超聲波多普勒測(cè)管道流速流量的發(fā)射接收電路以和信號(hào)處理等設(shè)計(jì)說(shuō)明

1、. . . . 超聲波多普勒測(cè)流速流量設(shè)計(jì)核心超聲波傳感器收發(fā)裝置1.1超聲波傳感器超聲波的發(fā)射與接收都是通過(guò)換能器實(shí)現(xiàn)的，換能器的材質(zhì)、工作頻率、晶片直徑極大的影響了發(fā)射的效率與回波接收的質(zhì)量，因此選擇合適的換能器對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)能否按預(yù)期目標(biāo)工作來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。1）換能器材質(zhì)的確定壓電換能器，使用的材料有壓電單晶體、壓電瓷、壓電半導(dǎo)體、壓電高分子聚合物和復(fù)合壓電材料。壓電換能器以介電損耗小、機(jī)電耦合系數(shù)比較大和足夠高的機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)于石英晶體、鎳和一些合金材料，已日趨廣泛地用于超聲波換能器。課題選用其中的壓電瓷超聲換能器，有壓電性能好，生產(chǎn)和機(jī)械加工方便等優(yōu)點(diǎn)，在各種超聲檢測(cè)中都有廣泛的應(yīng)用。2

2、）超聲波換能器工作頻率的選擇工作頻率的選擇需考慮以下因素：工作頻率高，分辨力高，有利于增大信噪比與提取所需信號(hào)；工作頻率高，波長(zhǎng)短，半擴(kuò)散角小，聲束指向性好，聲能集中，有利于接收回波；工作頻率增加，聲能急劇衰減。工作頻率高，靈敏度和分辨力高，指向性好，對(duì)測(cè)量有利；但工作頻率高時(shí)，能力衰減大，又對(duì)檢測(cè)不利。因此，應(yīng)綜合考慮，選擇適中的頻率。本課題選擇的超聲換能器工作頻率為1MHz。3）超聲波換能器晶片直徑的確定超聲波換能器直徑D一般為毫米，晶片大小對(duì)超聲檢測(cè)具有一定的影響。晶片直徑的選擇需考慮以下因素：晶片直徑D增加，半擴(kuò)散角減小，聲束指向性變好，聲能集中，對(duì)檢測(cè)有利；晶片直徑D增加，輻射的聲能

3、大，換能器擴(kuò)散區(qū)掃查圍大，遠(yuǎn)距離掃查圍相對(duì)變??；如上所述，換能器晶片直徑對(duì)聲束指向性、遠(yuǎn)距離掃查圍都有較大的影響。經(jīng)過(guò)考慮，本課題選擇晶片直徑D為。綜合考慮，本課題最終確定選用壓電瓷換能器，其工作頻率為1MHz，晶片直徑為。 2多普勒法測(cè)量原理    多普勒法測(cè)量原理，是依據(jù)聲波中的多普勒效應(yīng)，檢測(cè)其多普勒頻率差。超聲波發(fā)生器為一固定聲源，隨流體以同速度運(yùn)動(dòng)的固體顆粒與聲源有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，該固體顆?？砂讶肷涞某暡ǚ瓷浠亟邮掌?。入射聲波與反射聲波之間的頻率差就是由于流體中固體顆粒運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的聲波多普勒頻移。由于這個(gè)頻率差正比于流體流速，所以通過(guò)測(cè)量頻率差就可

4、以求得流速，進(jìn)而可以得到流體流量，如圖3。圖3多普勒超聲波流量計(jì)測(cè)流原理圖    當(dāng)隨流體以速度v運(yùn)動(dòng)的顆粒流向聲波發(fā)生器時(shí)，顆粒接收到的聲波頻率f1為：    因此，聲波接收器和發(fā)生器間的多普勒頻移f為：     以上各式中：為聲波方向與流體流速v之間的夾角，f0為聲源的初始聲波頻率，c為聲源在介質(zhì)中的傳播速度。若c>>vcos則     式(11)、(12)是按單個(gè)顆?？紤]時(shí)，測(cè)得的流體流速和流量。但對(duì)于實(shí)際含有大量粒群的水流，則應(yīng)對(duì)所有頻移信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理。

