高精度測量超聲波在液體中的傳播速度

. 高精度測量超聲波在液體中的傳播速度電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院海偉 朱曉波 邱攀指導(dǎo)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(xué)電子工程學(xué)院海偉 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。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準(zhǔn)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)。下列圖是聲循環(huán)法測量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(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)展，就可以得到一系列脈沖，脈沖的重復(fù)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(jì)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(jì)算出超聲波的速度V。假定我們沒有進(jìn)展循環(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，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，則該裝置測得的實(shí)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，因此比擬試用于專業(yè)儀表的開發(fā)，例如牛奶分析儀。當(dāng)然，實(shí)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，由于承受的的超聲波信號是波動信號，為確定時間完畢點(diǎn)，這里采用電壓比擬器，只要設(shè)定適宜的比擬電位，A點(diǎn)表示測量起始時刻，B點(diǎn)表示測量完畢時刻，而閥門脈沖是計(jì)數(shù)器的使能信號，當(dāng)該信號為高電平時計(jì)數(shù)器工作在計(jì)數(shù)狀態(tài)，假設(shè)該信號為低電平則計(jì)數(shù)器停頓計(jì)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，閥門翻開，計(jì)數(shù)使能信號使計(jì)數(shù)觸發(fā)到允許狀態(tài)，計(jì)時器開場對時鐘信號進(jìn)展計(jì)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(jì)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。此裝置的測量停頓時刻并不是在接收探頭承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*個超聲波信號產(chǎn)生的脈沖觸發(fā)使計(jì)時停頓。這期間，計(jì)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(jì)數(shù)器起始時刻到停頓時刻的時間，假設(shè)在測量開場后，到計(jì)數(shù)器停頓時接收電路承受到N個超聲波信號，且期間計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的總時鐘脈沖數(shù)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值就可以比擬好地減小隨機(jī)干擾對測量的影響，這就是循環(huán)測量方法比擬突出的優(yōu)點(diǎn)。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)為如下所示的構(gòu)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(jīng)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(fù)以上過程，則超聲波信號處于不斷地循環(huán)中。計(jì)時模塊可用于測量計(jì)時開場和完畢信號之間的時間，只要開場信號對應(yīng)于超聲波發(fā)生器發(fā)射超聲波的時刻，使完畢信號對應(yīng)于接收探頭接收到超聲波信號的時刻，則計(jì)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構(gòu)造，它既是實(shí)現(xiàn)電路控制，測量結(jié)果處理的核心，也是對外的接口，實(shí)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(diǎn)，成為實(shí)現(xiàn)這一功能塊的適宜選擇，而且可編程的優(yōu)點(diǎn)為設(shè)計(jì)改良開發(fā)提供了平臺，在此根底上比擬容易實(shí)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)用越來越廣泛?？紤]到本設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于便攜式設(shè)備上，因此我們采用MSP430單片機(jī)。本工程的設(shè)計(jì)工作將按上述構(gòu)造思路展開，進(jìn)展測量系統(tǒng)的各模塊設(shè)計(jì)。圖3 基于聲循環(huán)法的超聲波傳播時間測量方法構(gòu)造圖系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)制作1超聲波信號發(fā)生的實(shí)現(xiàn)根據(jù)分塊設(shè)計(jì)的思想，設(shè)計(jì)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(jì)時電路。超聲波主要是由換能器實(shí)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)展能量轉(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(shí)現(xiàn)的是前一功能，而接收探頭實(shí)現(xiàn)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(yīng)來實(shí)現(xiàn)電聲能量轉(zhuǎn)換的一種電聲換能器。本實(shí)驗(yàn)中采用壓電換能器。在實(shí)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(yù)，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(shí)驗(yàn)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(chǎn)生的超聲脈沖就愈窄。超聲波壓力測量需要得到準(zhǔn)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。脈沖的產(chǎn)生常用的方法是開關(guān)電路。下列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)展充電。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)展充電，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)生器構(gòu)造開關(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t0,最大峰值電流IP，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MOSFET具有很高的工作電壓，導(dǎo)通時間比擬快，導(dǎo)通電阻也比擬低，因此比擬適合當(dāng)作電子開關(guān)使用。綜上所述，本設(shè)計(jì)的超聲波脈沖發(fā)生器構(gòu)造如下：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，該脈沖信號可以鼓勵超聲波探頭發(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，于是場效應(yīng)管導(dǎo)通，超聲波發(fā)射的進(jìn)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(jìn)展觸發(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(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(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，壓電瓷晶片超聲波探頭的輸出阻抗很高，阻可高達(dá)，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(jì)必須考慮這些情況。另外，本設(shè)計(jì)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O(shè)P放大器芯片為核心的適用于超聲波前置放大電路的構(gòu)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(shù)小于400ns，根據(jù)設(shè)計(jì)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(shù)不宜過大，這里可以設(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,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0.1pA50pA,輸入阻抗；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(xiàng)性能都不錯。由于本設(shè)計(jì)的超聲波探頭的特性尤其是輸出為小信號這一點(diǎn)，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(lǐng)先的，旗下的放大器產(chǎn)品種類齊全，應(yīng)用廣泛，銷售效勞良好且產(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擬小，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(jìn)展濾波。本設(shè)計(jì)中將采用雙二階濾波器電路，盡管這種電路采用的運(yùn)放比擬多，但是由于RC元件和運(yùn)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(diǎn)。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(gòu)造示意圖如下： 圖9 帶通濾波器運(yùn)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(diǎn)可以確定對應(yīng)的時刻。另外，如果要得到計(jì)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(yīng)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(shí)現(xiàn)。模擬電壓比擬器實(shí)際上是一種對微小的差模電壓信號進(jìn)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(guān)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)的一列負(fù)向脈沖。比擬電路如下。超聲波電壓波動信號由WAVE端輸入，經(jīng)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(zhuǎn)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(diǎn)，選波電路將實(shí)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(shí)現(xiàn)。下列圖給出了一個可以實(shí)現(xiàn)以上功能的電路。電路中的清零控制、重置控制、計(jì)時啟?？刂贫丝诰蓡纹瑱C(jī)控制;計(jì)時啟停信號接到后續(xù)的計(jì)時電路模塊，其輸出為1時計(jì)數(shù)器處于工作狀態(tài)，為0時計(jì)數(shù)器停頓計(jì)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號號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(jì)時啟停閘門控制信號端口，MR為清零端口，STASTO為計(jì)時啟停信號，SWITCH輸入單片機(jī)的計(jì)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)展相應(yīng)的重置以及對循環(huán)圈數(shù)進(jìn)展計(jì)數(shù)。STASTO控制著計(jì)時器的工作與停頓，是后續(xù)模塊的接口端。實(shí)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。這兩大局部共同構(gòu)成超聲波發(fā)生器。 整體設(shè)計(jì)思想：當(dāng)單片機(jī)一復(fù)位，系統(tǒng)開場工作，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)展放大和頻率的轉(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(jì)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(jì)數(shù)器以及單程的距離可以計(jì)算出整個傳播的路程。然后又根據(jù)單片機(jī)的計(jì)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，準(zhǔn)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(gòu)造、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，從而到達(dá)檢測的目的！例如假酒的檢測，牛奶成分分析等等。. >