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1、實用文檔高精度測量超聲波在液體中的傳播速度西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院張海偉朱曉波邱攀指導(dǎo)教師郭萬有文案大全實用文檔高精度測量超聲波在液體中的傳播速度西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院張海偉朱曉波邱攀摘要超聲檢測技術(shù)就是利用超聲波在媒質(zhì)中的傳播特性（聲速、聲衰減、聲阻抗等）來獲取媒質(zhì)中的一些非聲學(xué)信息（如濃度、密度、硬度、彈性、溫度等）。已知液體介質(zhì)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(yīng)用在對原油含水率的精確檢測、 非侵入式壓力檢測、 漿體濃度檢測等相當(dāng)多的領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。 本文正是從上述應(yīng)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)。下圖是聲循環(huán)法測量超聲波傳播時間的
2、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(chǎn)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(jīng)放大，整形和鑒別后重新去觸發(fā)高頻脈沖發(fā)生器，產(chǎn)生下一個超聲脈沖。 這樣的過程不斷地循環(huán)進(jìn)行， 就可以得到一系列脈沖， 脈沖的重復(fù)周期 T 基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(fù)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(jìn)行循環(huán)， 且設(shè)設(shè)備的時間測量精度 1us, 超聲波的傳播時間是 100us，那么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) 100
3、0 圈）后，那么該裝置測得的實際傳播一圈的平均時間應(yīng)為99.999us 或是 100.001us ，因此該方法能有效地提高測量的分辨率。同時該方法文案大全實用文檔對元器件要求不高， 也就是說容易用低性能的元器件構(gòu)造高品質(zhì)的測量電路， 因此比較試用于專業(yè)儀表的開發(fā)，例如牛奶分析儀。當(dāng)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(jié)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，由于接受的的超聲波
4、信號是波動信號， 為確定時間結(jié)束點， 這里采用電壓比較器，只要設(shè)定合適的比較電位， A 點表示測量起始時刻， B 點表示測量結(jié)束時刻，而閥門脈沖是計數(shù)器的使能信號， 當(dāng)該信號為高電平時計數(shù)器工作在計數(shù)狀態(tài)，若該信號為低電平則計數(shù)器停止計數(shù)。 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(chǎn)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， 閥門打開， 計數(shù)使能信號使計數(shù)觸發(fā)到允許狀態(tài)， 計時器開始對時鐘信號進(jìn)行計數(shù)。 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
5、接收， 在形成對應(yīng)階躍信號的 B 時刻，再次去觸發(fā)發(fā)射電路， 新的超聲波信號由發(fā)射探頭發(fā)射出來， 而計數(shù)器的使能信號不變， 這樣重復(fù)前面的過程， 整個裝置就處于不停 “循環(huán)” 的工作過程中。 此裝置的測量停止時刻并不是在接收探頭接受的的第一個超聲波信號產(chǎn)生的脈沖階躍邊沿， 而是由預(yù)先設(shè)定的某個超聲波信號產(chǎn)生的脈沖觸發(fā)使計時停止。 這期間，計數(shù)器記錄的數(shù)字脈沖信號總個數(shù)并不對應(yīng)于 A時刻到 B時刻的時間，而是當(dāng)計數(shù)器起始時刻到停止時刻的時間，假設(shè)在測量開始后， 到計數(shù)器停止時接收電路接受到 N個超聲波信號， 且期間計數(shù)器計數(shù)的總時鐘脈沖數(shù)為 n, 時鐘脈沖頻率為 f, 那么超聲波信號傳播一次的時
