本发明属于工业测量技术领域，具体涉及一种用于超声波空化强度测量的变送器。
背景技术：
随着超声波技术的发展，超声效应已被广泛应用于许多行业，空化强度是超声波系统一个最主要的指标。液体中超声波的作用机理较为复杂，超声空化效应会在声场中产生局部高温高压环境，双水听器是将空化强度转换成便于测量和传输的信号，其在空化效应环境中测量到的数据携带大量噪声信息，双水听器模块是使用两个方向相对且相距较近的水听器分别测量两点的声压值，通过算法间接得到空化强度；而常规水听器模块对空化效应的信号处理方法获取信号途径简单且干扰较多、处理算法简单、测量精度也相对较低，难以满足空化强度测量仪在现场的测量要求。
技术实现要素：
本发明针对现有技术的不足，提供了一种用于超声波空化强度测量的变送器。
本发明包括传感器模块、电源管理模块、信号处理模块、控制模块、通讯模块和输入输出模块。
所述的传感器模块由基于压电效应的双水听器模块组成。
所述的电源管理模块包括8.5v电源输入模块和3.3v电压转换模块，8.5v电源输入模块为信号处理模块中的电压放大模块提供稳定的8.5v电压，电源管理模块中的3.3v电压转换模块为控制模块、通讯模块和输入输出模块提供稳定的3.3v电压。
所述的信号处理模块包括电压放大模块。
所述的输入输出模块包括输入模块和4-20ma输出模块。
所述的控制模块包括滤波单元、频率测量单元和空化强度测量单元。
所述的滤波单元包括剔除奇异项；滤除高斯白噪声和有色噪声以及平滑数据。
所述的频率测量单元采用快速傅立叶变换法。
所述的空化强度测量单元具体是：
设水听器a和水听器b的声学中心的连线方向为u(t)，相距为d，所测得a、b通道的声压信号分别是pa(t)、pb(t)，根据流体的欧拉公式得到质点加速度与声压的梯度关系：
其中：ia为瞬时空化强度。
本发明的有益效果：该装置体积小，安装方便，采用24v直流电源供电、功耗低，精度高；具备信号处理、数据滤波和标准信号输出等功能，采用双水听器提供稳定可靠的采集信号，可以同时测量到空化的声压和质点振数，利用相关公式得出精确的结果，水听器采集到的信号是以交流电压的形式传输，信号处理模块中的运算放大器和滤波器可以对信号进行适当的调整，得到主控芯片可以接受的信号，使用功能强大和接口丰富的stm32f103vet6控制模块，可以处理复杂的信号和数据，其中的滤波算法、频率测量算法和声强测量算法，滤波算法可以剔除奇异项，高斯白噪声和有色噪声的滤波以及数据平滑处理，使得到的信号更加可靠，控制模块提供输入功能，可以根据不同的现场环境输入相关参数，提高测量数据的精度，4-20ma输出模块可以将控制模块得到的空化强度和频率转换成模拟信号传输到pc机、工控网等接收电路上，为测量仪表提供更丰富的接口资源。可利用串口快速的将数据传输到计算机进行记录、存储和处理，使客户得到需要的空化强度、频率等数据，pc端亦可通过串口对测量变送器参数(如量程、单位、滤波系数、标定方法)等进行设置和软件升级。
附图说明
图1为本发明的硬件结构示意图；
图2为本发明的电源管理模块电路原理图；
图3为本发明的信号处理模块电路原理图；
图4为本发明的控制模块电路原理图；
图5为本发明的通讯模块电路原理图；
