（测试计量技术及仪器专业论文）超声波流量检测技术的研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 超声波流量检测是根据超声波在流动的流体中传播的过程中会载有流体的流速信 息这一原理，通过简便、可靠的信号处理方法，把这个流速信息转换成流量信息。超声 波流量计与以往传统的流量计相比，具有费用低，安装简便，不会改变流体的流动状态， 不产生附加阻力等优点，是一种非常理想的节能型流量计。然而，由于超声波流量计只 是在近几十年才出现的一种新型仪表，还有很多地方不完善，没有得到普遍的应用，因 而在科学技术迅速发展的今天，无论是对于自动化测量技术的提高还是对于环保事业来 说，超声流量计的研究都将是一项极有意义的研究课题。 本文详细介绍了超声波流量检测技术的基本原理和实现方法，在借鉴和吸收国内外 先进的超声波流量检测技术的基础上，设计出了完整的系统硬件，并且给出了系统软件 的设计思想。其中硬件系统以t i 公司的d s p 芯片1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为核心，由于d s p 芯片的信号处理速度快，就确保了本系统高的测量精度。硬件包括超声波信号的产生与 功率放大、信号接收与放大，数据采集、存储、显示和d s p 处理器系统；然后根据系 统的硬件电路，引入先进的数字信号处理技术，在频域上对多普勒信号进行有效的处理： 首先对多普勒频移信号进行采样，再进行f f t 变换，进而得到该信号的功率谱，运用频 谱细化分析方法对功率谱图进行分析，再加上适当的数字滤波技术，从而得到频移信号 所对应的频率值，在此基础上，根据多普勒效应原理，求取管道中流体流速及其它数据 量。 系统能够完成对超声波信号的发射和采集，基本能达到设计要求，由于实验条件的 限制，系统具体的精度指标还无法测出。最后文章给出了系统的改进意见。 关键词：超声波流量计，流量测量，多普勒，数字信号处理 超声波流量检测技术的研究 r e s e 郴ho nu l 佻砌cf l o wh l s p c c tt e c l l i l i q u e a b s t r a c t b o l h 缸删脚地枷砌s c i 雌颃c 懿p e 血删c 咖t 印嬲呵w i n l 阳a l i 翻疽锄dc ( m o lo ff lo w 硼k1 l l 仃鹤i cf l o wm 翻嘲矾卸嘲nt c 吐m o l o 盱s0 l 墙蛐g t h o 呵i s t h a tw h 既u l 扛a s o n i c 鲫t h e l i q 媳i t 咖汹砥t h c 唰栅e c t 嘴m e 酶稍s f l 删懒a n d t h e n t h es 删w mb e l l s 。d t o 雌血e n o w d i l e t o i 乜矾、瑚协g e i n 嗍t i n d o w n 硎o a n d 戗艄p r e s 瓣蛳，l h e 哪 e m 删恸f o r 恻c f l o w m e t e rt e c h o l o g ，ri sg r o 丽n g 船p i d l yi nn o wm 鞠羽l r 哪e 眦h 讲硼t h el i l 心蝤砌c 丑o w 蝴d 蝴j 埘s 黜t e n y 黜，砌h a s 戚姗王n a n 蠡e 燃i t 啪k i t 删d e s 删 d i s t 瞰a n d 蛐础c h a l 蛔g e s ，a n d i t ss i 鲥矗c 锄n o t 呻t o 删c 嬲删b m t o a i l i 咖哪肌t 弘。