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。