图6为本发明的输入输出电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，本发明包括传感器模块、电源管理模块1、信号处理模块2、控制模块3、通讯模块4和输入输出模块5。各模块均采用现有成熟技术，其中，传感器模块是基于压电效应的双水听器模块组成，双水听器法是使用两个方向相对且相距较近的水听器分别测量两点的声压值，通过选择最优滤波算法间接得到空化强度。电源管理模块1包括8.5v电源输入模块和3.3v电压转换模块，信号处理模块2包括电压放大模块，输入信号经过一个运算放大器反相后保留负半周期信号，输出后信号分成两部分，一部分与输入信号叠加，经过两个运算放大器的反相和放大后输出声强测量信号；另一部分信号经过反相后进入二阶有源带通滤波器，实现信号的加窗处理，最后输出频率测量信号到控制模块。输入输出模块4包括输入模块和4-20ma模块。电源管理模块1中的8.5v电源为信号处理模块2中的电压放大模块提供稳定的8.5v电压，电源管理模块1中的3.3v电压转换模块为控制模块3、通讯模块5和输入输出模块4提供稳定的3.3v电压。控制模块3中的控制器stm32f103vet6保存信号处理模块2中采集到的电压值，通过控制器stm32f103vet6中的内部d/a模块在第七十引脚和第七十二引脚输出电压，通过信号继电器经由电压放大模块放大的电压信号处理，输入到控制器stm32f103vet6的第二十四引脚，控制器stm32f103vet6处理计算得到声强值，并转化为4-20ma标准信号输出。其中通讯模块5通过rs485通信协议与外部计算机进行数据传送和参数设置。4-20ma标准输出模块可以将控制模块得到的空化强度和频率转换成模拟信号传输到pc机、工控网等接收电路上，为测量仪表提供更丰富的接口资源。同时pc端亦可通过串口对测量变送器参数(如量程、单位、滤波系数、标定方法)等进行设置和软件升级。
如图2所示，电源管理模块由8.5v电源和3.3v电压转换电路组成，包括电源管理芯片spx1117m3-l-3-3/tr、正负压电源芯片a0305s-1wr2，第一电容c2、第二电容c4、第三电容c8、第四电容c10、第五电容c12、第六电容c42、第七电容c31、第八电容c32、第九电容c33、第十电容c38、第十一电容c6、第十二电容c9、第十三电容c11、第十四电容c13、第十五电容c14，第十六电容c18、第十七电容c20、第十八电容c24、第十九电容c27、第二十电容c29、第二十一电容c19、第二十二电容c21、第二十三电容c25、第二十四电容c28、第二十五电容c30、第一二极管d4、第一磁珠fb3、第二磁珠fb4。8.5v供电电源的第一引脚与第一二极管d4的阳极相连，8.5v供电电源的第二引脚接地；第一二极管d1的阴极和第一电容c2的阳极、第二电容c4的一端、第三电容c8的一端、第四电容c10的一端、第五电容c12的一端、电源管理芯片spx1117m3-l-3-3/tr的第一引脚相连；电源管理芯片spx1117m3-l-3-3/tr的第三引脚和第六电容c42的阳极、第七电容c31的一端、第八电容c32的一端、第九电容c33的一端、第十电容c38的一端相连；电源管理芯片ams1117-3.3的第二引脚接地，第一电容c2的阴极与第二电容c4的另一端、第三电容c8的另一端、第六电容c42的阴极、第七电容c31的另一端、第八电容c32的另一端、第九电容c33的另一端、第十电容c38的另一端相连并接地。正负压电源芯片a0305s-1wr2的第一引脚与第十一电容c6的一端、第十二电容c9的一端、第十三电容c11的一端、第十四电容c13的一端、第十五电容c14的一端、电源管理芯片ams1117-3.3的第三引脚相连，正负压电源芯片a0305s-1wr2的第二引脚与第十一电容c6的另一端、第十二电容c9的另一端、第十三电容c11的另一端、第十四电容c13的另一端、第十五电容c14的另一端相连并接地。