高精度测量超声波在液体中的传播速度.docx

1、高精度测量超声波在液体中的传播速度 高精度测量超声波在液体中的传播速度 西安电子科技大学电子工程学院 张海伟 朱晓波 邱攀指导教师 郭万有 高精度测量超声波在液体中的传播速度 西安电子科技大学电子工程学院 张海伟 朱晓波 邱攀摘要超声检测技术就是利用超声波在媒质中的传播特性（声速、声衰减、声阻抗等）来获取媒质中的一些非声学信息（如浓度、密度、硬度、弹性、温度等）。已知液体介质的弹性模量和声速后就可以求出液体的密度。超声波的声速应用在对原油含水率的精确检测、非侵入式压力检测、浆体浓度检测等相当多的领域都有广泛的应用。本文正是从上述应用背景出发，研究了一种基于声循环法的超声波测速系统。下图是声循环

2、法测量超声波传播时间的框图：图1 声循环法测量超声波传播时间的框图高频脉冲发生器通过发射换能器产生超声波脉冲，在液体中传播一段距离后，被接收换能器接收。经放大，整形和鉴别后重新去触发高频脉冲发生器，产生下一个超声脉冲。这样的过程不断地循环进行，就可以得到一系列脉冲，脉冲的重复周期T基本上等于超声波在液体中传播固定距离L所需的时间。用频率计测量这一脉冲系列的重复频率f或是测量得到周期T，就可以计算出超声波的速度V。假定我们没有进行循环，且设设备的时间测量精度1us,超声波的传播时间是100us，那么直接测量一次得到的有效值是99us或是101us。但是采用循环法（假定循环1000圈）后，那么该装

3、置测得的实际传播一圈的平均时间应为99.999us或是100.001us，因此该方法能有效地提高测量的分辨率。同时该方法对元器件要求不高，也就是说容易用低性能的元器件构造高品质的测量电路，因此比较试用于专业仪表的开发，例如牛奶分析仪。当然，实际上使用该方法所测得的时间周期不仅仅是超声波在液体中的延迟时间，还包括超声波在换能器，耦合层中的时间延迟以及电信号在电路中的时间延迟等等。但是那些都是ns级或是ps级的，对我们的测量结果影响不大。声循环法测量原理 我们采用如下所示的图来说明测量超声波传播时间方案的原理。在接收信号中，由于接受的的超声波信号是波动信号，为确定时间结束点，这里采用电压比较器，只

4、要设定合适的比较电位，A点表示测量起始时刻，B点表示测量结束时刻，而阀门脉冲是计数器的使能信号，当该信号为高电平时计数器工作在计数状态，若该信号为低电平则计数器停止计数。时钟脉冲是由有源晶振输出的周期性脉冲信号，它是作为时钟信号使用的。 在起始时刻A，发射电路发射一个脉冲信号，发射探头随即产生超声波信号，该信号穿透液体传播到接收探头。在发射超声波的阶跃信号触发发射电路发射超声波的同一时刻，阀门打开，计数使能信号使计数触发到允许状态，计时器开始对时钟信号进行计数。此次发射的超声波信号最终传播到接收探头处并被接收电路接收，在形成对应阶跃信号的B时刻，再次去触发发射电路，新的超声波信号由发射探头发射

5、出来，而计数器的使能信号不变，这样重复前面的过程，整个装置就处于不停“循环”的工作过程中。此装置的测量停止时刻并不是在接收探头接受的的第一个超声波信号产生的脉冲阶跃边沿，而是由预先设定的某个超声波信号产生的脉冲触发使计时停止。这期间，计数器记录的数字脉冲信号总个数并不对应于A时刻到B时刻的时间，而是当计数器起始时刻到停止时刻的时间，假设在测量开始后，到计数器停止时接收电路接受到N个超声波信号，且期间计数器计数的总时钟脉冲数为n,时钟脉冲频率为f,那么超声波信号传播一次的时间即为平均值：以上就是声循环法测量的原理。由于可以选用频率比较高、稳定性好的有源晶振作时钟脉冲源，即使得上式中的f值为恒定值

