一种低成本超声波换能器信号快速测量方法及电路与流程

本发明属于超声波换能器检测领域，应用于超声波流量计中换能器信号一致性的测试。

背景技术：

超声波换能器是一种声电转换装置，广泛应用在超声波流量计中。超声波流量计利用接收到的超声信号来计算流量信息，是一种非接触式的流量计，具有压损小，精度高，量程比大等突出优点，在国际贸易和工程应用中，具有广阔的前景。

所谓换能器的一致性，就是指两个换能器的静态特性和动态特性的相似程度。如果选择的两个超声波换能器的一致性较差，则换能器两个声道差异性较大，导致接收回波的形状，幅值，相位，频率等参数的差异。给硬件的设计和软件的处理也带来了很大的困难。同时也给流量计的安装和测试带来不便，引起测量的误差甚至使流量计不能正常工作。

实际生产中的换能器一致性比较差，发射声波能量和接收灵敏度比较低，因此对超声波换能器的一致性进行必要的筛选是提高仪器性能的一个比较有效的途径。在测量超声波换能器稳态特性的一致性时通常需要使用专用的导纳仪或者通用的阻抗分析仪。由于换能器的参数较多，通过阻抗分析仪得到的一致性结果不够准确，而且现有的换能器阻抗特性分析仪器通常非常昂贵。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种超声波换能器信号测量方法和电路，用于换能器信号一致性的测试，提高筛选的简易性，降低检测成本。

本发明解决技术问题所采取的技术方案为：

本发明的电路包括单片机，驱动电路，模拟开关切换电路，前置放大电路，带通滤波电路，增益控制电路，峰值采样电路。超声波换能器两端与驱动电路输出端连接，同时与模拟开关切换电路的两个输入端连接，模拟开关切换电路的输出为回波信号Signal+和Signal-，两路回波信号进入前置放大电路，经差分放大后输出为信号V1, 信号V1经过带通滤波电路后输出为信号V2, 信号V2进入增益控制电路后输出为信号V3；信号V3进入峰值采样电路后输出为信号V4，增益控制电路和峰值采样电路构成数字AGC电路；信号V4为回波信号的峰值电压，直接连接单片机的AD采样端口，驱动电路、增益控制电路和峰值采样电路受控于单片机。

本发明的方法是：将换能器正对挡板安装在密闭管道内，并调节好换能器与挡板间距。单片机给予设定的激励信号，声波经过挡板反射后接收。模拟开关切换电路由发射状态转为接收状态，回波信号经过前置放大，带通滤波，程控增益放大，峰值采样后得到回波信号的峰值电压，并输入到单片机进行AD转换读取。单片机通过程控增益放大将换能器回波信号的峰值稳定在一个设定的值，并显示放大的倍数及驱动电压，频率，占空比，脉冲数等参数。根据回波信号的放大倍数判断换能器的参数，为换能器一致性配对提供依据。同时，可以调节激励信号的脉冲数、频率、占空比、驱动电压，改变换能器与挡板之间的距离，用于甄选不同管径流量计的换能器，实现测量的通用性。

本发明的有益效果在于：

本发明结构简单，从实际回波信号的幅值强度出发，通过调整换能器的驱动电压，频率，占空比，脉冲数，得到不同条件下换能器的参数。能够直观的观测出换能器信号的特征，以此筛选出一致性程度较好的换能器，具有成本低，功耗低，测量稳定，分辨率高的特点。

附图说明

图1是换能器安装管道示意图；

图2是测量系统原理框图；

图3-9是系统原理框图内模块的具体电路。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明。

参照图1，将换能器同轴安装在密闭管道中，管道长度为200mm,直径为50mm，内部为常温常压下的空气。管道内的挡板可以沿轴向移动，用以调节声波反射路径的长短。待测的超声波传感器的两根引脚T+和T-接入到电路中。

