【正文】 另一個(gè)換能器作接收探頭 ， 如圖 13（ a ） 所示 ， 然后將觸發(fā)信號(hào)施加在發(fā)射探頭 T 1上使其發(fā)射超聲波 。 蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 22 下面從數(shù)理統(tǒng)計(jì)上對(duì)單脈沖和多脈沖方法進(jìn)行分析比較 ， 說明多脈沖的優(yōu)越性。其系統(tǒng)框圖如圖 15所示： 圖 15 系 統(tǒng) 硬 件 結(jié) 構(gòu) 框 圖 具體 電路將在下一章詳細(xì)介紹。單片機(jī)收到順逆流的傳播時(shí)間計(jì)數(shù)值后，采用數(shù)字濾波技術(shù)對(duì)這些時(shí)間信號(hào)進(jìn)行濾波處理，并根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算出相應(yīng)的流速和流量，保存到存儲(chǔ)器中， 并送到 LED 上顯示出來。按理說為提高計(jì)時(shí)精度，應(yīng)當(dāng)選高頻率的探頭 ； 但是對(duì)于同一材料來說，超聲波在傳播過程中的散射衰減系數(shù)和吸收衰減系數(shù)分別與頻率的 4 次方和 2 次方成正比，所以頻率越高，超聲波衰減越大，而且也會(huì)增加電路設(shè)計(jì)的困難 。 3. 發(fā)射強(qiáng)度：由于噪聲的影響，接收換能器接收到的信號(hào)一般要求在幾十毫伏以上，超聲波發(fā)射的強(qiáng)度越大，相同距離內(nèi)接收探頭收到的強(qiáng)度也越大，削弱聲吸收的影響，所以，要使接收換能器能夠可靠地工作，發(fā)射探頭必須要能發(fā)射 出足夠的能量，以便接收探頭分辨處理超聲波首波，提高測(cè)量精度 。 超聲波測(cè)量最常用的換能器發(fā)射電路大體可分為三種類型 ： 窄脈沖觸發(fā)的寬帶激勵(lì)電路、調(diào)制脈沖諧振電路和單脈沖發(fā)射電路 。 而脈沖諧振電路設(shè)計(jì)起來比較簡(jiǎn)單，其基本方法是用振蕩電路產(chǎn)生一個(gè)高頻振蕩 ， 經(jīng)過幅值和功率放大后接至換能器，使換能器發(fā)出超聲波，確保高頻振蕩的頻率與換能器固有頻率一致，則可獲得超聲發(fā)射的最佳效果。 圖 17 超 聲 波 發(fā) 射 電 路 超 聲 波 接 收 電 路 發(fā)射換能器發(fā)出超聲波信號(hào)后，信號(hào)經(jīng)過流體傳播到接收換能器，中間有雜 質(zhì)和氣泡等影響，強(qiáng)度不斷減小，并且強(qiáng)度也不穩(wěn)定。 ① 高輸入阻抗的前置放大電路 該電路的主要作用是對(duì)超聲波換能器的接收信號(hào)進(jìn)行阻抗匹配放大。其電路如圖 18所示 ： 蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 27 圖 18 前 置 放 大 電 路 ② 自動(dòng)增益放大電路 由于超 聲波流量計(jì)測(cè)量管徑的范圍很大（幾厘米～幾米 ）， 而且管壁情況和流 體介質(zhì)也有很大差異，因此接收信號(hào)的幅值會(huì)有很大的不同（幾毫伏～幾百毫伏） 如果僅采用普通的集成運(yùn)算放大器，對(duì)超聲波接收信號(hào)采用幅度鑒別的方式則可能出現(xiàn)誤判的現(xiàn)象。 本文采用美國(guó) ADI 公司的 AD603 壓控 VGA 芯片作為自動(dòng)增益放大器。 AD603 的外部結(jié) 構(gòu)圖如圖 19所示 ： 圖 19 AD603 引腳圖 管腳 1： GPOS 增益控制電壓正相輸入端（加正電壓增大增益 ）； 管腳 2： GNEG 增益控制電壓反相輸入端（加負(fù)電壓增大增益 ）； 蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 28 管腳 3： VINP 運(yùn)放輸入端； 管腳 4： COMM 運(yùn)放接地端 管腳 5： FSBK 反饋網(wǎng)絡(luò)連接端； 管腳 6： VENG 負(fù)供電電源端； 管腳 7： VOUT 運(yùn)放輸出端； 管腳 8： VPOS 正供電電源端 圖 20 AD603 結(jié) 構(gòu) 框 圖 AD603 的簡(jiǎn)化原理框圖如圖 20所示，它由無源輸入衰減器、增益控制界面和固定增益放大器三部分組成。