由e c t i o n 1 1 培p 印盯细d 鹤b a s i cp i i i p l ea n dl e a l i 五n gm e t i l o do ft h e 试椭n i cn o w m e 笛m 虹n e 虹tt h n o l o 时：o nb a g i so f 址嘲羽，缸ga n d 托f 锄n gt o 血e 西m 硎ca n d 如橛g n a d _ v 知o 。dl | l 旬随n i cn o wm 朋鹏m e n tt e c b l 帕l o g y t h es y 3 t c mk 畎1 w a 心i sd 船i 霉n e d 锄dt h e i d o f t b cs y s 嗡n 疗w 卸i sg i v e 也1 kc o o f l h eh a 耐w a i sc h i po f 喇s 3 2 0 u 呓4 0 7 a h i 曲p 嗽i s i i s 印棚n t e e db e c a u o f 删c kv e l o c 竹o fs i g n a l 弘髓s s i 魑o fd s pc h i p i i a r d w a i n c h k s 凹嘲嘶n ga n d 柚l p l i f y i n go fm l 删嘶c ，崩衙、，i l 培眦da n l p l i 丘硎傩o f 丽则，d 砒aa c q i l i 3 m o n ，m 哪。啦d i 刚蚵a n dd s p ；t kb 蛾o fh a d w a ，d i g i t a is i 鲫l 珥o c 髑s i n gi si n 打o d i l c e dt o 锄l a l y 臻d o p p l 盯s i g n a l ，断e ，【a m p l e ，f f ti su s e dt oc o n v 口t d o p 一日s i 印| a l 丘岫恤d m m i n 协商e q _ l l 锄万也m l a j ha l t c rt h 域6 l t 盯f t 懈i s i nl l 辩 d o p p l 口丘e q 畔聊s h i f ti s 曲怕i n “a c c 叭d i n gt od o p p l 盯e 肪瓯v d o c i 哆a n dn l 啪 b ec 8 l c l l l a 缸 ms 姗啪蛐a n d 嗽辆l h c 恻c 愀，位螂幽o f 删c a l 撇删a n d e x p 痂删s h o w l b a tm e 础黜b a s 麟h e d t h e 唧j i 枷b c c 燃o f 一丑一 沈阳工业大学硕士学位论文 t h e 砖矧c d 锄o f 甲髓i n l 钮t ，m e 班删p c i s i o no f t h em 嘲i s u 糟h 嬲n o tb nm e 醚u r e d k e yw b r d 戤i h t 瑚帆i c 川o wm 枷e r ，耵o wm 伽u m m e n t d o p p k r ，d s p m 一 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡巍均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：邈日期：立翌21 壹：! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：塞垒蕉导师签名：姐日期：睦卑：主! ! 墨 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 计量是工业生产的眼睛。流量计重是计量科学技术的组成部分之一，它与国民经济、 国防建设、科学研究有密切的关系。做好这一工作，对了保证产品质量、提高生产效率、 促进科学技术的发展都具有重要的作用。