正负压电源芯片a0305s-1wr2的第四引脚与第二十一电容c19的一端、第二十二电容c21的一端、第二十三电容c25的一端、第二十四电容c28的一端、第二十五电容c30的一端、第一磁珠fb4的一端相连，负压电源芯片a0305s-1wr2的第五引脚与第十六电容c18的一端、第十七电容c20的一端、第十八电容c24的一端、第十九电容c27的一端、第二十电容c29的一端、第二十一电容c19的另一端、第二十二电容c21的另一端、第二十三电容c25的另一端、第二十四电容c28的一另端、第二十五电容c30的另一端相连并接地。正负压电源芯片a0305s-1wr2的第六引脚与第十六电容c18的另一端、第十七电容c20的另一端、第十八电容c24的另一端、第十九电容c27的另一端、第二十电容c29的另一端、第一磁珠fb3的一端相连。
如图3所示，信号处理模块包括电压放大模块，输入信号经过一个运算放大器反相后保留负半周期信号，输出后信号分成两部分，一部分与输入信号叠加，经过两个运算放大器的反相和放大后输出声强测量信号；另一部分信号经过反相后进入二阶有源带通滤波器，实现信号的加窗处理，最后输出频率测量信号。具体电路结构：
信号处理模块包括被测信号输入接口p1、电压放大器lm6154bcm，第一电阻r2、第二电阻ts1、第三电阻r26、第四电阻r27、第五电阻r10、第六电阻r19、第七电阻r23、第八电阻r29、第九电阻r34、第十电阻r36、第十一电阻r38、第十二电阻r1、第十三电阻ts2、第十四电阻r5、第十五电阻r12、第十六电阻r8、第十七电阻r22、第十八电阻r13、第十九电阻ts3、第二十电阻ts4、第二十一电阻ts5、第二十二电阻ts6、第二十三电阻r21、第二十四电阻r25、第二十五电阻r20、第二十六电阻r30、第二十七电阻r33、第二十八电阻r35、第二十九电阻r37、第三十电阻r39、第二十六电容c5、第二十七电容c26、第二十八电容c3、第二十九电容c23、第三十电容c17、第三十一电容c37、第三十二电容c34、第三十三电容c41、第三十四电容c43、第二二极管d3、第三二极管d7、第四二极管d11、第五二极管d1、第六二极管d2、第七二极管d5、第八二极管d6、第一继电器k1、第二继电器k2、第一三极管q3、第二三极管q6、第一可调变阻器rt1。测信号输入接口p1的第一引脚与第一电阻r2的一端、第二电阻ts1的一端、第二二极管d3的阴极相连，测信号输入接口p1的第二引脚接地，第一电阻r2的另一端与第二二极管d3的阳极相连并接地，第二电阻ts1另一端与第一继电器k1的第三引脚、第一继电器k1的第八引脚相连，第三电阻r26的一端与第一继电器k1的第二引脚、第一继电器k1的第九引脚相连，第四电阻r27的一端与第一继电器k1的第四引脚、第一继电器k1的第七引脚相连。电源管理芯片spx1117m3-l-3-3/tr的第三引脚与第一继电器k1的第一引脚与第三二极管d7的阴极、第五电阻r10的一端相连，第五电阻r10的另一端与第二十六电容c5的一端相连，第一三极管q3的第三引脚与第一继电器k1的第十引脚、第三二极管d7的阳极、第二十六电容c5的另一端相连，第一三极管q3的第一引脚与第六电阻r19的一端、第七电阻r23的一端相连，第七电阻r23的另一端与控制器stm32f103vet6的第七十引脚相连。第一三极管q3的第二引脚与第六电阻r19的另一端相连并接地。第二电阻ts1另一端与第二继电器k2的第三引脚、第二继电器k2的第八引脚相连，第十一电阻r38的一端与第二继电器k2的第四引脚、第二继电器k2的第七引脚相连，第十一电阻r38的另一端与控制器stm32f103vet6的第七十一引脚相连。第二继电器k2的第二引脚与第二继电器k2的第九引脚相连。