超声波液位计在隧道积水监测中的应用

隧道积水深度的远程监测对于交通事故的发生具有重要防范意义。该系统通过前端超声波液位计将水深这一物理量转换为电信号，经过简单处理后传输给后级主控芯片做进一步处理，把模拟量转换为数字量，之后利用集成的无线通信模块完成数据传输。

考虑到阴雨天气情况下较为密闭的隧道内网络信号质量不稳定问题，以及LoRa技术的远距离、低功耗、低成本、可靠性高等特性，可以同时兼顾更长的隧道距离和更低的功耗，系统选用LoRa模块作为第一步无线传输，再将隧道外部的接收端LoRa与4G通信模块进行集成，将信息传输到控制中心，接着由相关部门利用广播电台发出警示信息，同时隧道远处的可变情报板上会提供行车建议，搭建完备的城市隧道积水远程监控系统。超声波液位计输出电流信号，经过简单信号处理转换为电压信号，然后传输给后一级。主控芯片选用TI设计生产的MSP430系列单片机，芯片内集成的ADC模块完成模数转换后，利用串口与无线通信模块进行信息交换。

目前市面上进行液位测量时，根据测量应用需求的不同和测量原理的差异性，主要有浮力式、电容式、激光式液位传感器等。随着超声波技术的发展，超声波液位测量方法得到了普遍的应用。相较于其他测量技术，其最大特性为无需接触介质就能满足大部分测量环境要求，且对待测环境影响较小，同时避免了压力式、浮力式等传统测量方式可能出现的缠绕、堵塞、介质腐蚀、维护不便等不足。就隧道积水监测这一应用而言，考虑到大部分时间下隧道内出现积水的可能性极低，该系统选择超声波液位测量方法。

超声波液位计采用四线制输出接口，分别为电源正、电源负、输出正以及输出负，将声信号转换为4~20mA的电流信号。在实际使用过程中，通常将电源负和输出负短接。测量原理图如图1所示。

传感器安装在隧道内最低处的正上方，探头产生超声脉冲波，通过媒介传递到被测液面，然后被反射回传感器，利用式（1）可以计算出液位高度：h=H-L=H-v×t/2（1）

其中，h为液面实际高度，H表示探头端面到底部的总高度，L表示探头端面到液面的距离（超声波传输距离的一半），v表示超声波传输速度，t表示超声波传播时间。

审核编辑 黄昊宇