特别是在能源危机、工业生产自动化程度愈来 愈高的当今时代，流量计量在国民经济中的地位与作用更加明显f l 】 流量计量的主要工作之一就是研究不同流体在不同条件下的流量检测方法，并提供 相应的测量仪表，即流量仪表。由于被测流体的特性如此复杂，测量条件又各不相同， 从而产生了各种不同的流量仪表和测量方法嘲。按不同的测量原理，流量仪表可分为： 容积式流量计、速度式流量计和差压式流量计三大类。 容积式流量计又称排量流量计，简称p d 流量计或p d f ，在流量仪表中是精度最高 的一类。它利用机械测量元件把流体连续不断地分隔成单位体积部分并进行累加而计量 出流体总量的仪表。如腰轮流量计、椭圆齿轮流量计、刮板流量计、活塞流量计等 速度式流量计是以测量管道内或明渠中流体的平均速度来求得流量的仪表。如涡轮 流量计、涡街流量计、电磁流量计、超声流量计等。 差压式流量计时利用伯努力方程原理来溯量流量的流量仪表。它以输出的差压信号 来反映流量的大小如节流式流量计、均速管流量计、楔型流量计、弯管流量计等。浮 子流量计作为一种特例也可归于差压式流量计的一类。 1 1 超声波流量计量仪表简介 超声波流量计是速度式流量计的一种，它是利用超声波在流动的流体中传播时，可 以载上流体流速的信息这一特点，通过接受穿过流体的超声波就可以检测出流体的流 速，从而换算成流量m 一般的说超声波流量计是测量体积流量值的 1 1 1 超声波流量计特点 超声波流量计是2 0 世纪7 0 年代随着i c ( 集成电路) 技术迅速发展才开始得弼实际 应用的一种非接触式仪表峨7 l ，相对于传统流量计而言，他具有下列主要特点： 超声波流量检测技术的研究 ( 1 ) 解决了大管径、大流量及各类明渠、暗渠测量困难的问题。因为一般流量计 随着管径的增大会带来制造和运输上的困难，有不少流量计只适用于圆形管道，而且造 价很高，能耗加大，安装不便。这些问题，超声波流量计均可避免，提高了流量测量仪 表的性能价格比。 ( 2 ) 对介质几乎没有要求。超声波流量计不仅可以测量液体、气体，甚至对双向 介质( 主要是应用多普勒法) 的流体流量也可以测量；由于利用超声测量原理可以制成 非接触式的流量仪表，所以不破坏流体的流场，没有压力损失，并且可解决其他类型流 量计所难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性的流量测量问题。 ( 3 ) 超声波流量计的测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、密度，粘度等参 数的影响【2 】。 ( 4 ) 超声波流量计的测量范围度宽，一般可达2 0 ：l 。 1 1 2 超声波流量计分类 超声波流量计按测量原理，可以具有多种不同的形式。它们所依据的原理有：传播 速度差法、波束偏移法、多普勒法、噪声法、漩涡法、相关法等睁1 1 1 ( i ) 传播速度差法 根据超声波在流动的流体中，顺流传播的时间与逆流传播的时间之差与被测流体的 流速有关，求出流速的方法即为传播速度差法。按照所测物理量的不同，传播速度差法 可分为时差法、相位差法和频差法。 1 ) 时差法 时差法测量原理如图1 1 所示。该测量方法是将流体流动时与静止时超声波在流体 中传播的情况进行比较，由于流速不同会使超声波的传播速度发生变化f 1 2 1 。如静止流体 中声速为c ，流体的流速为甜，当声波的传播方向与流体的流动方向一致时，其传播速 度为( c + l ) ，而声波传播方向与流动方向相反时，其传播速度为( c 叫) 。 一2 一 沈阳工业大学硕士学位论文 “ 弋o _ f 图l ，1 时差法原理 f 酶1 1p f 洫咖l eo f 衄e d i 侬om e 口l o d 如果距离为三的两处放两组超声波发生器与接收器( 丐、r l 、瓦、r 2 ) ，则当i 顺 方向、t 2 逆方向发射超声波时，分别到达r 。