【正文】 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(wú)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。其電路如圖18所示： 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。 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(guò)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。 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(lèi)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。按理說(shuō)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(lái)說(shuō)，超聲波在傳播過(guò)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。其系統(tǒng)框圖如圖15所示：發(fā)射電路 LED 主單片機(jī) 鍵盤(pán)時(shí)鐘 切換開(kāi)關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接收電路信號(hào)調(diào)理計(jì)數(shù)電路 V 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。 所謂多脈沖測(cè)量方法就是利用超聲波的多次發(fā)射和接收過(guò)程，對(duì)某一物理量進(jìn)行測(cè)量的方法其工作示意圖見(jiàn)圖13，首先使一個(gè)超聲波換能器T 1作為發(fā)射探頭，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。由式（31）、（32）可知： （3—5） （3—6） 式（35）、（36）相減可得： （3—7） 式（37）與（34）相比，消掉了超聲波速度C這一項(xiàng)，因此，改進(jìn)后的時(shí)差法公式消除了C對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，從理論模型上提高了流速度測(cè)量精度。 圖10 夾裝式超聲波傳播途徑 可得關(guān)系式： 因?yàn)橹蠧0和為已知量，C為超聲波在被測(cè)流體中的傳播速度，是溫度的變量。兩種不同流動(dòng)狀態(tài)對(duì)應(yīng)著管內(nèi)的速度分布也不同。 雙觸發(fā)回路 所謂雙觸發(fā)回路就是預(yù)先設(shè)置兩種不同的觸發(fā)電平，當(dāng)接收波形變化時(shí)，改變觸發(fā)電平，自動(dòng)選擇最佳觸發(fā)電平來(lái)檢測(cè)時(shí)間。采用鎖相技術(shù)可以解決這一問(wèn)題。因此，如何確保超聲測(cè)時(shí)的準(zhǔn)確性以及選用何種方法計(jì)算時(shí)差成為時(shí)差法超聲波流量計(jì)測(cè)量的關(guān)鍵，為此人們常在測(cè)量回路上采取一些措施，常見(jiàn)的方法有： 閥值法 設(shè)置閥值，當(dāng)接收信號(hào)高于閾值時(shí)，即認(rèn)為信號(hào)到達(dá)，一般采集信號(hào)的第2個(gè)峰值（如圖 7），然后減去一個(gè)周期，所得結(jié)果為信號(hào)的傳播時(shí)間。為了使傳感器的輸出特性最佳，所發(fā)送的脈沖信號(hào) 應(yīng)該在傳感器的中心頻率處信號(hào)最強(qiáng)；但另一方面脈沖寬度不能太大，否則會(huì)給 接收換能器帶來(lái)很大的干擾，使接收電路識(shí)別不出接收信號(hào)是否為真實(shí)信號(hào)，因此可以考慮將中心頻率對(duì)應(yīng)的角頻率取在偏離直流信號(hào)一定角頻率的第一個(gè)峰值處。 為了提高探頭發(fā)射超聲波的效率，常在晶片背面裝上阻尼塊以增大晶片的振動(dòng)阻尼，并吸收晶片背面發(fā)出的超聲波；同時(shí)，為了保證聲能損失小、方向性強(qiáng)，必須把壓電材料封裝在聲楔中，聲楔應(yīng)具有良好的透聲性能，常用有機(jī)玻璃制成。例如，同一只壓電換能器，在水中的30，在空氣中。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也最高。當(dāng)在超聲換能器的兩電極施加脈沖信號(hào)時(shí)，壓電晶片就會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)諧振子振動(dòng)，并推動(dòng)周?chē)橘|(zhì)振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波。超聲換能器，也即超聲傳感器，是超聲波流量計(jì)中的重要組成部分。