本發(fā)明屬于超聲波換能器檢測領(lǐng)域，應(yīng)用于超聲波流量計中換能器信號一致性的測試。

背景技術(shù)：

超聲波換能器是一種聲電轉(zhuǎn)換裝置，廣泛應(yīng)用在超聲波流量計中。超聲波流量計利用接收到的超聲信號來計算流量信息，是一種非接觸式的流量計，具有壓損小，精度高，量程比大等突出優(yōu)點，在國際貿(mào)易和工程應(yīng)用中，具有廣闊的前景。

所謂換能器的一致性，就是指兩個換能器的靜態(tài)特性和動態(tài)特性的相似程度。如果選擇的兩個超聲波換能器的一致性較差，則換能器兩個聲道差異性較大，導致接收回波的形狀，幅值，相位，頻率等參數(shù)的差異。給硬件的設(shè)計和軟件的處理也帶來了很大的困難。同時也給流量計的安裝和測試帶來不便，引起測量的誤差甚至使流量計不能正常工作。

實際生產(chǎn)中的換能器一致性比較差，發(fā)射聲波能量和接收靈敏度比較低，因此對超聲波換能器的一致性進行必要的篩選是提高儀器性能的一個比較有效的途徑。在測量超聲波換能器穩(wěn)態(tài)特性的一致性時通常需要使用專用的導納儀或者通用的阻抗分析儀。由于換能器的參數(shù)較多，通過阻抗分析儀得到的一致性結(jié)果不夠準確，而且現(xiàn)有的換能器阻抗特性分析儀器通常非常昂貴。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種超聲波換能器信號測量方法和電路，用于換能器信號一致性的測試，提高篩選的簡易性，降低檢測成本。

本發(fā)明解決技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案為：

本發(fā)明的電路包括單片機，驅(qū)動電路，模擬開關(guān)切換電路，前置放大電路，帶通濾波電路，增益控制電路，峰值采樣電路。超聲波換能器兩端與驅(qū)動電路輸出端連接，同時與模擬開關(guān)切換電路的兩個輸入端連接，模擬開關(guān)切換電路的輸出為回波信號Signal+和Signal-，兩路回波信號進入前置放大電路，經(jīng)差分放大后輸出為信號V1, 信號V1經(jīng)過帶通濾波電路后輸出為信號V2, 信號V2進入增益控制電路后輸出為信號V3；信號V3進入峰值采樣電路后輸出為信號V4，增益控制電路和峰值采樣電路構(gòu)成數(shù)字AGC電路；信號V4為回波信號的峰值電壓，直接連接單片機的AD采樣端口，驅(qū)動電路、增益控制電路和峰值采樣電路受控于單片機。

本發(fā)明的方法是：將換能器正對擋板安裝在密閉管道內(nèi)，并調(diào)節(jié)好換能器與擋板間距。單片機給予設(shè)定的激勵信號，聲波經(jīng)過擋板反射后接收。模擬開關(guān)切換電路由發(fā)射狀態(tài)轉(zhuǎn)為接收狀態(tài)，回波信號經(jīng)過前置放大，帶通濾波，程控增益放大，峰值采樣后得到回波信號的峰值電壓，并輸入到單片機進行AD轉(zhuǎn)換讀取。單片機通過程控增益放大將換能器回波信號的峰值穩(wěn)定在一個設(shè)定的值，并顯示放大的倍數(shù)及驅(qū)動電壓，頻率，占空比，脈沖數(shù)等參數(shù)。根據(jù)回波信號的放大倍數(shù)判斷換能器的參數(shù)，為換能器一致性配對提供依據(jù)。同時，可以調(diào)節(jié)激勵信號的脈沖數(shù)、頻率、占空比、驅(qū)動電壓，改變換能器與擋板之間的距離，用于甄選不同管徑流量計的換能器，實現(xiàn)測量的通用性。

本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，從實際回波信號的幅值強度出發(fā)，通過調(diào)整換能器的驅(qū)動電壓，頻率，占空比，脈沖數(shù)，得到不同條件下?lián)Q能器的參數(shù)。能夠直觀的觀測出換能器信號的特征，以此篩選出一致性程度較好的換能器，具有成本低，功耗低，測量穩(wěn)定，分辨率高的特點。

附圖說明

圖1是換能器安裝管道示意圖；

圖2是測量系統(tǒng)原理框圖；

圖3-9是系統(tǒng)原理框圖內(nèi)模塊的具體電路。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明。

參照圖1，將換能器同軸安裝在密閉管道中，管道長度為200mm,直徑為50mm，內(nèi)部為常溫常壓下的空氣。管道內(nèi)的擋板可以沿軸向移動，用以調(diào)節(jié)聲波反射路徑的長短。待測的超聲波傳感器的兩根引腳T+和T-接入到電路中。

