随着工农业的发展,土地开垦利用、地下水和石油天然气大量开采等引起的地面沉陷成为一种世界性的地质灾害,相应地对静力水准仪精度的要求也越来越高。本课题研制的超声波静力水准仪与传统的静力水准仪相比,具有精度高,抗干扰能力强,安装、维护、使用简便,稳定性好,环境适应性强的特点。 本课题首先分析了超声波静力水准仪的连通管测量原理,超声波传感器的特性以及超声波渡越时间法的测距原理,然后重点论述了系统的总体设计方案、硬件设计和软件设计,其中总体设计方案阐述了 MCU 测量装置整体构造,硬件总体设计方案和软件总体设计方案;系统的硬件设计包括超声波传感器的选择以及环境温度采集单元、超声波发射及驱动单元、超声波接收及回波检测单元、主要控制单元和通信单元;系统的软件设计包括超声波静力水准仪单片机编程、超声波静力水准仪 CPLD 软件设计以及基于Windows 2000 操作系统的上位机软件设计。最后由软、硬件的配合开发了超声波静力水准仪,并针对超声波静力水准仪进行了多个试验,分析了试验结果。 另外,在研制中为了提高测量精度,针对以往静力水准容易受温度影响而测量精度不高和环境适应性差的问题,本课题着重解决了以下几个方面的问题:⑴采用超声波时间差法,利用带有高频 100M 晶振的 CPLD 进行计时,计时精度高;⑵通过参考大量的文献资料和进行长时间的温度和超声波声速关系试验,得到精确温度和声速关系曲线,进一步提高超声波静力水准仪的精度;⑶采用自动增益控制,即回波信号的峰值电压经过采样后进入单片机进行 A/D 转换,再经过 D/A 转换和增益控制电路,形成回波增益的自动控制;⑷回波检测采用过第一负峰值的-0.2V 处作为检测到回波有效标志,并在计数 CPLD 中增加计数有效性判断,提高系统可靠性;⑸研究了超声波静力水准仪工作环境以及安装中易出现的一些误差源,提出了几种改进办法,促进超声波静力水准仪的可靠工作。 测试结果表明,本课题研制的超声波静力水准仪在下位机硬件、软件设计与上位机软件功能设计上,都达到了预期的效果,测量精度达到±0.2mm。