因此，要準(zhǔn)確地檢測(cè)到超聲信號(hào)并非易事，在投入設(shè)計(jì)前要對(duì)超聲波及相關(guān)的知識(shí)進(jìn)行介紹?，F(xiàn)有國(guó)有的大多數(shù)超聲波流量計(jì)雖然價(jià)格比外國(guó)的便宜，但總體性能較差；而國(guó)外的超聲波流量計(jì)盡管在精度、性能和操作使用方面都由于國(guó)內(nèi)的產(chǎn)品，但因價(jià)格昂貴，也不可能在工業(yè)界大量使用。 我國(guó)超聲波流量計(jì)的研究起步較晚，目前我國(guó)超聲波流量計(jì)的研究和生產(chǎn)仍比較落后的，盡管近年來(lái)隨著國(guó)外各大超聲波流量計(jì)生產(chǎn)公司的產(chǎn)品紛紛進(jìn)入我國(guó)的市場(chǎng)，也帶動(dòng)了國(guó)內(nèi)超聲流量測(cè)量研究的發(fā)展，但是從總體上說(shuō)，我們現(xiàn)有的技術(shù)還和國(guó)際先進(jìn)水平有較大差距，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)中，高精度的超聲波流量計(jì)還是國(guó)外品牌的天下，形成了低檔產(chǎn)品過(guò)剩、高檔產(chǎn)品依賴進(jìn)口的局面。 1931年， 發(fā)表的德國(guó)專(zhuān)利是關(guān)于利用聲波測(cè)量管道流體流量最早的參考文獻(xiàn)。 但是，由于流量測(cè)量技術(shù)的復(fù)雜化，以及科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展向流量計(jì)量提 出更新更高的要求，流量計(jì)量的現(xiàn)況遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)的需要，還有大量的流量計(jì) 量技術(shù)問(wèn)題有待進(jìn)一步研究解決。蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 時(shí)差法超聲波流量計(jì)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文 第一章緒論 流量計(jì)的發(fā)展概述 自古以來(lái)測(cè)量都是人類(lèi)文明的一種標(biāo)志，是計(jì)量科學(xué)技術(shù)的組成部分之一，它廣泛存在于水利，化工，農(nóng)業(yè)，石油，冶金以及人民生活各個(gè)領(lǐng)域之中，一直得到世界各國(guó)政府和企業(yè)的重視，而且重視程度一直在不斷加強(qiáng)。據(jù)國(guó)內(nèi)外資料表明，在不同的工業(yè)部門(mén)中所使用的流量?jī)x表占整個(gè)儀表總數(shù)的1530％。憑借其非接觸測(cè)流、儀表造價(jià)基本上與被測(cè)管道口徑大小無(wú)關(guān)、精度高、測(cè)量范圍大、安裝方便、測(cè)試操作簡(jiǎn)單等自身的優(yōu)勢(shì)被認(rèn)為是較好的大管徑流量測(cè)量?jī)x表，在電力、石油、化工特別是供水系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。 當(dāng)今全世界50多家較大的超聲波流量計(jì)生產(chǎn)商都集中于歐美日等國(guó)家,這些國(guó)家己經(jīng)在超聲波流量計(jì)的研制、生產(chǎn)和推廣方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，再加上它們本身所具有的在電子技術(shù)和工業(yè)制造領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，使得它們?cè)趪?guó)際超聲波流量計(jì)市場(chǎng)上占據(jù)了絕大部分的份額，并且主導(dǎo)著超聲流量測(cè)量技術(shù)發(fā)展的方向和趨勢(shì)。然而超聲波流量計(jì)本身而存在許多不足之處，傳統(tǒng)時(shí)差法測(cè)流受聲速影響精度不高，不適合小管徑、小流量場(chǎng)合等。 超聲波技術(shù)概述 由于超聲波傳播時(shí)，其聲速、衰減和聲阻抗都和媒質(zhì)的特性與狀態(tài)有關(guān)，不同性質(zhì)的媒質(zhì)不但影響超聲波的穿透深度，也影響接收波的強(qiáng)度。 超聲波換能器的結(jié)構(gòu)及原理 超聲波的發(fā)射和接收，需要一種電聲之間的能量轉(zhuǎn)換裝置，這就是換能器。壓電組 件振蕩時(shí)，仿佛是一個(gè)小活塞，其振幅很小，約為(1～10) m ，但這種振動(dòng)的加速度很大，約(10～10 3 ) g，這樣就可以把電磁振蕩能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械振動(dòng)量，若這種能量沿一定方向傳播出去，就形成超聲波。