高精度測量超聲波在液體中的傳播速度

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1、. 高精度測量超聲波在液體中的傳播速度 電子科技大學電子工程學院 海偉 朱曉波 邱攀 指導教師 郭萬有 高精度測量超聲波在液體中的傳播速度 電子科技大學電子工程學院 海偉 朱曉波 邱攀 摘要 超聲檢測技術就是利用超聲波在媒質中的傳播特性〔聲速、聲衰減、聲阻抗等〕來獲取媒質中的一些非聲學信息〔如濃度、密度、硬度、彈性、溫度等〕。液體介質的彈性模量和聲速后就可以求出液體的密度。超聲波的聲速應用在對原油含水率的準確檢測、非侵入式壓力檢測、漿體濃度檢測等相當多的領域都有廣泛的應用。本文正是從上述應用背景出發(fā)，研究了一種基于聲循環(huán)法的超聲波測速系統(tǒng)。下列圖是聲循環(huán)法測量

2、超聲波傳播時間的框圖： 圖1 聲循環(huán)法測量超聲波傳播時間的框圖 高頻脈沖發(fā)生器通過發(fā)射換能器產生超聲波脈沖，在液體中傳播一段距離后，被接收換能器接收。經放大，整形和鑒別后重新去觸發(fā)高頻脈沖發(fā)生器，產生下一個超聲脈沖。這樣的過程不斷地循環(huán)進展，就可以得到一系列脈沖，脈沖的重復周期T根本上等于超聲波在液體中傳播固定距離L所需的時間。用頻率計測量這一脈沖系列的重復頻率f或是測量得到周期T，就可以計算出超聲波的速度V。假定我們沒有進展循環(huán)，且設設備的時間測量精度1us,超聲波的傳播時間是100us，則直接測量一次得到的有效值是99us或是101us。但是采用循環(huán)法〔假定循環(huán)1000圈〕后，則該裝置

3、測得的實際傳播一圈的平均時間應為99.999us或是100.001us，因此該方法能有效地提高測量的分辨率。同時該方法對元器件要求不高，也就是說容易用低性能的元器件構造高品質的測量電路，因此比擬試用于專業(yè)儀表的開發(fā)，例如牛奶分析儀。 當然，實際上使用該方法所測得的時間周期不僅僅是超聲波在液體中的延遲時間，還包括超聲波在換能器，耦合層中的時間延遲以及電信號在電路中的時間延遲等等。但是那些都是ns級或是ps級的，對我們的測量結果影響不大。 聲循環(huán)法測量原理 我們采用如下所示的圖來說明測量超聲波傳播時間方案的原理。在接收信號中，由于承受的的超聲波信號是波動信號，為確定時間完畢點，這里采用電壓比

4、擬器，只要設定適宜的比擬電位，A點表示測量起始時刻，B點表示測量完畢時刻，而閥門脈沖是計數器的使能信號，當該信號為高電平時計數器工作在計數狀態(tài)，假設該信號為低電平則計數器停頓計數。時鐘脈沖是由有源晶振輸出的周期性脈沖信號，它是作為時鐘信號使用的。 在起始時刻A，發(fā)射電路發(fā)射一個脈沖信號，發(fā)射探頭隨即產生超聲波信號，該信號穿透液體傳播到接收探頭。在發(fā)射超聲波的階躍信號觸發(fā)發(fā)射電路發(fā)射超聲波的同一時刻，閥門翻開，計數使能信號使計數觸發(fā)到允許狀態(tài)，計時器開場對時鐘信號進展計數。此次發(fā)射的超聲波信號最終傳播到接收探頭處并被接收電路接收，在形成對應階躍信號的B時刻，再次去觸發(fā)發(fā)射電路，新的超聲波信

