得到了越来越广泛的应用。超声波液位计通常采用差时法，即通过测量超声波从发送到接收的时间差，乘以超声波的传播速度，得到液面距离，从而计算被测液位值；但是受软硬件条件的影响，超声波传播时间的测量往往存在一定误差，使得超声波液位计的精确度和稳定性一直受到约束。

当前常见的解决方案有两种：一种方案是在超声波液位计下方设置一个已知距离的挡板，通过挡板的回波时间校正测量误差，这种方法在河道、窨井等实际应用中，具有较大的施工难度，很难实现；另一种方案是在超声波液位计上安装两个不同高度的超声波换能器，通过两者已知的距离差，并根据二者的超声波回波时间，校准测量误差，显然这种方法增加了超声波液位计的制造成本，也增加了后期维护难度。

因此，提供一种方便实现、不增加超声波液位计制造成本的超声波液位测量方法及和超声波液位测量装置是本领域亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种超声波液位测量方法及和超声波液位测量装置，解决了现有技术中超声波液位测量中校正测量误差时，施工难度大或者增加制造成本的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明提出一种超声波液位测量方法。

该测量方法包括：

向待测液面发射检测信号，其中，所述检测信号为超声波信号，发射所述检测信号的时间为第一时间点；

接收经所述待测液面反射回的超声波回波信号，并将所述超声波回波信号转换为电信号，以得到反馈信号，其中，所述反馈信号为振荡信号；

将所述反馈信号与预定信号强度阈值进行比较；

获取所述反馈信号首次大于所述预定信号强度阈值的时间，以得到第二时间点；

获取所述反馈信号大于所述预定信号强度阈值的持续时间，以得到时间补偿因子Δt；

计算所述第二时间点与所述第一时间点之间的时间差，得到测量传播时间t；

采用以下公式计算所述待测液面的液面距离L：其中，v为所述超声波信号在传输介质中的传播速度，λ为补偿时间，且λ＝f(x)|(x＝Δt)，且f(x)关于x单调递减。

进一步地，在将所述反馈信号与预定信号强度阈值进行比较的步骤之后，所述方法还包括：当所述反馈信号大于所述预定信号强度阈值时，产生一个脉冲信号；其中，获取所述反馈信号首次大于所述预定信号强度阈值的时间，以得到第二时间点的步骤包括：获取首个所述脉冲信号产生的时间，以得到所述第二时间点；获取所述反馈信号大于所述预定信号强度阈值的持续时间，以得到时间补偿因子的步骤包括：获取所述脉冲信号的持续产生时间，以得到所述时间补偿因子。

进一步地，在将所述反馈信号与预定信号强度阈值进行比较的步骤之前，所述方法还包括：采用放大电路将所述反馈信号进行放大；将所述反馈信号与所述预定信号强度阈值进行比较的步骤包括：将放大后的所述反馈信号与所述预定信号强度阈值进行比较；在将放大后的所述反馈信号与预定信号强度阈值进行比较的步骤之后，所述方法还包括：若在预定时间内没有产生所述脉冲信号，增大所述放大电路的增益。

进一步地，在增大所述放大电路的增益之前，所述方法还包括：判断所述放大电路的增益是否达到预定最大增益；其中，若所述放大电路的增益未达到所述预定最大增益，执行增大所述放大电路的增益的步骤，若所述放大电路的增益已达到所述预定最大增益，则产生报警信号。

进一步地，所述预定信号强度阈值的取值范围为超声波液位计最小量程对应的最大振幅的50％至75％，其中，所述超声波液位计最小量程对应的最大振幅为预定液面的液面距离等于所述超声波液位计最小量程，且所述放大电路的增益处于预定最小增益时，由所述预定液面反射回的超声波回波信号得到的振荡信号的最大振幅。

进一步地，所述预定时间的取值范围为超声波液位计最大量程对应的超声波传播时间，其中，所述超声波液位计最大量程对应的超声波传播时间为预定液面的液面距离等于所述超声波液位计最大量程，且所述放大电路的增益处于预定最大增益时，由所述预定液面反射回的超声波回波信号得到的振荡信号时，首次大于所述预定信号强度阈值的时间，与向所述预定液面发射超声波信号的时间之间的时间差。