6、間即為平均值：ntfN以上就是聲循環(huán)法測量的原理。由于可以選用頻率比較高、穩(wěn)定性好的有源晶振作時鐘脈沖源，即使得上式中的 f 值為恒定值，所以只要準(zhǔn)確地測定 N、 n 值就可以比較好地減小隨機(jī)干擾對測量的影響， 這就是循環(huán)測量方法比較突出的優(yōu)點。文案大全實用文檔圖 2聲循環(huán)法測量時序圖根據(jù)聲循環(huán)法的思想，總結(jié)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(dá)為如下所示的結(jié)構(gòu)。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(jīng)過處理后輸出激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(fù)以上過程， 則超聲波信
7、號處于不斷地循環(huán)中。 計時模塊可用于測量計時開始和結(jié)束信號之間的時間，只要開始信號對應(yīng)于超聲波發(fā)生器發(fā)射超聲波的時刻， 使結(jié)束信號對應(yīng)于接收探頭接收到超聲波信號的時刻，那么計時器的結(jié)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結(jié)構(gòu)，它既是實現(xiàn)電路控制， 測量結(jié)果處理的核心，也是對外的接口，實現(xiàn)顯示，與微機(jī)通訊，接收操作輸入等功能。單片機(jī)以其集成度高，功能齊全，編程靈活等優(yōu)點，成為實現(xiàn)這一功能塊的合適選擇，而且可編程的優(yōu)點為設(shè)計改進(jìn)開發(fā)提供了平臺，在此基礎(chǔ)上比較容易實現(xiàn)儀表的智能化、現(xiàn)代化。目前MSP430系列單片機(jī)已經(jīng)成為主流，且加上其低功耗的特性，使得其在便攜式設(shè)備上的應(yīng)用越來
8、越廣泛。考慮到本設(shè)計主要應(yīng)用于便攜式設(shè)備上，因此我們采用MSP430單片機(jī)。本項目的設(shè)計工作將按上述結(jié)構(gòu)思路展開，進(jìn)行測量系統(tǒng)的各模塊設(shè)計。文案大全實用文檔圖 3 基于聲循環(huán)法的超聲波傳播時間測量方法結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)硬件設(shè)計制作1 超聲波信號發(fā)生的實現(xiàn)根據(jù)分塊設(shè)計的思想，設(shè)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(xiàn)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(guān)鍵器件。 所謂換能器就是進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的器件， 超聲波換能器能將其它形式的能量轉(zhuǎn)換成高頻聲能，也可以把超聲能量轉(zhuǎn)換成便于測量的能量， 超聲波發(fā)射換能器實現(xiàn)的是前一功
9、能，而接收探頭實現(xiàn)的是后者的功能。 壓電換能器是一種基于某些晶體的壓電效應(yīng)來實現(xiàn)電聲能量轉(zhuǎn)換的一種電聲換能器。本實驗中采用壓電換能器。在實際應(yīng)用中，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(shù)的需要，又進(jìn)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范圍就越寬， 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)生干涉，信噪比也比較大，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，激勵高阻尼探頭就可以
10、獲得窄脈沖，且激勵脈沖前沿愈陡，所產(chǎn)生的超聲脈沖就愈窄。超聲波壓力測量需要得到精確的超聲波傳播時間變化量，采用脈沖激勵易于確定時間邊沿。文案大全實用文檔脈沖的產(chǎn)生常用的方法是開關(guān)電路。 下圖就是一個利用電子開關(guān)效應(yīng)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(jìn)行充電。這里設(shè)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(jù)激發(fā)探頭需要情況而定。由于是通過 R對電容進(jìn)行充電，因此時間常數(shù) R*CB將決定電路的最大可重復(fù)頻率， S 是一個快速的開關(guān)， 當(dāng)其接通時， 引起一次從隔直電容向換能
11、器及其相連的電負(fù)載的電荷轉(zhuǎn)移， 此處的電負(fù)載是指電阻與調(diào)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(dǎo)線， 對脈沖信號有衰減作用，圖中用 LC網(wǎng)絡(luò)來表示這種作用。圖5脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)開關(guān)的電氣特性對設(shè)備的性能有很大的影響。 電子開關(guān)的特性可以用如下幾個指標(biāo)來表征 : 從截止到完全導(dǎo)通所經(jīng)歷的時間即導(dǎo)通時間 t 0, 最大峰值電流 I P，在通狀態(tài)的電阻 RO，在截止?fàn)顟B(tài)的最大擊穿電壓等。導(dǎo)通電阻 RO將使輸入負(fù)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(dǎo)通電阻，且要用盡可能大的隔直電容，同時開關(guān)必須具有大的峰值電流容量 . 開關(guān)型的 MOSFE