5、號由發(fā)射探頭發(fā)射出來，而計數器的使能信號不變，這樣重復前面的過程，整個裝置就處于不停"循環(huán)〞的工作過程中。此裝置的測量停頓時刻并不是在接收探頭承受的的第一個超聲波信號產生的脈沖階躍邊沿，而是由預先設定的*個超聲波信號產生的脈沖觸發(fā)使計時停頓。這期間，計數器記錄的數字脈沖信號總個數并不對應于A時刻到B時刻的時間，而是當計數器起始時刻到停頓時刻的時間，假設在測量開場后，到計數器停頓時接收電路承受到N個超聲波信號，且期間計數器計數的總時鐘脈沖數為n,時鐘脈沖頻率為f,則超聲波信號傳播一次的時間即為平均值： 以上就是聲循環(huán)法測量的原理。由于可以選用頻率比擬高、穩(wěn)定性好的有源晶振作時鐘脈沖源，即使得上

6、式中的f值為恒定值，所以只要準確地測定N、n值就可以比擬好地減小隨機干擾對測量的影響，這就是循環(huán)測量方法比擬突出的優(yōu)點。 圖2 聲循環(huán)法測量時序圖 根據聲循環(huán)法的思想，總結以上是研究工作，可以將基于聲循環(huán)法的時間測量裝置表達為如下所示的構造。 圖中的超聲波循環(huán)模塊由超聲波發(fā)生器和接收電路組成，超聲波發(fā)生器發(fā)射出超聲波，通過液體后傳播到接收探頭處，接收探頭接收超聲波信號并經過處理后輸出鼓勵信號使得超聲波發(fā)生器再次發(fā)射出超聲波，模塊重復以上過程，則超聲波信號處于不斷地循環(huán)中。計時模塊可用于測量計時開場和完畢信號之間的時間，只要開場信號對應于超聲波發(fā)生器發(fā)射超聲波的時刻，使完畢信號對應于接收

7、探頭接收到超聲波信號的時刻，則計時器的結果就是超聲波傳播的時間了?？刂茊卧潜ＷC電路順利工作的重要構造，它既是實現電路控制，測量結果處理的核心，也是對外的接口，實現顯示，與微機通訊，接收操作輸入等功能。單片機以其集成度高，功能齊全，編程靈活等優(yōu)點，成為實現這一功能塊的適宜選擇，而且可編程的優(yōu)點為設計改良開發(fā)提供了平臺，在此根底上比擬容易實現儀表的智能化、現代化。目前MSP430系列單片機已經成為主流，且加上其低功耗的特性，使得其在便攜式設備上的應用越來越廣泛?？紤]到本設計主要應用于便攜式設備上，因此我們采用MSP430單片機。 本工程的設計工作將按上述構造思路展開，進展測量系統(tǒng)的各模塊設計。

8、 圖3 基于聲循環(huán)法的超聲波傳播時間測量方法構造圖 系統(tǒng)硬件設計制作 1超聲波信號發(fā)生的實現 根據分塊設計的思想，設計中的超聲波傳播時間測量裝置將分為兩大功能 塊，超聲波接收發(fā)射電路和信號計時電路。超聲波主要是由換能器實現發(fā)射的，超聲波換能器又稱為超聲波探頭，是完成超聲波發(fā)射和接收的關鍵器件。所謂換能器就是進展能量轉換的器件，超聲波換能器能將其它形式的能量轉換成高頻聲能，也可以把超聲能量轉換成便于測量的能量，超聲波發(fā)射換能器實現的是前一功能，而接收探頭實現的是后者的功能。壓電換能器是一種基于*些晶體的壓電效應來實現電聲能量轉換的一種電聲換能器。本實驗中采用壓電換能器。 在實際應用