和r 2 的时间为： 一击 “1 ) c 十 2 击 n 2 ) o 。h 由于甜2 f c ( 3 ) 当口= 雏时，就是观察者背离声源运动，此时观察者所接收到的频率为： f ：唑f | c 2 2 工作原理 超声波多普勒流量计的测量原理是以物理学中的多普勒效应为基础的。根据声学多 普勒效应，当声源和观察者之间有相对运动时，观察者所感受到的声频率将不同于声源 所发出的频率，而这个因相对运动而产生的频率变化与两物体之间的相对速度成正比 i l 蝴 在超声多普勒流量测量方法中，超声波发射器为一固定声源，随流体一起运动的固 体颗粒起了与声源有相对运动的“观察者”的作用，当超声波发射器所发射的固定频率 的超声波入射到这些固体颗粒上时，被反射到接收器上的超声波频率就会与发射频率之 间有一个差值，这个频率差值就是由于流体中固体颗粒运动而产生的多普勒频移泌州 由于这个频移量正比于流体流速，所以测量该频率差就可以求得流速，进而求出流体流 量。 因此，超声波多普勒测量的一个必要条件就是：被测流体介质应是含有一定数量可 反射声波的固体粒子或气泡等的两相介质。 2 2 1 流量方程 多普勒效应示意图如图2 3 所示假设，超声波束与流体运动速度的夹角为一，超 声波传播速度为c ，流体中悬浮粒子与流体流速相同，均为h 在此前提下，我们推导 多普勒频移与流体流速之问的关系式 超声波流量检测技术的研究 i 图2 3 多普勒效应示意图 f i 昏2 3d o p p l 盯e 庙斛 当超声波束在管轴线上遇到一颗固体粒子或气泡，而该粒子或气泡以速度矿沿管轴 线运动。对超声波发射器而言，该介质以速度啪s 口离去，所以粒子收到的超声波频率， 应低于发射的超声波频率弄，根据上节多普勒公式推导可知，这种情况可以看作是声源 不动，而观察者在运动，故由公式( 2 1 4 ) 得到粒子所接收到的超声波频率，为： ，：三竖堂石 ( 2 1 5 ) 式中： ；一发射超声波的频率； 口超声波束与管轴线夹角； c 流体中声速。 固体粒子又将超声波束反射给接收器，由于它以啪妒的速度离开接收器，所以接 收器收到的超声波频率矗又一次降低，这种情况可看作是声源运动而观察者静止的情 况，依据公式( 2 6 ) ，矗可表示为： 沈阳工业大学硕士学位论文 厶= 志 ( 2 1 6 ) 将( 2 1 5 ) 带入上式，可以得到： 矗= 矗等器 ( 2 _ 1 7 ) 式中矗为接收到的频率 因为c v ，上式可表示为： 矗* 石( ，+ 竽 泣m 而多普勒频移，即接收器收到的超声波频率与发射超声波频率之间的频率差v 可 由下式计算： v = 五一石= 石垒詈丝 ( 2 1 9 ) 因此，流体流速y 用下式表示： ，：! 厂 ( 2 2 0 ) 2 石c o s 口7 设管道截面积为彳，则流体体积流量q 表示为： q 刊v = 东刍鲈 ( 2 m ) 由以上流量方程可知，当流量计、管道条件及被测介质确定以后，多普勒频移与体 积流量成正比，所以测量频移量v 就可以得到流体流量q i 埘 2 2 2 有关流量方程的几点讨论 ( 1 ) 流体介质温度对测量的影响 由上面流量方程可知，流量测量受到流体中声速f 的影响。一般来说，流体中声速 与介质温度、介质组分有关，难以保持常数为避免这一影响，超声波多普勒流量计一 般采用自动补偿措施，如图2 4 所示 超声波流量检测技术的研究 图2 4 声速自动补偿原理 f 培2 4 蹦眦i p l co f u n da i 肋啪m l 1 s 鲥姐 所谓自动补偿即采取管外声楔结构，使超声波束先通过声楔及管壁再进入流体。