衰減器包括 7 段 R2R梯形網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)依次衰減 ，如圖從 0dB 到 。如果在 5 腳和 7 腳接上電阻，其增益范圍將處于上述兩者之間，比如當(dāng)接 一個(gè) Ω的電阻時(shí)，增益的變化范圍為 40V G 。我們選用具有高增益帶寬的放大器 NE5532N ，其增益帶寬積 可達(dá) 20MHZ ，采用同相比例放大電路，其電路圖見圖 21，選取 3R 為 1K， 4R為 20K ， 5R 為 50K ，電路的閉環(huán)電壓增益 71)(1 354 ???? RRRA 。 圖 21 第 三 級(jí) 放 大 電 路 圖 圖 22 濾 波 電 路 如圖 22所示，由 L、 C 組成并聯(lián)諧振，將諧振頻率設(shè)在 ，由 L C1 蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 30 以及 L C2組成串聯(lián)諧振，整個(gè)形成 T 型網(wǎng)路，實(shí)現(xiàn)了帶通濾 波 。但是要完全把干擾信號(hào)除掉是不可能的，我們只能將這些 干擾信號(hào)盡可能減小 。當(dāng) VG的取值 為 ? V 時(shí)，就可 以實(shí)現(xiàn) 0dB 范圍的變換，通過 PWM 反饋和固定電壓 ，達(dá)到自動(dòng)增益調(diào)節(jié)的目的 。當(dāng) VOUT和 FDBK兩管腳的連接不同時(shí)，其放大器的增益范圍也不一樣， 其頻帶寬度可以為： 9MHz、 45MHz 、 90MHz 。增益的調(diào)整 與其自身電壓值無關(guān)，而僅與其差值 VG 有關(guān)，增益和電壓的換算系數(shù) 25Mv/dB ， 即若 VG 的變化范圍為 1V，增益的變化范圍為 40dB，由于控制電壓 GPOS/GNEG 端 的輸入電阻高達(dá) 50MΩ，因而輸入電流很小，致使片內(nèi)控制電路對(duì)提供增益控制電壓的外電路影響減小。管腳間的連接方式?jīng)Q定了可編程的增益范圍 ， 增益在 11 ～ +30dB 時(shí)的帶寬為 90Mhz ，增益在 +9～ +41dB 時(shí)具有 9MHz 帶寬，改變 管腳間的連接電阻，可使增益處在上述范圍內(nèi)。通常采用程控增益放大器來完成這一功能，其工作原理是 將放大后接收信號(hào)的峰值采樣保持下去，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后去控制程控增益放大器的 放大倍數(shù)，使輸出保持穩(wěn)定。所以，我們選擇高輸入阻抗運(yùn)算放大器 LF357 ，它采用 JFET 組成差分輸入級(jí)，其輸入阻抗高達(dá) 10 12 Ω。 1) 放大電路 通常超聲波換能器接收到的超聲波信號(hào)是非常小的，只有幾毫伏，而一般 ADC 需要采樣的信號(hào)的幅值為 5V， 所以必須對(duì)它進(jìn)行放大。 在本設(shè)計(jì)中，超聲發(fā)射電路采用了連續(xù)脈沖發(fā)射電路，它由脈沖發(fā)生、放大電路構(gòu)成，具體電路連接如圖 17所示。這種電路在設(shè)計(jì)上一般是用一個(gè)極快速的電子開關(guān)通過對(duì)儲(chǔ)能元件的放電來實(shí)現(xiàn)，這些開關(guān)器件通常為晶閘 管或大功率場(chǎng)效應(yīng)管（ MOSFET ）。 超聲波發(fā)射和接收電路 在本設(shè)計(jì)中，我們?cè)O(shè)計(jì)的發(fā)射和接收電路都是分別只有一個(gè)， 通過繼電器進(jìn)行順、 逆流方向收發(fā)電路的切換，這樣做既降低了成本，又消除了非對(duì)稱性電路誤差，且發(fā)射脈沖通過使用單獨(dú)的繼電器分別對(duì)發(fā)射和接收換能器進(jìn)行控制，使換能器 的發(fā)射和接 收 電路完全隔離，消除了發(fā)射信號(hào)對(duì)接收的影響 。由于超聲波入射時(shí)在 蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 25 管壁及流體界面處都會(huì)發(fā)生折射，會(huì)轉(zhuǎn)換成兩束縱 波在流體中傳播，為提高探頭接收信號(hào)的選擇性，一般選擇入射角大于第一臨界面角而小于第二臨界角，以保證僅一束超聲波被探頭接收。探頭的種類很多，性能各異，因此需要根據(jù)實(shí)際情況， 合理的選擇 ： 1. 