5、超聲波多普勒流量計(jì)的換能器通常采用收發(fā)一體結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖4。換能器接收到的反射信號(hào)只能是發(fā)生器和接收器的兩個(gè)指向性波束重疊區(qū)域顆粒的反射波，這個(gè)重疊區(qū)域稱(chēng)為多普勒信號(hào)的信息窗。換能器所收到的信號(hào)就是由信息窗中所有流動(dòng)懸浮顆粒的反射波的疊加，即信息窗多普勒頻移為反射波疊加的平均值。    平均多普勒頻移-f可以表示為：    式中-f信息窗所有反射粒子的多普勒頻移的平均值；    Ni產(chǎn)生多普勒頻移fi的粒子數(shù)；    fi任一個(gè)懸浮粒子產(chǎn)生的多普勒頻移。  &

6、#160; 由上可知，該流量計(jì)測(cè)得的多普勒頻移信號(hào)僅反映了信息窗區(qū)域的流體速度，因此要求信息窗應(yīng)位于管渠接近平均流速的部位，才能使其測(cè)量值反映管渠流體的平均流速。圖4多普勒信息窗示意圖3. 超聲波發(fā)射模塊超聲波發(fā)射電路采用正弦波振蕩電路產(chǎn)生1MHz的正弦波，用以驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射換能器。正弦波振蕩電路通過(guò)自激產(chǎn)生振蕩，它由放大電路和正反饋網(wǎng)絡(luò)兩部分組成的，為了得到單一頻率的正弦波，并且使振蕩電路穩(wěn)定工作，電路中還應(yīng)包含選頻網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，選頻網(wǎng)絡(luò)用以從很寬的頻率中選擇單一頻率的信號(hào)送到放大器輸入端，而將其他頻率的信號(hào)進(jìn)行衰減，穩(wěn)幅環(huán)節(jié)用以穩(wěn)定振蕩的幅度，抑制振蕩中產(chǎn)生的諧波。石英晶體振蕩電路隨時(shí)間

7、和溫度的漂移要小很多，具有很高的穩(wěn)定性和品質(zhì)因數(shù)、很小的頻率誤差，因此采用石英晶體振蕩電路產(chǎn)生所需正弦波。電路如下：4 .超聲波接收模塊4.1 選頻放大電路超聲波發(fā)射電路產(chǎn)生的1MHz的正弦波信號(hào)經(jīng)由發(fā)射換能器入射到流體中，被流體中的顆粒散射，接收換能器接收到的信號(hào)一部分是顆粒散射的含有流速信息的信號(hào)，一部分是直接耦合到接收換能器上的發(fā)射信號(hào)與噪聲信號(hào)。含有流速信息的信號(hào)一般很微弱,在毫伏級(jí)，不能滿足后續(xù)解調(diào)電路對(duì)輸入信號(hào)的要求，而直接耦合到接收換能器上的發(fā)射信號(hào)與噪聲信號(hào)也應(yīng)該濾除掉，因此，選用選頻放大器，通過(guò)設(shè)置中心頻率與帶寬保留并且放大有用信號(hào)，濾除雜波。如圖4.4所示為回波選頻放大電路

8、，電感L1與C31電容組成LC并聯(lián)諧振回路，作為三極管的集電極負(fù)載。只有當(dāng)諧振頻率與電路工作頻率相等時(shí)，并聯(lián)諧振回路的阻抗才呈現(xiàn)出最大值，并且為純阻性，此時(shí)輸出電壓幅度最大，而在其他頻率時(shí)集電極等效阻抗很小，輸出電壓幅值也很小，從而起到選頻作用。圖4.4 選頻放大電路回路諧振頻率由LC選頻放大器的諧振頻率決定，即 式（41）式（42）其中，為回路的品質(zhì)因數(shù)，為電感的電阻。當(dāng)>>1時(shí)， 式（43）回路在諧振時(shí)的等效電阻： 式（44）帶寬： 式（45）回波信號(hào)主要是由直接耦合到接收換能器的發(fā)射信號(hào)和經(jīng)顆粒散射之后的信號(hào)組成，散射信號(hào)的頻率等于發(fā)射信號(hào)頻率加上或減去多普勒頻移量，由于多普