6、，所以只要准确地测定N、n值就可以比较好地减小随机干扰对测量的影响，这就是循环测量方法比较突出的优点。图2 声循环法测量时序图根据声循环法的思想，总结以上是研究工作，可以将基于声循环法的时间测量装置表达为如下所示的结构。图中的超声波循环模块由超声波发生器和接收电路组成，超声波发生器发射出超声波，通过液体后传播到接收探头处，接收探头接收超声波信号并经过处理后输出激励信号使得超声波发生器再次发射出超声波，模块重复以上过程，则超声波信号处于不断地循环中。计时模块可用于测量计时开始和结束信号之间的时间，只要开始信号对应于超声波发生器发射超声波的时刻，使结束信号对应于接收探头接收到超声波信号的时刻，那么

7、计时器的结果就是超声波传播的时间了。控制单元是保证电路顺利工作的重要结构，它既是实现电路控制，测量结果处理的核心，也是对外的接口，实现显示，与微机通讯，接收操作输入等功能。单片机以其集成度高，功能齐全，编程灵活等优点，成为实现这一功能块的合适选择，而且可编程的优点为设计改进开发提供了平台，在此基础上比较容易实现仪表的智能化、现代化。目前MSP430系列单片机已经成为主流，且加上其低功耗的特性，使得其在便携式设备上的应用越来越广泛。考虑到本设计主要应用于便携式设备上，因此我们采用MSP430单片机。本项目的设计工作将按上述结构思路展开，进行测量系统的各模块设计。图3 基于声循环法的超声波传播时间

8、测量方法结构图系统硬件设计制作1超声波信号发生的实现根据分块设计的思想，设计中的超声波传播时间测量装置将分为两大功能块，超声波接收发射电路和信号计时电路。超声波主要是由换能器实现发射的，超声波换能器又称为超声波探头，是完成超声波发射和接收的关键器件。所谓换能器就是进行能量转换的器件，超声波换能器能将其它形式的能量转换成高频声能，也可以把超声能量转换成便于测量的能量，超声波发射换能器实现的是前一功能，而接收探头实现的是后者的功能。压电换能器是一种基于某些晶体的压电效应来实现电声能量转换的一种电声换能器。本实验中采用压电换能器。在实际应用中，一般多是使用持续时间有限的脉冲超声波，由于工程技术的需要

9、，又进一步分其为宽脉冲和窄脉冲。由傅立叶分析可知，一个脉冲可以看做是无限个不同频率的正弦波组成的，一个脉冲持续时间越短，它所包含的谐波频率范围就越宽，频率近乎单一的脉冲可以称为宽脉冲，而窄脉冲是包含较多频率成份的脉冲。相比于宽脉冲，窄脉冲不易发生干涉，信噪比也比较大，而且超声脉冲的持续时间愈短愈利于提高距离探测的分辨率。因此，本实验采用窄脉冲。 用上升沿非常陡的尖脉冲，激励高阻尼探头就可以获得窄脉冲，且激励脉冲前沿愈陡，所产生的超声脉冲就愈窄。超声波压力测量需要得到精确的超声波传播时间变化量，采用脉冲激励易于确定时间边沿。 脉冲的产生常用的方法是开关电路。下图就是一个利用电子开关效应制作的脉冲

10、发生器。图中，电路工作时电流将通过限流电阻R，对隔直电容CB进行充电。这里设置隔直电容而不直接将压电晶片接到电压源上是由于压电晶片长期承受偏压会被损坏。电路稳定时，隔直电容的电压将被充到VH，V。的值根据激发探头需要情况而定。由于是通过R对电容进行充电，因此时间常数R*CB将决定电路的最大可重复频率， S是一个快速的开关，当其接通时，引起一次从隔直电容向换能器及其相连的电负载的电荷转移，此处的电负载是指电阻与调谐电感的组合及换能器等元件。在超声波探头和发射电路之间连有传导线，对脉冲信号有衰减作用，图中用LC网络来表示这种作用。图5 脉冲发生器结构开关的电气特性对设备的性能有很大的影响。电子开关

