基于超声波回波衰减理论的超声波浓度计设计

2012-07-05 18:02:31来源: 21ic

  1 理论分析

  超声波在悬浮液中传播时,与悬浮粒子相遇的超声波在界面被散射衰减,其余部分入射到粒子内被吸收衰减,接触界面的超声波又受到粘滞衰减,最后到达接收端。各种衰减的机理是很复杂的,但都是由悬浊粒子所引起,并与悬浊粒子的数目成比例,故在一定条件下衰减是和浓度成比例的,测知悬浮液的声衰减系数,就能求出浓度。设液体中有悬浮粒子时的衰减率和接收电压分别为(a0+ax)和E。,液体中没有悬浊粒子时的衰减率和接收电压分别为a0和E0,发射、接收端之间的距离为L,发射电压为Er,则:

发射电压

  根据上述两个公式,悬浊粒子引起的衰减率可由ax=(lnE0-lnEx)/L求得。

  由接收探头接收到的声波幅度将随悬浮液浓度的增加而衰减,声波幅度转换成的电压值也随浓度的增加而衰减,该浓度一电压衰减曲线经过标定后,即可从测量电压得到浓度值。

  2 硬件设计

  如图1所示,整个系统以超声波发射和接收电路为核心,采用直接数字频率合成芯片AD9833产生脉冲串,经过功率放大电路驱动超声波换能器,超声波经过悬浊液到达接收换能器,利用92 dB对数放大器AD8307对回波衰减信号进行对数放大,最后由微控制器对数据进行处理得出浓度值。系统还包括键盘、显示、参数存储、开关量输出、继电器输出、电流输出、UART通信等部分。

硬件设计

  2.1 主控芯片电路

  本系统以美国Silab的高速混合信号ISP Flash微控制器C8051F021为核心。衰减法超声波浓度计在超声波发射和接收的时序上需要精确的控制,这不仅需要处理器的速度快,而且需要多个定时器;由接收单元返回的是低于2.5 V的电压信号,需要经过精确的A/D采集转换成数字信号传递给CPU处理。C8051F021的特点如下;

  ①高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核(可达25 MIPS)。

  ②12位的片上SAR ADC,可编程转换速率,最大100 kbps,可编程放大器增益。

  ③4 352字节内部数据RAM,64 KB Flash存储器;可以在系统编程。

  ④5个通用16位计数器、定时器阵列,硬件SMBus、SPI及2个UART串口。

  ⑤功耗低(10 mA@20 MHz),多种节电休眠和停机方式。

  2.2 DDS产生超声波发射单元的脉冲串

  直接数字频率合成器(DDS)以“相位”的概念进行频率合成,不仅可以产生不同频率的正弦波,而且可以控制波形的初始相位,还可以产生三角波和方波。本系统采用DDS AD9833作为超声波发射单元的脉冲生成器。AD9833是可编程的,通过高速串口外围接口(SPI),只需要一个外部时钟去产生简单正弦波就可工作。 AD9833可以在基于25 MHz的时钟下产生0 Hz~12.5 MHz的波形。

  超声波发射单元的脉冲生成电路如图2所示。DDS的时钟来源于25 MHz有源晶振。AD9833的SPI总线CLK、DATA、CS与微处理器的I/O口通过一片74HC244相连接。74HC244是八同相三态缓冲器,用于增强信号带负载能力。通过微处理的控制,AD9833在VOUT引脚输出需要频率的方波。AD9833的输出与微控制器的选通信号EN在与非门的作用下,在与非门的输出端产生脉冲串,这个脉冲串经过功率放大电路就可以对超声波换能器进行驱动。

超声波发射单元的脉冲生成电路

  2.3 超声回波接收单元的对数放大器

  在信号处理领域中,一些信号往往具有很宽的动态范围。比如在雷达、声纳等系统中,需要处理的信号动态范围可达120 dB以上;超声波回波接收器前端的电压也可以从“μV”级到“V”级。宽动态范围往往给应用设计带来很多问题。

  在实际应用中,一般会对所要处理的信号进行非线性压缩。应用最多的就是对数放大器。它使输出信号和输入信号的包络成对数比例。它对信号动态范围的压缩不需要像AGC系统那样提取输入信号的电平来控制增益,其增益与信号的大小成反比,在通信、雷达、超声、电子对抗中有着广泛的应用。

  如图3所示,该方案采用单端输入,有对数零点和斜率调节电路,将对数零点设在-84 dBm,斜率定为大约20 mV/dB。对数放大器后加一级缓冲(AD8031),主要作用有二:一是使接收模块最终输出是低阻抗的,提高抗干扰能力;二是通过这一级的电压增益将对数斜率恢复到25 mV/dB 。设计的对数放大器信号输入范围定为-72 dBm(在50 Ω源阻抗时,-72 dBm相当于振幅为±80 μV的正弦波)到+10 dBm(振幅为±1 V的正弦波),相应的对数输出电压为0.3~2.35 V,对数动态范围82 dB 。该电路做成模块形式,封装在屏蔽罩中。所有引线(地线和输出信号线除外)均通过穿心电容引出,穿心电容的外极接地,以提高屏蔽效果。

超声回波接收单元的对数放大器


 

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关键字:超声波  回波衰减  浓度计

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2012/0705/article_5370.html
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