9、勒頻移小于15KHz，因此選取為1MHz，帶寬100 KHz，此時(shí)品質(zhì)因數(shù)為10。根據(jù)式(42)，適當(dāng)選取電感與電容，可滿足電路的選頻要求。4.2解調(diào)電路經(jīng)選頻放大后的回波信號(hào)成分主要是本振信號(hào)和含有流速信息的回波信號(hào)，為了提取多普勒頻移，考慮利用乘法器的混頻原理來(lái)解調(diào)，即兩個(gè)不同的頻率信號(hào)經(jīng)過(guò)乘法器混頻以后產(chǎn)生新的頻率信號(hào)。設(shè)基準(zhǔn)信號(hào)為 式（46）調(diào)制信號(hào)為 式（47）混頻后的信號(hào)為式（48）令，顯然采用乘法器解調(diào)，混頻后的信號(hào)主要是多普勒頻移(一般不超過(guò)15KHz)和2MHz左右的和頻信號(hào)與高次諧波，因此只需要用低通濾波器濾除掉高頻信號(hào)就可以得到所需要的多普勒頻移信號(hào)。其外圍電路如圖4.6

10、所示，回波信號(hào)（頻率為）經(jīng)選頻放大后送至差分放大器，基準(zhǔn)信號(hào)（頻率為）由前述超聲波發(fā)射電路提供，用于控制恒流源電流，實(shí)現(xiàn)放大后的回波信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)相乘，同時(shí)抑制本振信號(hào)，具有負(fù)反饋電阻的鏡像恒流源電路是為展寬動(dòng)態(tài)圍而設(shè)，差分放大器的輸出信號(hào)中含有兩種頻率成分：與，后者即為多普勒頻移。 圖4.6 解調(diào)電路4.3低通濾波電路解調(diào)電路的輸出信號(hào)包含多普勒頻移信號(hào)和高頻信號(hào)，因此要從解調(diào)電路的輸出信號(hào)分離出多普勒頻移，需要利用低通濾波器濾除高頻信號(hào)。濾波器可以用電阻、電感和電容構(gòu)成無(wú)源濾波器，也可以使用運(yùn)放構(gòu)成有源濾波器，與無(wú)源濾波器相比，有源濾波器的效果好，特性效果曲線更陡峭，而且輸入、輸出阻抗易于

11、匹配，頻率特性調(diào)節(jié)方便，因此采用有源濾波器，其電路設(shè)計(jì)如圖4.7所示。圖4.7低通濾波器電路該低通濾波器低頻增益為1。令，則其截止頻率為 式（49）由于多普勒頻移信號(hào)不超過(guò)15KHz，因此設(shè)定其截止頻率為20KHz。其特性曲線如圖4.8所示。圖4.8 低通濾波器特性曲線4.4信號(hào)放大電路經(jīng)過(guò)解調(diào)和濾波之后的多普勒頻移信號(hào)為微弱信號(hào)，幅度在十幾到幾十毫伏，因此在送入A/D轉(zhuǎn)換電路之前需要進(jìn)行放大。由于采用一般運(yùn)放，一級(jí)放大倍數(shù)不能過(guò)高，因此設(shè)計(jì)了兩級(jí)放大，其電路如圖4.9所示。電路采用運(yùn)放構(gòu)成反向放大器，為進(jìn)一步對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行衰減，在每級(jí)放大電路的反饋電阻上并聯(lián)了一個(gè)小電容，放大電路的增益為：

