（通信与信息系统专业论文）超声波液体密度测量仪的研究与开发.pdf

作。 华北电力大学硕十学位论文摘要 摘要 本文介绍了超声波液体密度测量仪的工作原理和特性，并对其进行了设计和制 超声波液体密度测量仪主要包括水下探头和水上数据处理单元。水下探头分为 水声换能器的制作，探头硬件电路的设计，主要包括：超声波发射电路、超声波接 收电路、检波整形电路、以及单片机控制电路设计；水上数据处理部分采用c p l d 实 现高速计数，提高了测量精度，通过串口和p c 机通信；并对电源电路进行了设 最后对设计制作的样机进行了实验验证，得到了详实的实验数据，并对提高精 度问题做了探讨。试验数据表明，有较高的稳定性，达到了设计的要求。 关键词：超声波，液体密度换能器，压电陶瓷，电路 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h eo p e r a t i o np d n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i co ft h eu l t r a s o n i cl i q u i d d e n s i t ym e a s u r i n gi n s t r u m e n th a v eb e e ni n t r o d u c e d a tt h es a m et i m et h es e n s o rh a v e b e e nd e s i g n e da n dm a d e t h eu l t r a s o n i c1 i q u i dd e n s i t ym e a s 埘n gi n s t n l m e n tc o n s i s t so fu n d e 刑a t e rp r o b e a n dw a t e rd a t a - p r o c e s s i n gu n i t t h eu n d e r s e ad e t e c t o ri n c l u d e su n d e 刑a t e rs o u n d c h a n g e rf a b r i c a t i o n ，c i r c u i t a ld e t e c t o rh a r d w a r ed e s i g n ，t h eh a r d w a r ec i r c u i ti st h ec o r e f o re x c i t i n ga n dr e c e i v i n gs i 印a 1w h i c hi nc l u d e se m i t t i n g ，r e c e i v i n g ，c o n t r 0 1p o r c e s s d a t a p r o c e s s i n gp a r t o ft h ew a t e ru s e dc p l dh i g h - s p e e d c o u n t i n g ，i m p r o v e d m e a s u r 锄e n ta c c u r a c y ，t h r o u 曲t h es 嘶a lp o r ta n dp cm a c h i n ec o m m u n i c a t i o n ；a n d h a v ec a m e do u td e s i g no nt h ep o w e rc i r c u i t 1 h r o u 曲t h et e s tf o rm ep r o t o t y p em a c h i n e ，f u l la n da c c u r a t ed a t ah a v eb e e n a c h i e v e d f r o mt h e s ed a t a ，t h es y s t e i t lp r e c i s i o nh a sv e 拶s t a b i l i t y w h i c hr e a c ht h e r e q u i r e m e n t so fm ed e s i g n q u x i a o f e n g ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o m l a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f a n h a n - b a i k e yw o r d s ：u l t r a s o n i cw a v e ，l i q u i dd e n s i t yt r a n s d u c e r ，p i e z o e l e c t r i c ce r a m i c ， c i r c u i t 作。 华北电力大学硕十学位论文摘要 摘要 本文介绍了超声波液体密度测量仪的工作原理和特性，并对其进行了设计和制 超声波液体密度测量仪主要包括水下探头和水上数据处理单元。