设 声楔材料中的声速为q ；流体中声速为c ；声波由声楔进入流体的入射角为声；在流体 中的折射角为舻：超声波束与流体流速夹角为口； 根据折射原理，存在： 由于s i n p = c o s 口，所以有： 将上式带入( 2 2 0 ) ，可得： 兰丝：丑 s l n 0c l ：j _ ：- 刍l c o s 口血伊s i n 夕 ( 2 2 3 ) q = 志鲈 ( 2 2 4 ) 由此可见，采用声楔结构以后，流量与频移关系式中仅含有声楔材料中的声速q ， 而与流体介质中的声速无关。由于固体声速的温度系数至少比液体声速的温度系数小一 沈阳工业大学硕士学位论文 个数量级，所以该流量方程式基本上不受温度的影响，也就是说，多普勒法测流量基本 不受温度的影响【2 5 l 。 ( 2 ) 流体动力学分析 下面，从几何声学原理出发，讨论一下超声波射线在流动的被测介质中的传播情况。 有一折射面的变换器形式如图2 5 所示，它的两个换能元件与被测介质之间是一段 特殊的管道壁，即所谓的声楔。 心心、弋心、心心心弋波q 器。念 l 萝矿 i 彰寻努 图2 5 管内紊流速度断面与超声射线轨迹 f i 晷2 5 妣时螂吐o f 鼬i l l 锄tn 删a n d 们o f l l l 臼胤疵r a d i a l 工业流体绝大多数情况都是通过一定直径管道流动的，在流体流速较大或粘性较小 时，流体的流动星湍流状态，其管内流体沿横截面流速分布规律如图2 5 左面部分所示 显然，紊流状态的流速分布( 对数速度分布) 比层流状态的流速分布( 抛物线分布) 要 均匀得多。所以，超声波流量计适宜应用在紊流状态流体中，以减少由于流速分布不均 匀而引起的测量误差嘲 在一般情况下，当雷诺数满足式( 2 2 5 ) 时，可以认为己达到紊流状态。 超声波流量检测技术的研究 且f 。丝2 4 0 0 0( 2 2 5 ) 式中d 是管道直径，甜是流速，v 是流体的运动粘滞系数。 按上述条件可以算出达到紊流状态的最低流速，称为临界流速。 如果以q 代表管道中流体单位时间的容积输送量一容积流量，则对于一定横截面积 彳的管道有： q ；甜4 ( 2 2 6 ) 这里，否就是沿管道横截面的平均流体流速。( 上节推导流量方程式时所使用的流 速实际上即是磊，符号不同，但是所指代的意义是相同的。) 而管内流速分布是有一定 的规律的，对于光滑圆管来说，其速度公式可以写成下式： ”c ，= + 据 - s ，s + t 2 s n 。一 ) 五 c ：2 ， 即距离管轴线距离为，的点的流速甜与平均流速“有着对数关系。式中，a 为光滑 圆管的阻力系数，它是流体雷诺数的函数，r 为圆管半径。由图2 5 可知，在管轴线处 流速为最大值，而趋近于管壁附近处时，流速按对数规律急剧下降到零 由此，我们可以进一步分析一下超声波射线在流体中的传播轨迹。 假设超声波在静止被测介质中和声楔中的声速分别为c 2 和c l ，入射角和折射角分别 为a 和口，由折射定律可得： s i n 口= ! 主s i n a ( 2 2 8 ) 在图2 5 中jt 表示超声波发射器，r 表示超声波接收器。显然，超声波在d 点沿 d p 方向传播并在点p 处发生折射，其折射规律服从式( 2 2 8 ) 的关系。当流体静止时， 超声波射线在流体中轨迹为直线p 坷。对于流动流体，由于超声波在流体中任一点的速 沈阳工业大学硕士学位论文 度等于静止流体的声速吒与该点流体流速“之矢量和，即： i = 云+ 五 ( 2 2 9 ) 可以证明，超声射线在流动流体中的任一点的折射角成可以写成下式： s i n 风= 争s i n 口 ( 2 3 0 ) 上式说明，超声波射线在流动流体中的轨迹应为一条曲线，即如图2 5 中的曲线 p ，在点p 和点曰处，由于“= o 所以风印，而在，暑0 处，由于村，所以氏哦 曲线轨迹p 与直线轨迹p 坷在几何路径上相差很小，即点口相对于点口的偏移很小。 