9、中，一般多是使用持續(xù)時間有限的脈沖超聲波，由于工程技術的需要，又進一步分其為寬脈沖和窄脈沖。由傅立葉分析可知，一個脈沖可以看做是無限個不同頻率的正弦波組成的，一個脈沖持續(xù)時間越短，它所包含的諧波頻率圍就越寬，頻率近乎單一的脈沖可以稱為寬脈沖，而窄脈沖是包含較多頻率成份的脈沖。相比于寬脈沖，窄脈沖不易發(fā)生干預，信噪比也比擬大，而且超聲脈沖的持續(xù)時間愈短愈利于提高距離探測的分辨率。因此，本實驗采用窄脈沖。 用上升沿非常陡的尖脈沖，鼓勵高阻尼探頭就可以獲得窄脈沖，且鼓勵脈沖前沿愈陡，所產生的超聲脈沖就愈窄。超聲波壓力測量需要得到準確的超聲波 傳播時間變化量，采用脈沖鼓勵易于確定時間邊沿。 脈沖

10、的產生常用的方法是開關電路。下列圖就是一個利用電子開關效應制作的脈沖發(fā)生器。圖中，電路工作時電流將通過限流電阻R，對隔直電容CB進展充電。這里設置隔直電容而不直接將壓電晶片接到電壓源上是由于壓電晶片長期承受偏壓會被損壞。電路穩(wěn)定時，隔直電容的電壓將被充到VH，V。的值根據激發(fā)探頭需要情況而定。由于是通過R對電容進展充電，因此時間常數R*CB將決定電路的最大可重復頻率， S是一個快速的開關，當其接通時，引起一次從隔直電容向換能器及其相連的電負載的電荷轉移，此處的電負載是指電阻與調諧電感的組合及換能器等元件。在超聲波探頭和發(fā)射電路之間連有傳導線，對脈沖信號有衰減作用，圖中用LC網絡來表示這種作用。

11、 圖5 脈沖發(fā)生器構造 開關的電氣特性對設備的性能有很大的影響。電子開關的特性可以用如下幾個指標來表征:從截止到完全導通所經歷的時間即導通時間t0,最大峰值電流IP，在通狀態(tài)的電阻RO，在截止狀態(tài)的最大擊穿電壓等。導通電阻RO將使輸入負載的電流減小，換能器的超聲幅度也減小，這就要求高效率的脈沖發(fā)生器系統(tǒng)有低的導通電阻，且要用盡可能大的隔直電容，同時開關必須具有大的峰值電流容量.開關型的MOSFET具有很高的工作電壓，導通時間比擬快，導通電阻也比擬低，因此比擬適合當作電子開關使用。 綜上所述，本設計的超聲波脈沖發(fā)生器構造如下：圖中的IR2110是場效應管驅動芯片，可輸出+12V電壓，電

12、路采用該芯片的主要目的是使場效應管的導通速度更快。電源經過R1, R4對電容C4充電，IRF740作為電子開關，當其導通時，C4上的電荷迅速轉移，因而形成一個脈沖電壓信號，該脈沖信號可以鼓勵超聲波探頭發(fā)射超聲波. ，圖中的SWITCH對應于超聲波傳播到接收探頭后經過轉換形成的負向階躍信號，當EE為1時，超聲波的到來將觸發(fā)74LS00輸出高電平，IR2110因此輸出+12V電平，于是場效應管導通，超聲波發(fā)射的進程隨即開場。在開場時刻，只要EE輸出變?yōu)?超聲波發(fā)生器就開場工作，但是在隨后的循環(huán)中，須置EE為1，以便SWITCH可以對超聲波發(fā)生器進展觸發(fā)。電阻R6, R7在電路中起衰減器的作用，使脈