水下探头分为 水声换能器的制作，探头硬件电路的设计，主要包括：超声波发射电路、超声波接 收电路、检波整形电路、以及单片机控制电路设计；水上数据处理部分采用c p l d 实 现高速计数，提高了测量精度，通过串口和p c 机通信；并对电源电路进行了设 最后对设计制作的样机进行了实验验证，得到了详实的实验数据，并对提高精 度问题做了探讨。试验数据表明，有较高的稳定性，达到了设计的要求。 关键词：超声波，液体密度换能器，压电陶瓷，电路 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h eo p e r a t i o np d n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i co ft h eu l t r a s o n i cl i q u i d d e n s i t ym e a s u r i n gi n s t r u m e n th a v eb e e ni n t r o d u c e d a tt h es a m et i m et h es e n s o rh a v e b e e nd e s i g n e da n dm a d e t h eu l t r a s o n i c1 i q u i dd e n s i t ym e a s 埘n gi n s t n l m e n tc o n s i s t so fu n d e 刑a t e rp r o b e a n dw a t e rd a t a - p r o c e s s i n gu n i t t h eu n d e r s e ad e t e c t o ri n c l u d e su n d e 刑a t e rs o u n d c h a n g e rf a b r i c a t i o n ，c i r c u i t a ld e t e c t o rh a r d w a r ed e s i g n ，t h eh a r d w a r ec i r c u i ti st h ec o r e f o re x c i t i n ga n dr e c e i v i n gs i 印a 1w h i c hi nc l u d e se m i t t i n g ，r e c e i v i n g ，c o n t r 0 1p o r c e s s d a t a p r o c e s s i n gp a r t o ft h ew a t e ru s e dc p l dh i g h - s p e e d c o u n t i n g ，i m p r o v e d m e a s u r 锄e n ta c c u r a c y ，t h r o u 曲t h es 嘶a lp o r ta n dp cm a c h i n ec o m m u n i c a t i o n ；a n d h a v ec a m e do u td e s i g no nt h ep o w e rc i r c u i t 1 h r o u 曲t h et e s tf o rm ep r o t o t y p em a c h i n e ，f u l la n da c c u r a t ed a t ah a v eb e e n a c h i e v e d f r o mt h e s ed a t a ，t h es y s t e i t lp r e c i s i o nh a sv e 拶s t a b i l i t y w h i c hr e a c ht h e r e q u i r e m e n t so fm ed e s i g n q u x i a o f e n g ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o m l a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f a n h a n - b a i k e yw o r d s ：u l t r a s o n i cw a v e ，l i q u i dd e n s i t yt r a n s d u c e r ，p i e z o e l e c t r i c ce r a m i c ， c i r c u i t 声明尸f w 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文超声波液体密度测量仪的研究与开 发，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：途垫竖日期： 矽罗多、闷 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：远望垒 日期：砷k 生 导师签名： 日期：矽j 华北电力人学硕十学位论文 1 1 课题研究的背景 第一章引言 密度作为各种物质的重要性参数之一，在现代工业的重要场合，特别在原油、 石油、液化石油气、天然气、酒精以及酒类等储运、销售、使用与贸易过程中， 对产品的数量进行计量结算起着重要作用。