12、T具有很高的工作電壓， 導(dǎo)通時間比較快， 導(dǎo)通電阻也比較低， 因此比較適合當(dāng)作電子開關(guān)使用。綜上所述，本設(shè)計的超聲波脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)如下：圖中的IR2110是場效應(yīng)管驅(qū)動芯片，可輸出 +12V電壓，電路采用該芯片的主要目的是使場效應(yīng)管的導(dǎo)通速度更快。電源經(jīng)過 R1, R4對電容 C4充電， IRF740作為電子開關(guān)，當(dāng)其導(dǎo)通時，C4上的電荷迅速轉(zhuǎn)移， 因而形成一個脈沖電壓信號， 該脈沖信號可以激勵超聲波探頭發(fā)射超聲波 .，圖中的 SWITCH對應(yīng)于超聲波傳播到接收探頭后經(jīng)過轉(zhuǎn)換形成的負(fù)向階躍信號，當(dāng) 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
13、場效應(yīng)管導(dǎo)通， 超聲波發(fā)射的進(jìn)程隨即開始。 在開始時刻，只要 EE輸出變?yōu)?0超聲波發(fā)生器就開始工作，但是在隨后的循環(huán)中，須置EE為1，文案大全實用文檔以便 SWITCH可以對超聲波發(fā)生器進(jìn)行觸發(fā)。電阻 R6, R7 在電路中起衰減器的作用，使脈沖的拖尾作用減小，這里設(shè)置為可調(diào)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(jīng)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，超聲波的能量會有部分衰減， 同時傳播到超聲波接收探頭出的超聲波也只有一小部分能力傳到壓電晶片中并轉(zhuǎn)化為電壓信號，這是一個 mV級的信號，只有經(jīng)過放大后才能進(jìn)一步應(yīng)用。 超聲波接收電路的主要作用是
14、將超聲波信號加以放大并為后續(xù)電路提供穩(wěn)定地大小合適的電信號， 一般地超聲波接收電路可以分為放大和濾波兩部分， 其中其關(guān)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，壓電陶瓷晶片超聲波探頭的輸出阻抗很高，內(nèi)阻可高達(dá)108 1010，靜態(tài)電容為幾千皮法， 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(shè)計必須考慮這些情況。另外，本設(shè)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，電壓的放大比較器常用的是由OP放大器組成的反饋電路。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
15、芯片為核心的適用于超聲波前置放大電路的結(jié)構(gòu)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(shù)小于 400ns，根據(jù)設(shè)計要求，這里 C1、R1、R2可分別取為 1000pF、 110 和 10K；R 為反饋電阻，作為前置放大級，為防止噪聲等干擾信號對超聲波信號的過度文案大全實用文檔影響，保證后續(xù)電路的性能，該部分電路的放大倍數(shù)不宜過大，這里R 可以設(shè)置為 2K，使信號放大 20 倍左右； R4 為補(bǔ)償電阻，設(shè)其值為R / / R1110, 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，選擇一個合適
16、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0.1pA50pA,輸入阻抗 1012 1013；低失調(diào)電壓型，其失調(diào)電壓一般為50uV1mV；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570V/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(biāo)， 一般各項性能都不錯。 由于本設(shè)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
17、OP放大器。 TI 公司在模擬器件制作方面在行業(yè)內(nèi)是比較領(lǐng)先的，旗下的放大器產(chǎn)品種類齊全，應(yīng)用廣泛，銷售服務(wù)良好且產(chǎn)品資訊的獲取非常方便。 TI 有多種產(chǎn)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(shù)只有 20 倍左右，因此經(jīng)過放大之后輸出的電壓信號仍舊比較小， 需要進(jìn)一步放大。 故而我們選用兩級放大電路，放大器的選取同上。圖 7超聲波前置放大電路文案大全實用文檔圖 8可調(diào)放大電路經(jīng)過放大電路后，超聲波信號變?yōu)榉壍牟▌有盘?，該信號不可避免的存在諸多的噪聲成分， 對這