参照图2，整个系统的工作流程为:单片机SPI(1)通讯接口调节数字电位器，改变驱动电压，同时产生PWM控制驱动电路，使换能器获得激励电压T+和T-。单片机通过EN1端口控制模拟开关切换电路的时序，使换能器中激发后进入接收状态。声波经挡板反射后，换能器接收到回波信号Signal+和Signal-，两路信号进入前置放大电路，经差分放大后输出为V1,V1经过带通滤波后输出为V2,单片机SPI(2)通讯接口调节增益控制电路的增益，使V2进入增益控制电路后输出为V3。单片机通过EN2端口控制峰值采样电路的工作时序，使V3进入峰值采样电路后输出V4。V4为回波信号的峰值电压，直接连接单片的AD采样端口，利用单片机自带的12位AD转换测量回波的峰值。系统通过数字AGC电路调整放大倍数，使两路回波峰值都达到一个设定值，并显示系统及回波信号的相应参数。

参照图3，单片机单元采用MSP430FG437，LCD显示单元采用定制的液晶显示器。晶振Y1的频率为4MHz，晶振Y2的频率为332.768KHz。单片机的第1、52和80脚接3V，第10、11、48、53、78和79脚接地；单片机第8脚与电容C3和晶振Y2的一端相连，第9脚与晶振Y2的另一端和电容C4的一端相连；电容C3的另一端与电容C4的另一端共同接地；单片机第68脚与电容C2和晶振Y1的一端相连，第69脚与晶振Y1的另一端和电容C1的一端相连；电容C2的另一端与电容C1的另一端共同接地；电解电容C5的正极和电容C6的一端接3V，电解电容C5的负极和电容C6的另一端接地。单片机第2脚与V4端口连接；单片机第3脚与EN1端口连接，第4脚与EN2端口连接。单片机的第61、62、63脚分别与SPI (1)通讯的CS1、SCK1、SI1端口连接。单片机的第64、66、67脚分别与SPI (2)通讯的CS2、SCK2、SI2端口连接。单片机第65脚接PWM端口；单片机的第12-35脚分别与LCD的第1-24脚连接，单片机的第44-47脚分别与LCD的第25-28脚连接。电阻R1一端接地，另一端与单片机的48脚连接，电阻R1的另一端同时与单片机的49脚和R2的一端连接，R2的另一端同时与单片机的50脚和R3的一端连接，R3的另一端与单片机的51脚连接。与电解电容CD1正极和电容C3的一端相接；电解电容CD1负极和电容C3的另一端与单片机的第53脚相接；单片机的第80脚与电解电容CD2正极和电容C4的一端相接；电解电容CD2负极和电容C4的另一端与单片机的第78脚相接。

参照图4，升压芯片采用LM2733，数字电位器采用MCP41050。换能器的一端与端口T-连接，另一端与端口T+连接，电容C7的一端接地，另一端同时与T-端和电容C8的一端连接，电容C8的另一端接Vp端口；MOS管T1和T2的栅极都与PWM端口连接，T1、T2的漏极都与T+端口连接，T1的源极接地，T2的源极同时与Vp端口和电容C9的一端连接；电容C9的另一端接地；LM2733的2脚接地，5脚接3V，4脚接电阻R4的一端，R4的另一端接3V，电容C10的一端接地，另一端接3V；LM2733的5脚电感接L1的一端，LM2733的1脚同时与L1的另一端和二极管D1的一端连接，D1的另一端同时与Vp端口和电容C11的一端连接，C11的另一端与LM2733的3脚连接；电阻R5的一端接地，R5的另一端同时与LM2733的3脚和MCP41050的6、7脚连接；MCP41050的8脚接3V，5脚接Vp端口，4脚接地，3脚接SI1端口，2脚接SCK1端口，1脚接CS1端口。

参照图5，在测量过程中，通过控制模拟开关切换电路的时序，使换能器轮流作为发射和接收用。在换能器发射时，开关控制信号置高电平，两个MOS管T3、T4不导通，二极管也处于未导通状态，T+和T-的信号被隔离。在接收回波信号时，开关控制信号EN1端口置低电平，两个MOS管导通，二极管也导通，此时T+和T-端口的信号可以通过二极管，获得回波信号Signal+和Signal-。MOS管T3和T4的栅极都与EN1端口连接，T3、T4的源极都接3V；T3的漏极与电阻R6的一端连接，R6的另一端同时与二极管D2、D3的正极连接，D2的负极与同时与电阻R8的一端和电容C12的一端连接，R8的另一端接地，C12的另一端接T+端口；D3的负极与同时与Signal+端口和电阻R9的一端连接，R9的另一端接地；T4的漏极与电阻R7的一端连接，R7的另一端同时与二极管D4、D5的正极连接，D5的负极与同时与电阻R11的一端和电容C13的一端连接，R11的另一端接地，C13的另一端接T-端口；D4的负极与同时与Signal-端口和电阻R10的一端连接，R10的另一端接地。