因交易数量大，若计量不准，达不到 有关要求，将会直接给国家经济带来不必要的损失，乃至影响国家的声誉。 此外，密度参量的测量在生产过程中产品的检测、控制和质量分析等诸多环 节，以及科研上是基本参数之一。例如，在石油工业中，作为可燃性液体的矿物 油，其密度的大小在一定程度上反映了它的燃烧性和挥发性，航空喷气燃料的航 空煤油就明文规定其密度不得大于规定值，否则会影响飞机的续航能力；在轻工 酿造行业中，对酒精( 含工业和食用) 和各种饮用酒的酒精浓度或密度的测量是鉴 别产量质量的重要指标，必须严格控制与检测，它与人民生活、医疗质量密切相 关；在制糖、奶制品行业中，准确测量它们的浓度或密度，将直接关系到生产过 程及出厂的产品质量；在商品检验项目中，密度数据同样是必备技术指标，以此 判定商品是否合乎要求；在现代测量海水密度对航道和军事测量有重要价值，因 为它关系到海水混合、大洋环流、水声传播和资源探测的研究。 可见，液体密度的测量不但重要而且应用广泛，可以说，几乎涉及到国民经 济的每个部门。可以预料，在2 l 世纪，对密度测量及其应用，将会提出更多更高 的要求【。 1 2 国内外发展现状 我国对于超声波密度计的研制起步较晚，现场应用较多的为浮子式或振动式 的液体密度计。这些密度计检测速度慢，对现场环境要求高，而且维护费用很高。 目自订也在研制核子密度计，但是由于其具有辐射性，对于安全防护要求很高。 目前所应用的超声波密度计多为测量气体和浆体的密度计。超声波的液体密 度计还处在研制阶段，有的己经能够在油品、硫酸的检测中使用，均为针对特定 工况所设计的产品，还不能适用于多种液体的密度检测。成型的产品大都是引进 的国外技术，成本较高。 世界上第一个超声波密度计的专利申请于1 9 5 0 年，迄今为止，国外已经有了 很成熟的超声波液体密度计的产品。欧美一些公司都推出了自己的超声波液体密 度计，产品的精度高，响应速度快，己经成功地应用于工业生产中，但价格比较 1 华北电力人学硕十学位论文 昂贵。国外生产的超声波密度计不但性能稳定而且能够测量多种液体的密度，对 于现场的工况要求不是很高。德国s e n s o t e c h 公司的1 i q u i s o n i c 系列超声波密度 计能够测量近2 7 0 种液体的密度。英国s o l a r t r o nm 0 1 b r e y 公司生产的7 8 2 8 超声 波密度计对酸、碱、醇类和酷类都能够进行成功的测量【2 1 。 鉴于国内外超声波液体密度计的发展状况和有待解决的主要问题，本课题的 主要目的是，应用超声波对生产过程中的液体密度进行准确而迅速的在线测量， 对离线产品能够进行精确的密度计量，制出性能稳定、测量准确、响应快速而又 成本低廉的产品，从而确保产品质量，保护国家经济利益。 1 3 超声波液体密度计的优点 常用的在线式液体密度计种类很多，有振动式液体密度计、电容式液体密度 计、射线式液体密度计和超声式液体密度计。这几种液体密度计在测量现场中都 有各自的特点：振动式和电容式成本低，在测量中应用较多，但测量准确度不高， 维护较为麻烦；射线式可进行非接触的测量，但存在射线的辐射危害，因此使用较 少：超声式液体密度计的应用范围很广，维护方便，测量准确度高，对人体没有危害， 是实现液体密度动态测量的最具前途的一种传感器【3 】。 表卜l 液体密度测量方法的比较 测量方法 适用范围特点 用于连续性测量钻井泥浆、石精度不高，仪器结构复杂庞大， 连续称重法 灰乳及水泥浆的密度测量滞后大。 用于管线输送水泥浆、矿浆以使用与各种恶劣的工况；测量精 射线法 及各种液体的密度测量。度高；对人体存在辐射危险。 振动法 用于洁净液体密度的测量 精度高；结构复杂；维护麻烦 超声波法适用于各种液体的测量，液体 精度高；仪器结构简单；对人体 体积中不含有大的微粒和气泡无害。 综上所述，本次课题的研究意义在于提高我国密度检测的水平，降低密度计 的成本，为社会创造效益。 2 华北电力人学硕十学位论文 1 4 课题的主要工作 本课题重点研究通过超声波声速法测量液体密度，同时对于提高测量精度的 丌发进行了预研性的研究和探讨。 整体工作可分为以下几部分： ( 1 ) 超声波液体密度传感器的研究、设计和制作。主要包括超声波液体密度传 感器的工作原理、传感器材料的选择、传感器设计、传感器的制作。 ( 2 ) 水下探头硬件电路的设计。主要包括发射电路、接收电路、单片机控制电 路的设计，以及缩小电路体积，降低功耗，解决由电池单独供电电源问题，最终 制作成硬件实体。 ( 3 ) 水上数据处理的设计。主要是采集环鸣式声速法的频率，通过c p l d 计算频 率，通过串口和p c 机通讯。 ( 4 ) 实验测试。对设计的样机在不同的液体介质中进行实验室环境下的测试， 检测其可行性和稳定性，并对提高测量精度进行了预研性的研究和探讨。 论文研究内容和章节安排如下： 第一章：介绍本课题研究的背景，国内外超声波密度计的发展现状，超声波液体 密度计的优点，最后给出了本课题的主要工作要求。 第二章：超声波的基本原理以及在液体中传播的特性，对几种检测方法比较， 重点介绍了声速法作为本次设计的测量方法。 