电源管理芯片spx1117m3-l-3-3/tr的第三引脚与第二继电器k2的第一引脚与第四二极管d11的阴极、第五电阻r29的一端相连，第五电阻r29的另一端与第二十七电容c26的一端相连，第二三极管q6的第三引脚与第二继电器k2的第十引脚、第四二极管d11的阳极、第二十七电容c26的另一端相连，第二三极管q6的第一引脚与第九电阻r34的一端、第十电阻r36的一端相连，第二三极管q6的二引脚与第九电阻r4的另一端相连并接地。第三电阻r26的另一端与第四电阻r27的另一端、第十一电阻r38的另一端、第十二电阻r1的一端、第十三电阻ts2的一端、第五二极管d1的阳极、第六二极管d2的阴极相连。第十二电阻r1的另一端接地，第五二极管d1的阴极与第一磁珠fb3的另一端、电压放大器lm6154bcm的第四引脚相连。第六二极管d2的阳极与第二磁珠fb4的另一端、电压放大器lm6154bcm的第十一引脚相连。第十三电阻ts2的另一端与第十四电阻r5的一端、第十五电阻r12的一端相连。电压放大器lm6154bcm的第三引脚接地。电压放大器lm6154bcm的第二引脚于第十四电阻r5的另一端、二极管d5的阴极、第十六电阻r8的一端、第二十八电容c3的一端相连。电压放大器lm6154bcm的第一引脚与二极管d6的阴极、二极管d5的阳极相连。第十九电阻ts3的一端与第十六电阻r8的另一端、第二十八电容c3的另一端相连。第十九电阻ts3的另一端与第十七电阻r22的一端、第十八电阻r13的一端相连。电压放大器lm6154bcm的第九引脚与第十七电阻r22的另一端、电阻r28的一端、第二十九电容c23的一端相连。电压放大器lm6154bcm的第八引脚与电阻r28的另一端、第二十九电容c23的另一端、第二十一电阻ts5的一端相连。电压放大器lm6154bcm的十引脚与第二十三电阻r21的一端相连。第二十三电阻r21的另一端接地。电压放大器lm6154bcm的第五引脚与第二十五电阻r20的一端相连。第二十五电阻r20的另一端接地。电压放大器lm6154bcm的第六引脚与第十八电阻r13的另一端、第十五电阻r12的另一端、第二十四电阻r25的一端、第三十电容c17的一端相连。电压放大器lm6154bcm的第七引脚与第二十四电阻r25的另一端、第三十电容c17的另一端、第二十电阻ts4的一端相连。第二十电阻ts4的另一端与第二十六电阻r30的一端相连。电压放大器lm6154bcm的第十二引脚与第二十六电阻r30的另一端相连。电压放大器片lm6154bcm的第十三引脚与第一可调变阻器rt1的第零引脚、第一可调变阻器rt1的第二引脚、第二十八电阻r35的一端、第三十一电容c37的一端相连。第一可调变阻器rt1的第一引脚接地。电压放大器lm6154bcm的第十四引脚与第二十八电阻r35的另一端、第三十一电容c37的另一端、第二十二电阻ts6的一端相连。第二十二电阻ts6的另一端与第二十七电阻r33的一端相连，第二十七电阻r33的另一端与第三十二电容c34、第二十九电阻r37的一端相连，第二十九电阻r37的另一端与第三十电阻r39的一端、第三十三电容c41的一端相连，控制器stm32f103vet6的第二十五引脚与第三十电阻r39的另一端、第三十四电容c43的一端相连，第三十二电容c34的另一端与第三十三电容c41的另一端、第三十四电容c43的另一端相连并接地。