根據(jù)壓電晶片的大小，如直徑和厚度的不同，每個(gè)探頭的性能是不同的，其主要性能指標(biāo)包括： （1）工作頻率 f 0 ：大多工作頻率選在換能器的機(jī)械共振頻率（即壓電晶片的共振頻率）附近。（3） 換能器的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)是從電學(xué)中應(yīng)用到機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)中來(lái)的一個(gè)重要物理量，它與標(biāo)稱寬帶密切相關(guān)，即與換能器的機(jī)電耦合系數(shù)密切相關(guān)，而且與所在介質(zhì)的輻射阻抗、換能器結(jié)構(gòu)、材料及損耗密切相關(guān)。在接收換能器中寬頻帶可獲得窄脈沖、短余振時(shí)間波形，獲得極高的縱向分辨率。假設(shè)脈沖的寬度為2a，其直流成分的幅值最大，然后幅 值慢慢減小至零，接下來(lái)幅度的峰值分別處于(2n+1)/2a處(n=1,2,3…),且隨著 n的增大，峰值逐漸減小至零。但是，在錯(cuò)綜復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，接收的信號(hào)常常伴隨著各種外來(lái)干擾，如流 體介質(zhì)中的雜質(zhì)顆粒和氣泡等產(chǎn)生的干擾，特別是來(lái)自外界的電磁干擾等，這些 干擾信號(hào)成為準(zhǔn)確測(cè)量超聲波傳播時(shí)間的主要障礙。為了達(dá)到1ns的分辨率，往往需要1000MHz 計(jì)時(shí)脈沖，并且相應(yīng)的要提高各種門(mén)電路的開(kāi)關(guān)速度，這是不現(xiàn)實(shí)的。自動(dòng)增益控制電路保證了每次檢測(cè)門(mén)檻的精確性。流速較低或管壁粘性較大時(shí)，流體流動(dòng)的狀態(tài)是平滑的層狀流動(dòng)，主要是軸向的運(yùn)動(dòng)；流速較高或管壁粘性小時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)呈雜亂不規(guī)則的流動(dòng)，即紊流，此時(shí)管內(nèi)流體的流動(dòng)不僅有軸向的還有橫向的。然而因?yàn)橐话愎逃胁牧系穆曀僮兓纫后w聲速溫度變化小一個(gè)數(shù)量級(jí)，在溫度變化不大的條件下對(duì)測(cè)量精確度的影響可以忽略不計(jì)但在溫度變化范圍大的情況下（例如高低溫?fù)Q能器工作溫度范圍40～200℃）就必須對(duì)聲楔和管壁中聲速的大幅度變化進(jìn)行修正。 測(cè)量原理 如第二章第三節(jié)所述，當(dāng)管道中以速度V流動(dòng)時(shí)，超聲波信號(hào)在流體中的順、逆流傳播時(shí)間分別為tt2，那么對(duì)于V型安裝有： （3—1） （3—2） （3—3） （3—4） 但是，由式（34）我們可以看到流體的流速v與超聲波速度C有關(guān)，而C又受溫度、水深等物理參數(shù)的影響，如果直接利用式（34）進(jìn)行流量計(jì)算勢(shì)必會(huì)造成比較大的誤差，因此，可以采用改進(jìn)型時(shí)差法，利用數(shù)學(xué)變換將影響測(cè)量精度的超聲波速度C剔除。多脈沖測(cè)量方法不僅能有效的濾除干擾信號(hào)獲得可靠的超聲波傳播時(shí)間，而且能在流量測(cè)量過(guò)程中結(jié)合多脈沖測(cè)量方法的特點(diǎn)，利用概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)等相關(guān)理論對(duì)測(cè)量時(shí)差做出了合理估計(jì)，從而確保了流量測(cè)量的精度。兩部分均是以89C51為核心，根據(jù)鍵盤(pán)發(fā)來(lái)的命令，進(jìn)行相應(yīng)的操作，主要完成超聲波的發(fā)射和接收以及傳播時(shí)間的測(cè)量，這部分主要由超聲波發(fā)射電路、接收放大電路、順逆流切換電路、電壓比較電路、計(jì)數(shù)控制電路等組成；信號(hào)處理及人機(jī)接口部分也是一單片機(jī)89C51為核心，主要負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制、流量的計(jì)算還有人機(jī)接口服務(wù)，包括鍵盤(pán)、LED顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。超聲波的頻率越高，聲束擴(kuò)散角小，能量越集中，方向性越好，分辨率也越好。 接收信號(hào)的大小和好壞直接取決于發(fā)射傳感器的發(fā)射信號(hào),由于使用收發(fā)共 用型超聲換能器，所以除了選用性能優(yōu)良的超聲波傳感器外，發(fā)射電路和前級(jí)信 號(hào)接收電路至關(guān)重要，它決定著整個(gè)系統(tǒng)的靈敏度和精度。