激光测距传感器在液位测量系统中的应用
激光测距传感器在液位测量系统中的应用
作者:常凤筠;崔旭东
0 引言
激光测距传感器因具有测距精度高、测量速度快、方向性好、设备结构简单等优点而受到广泛重视。利用激光的高方向性、高光度性等特点,可作为准确的激光测距仪器,激光测距仪已在航天、航海、军事、医疗、工业、铁路等领域占据了主要的地位。激光波束近似直线性,很少扩散,波束能量集中,传输距离远,即激光测距仪向目标发射激光脉冲信号,信号碰到目标后就被反射回来,通过测量激光往返目标所需时间来确定目标距离,使它成为检测距离的主要手段。工业生产中,常常需要测量容器内的液体液位,液位测量已在很多领域得到了广泛应用。
目前无论是开渠水位的测量、大型油罐液位的测量,还是小型容器液位的测量,或者其他液位系统的测量,都对测量精度提出了越来越高的要求。例如,石化部门使用的大型储油罐容量一般在1000~l00 000 m3 之间,很小的测量误差都将造成很大的绝对误差,因此提高液位测量的精度,不仅对储油罐的测量有很重要的意义,在其他液位测量系统中,也处于越来越重要的地位。本系统中选用 DIMETIX 公司的 DLS 激光传感器作为系统的激光发射源,该传感器是一种功能强大的测距设备,具有准确度高、测量距离长、无接触式测量等特点,坚固耐用,专为工业测量市场设计,该设备拥有许多好的性能。
1 测量原理
本系统主要由激光测距传感器,单片机,显示/控制面板三大部分组成。选用 DIMETIX 公司的DLS-A15 激光传感器作为本系统的激光发射源,选用 W77E58 单片机来控制激光测距传感器测距。激光测距传感器安装在水箱上方,负责测量自身到液面之间的距离,然后通过激光测距传感器自身的 RS232 口将数据传送给单片机,即传感器到液面的高度 H,可求得液体液位h。单片机还负责对显示和按键进行处理,为了更直观的反映出系统工作的状态和测距的实时数值,硬件设计中在工作台上添加了一块显示/控制面板。显示部分由液晶显示器 LCD2016 组成,包括系统液位的显示、时间显示,H1 为传感器到水箱底部的距离,H 为传感器到液面的距离,h 水箱底部到液面的距离即水位。
1.1 系统硬件的构成
激光液位仪的组成,液位测量仪由通信电路、键盘电路、显示电路、传感器等构成。
1.2 激光传感器
该系统选用了由瑞士莱卡公司生产的 DLS-A15 型激光测距传感器。DLS-A15 简介:DLS-A15激光测距传感器是近几年新的测距设备,该设备拥有许多好的性能,是一种当前先进的在线位置检测系统,具有惊人的测试精度和高的稳定性。由于是通过发射激光束至目标物体,利用反射光束准确计算距离,而且对目标物体的尺寸面积比超声波要求的面积小得多,使得对远距离的小尺寸物体位置检测成为可能。可广泛应用于工业液位、料位、生产线料坯传送定位,行吊 XY 定位,大型工件装配定位;超大物体几何计量,光散射试验,超声波特性试验,军事枪械校正,靶距自动控制,船舶安全靠距,集装箱定位等领域。由于是在线式连续检测,免去了像手持激光测距仪的人工点发,可无人值守连续监测,其位置数据还可传送到远程监控终端,是工业自动化和生产智能管理的理想仪器。 DLS-A15 型激光测距传感器测量精度达±1.5 mm,该激光测距传感器单次测距输入指令为 g<trm>,返回数据成功为 31..06+xxxxxxxx<trm>。DLS-A15 激光传感器基本特性是测程 0.2~300 mm、串行接口(RS232 或 RS422)、范围宽广的供电电压(9~30 V)、两个可编程数字输出端、数字输出错误信号、二等激光(<0.95 mW)、D 型接口和螺旋接线端便于连接。
1.3 通讯电路设计
通讯电路主要完成电平的转换与信息的传递。本系统的通讯电路为单片机与激光测距传感器之间的通信,而单片机与传感器之间的通信主要是依靠单片机的串行通信功能得以实现。
1.4 传感器的连接
DLS-A15 激光传感器的接口为 D 型接口,有RS232 和 RS422 两种形式的接口,在本系统中选用RS232 作为与单片机相连的接口。DLS-A 激光传感器与单片机电路连接,单片机把测距命令“g/n”送到数据缓冲器SBUF,通过串行口的 TXD 发射给激光测距传感器的 RXD,DLS-A15 接收到测距命令“g/n”后,开始发射激光,激光在空气中传播,遇到被测目标(液面)后被反射回来,反射回的激光被激光传感器接收,在激光传感器 DLS-A15 内部自动转换为一个系列代码,返回代码再由 RS232C 串行通讯传送给AT89C52,在单片机里判断返回的代码是否正确,若激光传感器返回代码为“31..06+ XXXXXXX”,则此次检测正确,若返回代码为 @EZZZ<Trstl>,则检测出错。若正确单片机对接收的代码进行处理,先去掉成功返回的 6 个标志位“31..06”,再接收 8 位数据位,8 位数据位 XXXXXXX 代表的距离单位分别是 100 m、10 m、m、dm、cm、mm、1/ mm、1/10 mm,此次设计最大距离是米且到 1/10 mm,所以从 8 位数据位中选择的是第 2 位到第 6 位,由程序对返回的代码处理得到的 5 位数据(m、dm、cm、mm、1/mm)即为激光到达测量目标(液面)的距离值,精度问题是研制测量仪时一直关心的问题,所测液位的最小分辨率为 0.1 mm,可达到测量的精度。
2 测距程序的设计
测距程序(telemeter.c)设计思想:此部分程序主要完成测距功能,把单片机机所测得的距离值进行显示。测距程序(tmeter.c)流程图,单片机机获取实际距离 getlength()子程序。
3 结论
激光传感器测距在各领域中得到广泛应用。本系统中激光测距传感器 DLS-A15 接到由单片机通过串口发出的发射命令后发射激光,发射回激光被激光传感器接收,通过传感器的内部具有的强大运算能力,将其距离转换成一系列代码,通过 RS232 口可直接将一系列代码传送给单片机,单片机对代码进行分析得到测得实际距离的数值。然后,单片机通过液晶显示器 LCD2016 将测出的液位、时间实时的显示出来。此外,在整个系统中设置了按键控制部分,工作人员可通过不同按键控制系统的多种工作状态,整个系统设计简单,操作方便,测距准确,其测量精度达到 1.5 mm。
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