參照圖2，整個系統(tǒng)的工作流程為:單片機SPI(1)通訊接口調(diào)節(jié)數(shù)字電位器，改變驅(qū)動電壓，同時產(chǎn)生PWM控制驅(qū)動電路，使換能器獲得激勵電壓T+和T-。單片機通過EN1端口控制模擬開關(guān)切換電路的時序，使換能器中激發(fā)后進入接收狀態(tài)。聲波經(jīng)擋板反射后，換能器接收到回波信號Signal+和Signal-，兩路信號進入前置放大電路，經(jīng)差分放大后輸出為V1,V1經(jīng)過帶通濾波后輸出為V2,單片機SPI(2)通訊接口調(diào)節(jié)增益控制電路的增益，使V2進入增益控制電路后輸出為V3。單片機通過EN2端口控制峰值采樣電路的工作時序，使V3進入峰值采樣電路后輸出V4。V4為回波信號的峰值電壓，直接連接單片的AD采樣端口，利用單片機自帶的12位AD轉(zhuǎn)換測量回波的峰值。系統(tǒng)通過數(shù)字AGC電路調(diào)整放大倍數(shù)，使兩路回波峰值都達到一個設(shè)定值，并顯示系統(tǒng)及回波信號的相應(yīng)參數(shù)。

參照圖3，單片機單元采用MSP430FG437，LCD顯示單元采用定制的液晶顯示器。晶振Y1的頻率為4MHz，晶振Y2的頻率為332.768KHz。單片機的第1、52和80腳接3V，第10、11、48、53、78和79腳接地；單片機第8腳與電容C3和晶振Y2的一端相連，第9腳與晶振Y2的另一端和電容C4的一端相連；電容C3的另一端與電容C4的另一端共同接地；單片機第68腳與電容C2和晶振Y1的一端相連，第69腳與晶振Y1的另一端和電容C1的一端相連；電容C2的另一端與電容C1的另一端共同接地；電解電容C5的正極和電容C6的一端接3V，電解電容C5的負極和電容C6的另一端接地。單片機第2腳與V4端口連接；單片機第3腳與EN1端口連接，第4腳與EN2端口連接。單片機的第61、62、63腳分別與SPI (1)通訊的CS1、SCK1、SI1端口連接。單片機的第64、66、67腳分別與SPI (2)通訊的CS2、SCK2、SI2端口連接。單片機第65腳接PWM端口；單片機的第12-35腳分別與LCD的第1-24腳連接，單片機的第44-47腳分別與LCD的第25-28腳連接。電阻R1一端接地，另一端與單片機的48腳連接，電阻R1的另一端同時與單片機的49腳和R2的一端連接，R2的另一端同時與單片機的50腳和R3的一端連接，R3的另一端與單片機的51腳連接。與電解電容CD1正極和電容C3的一端相接；電解電容CD1負極和電容C3的另一端與單片機的第53腳相接；單片機的第80腳與電解電容CD2正極和電容C4的一端相接；電解電容CD2負極和電容C4的另一端與單片機的第78腳相接。

參照圖4，升壓芯片采用LM2733，數(shù)字電位器采用MCP41050。換能器的一端與端口T-連接，另一端與端口T+連接，電容C7的一端接地，另一端同時與T-端和電容C8的一端連接，電容C8的另一端接Vp端口；MOS管T1和T2的柵極都與PWM端口連接，T1、T2的漏極都與T+端口連接，T1的源極接地，T2的源極同時與Vp端口和電容C9的一端連接；電容C9的另一端接地；LM2733的2腳接地，5腳接3V，4腳接電阻R4的一端，R4的另一端接3V，電容C10的一端接地，另一端接3V；LM2733的5腳電感接L1的一端，LM2733的1腳同時與L1的另一端和二極管D1的一端連接，D1的另一端同時與Vp端口和電容C11的一端連接，C11的另一端與LM2733的3腳連接；電阻R5的一端接地，R5的另一端同時與LM2733的3腳和MCP41050的6、7腳連接；MCP41050的8腳接3V，5腳接Vp端口，4腳接地，3腳接SI1端口，2腳接SCK1端口，1腳接CS1端口。