进一步地，在计算补偿时间λ时，其中，a和b为常数。

进一步地，所述方法还包括确定a和b的值的步骤，包括：

根据预定液面的液面距离和所述超声波信号在传输介质中的传播速度计算所述超声波信号到达所述预定液面的实际传播时间；

获取所述预定液面对应的测量传播时间和时间补偿因子；

根据所述实际传播时间与所述测量传播时间的差和所述时间补偿因子确定a和b的值。

进一步地，在进行超声波液位测量过程中，测量环境温度值T；

采用以下公式计算所述超声波信号在当前环境温度下、在空气中的传播速度v：

其中，v₀表示0℃时所述超声波信号在空气中的传播速度。

为了解决上述技术问题，本发明还基于提出一种超声波液位测量装置，包括：

超声波发送电路，用于发送激励电信号至换能器；

换能器，用于根据所述激励电信号向待测液面发射检测信号，其中，所述检测信号为超声波信号，并用于接收经所述待测液面反射回的超声波回波信号，并将所述超声波回波信号转换为电信号，以得到反馈信号，其中，所述反馈信号为振荡信号；

比较器，用于将所述反馈信号与预定信号强度阈值进行比较；

中央处理器，用于记录发射所述检测信号的时间为第一时间点，记录取所述反馈信号首次大于所述预定信号强度阈值的时间，以得到第二时间点，记录所述反馈信号大于所述预定信号强度阈值的持续时间，以得到时间补偿因子Δt，并计算所述第二时间点与所述第一时间点之间的时间差，得到测量传播时间t，

采用以下公式计算所述待测液面的液面距离L：其中，v为所述超声波信号在传输介质中的传播速度，λ为补偿时间，且λ＝f(x)|(x＝Δt)，且f(x)关于x单调递减。

与现有技术相比，本发明的超声波液位测量方法及和超声波液位测量装置，实现了如下的有益效果：

通过计算补偿时间并修正测量传播时间而得到实际传播时间，减小了超声波传播时间测量的误差，提高了测量的精确度，与现有技术相比，在硬件上，不需要挡板，也不需要使用多个超声波换能器，方便实现、不增加超声波液位计制造成本，使用简单易实现的装置，提高了超声波液位测量的精度。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例1所述的超声波液位测量方法的流程图；

图2为本申请实施例2所述的超声波液位测量方法的流程图；

图3为本申请实施例3所述的超声波液位测量方法的流程图；

图4为不同强度回波信号产生的振荡信号与预定信号强度阈值比较生成脉冲信号对照图；

图5为液面距离与回波信号强度关系示意图；

图6为本申请实施例4所述的超声波液位测量装置的构成示意图；

图7为本申请实施例5所述的超声波液位测量装置的构成示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行详细说明。

实施例1

本申请实施例1是一种超声波测量液位方法，参见图1，该方法包括：

步骤S101，向液面发射检测信号，其中，所述检测信号为超声波信号，发射所述检测信号的时间为第一时间点；

步骤S102，接收经所述待测液面反射回的超声波回波信号，并将所述超声波回波信号转换为电信号，以得到反馈信号，其中，所述反馈信号为振荡信号；

步骤S103,将所述反馈信号与预定信号强度阈值进行比较；

步骤S104，获取所述反馈信号首次大于所述预定信号强度阈值的时间，以得到第二时间点；

步骤S105，获取所述反馈信号大于所述预定信号强度阈值的持续时间，以得到时间补偿因子Δt；

步骤S106，计算所述第二时间点与所述第一时间点之间的时间差，得到测量传播时间t；

步骤S107，采用以下公式计算所述待测液面的液面距离L：其中，v为所述超声波信号在传输介质中的传播速度，λ为补偿时间，且λ＝f(x)|(x＝Δt)，且f(x)关于x单调递减。

本实施例所述的超声波测量液位的方法，通过计算补偿时间并修正测量传播时间而得到实际传播时间，减小了超声波传播时间测量的误差，提高了测量的精确度，与现有技术相比，在硬件上，不需要挡板，也不需要使用多个超声波换能器，方便实现、不增加超声波液位计制造成本。

实施例2

一种用超声波测量液面距离的方法，其流程图参见图2，该方法包括:

步骤S201，向液面发射检测信号；

步骤S202，判断是否生成脉冲信号；

步骤S203，计算超声波传传播时间；

步骤S204，计算超声波速度；

步骤S205，判断接收电路增益是否最大；

步骤S206，增大接收电路增益；

步骤S207，产生报警信号；

步骤S208，给出液面距离测量结果；

上述步骤S201中，向液面发射检测信号，其中所述检测信号为的超声波，发射所述检测信号的时间为第一时间点，然后转至步骤S202。

上述步骤S202中，以上述步骤S201中的第一时间点开始，在预定时间t_max内，如果生成脉冲信号，则转至步骤S203；如果未生成脉冲信号，则转至步骤S206。

进一步，上述步骤S202中，生成脉冲信号的过程具体是：

上述步骤S201中发射的检测信号遇到液面时反射形成回波信号，该回波信号经接收产生反馈信号并传送给接收电路再由接收电路输出，该接收电路为增益可调的放大电路，该反馈信号为振荡信号；通过实验发现，该反馈信号波形如图4所示，将该放大的反馈信号与预定信号强度阈值进行比较，比较方式如图4示，当反馈信号大于预定信号强度阈值时，生成脉冲信号，记录该脉冲信号的持续时间，记为Δt。

进一步，将上述步骤S202中，所述反馈信号首次大于所述预定信号强度阈值的时间点作为第二时间点，计算所述第二时间点与所述第一时间点之间的时间差，得到测量传播时间t。

进一步，将上述步骤S202中，预定信号强度阈值的取值范围为超声波液位计最小量程对应的最大振幅的50％至75％，其中，所述超声波液位计最小量程对应的最大振幅为预定液面的液面距离等于所述超声波液位计最小量程，且所述放大电路的增益处于预定最小增益时，由所述预定液面反射回的超声波回波信号得到的振荡信号的最大振幅。

进一步，将上述步骤S202中，所述预定时间的取值为超声波液位计最大量程对应的超声波传播时间，其中，所述超声波液位计最大量程对应的超声波传播时间为预定液面的液面距离等于所述超声波液位计最大量程，且所述放大电路的增益处于预定最大增益时，由所述预定液面反射回的超声波回波信号得到的振荡信号时，首次大于所述预定信号强度阈值的时间，与向所述预定液面发射超声波信号的时间之间的时间差。

上述步骤S203中，如果生成脉冲信号，则计算超声波传播时间，计算所述第二时间点与所述第一时间点之间的时间差，得到测量传播时间t；计算补偿时间λ，其原理及算法如下：

在所述接收电路增益为某值时，能生成脉冲信号的液面距离范围内，由于超声波及其回波信号在传播过程中有衰减，故待测的液面距离不同，接收到的回波信号强度也不同；通常，液面距离越远，接收到回波信号强度越小，相应的，所产生振荡信号的强度也越小；如图4所示，生成的脉冲信号的持续时间与振荡信号的强度相关，强度越小的振荡信号与预定信号强度阈值进行比较而生成的脉冲信号的持续时间越小。振荡信号A的强度大于振荡信号B的强度，对应生成的脉冲信号A的持续时间大于脉冲信号B的持续时间；另外，如图4所示，回波信号经接收产生的振荡信号的强度越小，从接收回波信号到生成脉冲信号之间的延时t₀也就越长，即生成的脉冲信号越延后，从而使测得的超声波从发射到接收的测量传播时间t与超声波的实际传播时间相比的误差越大；总之，在接收电路增益为某值时，能生成脉冲信号的液面距离范围内，液面距离越远，回波信号的强度越小，所产生的振荡信号的强度越小，所生成的脉冲信号的持续时间越小，且生成脉冲信号的时间越延后，从而导致超声波的测量传播时间的误差越大。

综上所述，可使用脉冲信号的持续时间对超声波的测量传播时间进行补偿，即补偿时间λ＝f(x)|(x＝Δt)，且f(x)关于x单调递减；用该补偿时间对超声波的测量传播时间t进行补偿，可减小超声波的测量传播时间的误差，从而补偿后的超声波实际传播时间t_total为t_total＝t+λ。

通过实验发现，如图5所示，液面距离和回波信号强度之间呈指数关系；因此，在计算补偿时间λ时，可用以下公式作为时间补偿公式计算补偿时间：

其中，参数a、b为常数，与待测液面距离的液体的超声波反射强度有关；参数a、b获得方法如下，根据预定液面的液面距离和所述超声波信号在传输介质中的传播速度计算所述超声波信号到达所述预定液面的实际传播时间；获取所述预定液面对应的测量传播时间和时间补偿因子；根据所述实际传播时间与所述理论传播时间的差和所述时间补偿因子确定a和b的值。