第三章：系统总体方案的设计，首先从理论上分析声速法测量的原理，提出环 呜测量方法的概念，接着确定出系统总体设计方案。分析了系统的总体设计框架， 其中重点介绍了水下探头的电路设计，最后对本次设计难点作了分析。 第四章：水下探头的设计，水下探头设计包括水声换能器的制作、超声波脉冲发 射电路、接收电路、控制电路的硬件和软件设计。分别对各部分单元电路的设计做出 具体分析说明。 第五章：水上数据处理的设计，对涉及的开发平台做了简单介绍。本章重点是 分析论述了系统的软件设计，对各组成模块分别加以论述。 第六章：试验结果及精度分析。对系统进行了误差分析，并针对不同的误差类 型提出了对应的解决办法。 第七章：总结了本课题的所做的工作，取得的主要研究成果和结论。 3 华北电力人学硕十学位论文 第二章超声波测量基础理论 2 1 超声波的基本原理 超声波是指频率大于2 0 k h z 的弹性波。一般人耳能听到的声音的频率范围在 16 h z 到2 0 k h z 之间，频率低于1 6 h z 的波被称为次声波，当频率大于l0 9 h z 时叫 做微超声波。在工业测量中，有时将频率在1 3 k h z 以上的波笼统地称为超声波【4 1 。 2 1 1 超声波的分类及特点 ( 1 ) 超声波的分类 超声波的分类方法有很多，根据介质质点的振动方向和波的传播方向的关系 可将超声波分为纵波、横波、表面波和板波等。 纵波( 压力波) 弹性介质当受到交替变化的拉应力和压应力作用时，就相应地产生交替变化 的伸长和压缩形变，质点产生疏密相间的纵向振动，振动又作用于相邻的质点， 从而在介质中传播，此时介质质点的振动方向和波的传播方向相同。 横波 质点的振动方向与波的传播方向垂直，这种波叫做横波，亦称剪切波。横波 只能在具备剪切弹性的介质( 即固体) 中存在。但在高频时，如果液体有一定粘 性也可以传播剪切余弦波，只是衰减很大，传播距离很短。 表面波( 瑞利波) 固体介质表面受到交替变化的表面张力，使介质表面发生相应的纵向振动和 横向振动，即绕其平衡位置做椭圆振动，这种振动在介质表面传播形成的波叫做 表面波，也称为瑞利波。表面波的特点是沿固体表面传播，在表面以下一个波长 处，其幅度减小到其最大值的o 3 7 倍 板波( 兰姆波) 在板状介质中传播的弹性波叫做板波，其类型也很多，主要的一种叫兰姆波。 兰姆波其质点振动既包含横波成分，也包含纵波成分，且横波成分总是与板的表 面垂直。根据两表面质点的振动是否对称于板的中部，还可以分为对称型及非对 称型。 ( 2 ) 超声波的特点 华北电力人学硕十学位论文 在工业检测中，超声波有着重要的地位，这主要是因为超声波在应用中有如 下特点： 超声波具有良好的指向特性，频率越高，指向性越强； 频率高时，相应的波长将变短； 超声波作用起来很安静，没有令人难以忍受的噪声，对人体没有伤害。 2 1 2 超声波的基本参数 ( 1 ) 超声波的频率、周期、波长和传播速度 在弹性介质中传播的超声波的频率厂和周期r 取决于声源的振动频率和周 期，它们与介质本身的特性无关。 超声波在介质中传播速度用c 表示，它是单位时间内超声波等相位面所通过的距离。 超声波在某介质中的波长是指超声波在一个周期时阳j 内在该介质中所通过的 距离，以五表示，c 和五与介质本身的性质有关。 对于液体介质，超声波只能以纵波的形式进行传播，其传播速度用c 表示，数 学表达式如公式( 2 一1 ) 所示： c = 后 ( 2 - ) 式中为液体介质的体积弹性模量，p 为液体介质的密度。 ( 2 ) 声压 声压p 是超声场( 介质中超声波存在的区域称为超声场) 的最基本的物理量。 超声场中某一点在某一瞬时所具有的压强尸l ，与没有超声波存在的同一点的 静态压强尸o 。之差称为声压尸，即尸= 曰一昂声压的数学表达式为： 尸刊删n ( r 一言) 节v 仁2 ， 式中c 为声波速度，角频率缈= 2 万厂，厂为质点的振动频率，v 为质点自身的振动速度。 ( 3 ) 声强度 在垂直于超声波传播方向上单位面积、单位时间内通过的声能量称为声强度。当声 波传到介质中的某一小体积元y 时，该小体积元振动过程中具有的能量形式为动能和 势能。在超声波传播过程中，体积元的动能和势能是相同的，其总的机械能是随时间作 华北电力人学硕十学位论文 周期变化的。这说明任一体积元都在不断地接受和释放能量，只有波动才能传播能量， 而振动系统并不传播能量。声强的数学表达式如公式( 2 3 ) 所示： ，：! 笠( 2 3 ) 2 式中，己为声压的最大值，p 为液体介质的密度，c 为声波的速度。 ( 4 ) 声阻抗率z f 定义声场中某点的声压尸与该点的质点的振动速度，之比为该点的声阻抗率，用互 表示，即 z 。：兰 ( 2 - 4 ) 1 ， 在理想的连续液体介质中 互= ( 2 - 5 ) 式中p 为液体介质的密度，c 为超声波在液体介质的传播的声速，正号表示前 进的平面波，负号表示反向的平面波。式( 2 5 ) 表明，在平面超声波声场中，各 位置上的声阻抗率数值相同，且为实数【5 1 。 2 1 3 超声波的在液体中的传播 超声波在均匀液体介质中传播时，由声波引起的介质的形变是纯弹性形变， 即超声波的传播速度c 为一常数，声速c 与液体介质的密度夕及介质的弹性模量 ( 压缩系数k 的倒数) 有关，如式( 2 1 ) 所表示。 