11、的特性可以用如下几个指标来表征:从截止到完全导通所经历的时间即导通时间t0,最大峰值电流IP，在通状态的电阻RO，在截止状态的最大击穿电压等。导通电阻RO将使输入负载的电流减小，换能器的超声幅度也减小，这就要求高效率的脉冲发生器系统有低的导通电阻，且要用尽可能大的隔直电容，同时开关必须具有大的峰值电流容量.开关型的MOSFET具有很高的工作电压，导通时间比较快，导通电阻也比较低，因此比较适合当作电子开关使用。 综上所述，本设计的超声波脉冲发生器结构如下：图中的IR2110是场效应管驱动芯片，可输出+12V电压，电路采用该芯片的主要目的是使场效应管的导通速度更快。电源经过R1, R4对电容C4充

12、电，IRF740作为电子开关，当其导通时，C4上的电荷迅速转移，因而形成一个脉冲电压信号，该脉冲信号可以激励超声波探头发射超声波. ，图中的SWITCH对应于超声波传播到接收探头后经过转换形成的负向阶跃信号，当EE为1时，超声波的到来将触发74LS00输出高电平，IR2110因此输出+12V电平，于是场效应管导通，超声波发射的进程随即开始。在开始时刻，只要EE输出变为0超声波发生器就开始工作，但是在随后的循环中，须置EE为1，以便SWITCH可以对超声波发生器进行触发。电阻R6, R7在电路中起衰减器的作用，使脉冲的拖尾作用减小，这里设置为可调方式。图6 超声波发生电路2.超声波信号接收电路由

13、发射探头发射的超声波经过液体后传播到接收探头，期间由于发生衰减、散射等作用，超声波的能量会有部分衰减，同时传播到超声波接收探头出的超声波也只有一小部分能力传到压电晶片中并转化为电压信号，这是一个mV级的信号，只有经过放大后才能进一步应用。超声波接收电路的主要作用是将超声波信号加以放大并为后续电路提供稳定地大小合适的电信号，一般地超声波接收电路可以分为放大和滤波两部分，其中其关键作用的是放大器，而滤波电路主要是用于减小超声波信号中的噪声。通常，压电陶瓷晶片超声波探头的输出阻抗很高，内阻可高达，静态电容为几千皮法，且输出的电压小，一般为毫伏级，因此超声波前置放大电路的设计必须考虑这些情况。另外，本

14、设计采用的超声波探头频率为40KHz，因此选用的电路必须有足够的工作频率宽度。目前，电压的放大比较器常用的是由OP放大器组成的反馈电路。用于电量放大的OP放大器，还有一些专用的电路如电荷放大器电路等。如下所示的是一个以OP放大器芯片为核心的适用于超声波前置放大电路的结构示意图。图中R为匹配电阻；C1为隔直滤波电容，同时起到接收电荷的作用；为保证电路的工作频率，R1、R2须与其配合，使时常数小于400ns，根据设计要求，这里C1、R1、R2可分别取为1000pF、110和10K；为反馈电阻，作为前置放大级，为防止噪声等干扰信号对超声波信号的过度影响，保证后续电路的性能，该部分电路的放大倍数不宜过

15、大，这里可以设置为2K，使信号放大20倍左右；R4为补偿电阻，设其值为,可以减小偏置电流对电路的影响。放大器电路的核心是OP放大器，选择一个合适规格的放大器才能使电路按照要求工作。按照OP放大器性能来分有如下几类放大器：通用型：低输入偏置、高输入阻抗型，一般偏置电流为0.1pA50pA,输入阻抗；低失调电压型，其失调电压一般为50uV1mV；低漂移型，该类放大器的漂移值一般在5uV左右；高速宽带型，用压摆率来衡量，一般在570V/us；低功耗型，其静态功耗在5mW以下；等效输入噪声小于2uV的放大器为低噪声型放大器。除了以上的类型之外，还用高输出电流型，高精度型等，其中高精度型综合了各方面的指

16、标，一般各项性能都不错。由于本设计的超声波探头的特性尤其是输出为小信号这一点，这里需要高速宽带且低噪声的OP放大器。TI公司在模拟器件制作方面在行业内是比较领先的，旗下的放大器产品种类齐全，应用广泛，销售服务良好且产品资讯的获取非常方便。TI有多种产品适合上述要求，如高速放大器OPA847,高速低噪声的OPA300,高精度低噪声的OPA228,在这儿我们选用高速低噪声的OPA300。由于前置放大器电路放大的倍数只有20倍左右，因此经过放大之后输出的电压信号仍旧比较小，需要进一步放大。故而我们选用两级放大电路，放大器的选取同上。图7 超声波前置放大电路图8 可调放大电路经过放大电路后，超声波信号