在上述步骤S203中，脉冲信号持续时间x取值为Δt时，即将x＝Δt代入公式λ＝f(x)|(x＝Δt)计算得到补偿时间：

为了便于运算，可将上式按麦克劳林展开为带有佩亚诺(Peano)余项的泰勒级数：

则当x取值为Δt时，时间补偿因数为：

上述步骤S204中，测量得到当前环境温度值T(℃)，采用以下公式计算所述超声波信号在当前环境温度下、在空气中的传播速度v：

其中，v₀表示0℃时超声波在空气中的速度，v₀＝331.45m/s。

上述步骤S205，判断接收电路增益是否已最大，如果未调至最大，则转至步骤S206；如果已调至最大，则转至步骤S207，其中，所述接收电路为增益可调放大电路。

上述步骤S206，调高接收电路增益，然后转至步骤S201，重新向液面发射检测信号；具体地，回波信号经接收产生振荡信号，如果该振荡信号经过接收电路放大后小于预定信号强度阈值，将无法生成脉冲信号，此时可通过调高接收电路增益，可使得回波信号经接收产生的振荡信号经过接收电路更大倍数地放大，使距离较远衰减较大的回波信号也能生成脉冲信号，从而提高了回波信号的接收质量。

上述步骤S207，接收电路增益已是最大，则表明被测液面距离大于所述超声波液位计最大量程，产生报警信号，并转至步骤S208。

上述步骤S208，如果转自步骤S204，则被测液面距离为超声波传播总时间t_total与超声波速度v的乘积的一半，即被测液面距离L为：

如果转自步骤S207，则被测液面距离大于超声波液位计最大量程L_max。，即液位面距离L＞L_max。

本实施例提供的超声波液位测量方法，通过采用放大电路有效地改善超声波回波信号接收质量，从而提高了测量的稳定性；同时，通过计算补偿时间对超声波的测量传播时间进行补偿，减小了超声波传播时间测量的误差，提高了测量的精确度。

实施例3

本申请实施例3是一种更优选超声波液位测量方法，其流程图参见图3，该方法包括：

步骤S301，测量环境温度，计算超声波速度，其中，测得环境温度值T，则超声波在当前环境温度下在空气中的传播速度v为：

其中，其中，v₀表示0℃时所述超声波信号在空气中的传播速度；

步骤S302，确定预定信号强度阈值，其中，所述预定信号强度阈值的取值范围为超声波液位计最小量程对应的最大振幅的50％至75％，所述超声波液位计最小量程对应的最大振幅为预定液面的液面距离等于所述超声波液位计最小量程，且所述放大电路的增益处于预定最小增益时，由所述预定液面反射回的超声波回波信号得到的振荡信号的最大振幅。

步骤S303，获取补偿参数，具体地，根据预定液面的液面距离和所述超声波信号在传输介质中的传播速度计算所述超声波信号到达所述预定液面的实际传播时间；计算所述预定液面对应的测量传播时间和时间补偿因子；根据所述实际传播时间与所述理论传播时间的差和所述时间补偿因子的关系确定补偿参数a和b的值；

步骤S304，向液面发射检测信号，并获取第一时间点，其中述检测信号为超声波信号，发射所述检测信号的时间为第一时间点；

步骤S305,获取反馈信号，具体地，接收经所述待测液面反射回的超声波回波信号，并将所述超声波回波信号转换为电信号，以得到反馈信号，其中，所述反馈信号为振荡信号；

步骤S306，将反馈信号经接收电路放大与预定信号强度阈值比较，其中，所述接收电路为增益可调的放大电路；

步骤S307，判断是否生成脉冲信号，具体地，在将所述反馈信号与预定信号强度阈值进行比较的步骤之后，当在预定时间内，反馈信号大于所述预定信号强度阈值时，产生脉冲信号；其中，所述预定时间的取值为超声波液位计最大量程对应的超声波传播时间，其中，所述超声波液位计最大量程对应的超声波传播时间为预定液面的液面距离等于所述超声波液位计最大量程，且所述放大电路的增益处于预定最大增益时，由所述预定液面反射回的超声波回波信号得到的振荡信号时，首次大于所述预定信号强度阈值的时间，与向所述预定液面发射超声波信号的时间之间的时间差。

步骤S308，获取第二时间点和时间补偿因子，具体地，所述反馈信号首次大于所述预定信号强度阈值的时间，作为第二时间点；获取所述脉冲信号的持续产生时间，作为所述时间补偿因子；