參照圖5，在測量過程中，通過控制模擬開關(guān)切換電路的時序，使換能器輪流作為發(fā)射和接收用。在換能器發(fā)射時，開關(guān)控制信號置高電平，兩個MOS管T3、T4不導通，二極管也處于未導通狀態(tài)，T+和T-的信號被隔離。在接收回波信號時，開關(guān)控制信號EN1端口置低電平，兩個MOS管導通，二極管也導通，此時T+和T-端口的信號可以通過二極管，獲得回波信號Signal+和Signal-。MOS管T3和T4的柵極都與EN1端口連接，T3、T4的源極都接3V；T3的漏極與電阻R6的一端連接，R6的另一端同時與二極管D2、D3的正極連接，D2的負極與同時與電阻R8的一端和電容C12的一端連接，R8的另一端接地，C12的另一端接T+端口；D3的負極與同時與Signal+端口和電阻R9的一端連接，R9的另一端接地；T4的漏極與電阻R7的一端連接，R7的另一端同時與二極管D4、D5的正極連接，D5的負極與同時與電阻R11的一端和電容C13的一端連接，R11的另一端接地，C13的另一端接T-端口；D4的負極與同時與Signal-端口和電阻R10的一端連接，R10的另一端接地。

參照圖6，前置放大電路采用儀表放大器AD620。AD620的1腳和8腳中間接電阻R14，4腳接地，5腳接1.5V，6腳接V1端口，7腳同時與3V和電解電容C14的正端連接，C14的負端接地；穩(wěn)壓二極管D6、D7的負極接3V，D6、D7的正極分別與穩(wěn)壓二極管D8、D9的負極連接，D8、D9的正極接地；AD620的3腳同時與D7的正極和電阻R12的一端連接，R12的另一端接Signal+端口；AD620的4腳同時與D8的負極和電阻R13的一端連接，R13的另一端接Signal-端口。

參照圖7，帶通濾波電路采用軌至軌低功耗高速運放OPA836，根據(jù)實際換能器的諧振頻率范圍，設(shè)計帶通濾波器的中心頻率。OPA836的2腳接地，3腳接1.5V，5腳和6腳接3V，1腳接電容C18的一端，C18的另一端接V2端口；電阻R18的一端接地，R18的另一端接電容C17和電阻R17的一端，C17和R17的另一端同時接OPA836的4腳；電容C15的一端、C15一端分別與R17的兩端連接，C15的另一端、C16的另一端短接并同時與電阻R15、R16的一端連接，R15另一端與V1端口連接， R16的另一端接地。

參照圖8，增益控制電路的放大器同樣采用運放OPA836，數(shù)字電位器采用MCP41100。電路的增益與數(shù)字電位器的阻值呈正比關(guān)系。單片機通過SPI通訊接口調(diào)節(jié)數(shù)字電位器，改變電路增益，使信號的幅值達到預定的大小。OPA836的2腳接地， 4腳接1.5V，5腳和6腳接3V， 1腳和3腳分別接電容C18的兩端；電容C19的一端接V2端口，C19的流量一端接電阻R19的一端，R19的另一端接OPA836的3腳，OPA836的3腳同時與MCP41100的6腳和7腳連接；MCP41100的8腳接3V，4腳接地，3腳接SI2端口，2腳接SCK2端口，1腳接CS2端口，5腳接電阻R20的一端，R20的另一端接V3端口。

參照圖9，峰值采樣電路采用兩塊低功耗高速比較器OPA357。當輸入電壓升高時，二極管導通，電容快速充電并維持在輸入電壓。當輸入電壓降低時，二極管截止，電容無充放電，輸出電壓維持不變。所以電路有峰值保持的作用，一次檢測完成后，通過放電控制端開啟MOS管使電容放電準備下一次的檢測。OPA836的2腳接地，3腳接V3端口，5腳和6腳接3V， 1腳與二極管D10的正極連接，4腳與電阻R21的一端連接，R21的另一端接V4端口；OPA357(2)的2腳接地，5腳和6腳接3V， 1腳和4腳同時接V4端口，3腳與二極管D10的負極連接。MOS管T5的源極接地，柵極接EN2端口，漏極接電阻R22的一端，R22的另一端同時接OPA357(2)的3腳和電容C21的一端，C21的另一端接地。

工作原理如下：待測的換能器同軸安裝在密閉管道內(nèi)，調(diào)節(jié)好擋板與換能器的距離。換能器兩端（T+和T-）與驅(qū)動電路輸出端連接，同時與第一路模擬開關(guān)切換電路的兩個輸入端連接，切換電路的輸出為回波信號Signal+和Signal-，兩路信號進入前置放大電路，經(jīng)差分放大后輸出為V1,V1經(jīng)過帶通濾波后輸出為V2, V2進入增益控制電路后輸出為V3。V3進入峰值采樣電路后輸出為V4。V4為回波信號的峰值電壓，直接連接單片機的AD采樣端口進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，得到回波信號的峰值電壓。系統(tǒng)根據(jù)峰值電壓的大小調(diào)整數(shù)字AGC電路中的數(shù)字電位器，改變回波信號的放大倍數(shù)，使峰值電壓保持在設(shè)定的值。同時，在LCD上顯示系統(tǒng)驅(qū)動電壓，頻率，占空比，脈沖數(shù)，數(shù)字電位器等參數(shù)，作為換能器一致性的評估依據(jù)。