單片機(jī)發(fā)出的方波信號(hào)經(jīng)三極管放大和變壓器升壓，達(dá)到足夠功率后推動(dòng)換能器超聲超聲波，這里變壓器的主要用途是升高脈沖電壓和使振蕩器的輸出阻抗與負(fù)載（超聲換能器）阻抗匹配，變壓器與探頭接成單端激勵(lì)方式。在設(shè)計(jì)中，LF357采用同相放大接法，這級(jí)的放大倍數(shù)是。該集成電路可應(yīng)用于射頻自動(dòng)增益放大器、視頻增益控制、A/D 轉(zhuǎn)換量程擴(kuò)展和信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)。 當(dāng)AD603的腳5和腳7短接時(shí)，AD603的增益為40VG +10，這時(shí)的增益范圍在 10～+30dB；當(dāng)腳5和腳7斷開(kāi)時(shí)，其增益為 40VG +30，這時(shí)的增益范圍為 10～50dB。 因?yàn)槌暡ㄐ盘?hào)的頻率大致為1MHz，由運(yùn)放和電容等器件構(gòu)成的有源濾波器 的帶寬一般較窄，通常不適用于高頻范圍，最大在幾百千赫茲，且在這個(gè)頻率附 近不易采用，而若采用專(zhuān)用集成的濾波電路造價(jià)又偏高，因此我們決定采用由電 感和電容組成的LC濾波器。采樣保持電路對(duì)接 收到的超聲波信號(hào)的第一個(gè)峰值進(jìn)行采樣，并將它保存下來(lái)。器件使用簡(jiǎn)單，用單5V電源工作，功耗低，具有上電復(fù)位功能以確保可重復(fù)啟動(dòng)。其電路見(jiàn)圖24所示： 圖24 電壓比較電路 圖24 電壓比較電路6) 切換控制電路 該部分的作用是用來(lái)完成兩個(gè)超聲波探頭和發(fā)射、接收電路的切換的。 信號(hào)采集及控制電路 單片機(jī)的選擇 信號(hào)采集與控制電路的核心部件是單片機(jī)，主要完成發(fā)超聲波命令，并且使測(cè)量模塊的各部分協(xié)調(diào)工作，處理測(cè)量信息和各部分的狀態(tài)信息。3 級(jí)程序存儲(chǔ)器保密； 具體電路如圖25所示，可控制觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器以及分頻計(jì)數(shù)器的復(fù)位、清零，并使關(guān)閉。用 AT89C52 內(nèi)部RAM(80H～FFH)作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)存放要寫(xiě)的數(shù)據(jù)。 (2)計(jì)秒、分、時(shí)、天、星期、日、月、年，并有閏年補(bǔ)償功能。 (6)有128個(gè)RAM單元與軟件音響器，其中14個(gè)作為字節(jié)時(shí)鐘和控制寄存器，114字節(jié)為通用RAM，所有ARAM單元數(shù)據(jù)都具有掉電保護(hù)功能。其與主單片機(jī)的接口電路如圖 28所示。發(fā)射信號(hào)功率較大，通過(guò)電路和聲路都可以耦合 到接收電路上，如果管徑很小，換能器間距離很近，發(fā)波干擾的尾部就會(huì)波及接 收波的波形，從而嚴(yán)重影響接收信號(hào)；2) 抗干擾的措施對(duì)于本課題設(shè)計(jì)的流量計(jì)，我們主要采取了如下的硬件措施來(lái)提高系統(tǒng)的抗 干擾性能：①電源。X5045 的引腳排列見(jiàn)圖31，其功能如下：CS為片選信號(hào)；SO為串行輸出；SI為串行輸入；SCK為串行時(shí)鐘輸入,WP為EEPROM寫(xiě)保護(hù)輸入；RESET為復(fù)位信號(hào)輸出；Vss為地；Vcc為電源電壓。運(yùn)用屏蔽技術(shù)可以隔離通過(guò)空間耦合的電磁干擾，采取的措施 是用金屬機(jī)殼將測(cè)量電路封裝起來(lái)。其主流程圖如上圖所示。雖然在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，硬件電路使用了帶通濾波器，對(duì)噪 聲的消除有一定的作用，但是這種方法對(duì)放大器頻帶那的噪聲不起作用，為此， 通常采用信號(hào)處理的方法來(lái)消除信號(hào)中的噪音，這就是數(shù)字濾波。這種情況對(duì)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，比某個(gè)數(shù)據(jù)出差錯(cuò)造成的危害要嚴(yán)重得多，某個(gè)數(shù)據(jù)出錯(cuò)只會(huì)使某個(gè)功能不能實(shí)現(xiàn)或產(chǎn)生偏差，程序失控則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。按誤差的性質(zhì)和特點(diǎn)，誤差可分為隨機(jī)誤差、系統(tǒng)誤差和粗大誤差三類(lèi)，可 用絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差兩種基本方式來(lái)表