步骤S309，计算所述第二时间点与所述第一时间点之间的时间差，得到测量传播时间t；

步骤S310，计算补偿时间，具体地，脉冲信号持续时间x取值为Δt时，即将x＝Δt代入公式λ＝f(x)|(x＝Δt)计算得到补偿时间；

为了便于运算，可将上式按麦克劳林展开为带有佩亚诺(Peano)余项的泰勒级数：

则当x取值为Δt时，时间补偿因数为：

步骤S311，判断接收电路增益是否最大，其中，所述接收电路为增益可调的放大电路，具体方法是，判断所述放大电路的增益是否达到预定最大增益，如果未达到，则转至步骤S312，如果达到，则转至步骤S313。

步骤S312，调高接收电路增益，然后转至步骤S304。

步骤S313，产生报警信号，然后转至步骤S314。

步骤S314，给出液面距离测量结果，具体地，转自步骤S313，即产生报警信号，则液面距离L距离大于最大量程L_max，即L＞L_max；如果转自步骤S310，则利用公式计算待测液面的液面距离。

本实施例提供的超声波液位测量方法，通过采用接收电路放大反馈信号有效地改善超声波回波信号接收质量，从而提高了测量的稳定性；同时，通过计算补偿时间对超声波的测量传播时间进行补偿，减小了超声波传播时间测量的误差，提高了测量的精确度。

实施例4

本申请实施例4根据实施例1所述方法提供了一种超声波液位测量装置，参考图6，该装置包括：中央处理器10、超声波发送电路20、换能器30、比较器40；

其中，中央处理器10与超声波发送电路20相连，能够控制超声波发送电路；中央处理器10与比较器40相连，能够接收比较器40传送的信号；中央处理器10还有计时、数据运算等功能。

超声波发送电路20，与中央处理器10相连，可接收中央处理器10的指令；超声波发送电路20与换能器30相连，能够发送激励电信号至换能器30；

换能器30，与超声波发送电路20相连，可接收超声波发送电路20的传送的激励电信号，并根据激励电信号生成超声波信号作为向待测液面发射检测信号；换能器30还能接收经所述待测液面反射回的超声波回波信号，并将所述超声波回波信号转换为电信号，作为反馈信号，其中，所述反馈信号为振荡信号；

比较器40与换能器30相连，能够接收换能器30传送的反馈信号，可将该反馈信号与预定信号强度阈值进行比较；当反馈信号大于预定信号强度阈值时，比较器40生成脉冲信号；比较器40与中央处理器10相连，能够将生成的脉冲信号传送给中央处理10。

本实施例装置测量液面距离的过程如下：

中央处理器10发送测量指令给超声波发送电路20，超声波发送电路20接收测量指令后发送激励电信号给换能器30，使换能器30产生超声波信号作为检测信号向液面发射，中央处理10同时应记录发射所述检测信号的时间作为第一时间点；所述检测信号遇到液面反射形成超声波回波信号被换能器30接收，换能器30将该超声波回波信号转换为电信号，作为反馈信号，并将该反馈信号传送给比较器40，当反馈信号大于预定信号强度阈值时，比较器40生成脉冲信号并将该脉冲信号传送给中央处理器10，中央处理器10记录取所述反馈信号首次大于所述预定信号强度阈值的时间作为第二时间点；同时中央处理器10应记录所述反馈信号大于所述预定信号强度阈值的持续时间，以得到时间补偿因子Δt；中央处理器10并计算所述第二时间点与所述第一时间点之间的时间差，得到测量传播时间t；采用以下公式计算所述待测液面的液面距离L：其中，v为所述超声波信号在传输介质中的传播速度，λ为补偿时间，且λ＝f(x)|(x＝Δt)，且f(x)关于x单调递减。

与现有技术相比，本实施例使用简单易实现的装置，提高了超声波液位测量的精确度。

实施例5

本发明实施例2采用上述实施例1的方法提供了一种超声波液位测量装置，用于测量液面距离，其构成示意图如图7所示，包含中央处理器10、超声波发送电路20、换能器30、比较器40、超声波接收电路50、增益控制模块60、温度测量模块70。

其中，温度测量模块70、超声波发送电路20、比较器40、增益控制模块60分别与中央处理器10连接，并可相互通信。

换能器30与超声波发送电路20，可接收超声波发送电路20传递的信号然后发出超声波；换能器30和超声波接收电路50相连，可接收超声波反射的回波信号并振荡信号，然后传递给超声波接收电路50；另外，回波信号的强度越小，则换能器30产生的振荡信号的强度越小。

