Sound Velocity Measuring Circuit Design based on the Pulse-echo Method
摘要: 本文分析比较了各种声速的测量方法，采用了合理的“脉冲回鸣法”声速测量技术路线。在硬件电路的设计上，重点解决了传感器驱动电路、自动增益控制电路、接收探头控制电路等电路的设计，取得了良好的效果。
关键字: 测量电路；脉冲回鸣法；传感器
Abstract: Several measuring methods have been compared in the paper, and then the pulse-echo method is chosen to measure ultrasonic velocity. In the hardware design, we are focusing to design the sensor driving circuit, auto amplifier controlling circuit and detecting circuit, and obtain a good result.
Keywords: Measuring Circuit; Pulse-echo Method; Sensors
1 引言
声速的测量方法很多，在工程实际中用得比较广泛的主要有传播时间法、脉冲回鸣法和脉冲迭加法，这三种方法都是测量声速的有效方法。脉冲回波迭加法更是一种高精度声速测量方法，特别是用于测量固体声速时可得到很高的准确度，但它的实现十分复杂。传播时间法和脉冲回鸣法的基本实现原理是相似的。脉冲回鸣法采用了多次测量的原理，这对消除一些偶然性因素引起的误差有一定的作用，并且脉冲回鸣法的实现电路简单，其测量结果也能达到较高的准确度。通过比较，本文设计了一种基于脉冲回鸣法的声速测量电路，主要由发射电路和接收电路两大部分组成。
2 超声波液体测压仪的发射电路
发射电路是为了给超声波传感器提供能量,使其中的压电晶体产生共振,发射超声波的电路。常用的发射电路可分为三类:即单脉冲发射电路、方波调制的脉冲发射电路和连续波发射电路。本文采用了单脉冲发射电路,它包含控制电路和驱动电路。
2.1发射探头的控制电路
控制电路主要由或门和单稳态多谐振荡器组成,如下图1所示。
 
图1发射探头的控制电路
(1) 或门
选用74LS32集成电路,1脚接比较电路的输出端,2脚接单片机的P1.4端口。当测压仪开始进行声速测量时,由单片机发出脉冲触发单稳态多谐振荡器工作;第一个脉冲触发后2脚关闭,此后单稳态多谐振荡器由1脚信号触发工作。
(2) 单稳态多谐振荡器
选用SN74LS121S集成电路。它为具有施密特触发器输入的单稳态多谐振荡器,正触发输入端A1(TR+)采用了施密特触发器,因此有较高的抗扰度,典型值为1.2V。又由于内部有锁存电路,故对电源VCC也有较高的抗扰度,典型值为1.5V。由于内部补偿作用,使输出脉冲宽度的稳定性与温度和VCC无关,而仅受外接定时元件精度的限制。
2.2 发射探头的驱动电路
驱动电路由光电耦合器、互补电路和高电压产生电路组成,如图2所示。
 
图2 发射探头的驱动电路
发射探头的驱动电路有120V的直流电压,为了减小测量电路的电磁干扰,将这部分电路和其它控制电路部分分别放在两块电路板上,同时对驱动控制信号进行光电隔离。
IRF840的栅极G驱动采用互补电路;IRF840的源极S接电路板的模拟地;IRF840的漏极通过电阻和120V的直流电源相连,极性电容的一端通过二极管与超声波传感器相连,传感器的另一端与直流电源的地相连。场效应管是电压控制元件,由发射电路发射的控制脉冲由光电耦合电路隔离后,经过互补电路驱动脉冲信号。在脉冲信号的作用下,当场效应管的G门关闭时,电容器C通电,此时二极管IN4148可起保护抗干扰作用,使发射探头不受电压激励产生不合适的超声波;当栅极导通时,电容C迅速放电,此时二极管IN4148导通,产生电压为120V周期为150KHZ的负脉冲。在负脉冲的作用下,超声波探头中的压电晶体产生逆压电效应,把电能转换成声能,以声波的形式发出。
3 超声波液体测压仪的接收电路
超声波传感器接收到的超声波信号是非常小的,只有几毫伏,要对这样小的信号进行检测,就必须对它进行放大,只有当该信号达到一定的幅度时,才能检测到。本课题所设计的接收电路包含接收控制、信号放大、滤波、自动增益控制、采样/保持和A/D转换电路组成,它主要用来完成对接收探头接收到信号的整形处理。
3.1信号放大电路
超声波传感器的工作频率在150KHZ左右,所以要求运算放大器的增益带宽要足够高,转换速率SR要快。在查阅大量资料的基础上,选用了有“运放之皇”之称的高增益带宽积的高速仪用放大器NE5532。NE5532的单位增益带宽GBW高达10MHZ,转换速率SR为9V/μs。
信号放大电路采用三级放大,第一级和第三级采用固定增益放大,完成信号的基准放大,第二级采用数字电位器可自动控制增益放大。传感器的输入信号一般为毫伏量级,当输入信号幅值为10mv时,输出检测端要求信号幅值为1V, 则第一级和第三级的放大倍数为10倍左右,考虑到滤波电路和其它电路的损耗,这两级放大电路的放大倍数应选取在30-80倍左右。
第一级放大电路原理图如图3所示,第三级放大电路的选取和第一级放大电路基本相同,只是反馈电阻选用固定电阻。
 