18、類模擬信號， 為得到更好的波動信號， 通常采用濾波器進(jìn)行濾波。本設(shè)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較多，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(yīng)用，而且具有調(diào)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。其結(jié)構(gòu)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)生裝置在確定的時間內(nèi)發(fā)射超聲波， 最好是以階躍信號去觸發(fā)開關(guān)，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(yīng)的時刻。另外，如果要得到計時的起始停止信號，最好也
19、是得到階躍信號。因此文案大全實用文檔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(yīng)的階躍信號， 最常用的方法是通過模擬電壓比較器比較來實現(xiàn)。模擬電壓比較器實際上是一種對微小的差模電壓信號進(jìn)行放大， 并按一定的邏輯電平做出快速反應(yīng)的器件。 模擬電壓比較器有兩個輸入端， 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(guān)的電壓。 一般的比較電平不為零的電壓比較器叫做電平檢測器， 由于信號波動頻繁， 這里選用的是電平檢測器。超聲波電壓信號由輸入端輸入， 當(dāng)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(jīng)過上述轉(zhuǎn)換過程， 超聲波電壓波動信號就轉(zhuǎn)換為對應(yīng)
20、的一列負(fù)向脈沖。 比較電路如下。 超聲波電壓波動信號由 WAVE端輸入，經(jīng)過比較器之后，輸出為兩列脈沖序列 W1和 W2.圖 10比較電路比較器將超聲波的波動電壓信號轉(zhuǎn)換成了一段脈沖序列， 要確定一個時刻就必須從中選擇某個脈沖邊沿作為時間點，選波電路將實現(xiàn)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(xiàn)。下圖給出了一個可以實現(xiàn)以上功能的電路。電路中的清零控制、重置控制、計時啟停控制端口均由單片機(jī)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(shù)器處于工作狀態(tài)， 為0時計數(shù)文案大全實用文檔器停止
21、計時 ; 由比較器輸出的兩列脈沖輸入脈沖 1, 2 ，作為時鐘信號分別輸入號號 JK觸發(fā)器。其中 W2, W1為比較其輸出的脈沖序列， 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(jī)的計數(shù)器輸入端口 T1和外部中斷端口 INT1管腳，以便單片機(jī)判斷電路的狀態(tài)， 進(jìn)行相應(yīng)的重置以及對循環(huán)圈數(shù)進(jìn)行計數(shù)。 STASTO控制著計時器的工作與停止，是后續(xù)模塊的接口端。實際應(yīng)用中使用的芯片是SN74ALS112。圖 11選波電路利用超聲波在不同介質(zhì)中傳播速度的不同， 可以檢測出組成此傳播媒質(zhì)的各成分百分比。而我
22、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(chǎn)生電路和信號接收電路。 這兩大部分共同構(gòu)成超聲波發(fā)生器。整體設(shè)計思想：當(dāng)單片機(jī)一復(fù)位，系統(tǒng)開始工作，信號產(chǎn)生電路產(chǎn)生一定頻率的信號， 到達(dá)接收端后對信號進(jìn)行放大和頻率的轉(zhuǎn)換，經(jīng)改變后的頻率通過待測液體到達(dá)信號產(chǎn)生端，于是單片機(jī)計數(shù)器加一，經(jīng)過上萬次的來回，超聲波傳播的距離已經(jīng)足夠遠(yuǎn)（因此可以忽略定時器產(chǎn)生的 us 級誤差），同時根據(jù)計數(shù)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(jù)單片機(jī)的計時，測出超聲波通過液體時對應(yīng)的速度。其應(yīng)用：根據(jù)速度，再用相關(guān)的軟件，精確測量液體中的超聲速度對研究該液體的物理性能、 分子結(jié)構(gòu)、聲光作用的機(jī)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(guān)成分， 從而達(dá)到檢測的目的！ 例如假酒的檢測，牛奶成分分析等等。文案大全
高精度測量超聲波在液體中地傳播速度