当管径d 为3 0 0 硼时，这个偏移( 君秽) 还不到一个毫米。这样可以认为，点艿的出 射角与点b 的出射角相等，即仍为入射角a 。 由上述分析可知，我们在根据几何声学原理推导超声波流量方程时，可以采用如下 几点简化假定： 1 ) 管道内各点流速沿横截面均匀分布并认为等于平均流速甜； 2 ) 不考虑超声波射线在流动媒质中传播时的曲线轨迹和传播方向的改变； 3 ) 忽略声楔折射面上的曲率，并认为管道内壁是光滑的。 假设1 ) 说明，只要求出平均流速；就可求得流量；而假设2 ) 和3 ) 则说明在流动 的被测介质中，超声射线仍然服从( 2 2 8 ) 的折射规律，也就是说，式( 2 2 9 ) 完全可 由( 2 2 8 ) 代替，这样，风= 凡= 9 0 。一口，此处口为超声波射线与管道轴线之间的夹角， 从而得出一个重要结论； 超声波在流动的被测介质中的传播速度等于静止流体中的声速乞与流体平均流速 在超声射线方向上的分量鸺o s l 9 之代数和 正是基于上述假设，我们推导了流量方程但是，这里我们所说的平均流速是按管 超声波流量检测技术的研究 道横截面平均的，可称为面平均流速，而超声波流量计所测之流速是超声射线上之平均 流速，即是按射线路径平均的，可成为线平均流速，线平均流速与面平均流速之差异可 通过流体动力学修正系数来进行修正 沈阳工业大学硕士学位论文 3 系统电路设计与实现 3 1 整体硬件结构框图 整个系统的硬件设计包括三大部分：超声波发射、接收调理电路设计及数字信号处 理电路设计。超声波发射电路产生一定频率的超声波信号，驱动超声换能器即探头将电 信号转换为声波信号发射出去接收到的超声波回波信号经过接收调理电路处理后，输 出含有流速信息的模拟信号，进入数字处理电路进行后续处理。系统整体结构框图如图 3 1 所示。 圈3 1 系统整体结构框图 f i 参3 1n 柚嘲柏成o f l h cs y 咖m 超声波流量检测技术的研究 系统包括超声波发射电路，接收调理及数字系统模块。接收调理包括限幅放大、带 通滤波及混频电路、低通滤波器和信号放大器，而数字系统模块以1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 数 据信号处理器( 其外围设备中包含a d 转换电路、串行外设接口、双向i 0 口等) 为核 心器件，外加l ( d 液晶显示器、，i a g 接口、小键盘、可编程l o 位数模转换器c 5 6 1 8 、 电流电压变换器件a d 6 9 4 和串行e 2 p r o mx 5 0 4 5 等外围电路。 3 2 模拟部分电路设计 模拟部分主要包括超声波发射电路和接收调理电路，其中接收调理电路又包括：限 幅放大、带通滤波及混频电路、低通滤波和信号放大。 3 2 1 发射电路设计 超声波发射电路原理图见附录a ，系统发射是在超声波探头上加载l 姗z 的脉冲， 使探头发射一定频率的超声波信号。由晶体振荡器及与非门构成的振荡电路，如图3 2 所示。 图3 2 振荡电路 f 培3 2f r e q 啪c y c i l l a t 盯 沈阳工业大学硕士学位论文 电路中采用c m o s 制作工艺、低功耗的h d l 4 0 1 1 四输入与非门进行设计该电路 产生l m 眦频率信号，后通过三极管搭建的功率放大电路驱动探头发射相应频率的超声 波信号。 3 2 2 接收调理电路设计 超声波接收调理电路原理图见附录b ，其原理框图如图3 3 所示。 圉3 3 接收调理原理框图 f 培3 3f r 锄嘲o f l 【o f t l 壕i 搬h 懵 接收电路将探头接收到的超声波信号经过初次限幅放大、带通滤波、混频，然后将 混频器输出的信号经过低通滤波，滤除高频干扰，经放大后输入下级电路，即输入数字 处理部分的d 转换。 ( 1 ) 初次限幅放大 超声波探头接收到的回波信号经过一对稳压二极管烈4 7 进行限幅保护，然后经 过由l f 3 5 7 构成的同相放大器和由n 仍1 8 构成的反相放大器进行初次的限幅放大嘲， 如图3 4 所示 电路中采用的l f 3 5 7 是一种典型双极型场效应管的高速运算放大器，其转换速率高 达5 0 v ，粥，电压增益1 0 6 d b ，输入阻抗高达1 0 1 2 q ；同时它还具有输入偏流小，允许 损耗小等特点而构成反相放大器的n b l 8 则是一种典型的高精度高速运算放大器。 其主要特点是频带宽，可达1 5 枷 l z ，转换速率高达5 0 v ，岬，允许损耗小( 5 0 0 m w ) 运算放大器放大倍数一l 6 0 可调。 超声波流量检测技术的研究 鼍r 图3 4 初次限幅放大 f i 晷3 4f i r s t 删棚c 吐a 埘l a l l 驴m e m ( 2 ) 带通滤波 带通滤波电路如图3 5 所示。 图3 5 带通滤波 f 皓3 5b 锄d 巾a 跖f i 经过初次限幅放大，有效回波信号和其他干扰信号都得到了相同的放大。因此要通 沈阳工业大学硕士学位论文 过滤波电路将干扰信号滤除。系统采用两级由工m 3 1 8 构成的带通滤波器对信号进行两 级滤波放大，由此屏蔽干扰成分且放大有效信号成分鲫 运算放大器u 5 构成无增益多路反馈二阶低通滤波电路，其上限截止频率矗为； 伽司焘 o j 运放u 6 构成二盼高通滤波电路，其下限截止频率五为： 肛司焘 0 2 ( 3 ) 混频处理 滤除干扰后的超声波回波信号进入混频电路进行混频处理。 混频，工程上也称变频，是将信号的频率由一个数值变成另一个数值的过程实质上 也是频谱线性搬移的过程，完成这种功能的电路就称为混频电路或变频电路【勰，2 9 】。本测 量系统的接收处理主要是为了获取超声波回波信号与标准发射信号的频率差值的模拟 量，即将回波信号频谱线性搬移。 1 ) 混频原理 在工程上常用的混频方法有：单管混频、差动对管混频和模拟乘法器混频。我们以 模拟乘法器混频方法为例进行分析。混频原理如图3 6 所示 圈3 6 混频原理 f i 孚3 6p r 耐p l eo f m 始n g c i l 锄缸 超声波流量检测技术的研究 图中，确( f ) 为输入信号，u c 和) 为本振信号。c 坂f ) 为输出信号。 令； 勰o ) = ，蚰1 c o s q ， 阮( 力；冼m c 埘 则有； 唧( ，) = 矾( ，) + 犰( ，) = u s m c o s 吐i f e ，r 锄c o s 倪v = 一m 鲫哔湖蟛 其中，彳m = + 。 对( 3 5 ) 式进行三角函数变换，得： ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) u 弛) = 彳m 伽吖s 町 = 吾一凇她蝴+ c o 眠哪】 o 石 由式( 3 6 ) 可以推出：唧( ，) 含有两个频率分量，( q + q ) 为和频分量，( 魄一q ) 为差频分量。若选频网络是理想下边带滤波器，则输出驮( f ) 为： 1 硒( f 产专么m o o s ( 吱一a 薯) f ( 3 。7 ) 二 由式( 3 7 ) 可见，此时输出信号即为含有差频分量的频率信号。 对于前面所提到的工程上常用的单管混频、差动对管混频等方法，由它们各自的输 出频谱可知，输出结果中不仅含有差频还有和频、倍频等频率分量，除差频之外，都需 要予以滤除。放此，模拟乘法器是最理想的混频器件。 2 ) 混频电路 混频电路采用模拟相乘器m c l 4 9 6 来进行设计，该部分电路的主要功能是将前级电 路处理过的超声波回波信号与发射超声波参考信号进行混频，从而得到两者的频率差 值，电路如图3 7 所示。 