图3第一级放大电路原理图
在信号的输入端用两个稳压二极管进行输入保护,使输入的信号的大小被限制在一定的范围内,以免烧坏后续的处理电路。稳压二极管的稳压范围在3.6V-4.7V之间。在第一级运算放大电路之间用一个电容将信号的直流分量滤掉。第一级运算放大器的放大倍数设计在30-80之间,采用同相比例运算放大电路,电路的闭环电压增益为:
 
选取R3的阻值为1K,R4的值为30K,R5为阻值50K的可变电阻。通过调节R5的阻值来改变放大电路的放大倍数。
3.2自动增益控制电路
第二级放大电路采用数字电位器可自动控制增益的放大电路。这种电路是通过单片机实现的数字增益控制。当超声波信号通过自动增益控制电路,在信号到达检测电路之前可使信号稳定可靠,从而实现高精度测量。
 

图4 自动增益控制电路
3.3信号滤波电路
滤波电路的主要作用是让指定频率段的有用信号比较顺利的通过,而对其他频率段的起抑制(或大为衰减)作用。常见的滤波电路有RC滤波电路和LC滤波电路。
由运算放大器和R、C组成的有源滤波电路,具有不用电感、体积小、重量轻等优点。此外,由于集成运算放大器的开环电压增益和输入阻抗均很高,输出阻抗又低,构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。但是,集成运放的带宽有限,所以有源滤波电路的工作频率难以做得很高,一般使用频率在几十千赫以下;另外,有源滤波器的可靠性也较差。本课题中使用的超声波传感器的工作频率在150KHZ左右,所以采用由电感和电容组成的LC滤波电路。
为了提高信噪比和减小干扰信号的影响,采用两级LC滤波,分别加在第一级和第二级放大电路之后。
3.4采样/保持电路
当接收探头接收到的信号经三级放大和滤波后,进入采样/保持电路。采样/保持电路采用了两个集成运算放大器,在此选用NE5532N,组成正峰值保持电路。复位开关选用ADG201,复位后电容C1两端的电压为零,a点的电位为零。A2只起缓冲放大作用,其输出与a点的电位相同,此为也为零。A2的输出接A1的反相输入端,输入信号加到A2的同相端。如果输入为正,则A1输出电位正向逐渐增大,因此二极管D1导通,电容C1开始充电,这样a点电位也逐渐上升,A2输出也跟着增大。在EIN≤EOUT时,A1输出为负,D2截止,电容C1无充电电流,两端电压保持为INE。若A2的输入端的偏置电流很小,随着时间的增长,可以保持住这个电压。在EIN≤EOUT期间,保持的电压是不变的。然而当EIN>EOUT时,D2再次导通,电容C1充电到EIN。这样C1两端电压保持为EIN,实现了峰值电压保持的功能。
3.5 A/D转换电路
经采样/保持后的信号送到A/D转换器。A/D转换器选用TLC1543芯片,此芯片是CMOS、10位开关电容逐次逼近模数转换器,有11个模拟输入通道,内部固有的采样/保持,在整个温度范围内有较小的转换误差。TLC1543有三个输入端和一个三态输出端,即片选(CS)、输入/输出时钟(I/OCLOCK)、地址输入(ADRRESS)和数据输出(DATA OUT),这样就和微处理器89S51有一个直接的4线接口,从而可以实现与微处理器之间进行高速数据传输。经A/D转换器得到的信号峰值电压值通过串行接口送到微处理器保存起来,既可作为下一次测量时的控制电压参考值,又可作为声速的测量值。
3.6接收探头控制电路
为了确定信号接收范围,从而在一定程度上有效地抑制噪声的干扰,本仪器设计了接收探头控制电路,如图5所示。
 
图5 接收探头控制电路
在此选用高速、高可靠性的电磁继电器JRC21,此继电器有一个常开触点和一个常闭触点。电磁继电器通过单片机控制电路来控制。
微机测控系统的开关信号,往往是通过芯片给出的低压直流如TTL电平信号,这种电平信号一般不能直接驱动外设,而需经接口转换等手段处理后才能用于驱动设备的开启或关闭。由于在开关过程中会产生电磁干扰信号,如不隔离可能会使微机控制系统造成误动作或损坏,因此接口处理中也应当包括隔离技术,选用的是最常用的光－电隔离技术,因为光信号的传送不受电场、磁场的干扰,可以有效地隔离电信号。接收探头控制电路的光电隔离采用二极管-晶体管光电耦合器4N25。
本文作者创新点：本文主要介绍了基于脉冲回鸣法的声速测量电路的设计方法。主要包括传感器驱动电路、自动增益控制电路、接收探头控制电路等电路的设计。
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作者简介：刘辉，(1970- )， 女，副教授，硕士研究生导师。主要研究方向：计算机软件理论、分布式应用系统开发。
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