【導(dǎo)讀】自古以來(lái)測(cè)量都是人類文明的一種標(biāo)志，是計(jì)量科學(xué)技術(shù)的組成部分之一，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)。在修渠飲水中采用孔板測(cè)量流量。為止未獲很大進(jìn)展。目前國(guó)外投入使用的流量計(jì)有100多種，國(guó)內(nèi)定型投產(chǎn)的也有近50種。據(jù)國(guó)內(nèi)外資料表明，在不同的工業(yè)部門中所使用的流量?jī)x表占整個(gè)儀表總數(shù)。量技術(shù)問(wèn)題有待進(jìn)一步研究解決。目前主要存在如下問(wèn)題：流量?jī)x表的品種、規(guī)。從事流量?jī)x表研究和生產(chǎn)的單位超過(guò)230家。但是要使超聲波流量計(jì)具有一定的精度，要求對(duì)時(shí)間的測(cè)量精度至少。式，為超聲波流量計(jì)進(jìn)一步提高測(cè)量精度打下了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。夾裝式超聲波流量計(jì)無(wú)需停流截管安裝，只要在管道外。非導(dǎo)電性液體，在無(wú)阻撓流量測(cè)量方面是對(duì)電磁流量計(jì)的一種補(bǔ)充。超聲波流量計(jì)是一種很有發(fā)展前途和應(yīng)用前景的節(jié)能型流量計(jì)?，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。穩(wěn)定，總體性能接近或者達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，以便在國(guó)內(nèi)推廣和使用。

　　

【正文】 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)。這個(gè)過(guò)程可以得到順流傳播的傳播時(shí)間，用 同樣的方法可以得到逆流方向傳播的時(shí)間，并通過(guò)并行口送到單片機(jī)上。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(lái)。 第 四 章 時(shí) 差 法 超 聲 波 流 量 計(jì) 的 硬 件 設(shè) 計(jì) 超聲波換能器的選擇 超聲波換能器 （以下簡(jiǎn)稱探頭）是超聲波流量計(jì)的重要組成部分，是利用超 聲波技術(shù)進(jìn)行流量測(cè)量的關(guān)鍵，它的性能直接影響到整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的性能和可靠 度。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。 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。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 。 2. 入射角：這個(gè)角度決定了超聲波換能器的安裝位置。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(shuō)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。若管道為鋼管，探頭用有機(jī)玻璃作為聲導(dǎo)，一般入射角選取 600 之間。 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 。 綜合以上因素，在本設(shè)計(jì)中，我們選用中心頻率為 1MHz 的探頭，入射角 為450 。 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(guò)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(guò)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 。 超聲波發(fā)射電路 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 。 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 。 從早先國(guó)內(nèi)進(jìn)口的日本超聲波流量計(jì)來(lái)看，基本都采用的是窄脈沖驅(qū)動(dòng)電路。這種電路在設(shè)計(jì)上一般是用一個(gè)極快速的電子開(kāi)關(guān)通過(guò)對(duì)儲(chǔ)能元件的放電來(lái)實(shí)現(xiàn)，這些開(kāi)關(guān)器件通常為晶閘 管或大功率場(chǎng)效應(yīng)管（ MOSFET ）。 由于需要輸出激勵(lì)信號(hào)的瞬時(shí)功率大，因此開(kāi)關(guān)器件必須由直流高壓供電，一般要達(dá)到幾十到一百伏以上，這在電池供電的系統(tǒng)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)；此外，開(kāi)關(guān)瞬間會(huì)產(chǎn)生高壓脈沖 ，對(duì)整個(gè)電路的抗干擾設(shè)計(jì)不利 。 而脈沖諧振電路設(shè)計(jì)起來(lái)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(guò)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。諧振電路能夠使用較低的電壓產(chǎn)生較強(qiáng)的超聲波發(fā)射，適合使用電池供電的系統(tǒng)，而且它能精確地控制 發(fā)射信號(hào)，效率高。 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。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蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 26 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 。 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。為了實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)量， 在信號(hào)到達(dá)檢測(cè)電路前必須使信號(hào)穩(wěn)定可靠，根據(jù)接收信號(hào)的實(shí)際情況，我們對(duì) 所設(shè)計(jì)的超聲波接收電路主要由放大電路、濾波電路、自動(dòng)控制增益電路、電 壓 比較電路等部分組成 。 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。放大電路采用三級(jí)放大 ， 第一級(jí)和第三級(jí)放大采用固定增益放大，完成信號(hào)的基準(zhǔn)放大，第二級(jí)采用具有 程控增益調(diào)整功能的芯片 AD603 來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣當(dāng)?shù)谝患?jí)和第三級(jí)確定后，可以通過(guò)調(diào)節(jié) AD603 控制端的電壓來(lái)調(diào)節(jié)整個(gè)放大電路的增益，使輸出信號(hào)達(dá)到要求的幅值 。 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。超聲 波換能器的阻抗很大，一般在 10 6 Ω以上 ， 普通的放大器很難與之匹配，只有 MOS 結(jié)構(gòu)的放大器才有那么高的輸入阻抗。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。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 111 1 ??? RRA f 。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(shuō)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。為使放大后信號(hào)的幅值保持在同一數(shù)量級(jí)，要選用自動(dòng)增益放大電路來(lái)放大信號(hào)。通常采用程控增益放大器來(lái)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。使用程控增益放大器的不足是所用的器件較多，電 路設(shè)計(jì)也較為復(fù)雜，而且 其跳躍性的放大倍數(shù)可能會(huì)造成電路工作的不穩(wěn)定 。 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 是 一個(gè)低噪、 90MHz 帶寬增益可調(diào)的集成運(yùn)放，如增益用分貝表示，則增益與控制電壓成線性關(guān)系，壓擺率為 275V/μ s 。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)。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) 。 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(shuō)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(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。圖中加在梯型網(wǎng)絡(luò)輸入端（ VINP）的信號(hào)經(jīng)衰減后， 由固定增益放大器輸出，衰減量是由加在增益控制接口的電壓決定。增益的調(diào)整 與其自身電壓值無(wú)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。無(wú)源輸入衰減器由一個(gè)可從 0dB 到 變化的衰減器 組成，這個(gè)衰減器與固定增益放大器中的固定增益運(yùn)放相連，由于該衰減器的存在，即使有大的輸入，固定增益運(yùn)放也不會(huì)受到?jīng)_擊，而且還可以與運(yùn)放構(gòu)成負(fù) 反饋確保增益的穩(wěn)定性。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 。其衰減的程度受當(dāng) VG 的控制。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 。 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。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 。 在這里，我們?cè)? AD603 的腳 7 和腳 5 接了一個(gè)電阻 Ω的電阻，這樣蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 29 增益的變化范圍為 40VG，且信號(hào)的帶寬大于 90MHz 。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(guò) PWM 反饋和固定電壓 ，達(dá)到自動(dòng)增益調(diào)節(jié)的目的 。 ③ 第三級(jí)放大電路 末級(jí)放大電路的作用是將第二級(jí)放大輸出的信號(hào)進(jìn)一步放大，以滿足信號(hào)檢 測(cè)和鑒別電路的要求。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(jiàn)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 。 2) 濾波電路 在超聲波接收信號(hào)中，往往會(huì)摻雜一些干擾信號(hào)，在電路設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡可能 將這些干擾信號(hào)除去。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 。 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 。 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(shuō)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 。 3) 接收范圍門 由于發(fā)射信號(hào)功率較大，發(fā)射信號(hào)通過(guò)電路和聲路都可以耦