在通常情况下，液体中只能传播纵波。纵波在液体中传播时，由于热量的传 递速度远远低于波动的速度，因此可以认为是一个绝热过程。这样公式( 2 1 ) 中 的等温体积弹性模量e 可以等同于绝热体积弹性模量k 。则声速可由式( 2 6 ) 给出： c ：1 一 ( 2 6 ) 0p k 超声波在液体中的传播状况主要通过声速的变化、声吸收以及散射三个方面来体 现，下面分别加以说明： ( 1 ) 超声波在液体介质中的传播速度 超声波在液体介质中的传波速度可由公式( 2 6 ) 来描述。但是，众所周知，液体 介质的密度是随介质温度的变化而变化的，因此在液体介质中超声波的声速主要受介质 温度变化的影响。大多数情况下，声速是随温度的升高而变大的。不过对水来讲情况并 6 华北电力人学硕十学位论文 非如此，在通常的情况下，当外界压力为一个大气压时，超声波在水中的声速先是随着 温度的升高而变大，直至温度高达7 3 是为止，然后开始随温度的继续升高而减小。 ( 2 ) 超声波在液体介质中的声波吸收 超声波在液体介质中传播时，如果一部分声能不可逆地转换成介质的其他形式的能 量，就称之为有一部分能量被吸收了。经常用公式( 2 7 ) 来表示 口专导胁孙妒，每l 7 ， 式中口为吸收衰减系数；为超声波的频率；p 为液体的密度：巧为液体介质 的动力切变粘滞系数；刁为体积粘滞系数：y 为定压比热与定容比热的比值； c 为 导热系数；l p 为定压比热。从公式( 2 7 ) 中可以看出，超声波在液体介质中的 吸收衰减是与频率的平方成正比的。 微观声学的研究使我们知道有两类吸收机构。第一类是共振吸收，第二类是 所谓的驰豫吸收。 共振吸收：当超声波频率与液体介质的本征频率相符时，就出现共振吸收。 在这一频率时，吸收衰减系数突然增大，声速则先突然下降再突然上升然后回至 原始值。共振吸收的频率往往极高，在一般工业测量技术所使用的超声波频率范 围内，还不会出现这类吸收。 驰豫吸收：广义地说，凡是伴有能量转换的过程，如果状态改变的速率是 与状态间的差成正比的，并且此过程是按照指数规律变化，那么这些过程就都可 以称为驰豫过程。超声波在液体介质中传播时，热传导吸收和切变粘滞吸收都是 驰豫过程。 ( 3 ) 超声波在液体介质中的散射 超声波在液体介质中传播时，如果介质中含有大量的散射粒子( 如液体中悬浮 粒子，小气泡等) ，则一部分超声波将被散射丌来，不再沿原来的方向前进，仅有 余下的一部分沿原方向继续前进，这样就形成了散射衰减。在液体中，最常遇到 的散射衰减是由大量尺寸远小于波长的散射粒子所引起的。由于散射情况非常复 杂，只有近似公式末对散射情况进行描述，如公式( 2 8 ) 所示： 吒= 妒) ( 孕) 4 ( 2 - 8 ) 式中，哎为散射衰减系数，口为粒子的半径( 假设粒子是刚性小球) ，为单 位体积中散射粒子的个数。 7 华北电力人学硕十学位论文 通过上述分析可以看出，超声波在液体介质中的传播是很复杂的，在应用超 声波对液体的密度进行测量时，要充分考虑各种情况，才能做到准确的测量。 2 2 超声波的检测方法及选择原则 2 2 1 检测方法 在超声检测中所用到的超声波通常都是低强度超声波。超声检测有多种划分方 法，无论采用哪种划分，都直接或间接地包含着对声速、声波衰减和声阻抗率者三 个量的测量。因此人们经常用这三个量来对超声检测进行分类，即：声速法，声衰 减法和声阻抗率法1 6 j 。 ( 1 ) 声速法：超声工业测量技术中应用最广的是声速这一物理量。声速与被测介 质的许多特性有直接或间接的关系。有些关系非常简单直接，己经有精确的理论公 式，例如，在己知液体介质的弹性模量和声速后，就可求出液体的密度。有些关系 间接而且复杂，但在特定的条件下，仍然可以建立一些半理论或纯经验的关系式。 同时，声速与液体介质所处的状态也有关系，介质的温度、压强和流速等状态参量 的变化都会引起相应的声速的变化。 在声速法中，最重要的是测量超声波在液体介质中经过一定的距离后所耗费的 时间。在以前，由于电子工业的制约，要精确地测量时i 日j 是比较困难，因此利用声 速法对液体密度进行测量，所得到的结果并不准确。随着电子技术的高速发展，在 短距离内测量所得到的时间越来越精确，这为声速法的应用带来了广阔的前景。 ( 2 ) 声衰减法：超声波在液体介质中的衰减是个复杂物理量，衰减绝对值的测量 比较繁琐，在工业测量技术中往往只须测量其相对值，测量方法相对比较简易，能 够做到自动连续测量。但由于各类衰减的描述多为近似公式，因此测量精度较低， 远不及声速法的测量精度。在工业检测中，往往只有在声速法或声阻抗率法均不适 用的情况下，才采用声衰减法来进行非声量的测定。 ( 3 ) 声阻抗率法：声阻抗率法也是一种较常用于液体介质特性分析的方法。在此 方法中，所测定的声学量是换能器对液体介质的辐射阻抗率。如果换能器在介质中 所激起的是平面纵波行波，则辐射阻抗率就是声阻抗率胪。当两种介质的声速c 几 乎相同，但密度p 有很大不同时，往往就可根据彤的测量来加以区别。在同时测得 声速的情况下，也可用这种方法来测量液体密度p 或弹性模量等。