13、沖的拖尾作用減小，這里設置為可調方式。 圖6 超聲波發(fā)生電路 2.超聲波信號接收電路 由發(fā)射探頭發(fā)射的超聲波經過液體后傳播到接收探頭，期間由于發(fā)生衰減、散射等作用，超聲波的能量會有局部衰減，同時傳播到超聲波接收探頭出的超聲波也只有一小局部能力傳到壓電晶片中并轉化為電壓信號，這是一個mV級的信號，只有經過放大后才能進一步應用。超聲波接收電路的主要作用是將超聲波信號加以放大并為后續(xù)電路提供穩(wěn)定地大小適宜的電信號，一般地超聲波接收電路可以分為放大和濾波兩局部，其中其關鍵作用的是放大器，而濾波電路主要是用于減小超聲波信號中的噪聲。 通常，壓電瓷晶片超聲波探頭的輸出阻抗很高，阻可高達~，靜態(tài)電容

14、為幾千皮法，且輸出的電壓小，一般為毫伏級，因此超聲波前置放大電路的設計必須考慮這些情況。另外，本設計采用的超聲波探頭頻率為40KHz，因此選用的電路必須有足夠的工作頻率寬度。目前，電壓的放大比擬器常用的是由OP放大器組成的反響電路。用于電量放大的OP放大器，還有一些專用的電路如電荷放大器電路等。如下所示的是一個以OP放大器芯片為核心的適用于超聲波前置放大電路的構造示意圖。圖中R為匹配電阻；C1為隔直濾波電容，同時起到接收電荷的作用；為保證電路的工作頻率，R1、R2須與其配合，使時常數小于400ns，根據設計要求，這里C1、R1、R2可分別取為1000pF、110和10K；為反響電阻，作為前置放

15、大級，為防止噪聲等干擾信號對超聲波信號的過度影響，保證后續(xù)電路的性能，該局部電路的放大倍數不宜過大，這里可以設置為2K，使信號放大20倍左右；R4為補償電阻，設其值為,可以減小偏置電流對電路的影響。放大器電路的核心是OP放大器，選擇一個適宜規(guī)格的放大器才能使電路按照要求工作。按照OP放大器性能來分有如下幾類放大器：通用型：低輸入偏置、高輸入阻抗型，一般偏置電流為0.1pA~50pA,輸入阻抗；低失調電壓型，其失調電壓一般為50uV~1mV；低漂移型，該類放大器的漂移值一般在5uV左右；高速寬帶型，用壓擺率來衡量，一般在5~70V/us；低功耗型，其靜態(tài)功耗在5mW以下；等效輸入噪聲小于2uV的

16、放大器為低噪聲型放大器。除了以上的類型之外，還用高輸出電流型，高精度型等，其中高精度型綜合了各方面的指標，一般各項性能都不錯。由于本設計的超聲波探頭的特性尤其是輸出為小信號這一點，這里需要高速寬帶且低噪聲的OP放大器。TI公司在模擬器件制作方面在行業(yè)是比擬領先的，旗下的放大器產品種類齊全，應用廣泛，銷售效勞良好且產品資訊的獲取非常方便。TI有多種產品適合上述要求，如高速放大器OPA847,高速低噪聲的OPA300,高精度低噪聲的OPA228,在這兒我們選用高速低噪聲的OPA300。由于前置放大器電路放大的倍數只有20倍左右，因此經過放大之后輸出的電壓信號仍舊比擬小，需要進一步放大。故而我們選用

17、兩級放大電路，放大器的選取同上。 圖7 超聲波前置放大電路 圖8 可調放大電路 經過放大電路后，超聲波信號變?yōu)榉壍牟▌有盘?，該信號不可防止的存在諸多的噪聲成分，對這類模擬信號，為得到更好的波動信號，通常采用濾波器進展濾波。本設計中將采用雙二階濾波器電路，盡管這種電路采用的運放比擬多，但是由于RC元件和運放增益的變化對濾波器特性影響小，該種濾波電路特別適用于高Q值應用，而且具有調整容易的優(yōu)點。在濾波功能上，為抑制超聲波中除40KHz以外的信號，這里采用帶通濾波器。其構造示意圖如下： 圖9 帶通濾波器 運算放大器必須保證有足夠的帶寬，因此我們可以選用OP228。 要使超聲波發(fā)