参照图6，前置放大电路采用仪表放大器AD620。AD620的1脚和8脚中间接电阻R14，4脚接地，5脚接1.5V，6脚接V1端口，7脚同时与3V和电解电容C14的正端连接，C14的负端接地；稳压二极管D6、D7的负极接3V，D6、D7的正极分别与稳压二极管D8、D9的负极连接，D8、D9的正极接地；AD620的3脚同时与D7的正极和电阻R12的一端连接，R12的另一端接Signal+端口；AD620的4脚同时与D8的负极和电阻R13的一端连接，R13的另一端接Signal-端口。

参照图7，带通滤波电路采用轨至轨低功耗高速运放OPA836，根据实际换能器的谐振频率范围，设计带通滤波器的中心频率。OPA836的2脚接地，3脚接1.5V，5脚和6脚接3V，1脚接电容C18的一端，C18的另一端接V2端口；电阻R18的一端接地，R18的另一端接电容C17和电阻R17的一端，C17和R17的另一端同时接OPA836的4脚；电容C15的一端、C15一端分别与R17的两端连接，C15的另一端、C16的另一端短接并同时与电阻R15、R16的一端连接，R15另一端与V1端口连接， R16的另一端接地。

参照图8，增益控制电路的放大器同样采用运放OPA836，数字电位器采用MCP41100。电路的增益与数字电位器的阻值呈正比关系。单片机通过SPI通讯接口调节数字电位器，改变电路增益，使信号的幅值达到预定的大小。OPA836的2脚接地， 4脚接1.5V，5脚和6脚接3V， 1脚和3脚分别接电容C18的两端；电容C19的一端接V2端口，C19的流量一端接电阻R19的一端，R19的另一端接OPA836的3脚，OPA836的3脚同时与MCP41100的6脚和7脚连接；MCP41100的8脚接3V，4脚接地，3脚接SI2端口，2脚接SCK2端口，1脚接CS2端口，5脚接电阻R20的一端，R20的另一端接V3端口。

参照图9，峰值采样电路采用两块低功耗高速比较器OPA357。当输入电压升高时，二极管导通，电容快速充电并维持在输入电压。当输入电压降低时，二极管截止，电容无充放电，输出电压维持不变。所以电路有峰值保持的作用，一次检测完成后，通过放电控制端开启MOS管使电容放电准备下一次的检测。OPA836的2脚接地，3脚接V3端口，5脚和6脚接3V， 1脚与二极管D10的正极连接，4脚与电阻R21的一端连接，R21的另一端接V4端口；OPA357(2)的2脚接地，5脚和6脚接3V， 1脚和4脚同时接V4端口，3脚与二极管D10的负极连接。MOS管T5的源极接地，栅极接EN2端口，漏极接电阻R22的一端，R22的另一端同时接OPA357(2)的3脚和电容C21的一端，C21的另一端接地。

工作原理如下：待测的换能器同轴安装在密闭管道内，调节好挡板与换能器的距离。换能器两端（T+和T-）与驱动电路输出端连接，同时与第一路模拟开关切换电路的两个输入端连接，切换电路的输出为回波信号Signal+和Signal-，两路信号进入前置放大电路，经差分放大后输出为V1,V1经过带通滤波后输出为V2, V2进入增益控制电路后输出为V3。V3进入峰值采样电路后输出为V4。V4为回波信号的峰值电压，直接连接单片机的AD采样端口进行数模转换，得到回波信号的峰值电压。系统根据峰值电压的大小调整数字AGC电路中的数字电位器，改变回波信号的放大倍数，使峰值电压保持在设定的值。同时，在LCD上显示系统驱动电压，频率，占空比，脉冲数，数字电位器等参数，作为换能器一致性的评估依据。