如果换能器 在液体媒质中作弯曲振动，则其辐射声阻抗率将于液体的密度p 有关，因而使换能 器的共振频率随p 而变化，这也是可以测量液体密度的一种方法。但是声阻抗率的 测量比较麻烦【。 8 华北电力人学硕士学位论文 2 2 2 选择测量方法的原则 上面介绍了几种常用的测量方法，在实际的测量过程中要选择何种测量方法作 为密度的检测的方法，需要根据一定的原则来进行判断。 ( 1 ) 要看被测量究竟与那一个声学量的关系最直接、明正就是说，相应于同样 大小的被测量的变化，如果某一声学量能够有最大的变化，那么这一声学量的测 量方法就可以作为检测方法的首选。 ( 2 ) 应该考虑到声速、声衰减和声阻抗率都是随环境因素变化的，除待测液体介 质的密度外，其他介质特性或介质状态的变化往往也会引起这些声学量的变化， 对于待测液体的密度来说，这些因素引起的变化就是一种干扰。因此，在选用某种 声学量作为检测手段时，要考虑哪种方法所带来的干扰是最少、最小的。即便是存 在干扰，哪一种方法的干扰是最容易补偿的。 ( 3 ) 在挑选技术途径的同时必须注意满足现场的使用、安装和维护等条件并能够 达到一定的精度要求，在这一前提下还应力求稳定耐久和方便可靠，才能有较高的 实用价值。 上述原则只是一些原则性的意见，还应根据具体情况作具体的考虑。要利用超 声波对液体介质的密度进行检测，需要明确超声波的一些基本特性，了解超声波在 液体中的传播情况。因为只有在这些知识的基础上才能选择币确的测量方法，达到 预期的测量结果。 本论文采用的是声速法。之所以采用此种方法是因为声衰减法的测量精度不够 高，声阻抗率法的测量较为麻烦。声速法无论从硬件结构还是测量结果的精度上来 说都是最理想的。声速法的工作原理很简单，就是在固定声程的前提下，精确测量 超声波从发射到接收之间所需的时间，通过时问计算出超声波在被测液体中传播的 速度。 2 3 本章小结 通过对超声波基本理论的认识，根据其特点以及在液体中传播的特性，对几种 检测方法比较，选择了声速法作为本次设计的测量方法。 9 华北电力人学硕十学位论文 第三章系统总体方案的设计 首先从理论上分析声速法测量的原理，提出环鸣测量方法的概念，接着确定出 系统总体设计方案。一 3 1 声速法测量理论分析 3 1 1 声速法测量的原理 声速法测量是以测量某一固定距离d 之间声波传播所需要的时间丁为基础的。 这种方法有两种不同的实施方式：_ 种是垂直透射法，这罩使用两个换能器，其中 一个为发射器，另一个为接收器，两换能器相距，声程d = ，如图3 1 所示 幽3 一l 乖直透射法 另一种方式是垂直反射法，如图3 2 所示，它只使用一个换能器，发射与接收兼 用，在距离，的另一端使用一个反射面，声程d = 2 ，。为了便于描述，本文称换能器 与反射面之间的两倍距离2 ，为环呜距离。 图3 2 币直反射法 在我们的设计中采用了后一种方式。并采用测量声波在已知距离内往返多次的 时间( 即用接收到的反射回波信号去触发发射电路，再发射下一个脉冲，这样不断 地循环下去) ，也称为环鸣法。环鸣式声速仪的原理是探头由换能器及固定在一定 距离的反射面组成，测量时置于水中。在电信号激励下，换能器发出起始脉冲，声 波经过水中长度固定的通道到达反射面，再反射回换能器。放大了的接收信号重新 激励发射器，触发第二个声脉冲。如此循环，形成一系列脉冲。测出脉冲重复的频 率，并对电路的时延进行补偿，则声速等于脉冲重复频率与声程长度的乘积【8 】。 3 1 2 环呜式声速仪的设计依据 ( 1 ) 循环测量的分析 1 0 华北电力人学硕士学位论文 采用多次循环方式的理论依据是：如果声波脉冲往返的时间为r ，则声速c ， 可由下式求得： c ：旦( 3 1 ) z 在距离得到精确测量的前提下，声速测量的精度直接受到时间测定精度的限 制，出式( 3 一1 ) 对丁微分得： d c ：一罢订 ? m 或刀一丢把一詈淝 ( 3 - 2 ) dc | 如果要求声速测量精度c 0 3 m s ，那么当d = 1 0 伽 ( 由于设备体积限制， 的取值不能太大) ，c = 1 5 0 0 朋s 时，要求测时精度为： rs ! 孚三笔等二o 3 ：1 3 3 l o - s ( s ) 1 5 0 0 2 、7 即要保证声速测量的精度，需要7 5 m h z 以上的计数频率，这无疑给电路设计带 来了难度，同时还会增加设备的功耗。由式( 3 2 ) 可知，当声速的测量精度确定后， 已知距离越大，对测时精度要求越低，所以，通常是测量声波在已知距离内往返多 次的时间( 即用接收到的反射回波信号去触发发射电路，再发射下一个脉冲，这样 不断地循环下去) 以降低对测时精度的要求，这种方法即为环鸣法( 或脉冲循环 法) 。 同样c s 0 3 朋s 的声速测量误差，如果测定声波往返2 0 0 0 次的时间，由式( 3 2 ) 计算出对测时精度的要求为： 丁型坚坚堡o 3 ：2 6 7 l o s ( s 1 相当于仅需要3 8 k h z 以上的计数频率。 超声波频率的选取 在液体中超声波是以纵波形式进行传播，液体中的粒子和气泡会对超声波造 成散射哀减。若超声波的频率太低，则哀减特性不明显不能保证测量的准确性； 若频率选择过高，一是晶片制作较为麻烦；二是哀减太大，有可能接收不到信号 或是接收到的信写很弱不利于测量。