18、生裝置在確定的時間發(fā)射超聲波，最好是以階躍信號去觸發(fā)開關，但是這里得到的是連續(xù)的波動信號，因此就無法得到一個點可以確定對應的時刻。另外，如果要得到計時的起始停頓信號，最好也是得到階躍信號。因此首先在電路中需要解決波動信號到階躍信號的變換問題。 由模擬信號得到對應的階躍信號，最常用的方法是通過模擬電壓比擬器比擬來實現。模擬電壓比擬器實際上是一種對微小的差模電壓信號進展放大，并按一定的邏輯電平做出快速反響的器件。模擬電壓比擬器有兩個輸入端，一端接輸入模擬電壓，一端接參考電壓，該電壓可以是與輸出有關的電壓。一般的比擬電平不為零的電壓比擬器叫做電平檢測器，由于信號波動頻繁，這里選用的是電平檢測器。超

19、聲波電壓信號由輸入端輸入，當其電壓超過參考電壓時，電壓檢測器輸出電壓由高電平躍為低電平。經過上述轉換過程，超聲波電壓波動信號就轉換為對應的一列負向脈沖。比擬電路如下。超聲波電壓波動信號由WAVE端輸入，經過比擬器之后，輸出為兩列脈沖序列W1和W2. 圖10 比擬電路 比擬器將超聲波的波動電壓信號轉換成了一段脈沖序列，要確定一個時刻就必須從中選擇*個脈沖邊沿作為時間點，選波電路將實現這一功能。 從功能要求上分析，選波電路的輸出只能由一個脈沖觸發(fā)，其余的脈沖不再 改變其輸出狀態(tài)，這樣的"記憶〞功能一般可以用觸發(fā)門電路實現。下列圖給出了一個可以實現以上功能的電路。 電路中的清零控制、重置

20、控制、計時啟?？刂贫丝诰蓡纹瑱C控制;計時啟停信號接到后續(xù)的計時電路模塊，其輸出為1時計數器處于工作狀態(tài)，為0時計數器停頓計時;由比擬器輸出的兩列脈沖輸入脈沖1, 2，作為時鐘信號分別輸入①號②號JK觸發(fā)器。其中W2, W1為比擬其輸出的脈沖序列，RENEW為選波電路的清零控制端口，EI為計時啟停閘門控制信號端口，MR為清零端口，STASTO為計時啟停信號，SWITCH輸入單片機的計數器輸入端口T1和外部中斷端口INT1管腳，以便單片機判斷電路的狀態(tài)，進展相應的重置以及對循環(huán)圈數進展計數。STASTO控制著計時器的工作與停頓，是后續(xù)模塊的接口端。實際應用中使用的芯片是SN74ALS112。

21、圖11 選波電路 利用超聲波在不同介質中傳播速度的不同，可以檢測出組成此傳播媒質的各成分百分比。而我們這里主要是完成速度的高精度測量。 整個硬件電路分為兩大模塊：信號產生電路和信號接收電路。這兩大局部共同構成超聲波發(fā)生器。 整體設計思想：當單片機一復位，系統(tǒng)開場工作，信號產生電路產生一定頻率的信號，到達接收端后對信號進展放大和頻率的轉換，經改變后的頻率通過待測液體到 達信號產生端，于是單片機計數器加一，經過上萬次的來回，超聲波傳播的距離已經足夠遠〔因此可以忽略定時器產生的us級誤差〕，同時根據計數器以及單程的距離可以計算出整個傳播的路程。然后又根據單片機的計時，測出超聲波通過液體時對應的速度。 其應用：根據速度，再用相關的軟件，準確測量液體中的超聲速度對研究該液體的物理性能、分子構造、聲光作用的機理以及聲阻抗的測量等都很的意義的。我們就可以推測出液體的相關成分，從而到達檢測的目的！例如假酒的檢測，牛奶成分分析等等。 . >