17、变为伏级的波动信号，该信号不可避免的存在诸多的噪声成分，对这类模拟信号，为得到更好的波动信号，通常采用滤波器进行滤波。本设计中将采用双二阶滤波器电路，尽管这种电路采用的运放比较多，但是由于RC元件和运放增益的变化对滤波器特性影响小，该种滤波电路特别适用于高Q值应用，而且具有调整容易的优点。在滤波功能上，为抑制超声波中除40KHz以外的信号，这里采用带通滤波器。其结构示意图如下： 图9 带通滤波器运算放大器必须保证有足够的带宽，因此我们可以选用OP228。要使超声波发生装置在确定的时间内发射超声波，最好是以阶跃信号去触发开关，但是这里得到的是连续的波动信号，因此就无法得到一个点可以确定对应的时刻

18、。另外，如果要得到计时的起始停止信号，最好也是得到阶跃信号。因此首先在电路中需要解决波动信号到阶跃信号的变换问题。由模拟信号得到对应的阶跃信号，最常用的方法是通过模拟电压比较器比较来实现。模拟电压比较器实际上是一种对微小的差模电压信号进行放大，并按一定的逻辑电平做出快速反应的器件。模拟电压比较器有两个输入端，一端接输入模拟电压，一端接参考电压，该电压可以是与输出有关的电压。一般的比较电平不为零的电压比较器叫做电平检测器，由于信号波动频繁，这里选用的是电平检测器。超声波电压信号由输入端输入，当其电压超过参考电压时，电压检测器输出电压由高电平跃为低电平。经过上述转换过程，超声波电压波动信号就转换为

19、对应的一列负向脉冲。比较电路如下。超声波电压波动信号由WAVE端输入，经过比较器之后，输出为两列脉冲序列W1和W2.图10 比较电路比较器将超声波的波动电压信号转换成了一段脉冲序列，要确定一个时刻就必须从中选择某个脉冲边沿作为时间点，选波电路将实现这一功能。从功能要求上分析，选波电路的输出只能由一个脉冲触发，其余的脉冲不再改变其输出状态，这样的“记忆”功能一般可以用触发门电路实现。下图给出了一个可以实现以上功能的电路。电路中的清零控制、重置控制、计时启停控制端口均由单片机控制;计时启停信号接到后续的计时电路模块，其输出为1时计数器处于工作状态，为0时计数器停止计时;由比较器输出的两列脉冲输入脉

20、冲1, 2，作为时钟信号分别输入号号JK触发器。其中W2, W1为比较其输出的脉冲序列，RENEW为选波电路的清零控制端口，EI为计时启停闸门控制信号端口，MR为清零端口，STASTO为计时启停信号，SWITCH输入单片机的计数器输入端口T1和外部中断端口INT1管脚，以便单片机判断电路的状态，进行相应的重置以及对循环圈数进行计数。STASTO控制着计时器的工作与停止，是后续模块的接口端。实际应用中使用的芯片是SN74ALS112。图11 选波电路利用超声波在不同介质中传播速度的不同，可以检测出组成此传播媒质的各成分百分比。而我们这里主要是完成速度的高精度测量。整个硬件电路分为两大模块：信号产

21、生电路和信号接收电路。这两大部分共同构成超声波发生器。 整体设计思想：当单片机一复位，系统开始工作，信号产生电路产生一定频率的信号，到达接收端后对信号进行放大和频率的转换，经改变后的频率通过待测液体到 达信号产生端，于是单片机计数器加一，经过上万次的来回，超声波传播的距离已经足够远（因此可以忽略定时器产生的us级误差），同时根据计数器以及单程的距离可以计算出整个传播的路程。然后又根据单片机的计时，测出超声波通过液体时对应的速度。 其应用：根据速度，再用相关的软件，精确测量液体中的超声速度对研究该液体的物理性能、分子结构、声光作用的机理以及声阻抗的测量等都很的意义的。我们就可以推测出液体的相关成分，从而达到检测的目的！例如假酒的检测，牛奶成分分析等等。