通常所选择的频率在l 1 0 m h z 之问，考虑 到接收的效果和后续处理及电路的复杂程度，通常选择5 m h z 左右的频率。 传播距离的选取 传播距离选择距离比较短，防止声波在传输过程中的衰减，并且防止回波和发 1 1 华北电力人学硕十学位论文 射波的叠加，影响测量。 基于上述，声速法测量的原理为：在高压电信号激励下，换能器发出5 m h z 的 脉冲，脉冲波经过水中2 5 c m 长度固定的通道到达反射面，再反射回换能器。通过放 大电路接收，换能器检测到返回信号时，同时触发下一个5 m h z 的脉冲。如此循环， 使得换能器在2 7 k h z 到3 0 k h z 的频率下发生“环鸣”( 也就是脉冲循环) ，测出 脉冲重复的频率。 3 2 系统总体方案设计 系统主要包括两部分：水下探头设计，水上数据处理终端设计。其中超声波水下 探头是整个系统的关键和基础。 3 2 1 水下探头设计 水下探头设计包括：水声换能器的制作、超声波脉冲发射电路、接收电路、控制 电路的设计。如图3 3 水下探头设计结构图。 图3 3 水下探头设计结构图 发射波 匕= = = = = = 令 = = = = = 反射波 ( 1 ) 水声换能器制作 包括材料的选择、振动模式的选择、振动体形状的选择以及整体制作。 压电换能器的核心是压电晶体。压电晶体是根据压电效应制作的。所谓压电效 应是指某些介质在力的作用下，产生形变，引起介质表面带电，这是f 压电效应。 反之，施加激励电场，介质将产生机械变形，称逆压电效应。利用这一原理，当给 压电陶瓷施加一个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波，f 是利用了逆压电效 应。基于以上作用，便可以将压电陶瓷用作压电传感器。压电传感器用一种已被切 割并具有特定频率范围的陶瓷压电元件制成。将两个电极焊接在压电晶体上后，再 将晶体粘在一个封闭盒内并从后面密封。 1 2 华北i 乜力人学硕+ 学位论文 由于购买水声换能器价格偏高，而且需要定做的时间较长，所以我们采取自己 制作的方式，来达到实验的目的。最主要的工作是传感器压电陶瓷片的选取及封装。 本次设计选用了p z t 4 型压电陶瓷，采用定做的塑料外壳封装，并密封来达到防水 的目的。 ( 2 ) 发射电路 发射电路的作用是要产生出一个具有一定功率，一定脉冲宽度和一定频率超声 电脉冲去激励发射换能器，使发射探头能够在其固有频率产生最强的振动。 超声波发射换能器可以采用连续波或尖脉冲波激励，研究发现，连续波发射电 路虽然简单，但它容易形成驻波，影响测量精度：尖脉冲波的频谱成分十分丰富， 而换能器通常是一个窄带的相应器件，不能将响应频带以外的电能转换为声能，这 样换能器的电声转换效率较低，而且脉冲波随着传播距离的增大波形将发生畸变， 这样也会影响测量精度。 由于本设计中发射和接收换能器之间的距离比较近，波形畸变并不严重；并且， 在频率较低时，换能器的电声转换效率还是比较高的。同时，考虑电路的处理问题， 如果采用连续波发射电路，则电路需要有调谐电路，以使得换能器能够工作在其固 有频率，这样才能保证换能器的电声转换效率最高。但是，环境的变化( 温度、湿度、 压力) 会使得换能器中压电陶瓷晶片的固有频率发生变化，这样就要求电路的谐振频 率随之变化，以保证电路和换能器的协调工作。这种可变频率的电路处理起来比较 麻烦；尖脉冲发射电路则没有这个问题，尖脉冲能使换能器产生自激振荡，自始至 终工作在其固有频率，不需要人为的调整。通过高电压和单周期窄脉冲来驱动，传 感器产生出像用锤子敲钟那样的谐振。 综合上述原因，本设计中采用的发射电路为尖脉冲发射电路。 ( 3 ) 接收电路 接收电路的作用是超声波经反射面返回的信号非常微弱，要通过运放放大，同 时要滤波消除干扰。由于反射波的频率是5 m h z ，所以需要选用高频的运放，同时要 排除干扰信号，需要设计带通滤波器，解决电路的干扰，在电路板的设计时也要考 虑电磁干扰。在电路中首先采用美信公司的高精密运放m a x 4 4 1 4 ，m a x 4 4 1 4 是一 种宽带单电源放大器，最大可以获得4 0 0 m h z 的输入带宽。第一级由m a x 4 4 1 4 组成， 对输入信号进行4 倍放大，第二级采用r c 有源滤波实现高q 值的带通滤波效果。滤 波后经过包络检波和电压比较，输出标准的方波信号，通过控制电路收到反射信号 的同时，触发下一次脉冲，使电路循环触发工作。 ( 4 ) 控制电路 13 华北电力人学硕十学位论文 控制电路包括发射接收控制电路和单片机控制电路，目的是当接收到反射信 号的同时，要触发下一个发射信号，使电路循环触发，发射接收控制电路要把发 射脉冲屏蔽，只剩下接收到的脉冲，来触发下次脉冲发射。 控制电路的软件部分主要任务是：对接收的各类信号进行处理；控制单片机 与外围电路进行协调工作；防止液体气泡及杂质阻挡脉冲，使其丢失，这样电路 就停止工作，所以由单片机监测并在停止时发射一个高电平，重新触发。 3 2 2 水上数据处理设计 水上数据处理的设计。主要是采集环鸣式声速法的频率，通过c p l d 计算频 率，通过串口和p c 机通讯。如图3 4 所示水上数据处理设计结构图。 