超声波接收电路50可接收换能器30传递的振荡信号，然后将该振荡信号放大并传递给比较器40。

比较器40中可设置预定信号强度阈值，比较器40接收超声波接收电路50传递的放大的振荡信号后，将该振荡信号与设置的预定信号强度阈值进行比较，当放大的振荡信号大于预定信号强度阈值时，比较器40生成脉冲信号并将此脉冲信号传递给中央处理器10。

增益控制模块60与超声波接收电路50相连，增益控制模块60根据中央处理器10的指令调节超声波接收电路50的增益。

测量开始时，中央处理器10产生1个以上与换能器30相同频率的PWM方波信号，PWM方波信号经过超声波发送电路20放大处理后，传输到换能器30，激励换能器30发出一簇超声波并向待测液面发射，同时中央处理器10记录换能器30发射超声波的起始时间作为第一时间点；换能器30发出的超声波在遇到液面后发生反射形成回波信号，回波信号回到换能器30后，换能器30产生一簇振荡信号，振荡信号经过超声波接收电路50放大处理后传递给比较器40；当该振荡信号强度超过比较器40中的预定信号强度阈值时，比较器40生成一个脉冲信号，传递给中央处理器10；中央处理器10记录生成脉冲信号的起始时间作为第二时间点；计算所述第二时间点与所述第一时间点之间的时间差，即可得到测量传播时间t；中央处理器10记录接收到的脉冲信号的持续时间，记为Δt，代入时间补偿公式λ＝f(x)|(x＝Δt)，计算补偿时间λ：

为了便于运算，可将上式按麦克劳林展开为带有佩亚诺(Peano)余项的泰勒级数：

则当x取值为Δt时，时间补偿因数为：

对超声波测量传播时间进行补偿，得到超声波实际传播时间为t_total：

t_total＝t+λ

通过温度测量模块70测量得到当前空气的温度T(℃)，根据超声波速度与温度公式计算得到当前的超声波速度v：

其中，v₀表示0℃时超声波在空气中的速度，v₀＝331.45m/s。

被测液面距离为超声波传播时间t_total与超声波速度v的乘积的一半，即被测液面距离L为：

如果中央处理器10启动超声波传播计时起的t_max时间内，中央处理器10未接收到脉冲信号，则中央处理器10通过与增益控制模块60之间的通信判断超声波接收电路50的增益是否调到了最大；若未调到最大，则增益控制模块60根据中央处理器10的命令调高超声波接收电路50的增益，然后测量重新开始。

如果超声波接收电路50增益调到了最大，在中央处理器10启动超声波传播计时起的t_max时间内，中央处理器10仍未接收到脉冲信号，则中央处理器10产生报警信号，此时测液面距离超出最大量程L_max，即液面距离L＞L_max。

本实施例中的超声波液位测量装置通过调节超声波接收电路的增益，能有效的改善超声波回波信号的接收效果，从而提高了测量的稳定性；同时，对超声波的测量传播时间进行补偿，能有效的减小超声波传播时间测量的误差，提高了测量的精确度。

虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种超声波液位测量方法，其特征在于，包括：

向待测液面发射检测信号，其中，所述检测信号为超声波信号，发射所述检测信号的时间为第一时间点；

接收经所述待测液面反射回的超声波回波信号，并将所述超声波回波信号转换为电信号，以得到反馈信号，其中，所述反馈信号为振荡信号；

将所述反馈信号与预定信号强度阈值进行比较；

获取所述反馈信号首次大于所述预定信号强度阈值的时间，以得到第二时间点；

获取所述反馈信号大于所述预定信号强度阈值的持续时间，以得到时间补偿因子Δt；

计算所述第二时间点与所述第一时间点之间的时间差，得到测量传播时间t；

采用以下公式计算所述待测液面的液面距离L：其中，v为所述超声波信号在传输介质中的传播速度，λ为补偿时间，且λ＝f(x)|(x＝Δt)，且f(x)关于x单调递减。

2.根据权利要求1所述的超声波液位测量方法，其特征在于，

在将所述反馈信号与预定信号强度阈值进行比较的步骤之后，所述方法还包括：当所述反馈信号大于所述预定信号强度阈值时，产生一个脉冲信号；

其中，获取所述反馈信号首次大于所述预定信号强度阈值的时间，以得到第二时间点的步骤包括：获取首个所述脉冲信号产生的时间，以得到所述第二时间点；

获取所述反馈信号大于所述预定信号强度阈值的持续时间，以得到时间补偿因子的步骤包括：获取所述脉冲信号的持续产生时间，以得到所述时间补偿因子。

3.根据权利要求2所述的超声波液位测量方法，其特征在于，

在将所述反馈信号与预定信号强度阈值进行比较的步骤之前，所述方法还包括：采用放大电路将所述反馈信号进行放大；

将所述反馈信号与所述预定信号强度阈值进行比较的步骤包括：将放大后的所述反馈信号与所述预定信号强度阈值进行比较；

在将放大后的所述反馈信号与预定信号强度阈值进行比较的步骤之后，所述方法还包括：若在预定时间内没有产生所述脉冲信号，增大所述放大电路的增益。

4.根据权利要求3所述的超声波液位测量方法，其特征在于，

在增大所述放大电路的增益之前，所述方法还包括：判断所述放大电路的增益是否达到预定最大增益；

其中，若所述放大电路的增益未达到所述预定最大增益，执行增大所述放大电路的增益的步骤，若所述放大电路的增益已达到所述预定最大增益，则产生报警信号。

5.根据权利要求3所述的超声波液位测量方法，其特征在于，

所述预定信号强度阈值的取值范围为超声波液位计最小量程对应的最大振幅的50％至75％，其中，所述超声波液位计最小量程对应的最大振幅为预定液面的液面距离等于所述超声波液位计最小量程，且所述放大电路的增益处于预定最小增益时，由所述预定液面反射回的超声波回波信号得到的振荡信号的最大振幅。

6.根据权利要求3所述的超声波液位测量方法，其特征在于，

所述预定时间的取值为超声波液位计最大量程对应的超声波传播时间，其中，所述超声波液位计最大量程对应的超声波传播时间为预定液面的液面距离等于所述超声波液位计最大量程，且所述放大电路的增益处于预定最大增益时，由所述预定液面反射回的超声波回波信号得到的振荡信号时，首次大于所述预定信号强度阈值的时间，与向所述预定液面发射超声波信号的时间之间的时间差。

7.根据权利要求1所述的超声波液位测量方法，其特征在于，

在计算补偿时间λ时，其中，补偿参数a和b为常数。

8.根据权利要求7所述的超声波液位测量方法，其特征在于，所述方法还包括确定补偿参数a和b的值的步骤，包括：

根据预定液面的液面距离和所述超声波信号在传输介质中的传播速度计算所述超声波信号到达所述预定液面的实际传播时间；

获取所述预定液面对应的测量传播时间和时间补偿因子；

根据所述实际传播时间与所述理论传播时间的差和所述时间补偿因子确定a和b的值。

9.根据权利要求1所述的超声波液位测量方法，其特征在于，

所述方法还包括：在进行超声波液位测量过程中，测量环境温度值T；

采用以下公式计算所述超声波信号在当前环境温度下、在空气中的传播速度v：

<mrow> <mi>v</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>v</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msqrt> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mfrac> <mi>T</mi> <mn>273.15</mn> </mfrac> </mrow> </msqrt> <mo>,</mo> </mrow>

其中，v₀表示0℃时所述超声波信号在空气中的传播速度。

10.一种超声波液位测量装置，其特征在于，包括：

超声波发送电路，用于发送激励电信号至换能器；

所述换能器，用于根据所述激励电信号向待测液面发射检测信号，其中，所述检测信号为超声波信号，并用于接收经所述待测液面反射回的超声波回波信号，并将所述超声波回波信号转换为电信号，以得到反馈信号，其中，所述反馈信号为振荡信号；

比较器，用于将所述反馈信号与预定信号强度阈值进行比较；

中央处理器，用于记录发射所述检测信号的时间为第一时间点，记录取所述反馈信号首次大于所述预定信号强度阈值的时间，以得到第二时间点，记录所述反馈信号大于所述预定信号强度阈值的持续时间，以得到时间补偿因子Δt，并计算所述第二时间点与所述第一时间点之间的时间差，得到测量传播时间t，

采用以下公式计算所述待测液面的液面距离L：其中，v为所述超声波信号在传输介质中的传播速度，λ为补偿时间，且λ＝f(x)|(x＝Δt)，且f(x)关于x单调递减。