如图4所示，控制模块包括控制器stm32f103vet6控制器、第三十五电容c45、第三十六电容c46、第三十七电容c47、第三十八电容c48、第三十九电容c51、第四十电容c53、第四十一电容c54、第四十二电容c55、第四十三电容c62、第四十四电容c63、第三十一电阻r45、第一晶振y1、第二晶振y2、第一电池座bt1、第三磁珠fb8、第四磁珠fb9。控制器stm32f103vet6的第六引脚与第三十一电阻r45的一端相连。第三十一电阻r45的另一端与第一电池座bt1的第一引脚相连，第一电池座bt1的第二引脚接地。控制器stm32f103vet6的第八引脚与第三十五电容c45的一端、第一晶振y1的第一引脚相连，控制器stm32f103vet6的第九引脚与第三十六电容c46的一端、第一晶振y1的第二引脚相连，第三十五电容c45的另一端与第三十六电容c46相连并接地。控制器stm32f103vet6的第十引脚接地，控制器stm32f103vet6的第十一引脚与电源管理芯片ams1117-3.3的第三引脚相连。控制器stm32f103vet6的第十二引脚与第三十七电容c47的一端、第二晶振y2的第一引脚相连，控制器stm32f103vet6的第十三引脚与第三十八电容c48的一端、第二晶振y2的第二引脚相连，第三十七电容c47的另一端与第三十八电容c48相连并接地。控制器stm32f103vet6的第十九引脚与控制器
stm32f103vet6的第二十引脚、第三十九电容c51的一端、第四十电容c53的一端、第一磁珠fb8的一端相连，第一磁珠fb8的另一端接地。控制器stm32f103vet6的第二十一引脚与控制器stm32f103vet6的第二十二引脚、第三十九电容c51的另一端、第四十电容c53的另一端、第二磁珠fb9的一端相连。第二磁珠fb9的另一端与电源管理芯片ams1117-3.3的第三引脚相连。控制器stm32f103vet6的第二十四引脚与第二十一电阻ts5的另一端相连。控制器stm32f103vet6的第二十七引脚与第四十二电容c55的一端相连并接地，控制器stm32f103vet6的第二十八引脚与第四十二电容c55的另一端、电源管理芯片ams1117-3.3的第三引脚相连。控制器stm32f103vet6的第四十九引脚与第四十三电容c62的一端相连并接地，控制器stm32f103vet6的第五十引脚与第四十三电容c62的另一端、电源管理芯片ams1117-3.3的第三引脚相连。控制器stm32f103vet6的第七十四引脚与第四十四电容c63的一端相连并接地，控制器stm32f103vet6的第五十引脚与第四十四电容c63的另一端、电源管理芯片ams1117-3.3的第三引脚相连。控制器stm32f103vet6的第九十九引脚与第四十一电容c54的一端相连并接地，控制器stm32f103vet6的第一百引脚与第四十一电容c54的另一端、电源管理芯片ams1117-3.3的第三引脚相连
控制模块的核心是软件算法设计，具体可以划为三个部分，分别是滤波算法、频率测量算法和空化强度测量算法。根据水听器测量得到的信号分析，其中有比较明显的奇异值点，所以把超声波空化强度测量滤波算法分解成三个步骤：剔除奇异项，高斯白噪声和有色噪声的滤波以及数据平滑处理，本发明主要采用的是梯度门限检测法剔除奇异值点，其公式如下：
ki＝|ti-ti-1|>km
式中:ki为第n个采样点的梯度值；ti为第n个采样点的幅值；km为设定的梯度门限值。
根据高斯白噪声是一种特殊的白噪声的特点，它的幅值函数服从高斯分布，功率谱密度函数为一个常数，本发明使用卡尔曼滤波来滤除噪声；在进行奇异项剔除，卡尔曼滤波处理消除大部分的干扰之后，最后对采样离散数据进行平滑处理，采用五点三次平滑滤波算法对采样信号做平滑处理，其核心是最小二乘拟合法，采取二项式方程为拟合曲线，按偏差平方和最小的原则选择曲线分段拟合，最终使曲线达到光滑。
频率测量使用的主要是基于快速傅立叶变换算法，一般工业超声频率范围在20k以上之间，而噪声干扰频率如50hz的工频电干扰和高次谐波干扰与超声频率范围相距较远，加窗应选择具有高旁瓣下降率的平滑窗，具有较好的频率分辨率，减少频谱泄露。