频率整形 c p l d 计算频率 a 乇单片机 传输频率值 m a x 3 2 3 2 串口 p c 机 图3 - 4 水上数据处理没计结构图 ( 1 ) 频率整形 环鸣式声速法测量出声音在液体中传播的频率通过导线传输到水上数据处理部 分，首先要通过电容割断直流信号，然后通过测量放大器i n a l 2 l 得到标准的方波信 号。 ( 2 ) c p l d 的应用 提高计时精度，减少时间量化误差。 用超声波环呜法测量声速，提高测时精度是提高测量精度的关键。而提高计数器 的工作频率又是提高测时精度的解决方案之一。由于普通的t t l 集成电路工作频率 低，因此，难以制作高速计数器。因此，设计采用复杂可编程逻辑器件c p l d 。高速计数 器主要利用了c p l d 可编程芯片很高的内部时钟频率来实现高精度计时，从而提高测 量精度和测量范围。 ( 3 ) 通信接口电路设计 本系统采用的是串行数据通信方式，接口为r s 2 3 2 串口，实验证明这种通信 方式简单易行，符合本系统要求。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 r s 2 3 2 是由美国电子工业学会( e i a ) 正式公布的、在异步串行通信中应用最 广的标准总线。它包括了按位串行传输的电气和机械方面的规定。适合于短距离 或带调制解调器的通信场合。 ( 4 ) 电源电路的设计 电源电路部分是单片机系统中不可缺少的一个部分，担负着为电路中其他各 部分提供所需电压的任务，由于系统中分为水下探头和水上数据处理单元，所以 分别对电源电路进行了设计。 水下探头采用7 2 伏电池供电，运放m a x 4 4 1 4 和单片机及其他芯片工作电压 为+ 5 伏，所以采用l m l l1 7 芯片供电，而高压1 0 0 伏，通过d c d c 升压芯片得 到。 水上数据处理电路中的主要芯片如e p m 3 2 5 6 、a t m e g a l 6 所需供电电压为+ 3 3 伏，其他芯片所需要的工作电压有+ 5 伏，5 伏。因此采用l m l ll7 和m a x 6 6 0 作为供电芯片。 3 3 技术难点分析 本课题有以下几个难点： 3 0 年前，我国科研工作者就试图利用超声波技术对各种化工生产过程进行自动 测量，但作为物质的一个重要参量一密度，却一直未能找到可靠、造价低廉、响应 速度快的测试方法。时至今同，用超声波测量液体密度的方法仍然不是很广泛，其 主要原因是因为用超声波测量密度主要以测量声速为基础，在声速的测量中存在以 下难点： ( 1 ) 电源单一：由于整个水下探头系统由7 2 伏直流电压供电，而电路工作要求 + 3 3 伏、+ 5 伏、一5 伏及1 0 0 伏高压，同时高压脉冲又是信号噪声的主要来源，所 以在电路的设计方面会带来问题。 ( 2 ) 体积小：由于水下探头的外壳是固定的，形状是按照海洋学及流体力学等 学科设计出的，在水下是匀速下降，在不改变外壳的情况下，只能缩小电路的体 积，来满足设计的要求。 3 4 本章小结 通过对声速法理论的分析，提出环鸣测量的概念，从而依据环鸣测量的理论， 设计出系统总体结构框图，并分别对水下探头和水上数据处理两部分设计做了理论 分析，包括尖脉冲触发电路，接收电路的分析，最后对本次设计难点作了分析。 1 5 华北电力人学硕十学位论文 第四章水下探头的设计 水下探头设计是整个系统的关键和基础，包括水声换能器的制作、超声波脉冲 发射电路、接收电路、控制电路的设计。 4 1 超声波换能器的设计 超声波换能器的作用是使其它形式的能量转换成超声波的能量( 发射换能器) 和使超声能量转换成其他易于检测的能量( 接收换能器) 。电能的运用是最为方便 的，因此应用最广泛的是电能和超声能量相互转换的电声换能器。用适当的发射 电路把电能加到发射换能器上使它作超声振动，并在周围介质中产生所需的超声 波。接收换能器把接收到的声信号转换成电信号，采用适当的接收电路可获得有 足够能量的、可用于检测控制的电输出信号。 4 1 1 超声波换能器的类型 超声波的发射和接收是通过换能器来完成的。换能器就是那种可以把一种形 式的能量转换为另一种形式的能量的器件。换能器的种类很多，大致可以归类如 下： 压电换能器：它是利用压电效应而工作的，是可逆的。它的工作频率从2 0 k h z 到1 0g h z 。 磁致伸缩换能器：它是利用磁致伸缩现象而工作的，也是可逆的。大多数情 况下，磁致伸缩换能器均工作在4 0 k h z 以下的频率上。 机械换能器：包括纯机械振子以及辐射计等，其大多数是可逆的。这类换能 器主要用于大功率的应用场合，其频率范围一般不超过5 0 k h z 。 电磁换能器：有时用于低频高强度的应用场合，通常是用在可闻频域内的。 这类换能器也是可逆的。 静电换能器：可以用来做低强度超声波发生器，其频率上限为几百千赫。这 类换能器也是可逆的。也可以用作高频接收器，作接收器时，其工作频率可高达 l o o m h z 。 其他种类的换能器：包括热声换能器、化学换能器及光声换能器等。目前应 用最为广泛的就是压电换能器。 1 6 华北电力人学硕十学位论文 压电换能器是采用能够呈现出压电效应的材料制成。把具有压电特性的某种 晶体材料切成圆片或者方片，使得该片状晶体的两