12、式（410）令，則對(duì)每一級(jí)放大電路其幅頻特性一樣，則兩級(jí)放大電路幅頻特性為： 式（411）上限截止頻率為： 式（412）對(duì)于多普勒頻移信號(hào)，其頻率較低，增益近似為：，對(duì)于其中的高頻信號(hào)，反饋電阻所并聯(lián)的電容阻抗較小，放大電路的增益也較小。由于多普勒頻移信號(hào)不超過(guò)15KHz，因此設(shè)計(jì)該放大電路的上限截止頻率為30KHz，增益為34dB。由于A/D轉(zhuǎn)換的輸入要求在05V，因此對(duì)輸出信號(hào)加了偏置電壓（2.5V）用以抬高輸出信號(hào)的直流電平，使輸出信號(hào)幅度在05V之間，滿足后級(jí)A/D要求。圖4.9 放大電路4.5A/D采樣模塊模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)是數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵，直接關(guān)系到采集系統(tǒng)的性能、速度。因此，要

13、根據(jù)系統(tǒng)的要求合理的選擇A/D。選擇A/D時(shí)，一般主要考慮的因素是精度和速度。精度與系統(tǒng)中所測(cè)量控制的信號(hào)圍有關(guān)，轉(zhuǎn)換器位數(shù)應(yīng)該比總精度要求的最低分辨率高一位。速度由輸入信號(hào)的最高頻率來(lái)確定，要保證轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率高于系統(tǒng)要求的采樣頻率。在本系統(tǒng)中所要采集的是多普勒頻移信號(hào)，其頻率不大于15KHz，為滿足采樣定理，要求采樣頻率應(yīng)在30KHz以上。鑒于以上考慮，系統(tǒng)采用AD公司生產(chǎn)的并行高速A/D芯片AD9221，它具有1.5MHz采樣頻率，12位的分辨率，完全可以滿足系統(tǒng)對(duì)精度和速度的要求。另外，AD9221還具有高信噪比、低失真度、低功耗的特點(diǎn)，可單電源5V供電，輸入信號(hào)圍可以調(diào)節(jié)，且如果輸

14、入信號(hào)超出或低于可測(cè)圍，則會(huì)產(chǎn)生溢出報(bào)警，因此可以通過(guò)查詢(xún)溢出報(bào)警引腳來(lái)檢測(cè)輸入電壓幅度是否超出測(cè)試圍。其與單片機(jī)的連接電路如圖4.8所示。12位數(shù)據(jù)引腳與單片機(jī)的P1和P2口相連接，A/D的時(shí)鐘信號(hào)和溢出報(bào)警信號(hào)由單片機(jī)的P3口控制。芯片部設(shè)有電壓基準(zhǔn)電路，如果想改變參考電壓的圍可以外接電壓基準(zhǔn)芯片，圖4.10所示的參考電壓外圍電路使用芯片本身的電壓基準(zhǔn)，其輸入電壓的圍在05V。圖4.10 A/D采樣電路芯片進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)輸出都只由一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)來(lái)控制，其時(shí)序如圖4.11所示。在時(shí)鐘的上升沿時(shí)，A/D開(kāi)始進(jìn)行轉(zhuǎn)換，當(dāng)在時(shí)鐘的下降沿時(shí)，即可讀取電壓轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。這樣便可以通過(guò)控制時(shí)鐘信號(hào)的頻率來(lái)控制A/D采樣的頻率。圖4.11 A/D轉(zhuǎn)換時(shí)序在采用周期圖譜分析法時(shí)，A/D的采樣頻率所引起的測(cè)量誤差為： 式（413）式中，為信號(hào)頻率；為測(cè)量到的信號(hào)頻率；為頻率分辨率；為采樣頻率。N為采樣點(diǎn)數(shù)。測(cè)量相對(duì)誤差為： 式（414）為了提高測(cè)量精度，要降低采樣頻率，增加