空化强度的计算方法如下：设水听器a和水听器b的声学中心的连线方向为u(t)，相距为d，所测得a、b通道的声压信号分别是pa(t)、pb(t)，根据流体的欧拉公式可以得到质点加速度与声压的梯度关系：
其中：ia为瞬时空化强度；ρ0为质点静止状态下的密度。
如图5所示，通讯模块包括rs－485芯片max3485、第三十二电阻r52、第三十三电阻r53、串口com0。rs－485芯片max3485的第二引脚和第三引脚与控制器stm32f103vet6的第八十七引脚相连，rs－485芯片max3485的第五引脚接地，rs－485芯片max3485的第六引脚与第三十三电阻r53的一端相连，第三十三电阻r53的另一端与串口com0的第三引脚相连，rs－485芯片max3485的第七引脚与第三十二电阻r52的一端相连，第三十二电阻r52的另一端与串口com0的第一引脚相连。rs－485芯片max3485的第八引脚接3.3v电源上，串口com0的第二引脚接地，通讯模块将测量仪表与计算机等带有rs485通信协议的设备联接，把采集空化强度和频率等测量数据，存储到管理计算机上，以便进一步的打印报表和查询，以及数据处理。
如图6所示，输入模块主要包括传感器模块。传感器是由具有压敏效应的双水听器组成。4-20ma标准信号输出可以将控制模块得到的空化强度和频率转换成模拟信号传输到pc机、工控网等接收电路上。具体电路结构：
输入模块包括电流输出芯片xtr111、第三十三电阻r8、第三十四电阻r10、第三十五电阻r12、第三十六电阻r15、第三十七电阻r16、第三十八电阻r17、第三十九电阻r20、第四十电阻r21、第四十一电阻r22、第四十二电阻r26、第四十二电容c15、第四十三电容c17、第四十四电容c19、第四十五电容c21、第三三极管q1、第四三极管q3、第二可调变阻器rt1；电流输出芯片xtr111的第一引脚与24v电源、第四十四电容c19的一端相连，电流输出芯片xtr111的第二引脚与第三十四电阻r10的一端、第三十五电阻r12的一端、第三三极管q1的第二引脚相连。第三三极管q1的第一引脚与第三十四电阻r10的另一端、第三十五电阻r12的另一端、第四三极管q3的第二引脚相连。电流输出芯片xtr111的第三引脚与第三三极管q1的第三引脚、第四三极管第三引脚相连。电流输出芯片xtr111的第四引脚与第三十七电阻r16的一端、第三十八电阻r17的一端相连。电流输出芯片xtr111的第五引脚与3.3v电源、第三十七电阻r16的另一端、第四十三电容c17的一端相连。第三十三电阻r8的一端与第三十六电阻r15的一端、第四十二电容c15的一端相连，第四十三电容的另一端与第四十三电容c17的另一端相连并接地。地三十八电阻r17的另一端接地。4-20ma标准信号输出端的第一引脚与第三十三电阻r8的另一端、第三十六电阻r15的另一端相连。4-20ma标准信号输出端的第二引脚接地。电流输出芯片xtr111的第六引脚与第四十电阻r21的一端、第四十一电阻r22的一端、第四十五电容c21的一端相连，第四十五电容c21的另一端接地。第四十一电阻r22的另一端与控制器stm32f103vet6的da1引脚相连，第四十电阻r21的另一端与3.3v电源之间串接第四十二电阻r26。电流输出芯片xtr111的第七引脚与第二可调变阻器rt1之间串接第三十九电阻r20。第二可调变阻器rt1的另一端与电流输出芯片xtr111的第九引脚、电流输出芯片xtr111的第十引脚、电流输出芯片xtr111的第十引脚连接、第四十四电容c19的另一端相连并接地。
本发明通过设计最优的测量电路、选择最优的滤波算法、选择合适的传感器准确且稳定地测得各个分量，实现了对各个频率分量以及空化强度的测量。