頻率：超聲波的頻率在很大程度上影響著超聲波的傳播，用于水流量測(cè)量 時(shí) ， 超聲波頻率范圍一般為 ～ 2MHz。當(dāng)完成所定的多脈沖個(gè)數(shù)后，分頻器產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，關(guān)斷高頻方波，使計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。 圖 14 多 脈 沖 法 超 聲 波 接 收 原 理 圖 系統(tǒng)硬件框圖 根據(jù)時(shí)差法測(cè)量的基本原理和時(shí)差信號(hào)小的特點(diǎn)， 本課題研究的時(shí)差法超聲波流量計(jì)主要由兩部分組成：時(shí)差信號(hào)采集部分和信號(hào)處理及人機(jī)接口 部分。在完成 N 次聲循環(huán)后循環(huán)停止，假設(shè)這 N 次順流聲循環(huán)所需的時(shí)間為 t s， 它包含 N 次固有延遲時(shí) 間 )(i? ， （ i ＝ 1 ， 2 ， 3 ? N ）之和以及 N 個(gè)超聲波在水中單次順 流傳播時(shí)間 t 1 之和，即 ： 11 )( NtitNis ???? ? （ 3 — 10） 圖 13 超 聲 波 多 脈 沖 法 示 意 圖 接著使 超聲波換能器 T 2作發(fā)射探頭， T 1作接收探頭，如圖 13b)所示，將觸發(fā)信號(hào)施加 在發(fā)射探頭 T 2 上使之開始發(fā)射超聲波，接收探頭 T 1接收到超聲波后 ，經(jīng)放大、整形處理，觸發(fā) T 2第二次發(fā)射超聲波，這樣就形成了逆流超聲波聲循環(huán) ， 同樣可知超聲波完成 N 次逆流聲循環(huán)后所需的時(shí)間 tn包含 N 次固有延遲 )(, i?之和以及 N 個(gè)超聲波在水中單次逆流傳播時(shí)間 t2 之和，即： 21 , )( NtitNin ???? ? （ 3 — 11） 當(dāng)圖 (a) 和圖 (b) 中的發(fā)射電路、放大電路等采用完全相同的電路而且超聲波換能器的發(fā)射接收性能穩(wěn)定一致時(shí) ， 只要 N 足夠大，由于統(tǒng)計(jì)效應(yīng)的出現(xiàn)，上述兩次聲循環(huán)的延時(shí)總和是相等的 ，即： ???? ?NiNi ii 1,1 )()( ?? （ 3 — 12） 于是： N ttttt sn ????? )( 12 （ 3 — 13） 由式（ 313 ）可看出時(shí)間差 t? 不用再去測(cè)量難以準(zhǔn)確計(jì)量的微小時(shí)間 t1 、 t2 ， 而是改測(cè)相對(duì)足夠大的時(shí)間 st 、 nt 。我們通過對(duì)以往人們常用的超聲波測(cè)時(shí)方法的分析，結(jié)合微處理器的特點(diǎn)，對(duì)超聲波時(shí)差流量測(cè)量的多脈沖測(cè)量方法進(jìn)行了較深入的研究。 由式（ 37 ）可以看出 ： ?2s i n2),( 2121 dktttftt tkv ????? 由數(shù)學(xué)知識(shí)我們可以知道 ： 2121 tt tktv ????? 2211 tt tktv ????? （ 3 — 9 ） 21ttktv ???? 由式 （ 39 ）可以看出， k 越小， v 對(duì)時(shí)間參量要求的精度就越大 ， 也就是說 管徑越小就越難以測(cè)量。 所以， 在本設(shè)計(jì)中，我們的換能器將采用單通道（即只采用一對(duì)探頭） V 字型 安裝，這樣不僅可以提高系統(tǒng)的分辨率，而且單通道形式可以消除由于雙通道換能器參數(shù)不對(duì)稱等引起的一些附加溫度誤差 ， 特 別是單通道的發(fā)射器、接收器安裝在管壁同一側(cè)，讓超聲波在管壁對(duì)側(cè)反射一次的方法還可以減少流速斷面分布不均勻的誤差，另外這種方法也可以減少超聲波在聲道中多次反射引起的對(duì)測(cè)量 的干擾。 蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 18 第 三 章 時(shí) 差 法 超 聲 波 流 量 計(jì) 的 總 體 設(shè) 計(jì) 本課題 研究的超聲波流量計(jì)是采用時(shí)差法測(cè)量原理來 進(jìn)行流量檢測(cè)的。 圖中所示超聲波在流體中的 ? 角不但受到流體聲速的影響，還與聲楔和管壁材料中的聲速有關(guān) 。根據(jù)流體力學(xué)可知，