基于超聲波回波衰減理論的超聲波濃度計(jì)設(shè)計(jì)
1 理論分析
超聲波在懸浮液中傳播時(shí),與懸浮粒子相遇的超聲波在界面被散射衰減,其余部分入射到粒子內(nèi)被吸收衰減,接觸界面的超聲波又受到粘滯衰減,最后到達(dá)接收端。各種衰減的機(jī)理是很復(fù)雜的,但都是由懸濁粒子所引起,并與懸濁粒子的數(shù)目成比例,故在一定條件下衰減是和濃度成比例的,測知懸浮液的聲衰減系數(shù),就能求出濃度。設(shè)液體中有懸浮粒子時(shí)的衰減率和接收電壓分別為(a0+ax)和E。,液體中沒有懸濁粒子時(shí)的衰減率和接收電壓分別為a0和E0,發(fā)射、接收端之間的距離為L,發(fā)射電壓為Er,則:
根據(jù)上述兩個(gè)公式,懸濁粒子引起的衰減率可由ax=(lnE0-lnEx)/L求得。
由接收探頭接收到的聲波幅度將隨懸浮液濃度的增加而衰減,聲波幅度轉(zhuǎn)換成的電壓值也隨濃度的增加而衰減,該濃度一電壓衰減曲線經(jīng)過標(biāo)定后,即可從測量電壓得到濃度值。
2 硬件設(shè)計(jì)
如圖1所示,整個(gè)系統(tǒng)以超聲波發(fā)射和接收電路為核心,采用直接數(shù)字頻率合成芯片AD9833產(chǎn)生脈沖串,經(jīng)過功率放大電路驅(qū)動(dòng)超聲波換能器,超聲波經(jīng)過懸濁液到達(dá)接收換能器,利用92 dB對數(shù)放大器AD8307對回波衰減信號(hào)進(jìn)行對數(shù)放大,最后由微控制器對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得出濃度值。系統(tǒng)還包括鍵盤、顯示、參數(shù)存儲(chǔ)、開關(guān)量輸出、繼電器輸出、電流輸出、UART通信等部分。
2.1 主控芯片電路
本系統(tǒng)以美國Silab的高速混合信號(hào)ISP Flash微控制器C8051F021為核心。衰減法超聲波濃度計(jì)在超聲波發(fā)射和接收的時(shí)序上需要精確的控制,這不僅需要處理器的速度快,而且需要多個(gè)定時(shí)器;由接收單元返回的是低于2.5 V的電壓信號(hào),需要經(jīng)過精確的A/D采集轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳遞給CPU處理。C8051F021的特點(diǎn)如下;
①高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核(可達(dá)25 MIPS)。
②12位的片上SAR ADC,可編程轉(zhuǎn)換速率,最大100 kbps,可編程放大器增益。
③4 352字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM,64 KB Flash存儲(chǔ)器;可以在系統(tǒng)編程。
④5個(gè)通用16位計(jì)數(shù)器、定時(shí)器陣列,硬件SMBus、SPI及2個(gè)UART串口。
⑤功耗低(10 mA@20 MHz),多種節(jié)電休眠和停機(jī)方式。
2.2 DDS產(chǎn)生超聲波發(fā)射單元的脈沖串
直接數(shù)字頻率合成器(DDS)以“相位”的概念進(jìn)行頻率合成,不僅可以產(chǎn)生不同頻率的正弦波,而且可以控制波形的初始相位,還可以產(chǎn)生三角波和方波。本系統(tǒng)采用DDS AD9833作為超聲波發(fā)射單元的脈沖生成器。AD9833是可編程的,通過高速串口外圍接口(SPI),只需要一個(gè)外部時(shí)鐘去產(chǎn)生簡單正弦波就可工作。 AD9833可以在基于25 MHz的時(shí)鐘下產(chǎn)生0 Hz~12.5 MHz的波形。
超聲波發(fā)射單元的脈沖生成電路如圖2所示。DDS的時(shí)鐘來源于25 MHz有源晶振。AD9833的SPI總線CLK、DATA、CS與微處理器的I/O口通過一片74HC244相連接。74HC244是八同相三態(tài)緩沖器,用于增強(qiáng)信號(hào)帶負(fù)載能力。通過微處理的控制,AD9833在VOUT引腳輸出需要頻率的方波。AD9833的輸出與微控制器的選通信號(hào)EN在與非門的作用下,在與非門的輸出端產(chǎn)生脈沖串,這個(gè)脈沖串經(jīng)過功率放大電路就可以對超聲波換能器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
2.3 超聲回波接收單元的對數(shù)放大器
在信號(hào)處理領(lǐng)域中,一些信號(hào)往往具有很寬的動(dòng)態(tài)范圍。比如在雷達(dá)、聲納等系統(tǒng)中,需要處理的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)120 dB以上;超聲波回波接收器前端的電壓也可以從“μV”級(jí)到“V”級(jí)。寬動(dòng)態(tài)范圍往往給應(yīng)用設(shè)計(jì)帶來很多問題。
在實(shí)際應(yīng)用中,一般會(huì)對所要處理的信號(hào)進(jìn)行非線性壓縮。應(yīng)用最多的就是對數(shù)放大器。它使輸出信號(hào)和輸入信號(hào)的包絡(luò)成對數(shù)比例。它對信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍的壓縮不需要像AGC系統(tǒng)那樣提取輸入信號(hào)的電平來控制增益,其增益與信號(hào)的大小成反比,在通信、雷達(dá)、超聲、電子對抗中有著廣泛的應(yīng)用。
如圖3所示,該方案采用單端輸入,有對數(shù)零點(diǎn)和斜率調(diào)節(jié)電路,將對數(shù)零點(diǎn)設(shè)在-84 dBm,斜率定為大約20 mV/dB。對數(shù)放大器后加一級(jí)緩沖(AD8031),主要作用有二:一是使接收模塊最終輸出是低阻抗的,提高抗干擾能力;二是通過這一級(jí)的電壓增益將對數(shù)斜率恢復(fù)到25 mV/dB 。設(shè)計(jì)的對數(shù)放大器信號(hào)輸入范圍定為-72 dBm(在50 Ω源阻抗時(shí),-72 dBm相當(dāng)于振幅為±80 μV的正弦波)到+10 dBm(振幅為±1 V的正弦波),相應(yīng)的對數(shù)輸出電壓為0.3~2.35 V,對數(shù)動(dòng)態(tài)范圍82 dB 。該電路做成模塊形式,封裝在屏蔽罩中。所有引線(地線和輸出信號(hào)線除外)均通過穿心電容引出,穿心電容的外極接地,以提高屏蔽效果。