沈阳工业大学硕士学位论文 图3 7 混频电路 f i g _ 3 7m i x 盯c i r c t l i t 经过带通滤波及放大后的接收信号由n 端子输入混频电路，与来自锄端子的基 准信号进行混频处理，得到两者频率差值其中，基准信号是标准l 脚z 超声波发射信 号。 m c l 4 9 6 是根据双差分对模拟相乘器基本原理制成的单片集成模拟相乘器【3 其内 部电路如图3 ，8 所示。 图中d 7 、r l 、t 。、飓、b 、飓和飓等组成多路电流源电路，d 7 、砖、且l 为电流源 的基准电路，t 、t 9 分别供给t 5 、t 6 管恒值电流正龙，岛为外接电阻，可以用以调节j = ，2 的大小。由t 5 、t 6 两管的发射极引出接线端2 和3 ，外接电阻j b ，利用硒的负反馈作 用，以扩大输入电压地的动态范围。风为外接负载电阻 根据差分电路的基本工作原理，可以得到： 一i ：= 屯l h 去 ( 3 8 ) 超声波流量检测技术的研究 铲如2 也轰 乞吨= 厶也兹 l - l 图3 8 m c l 4 9 6 内部电路 f i g 3 8h l n 盯c i r c u no f t h em c l 4 9 6 ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) 式( 3 8 ) ( 3 1 0 ) 中、乞、屯、么分别是三极管t 卜t 2 、t 3 、t 4 、 t 5 、t 6 的集电极电流。坼为温度电压当量，常温弘3 0 0 k 时，* 2 6 m v 。由图3 。8 可 知，相乘器的输出差值电流f 为： 沈阳工业大学硕士学位论文 j = 一乇= ( + 0 ) 一瓴2 一) = 【i 。一) 一心一0 ) ( 3 1 1 ) 将式( 3 3 ) 、( 3 。9 ) 、( 3 1 0 ) 代入式( 3 1 1 ) ，可褥： 扛如训m 轰。舳茜恤轰 o - 2 ) 由于t s 、t 6 两管发射极之间跨接负反馈电阻j b 当孟y 远大于b 、t 6 管的发射极 电阻时，有： 将上式代入式( 3 1 2 ) 可得： 一吨一= 专 l ：生也旦 墨2 坼 ( 3 1 3 ) ( 3 。1 4 ) 可见，输出电流中包含两个输入信号的乘积。两信号相乘，则可在输出端获得二者 频率差值。 ( 4 ) 低通滤波及放大 混频后得到的信号除了多普勒频偏信号以外，还可能存在其他高频噪声，所以，必 须有低通滤波这一环节来消除高频干扰。低通滤波电路设计如图3 9 所示。 c 1 l 圉3 9 低通滤波 f i 舀3 9i 埘忡a 鹞丘l 盯 超声波流量检测技术的研究 混频后得到的信号需要经过低通滤波器滤除高频干扰信号并且进行信号放大。系统 采用低通开关电容滤波器m d 2 9 7 及仪表放大器a d 6 2 0 构成该部分电路，实现信号的 滤波及放大。 经混频得到的信号作为低通滤波器m a x 2 9 7 的输入信号，m 越l ( 2 9 7 滤除其高频干 扰，将所得信号输入仪表放大器a d 6 2 0 进行放大处理，如图3 1 0 所示 j r 图3 1 0 放大处理 f i g 3 1 0 a m p l i 矗订 下面分别介绍m 越q 9 7 、a d 6 2 0 两种芯片。 1 ) 低通滤波器m a x 2 9 7 m a x 2 9 7 是美国m a ) 【i m 公司生产的8 阶圆型开关电容低通滤波器，是成本低、易使 用的器件，在通讯，信号处理等领域有着广泛的应用。其封装形式如图3 1 1 所示。该芯 片引脚说明如表3 1 表述。 沈阳工业大学硕士学位论文 表3 1m a x 2 9 7 引脚说明 t 曲k3 1m q 9 7 p 缸i s 图3 1 l m a x 2 9 7 封装图 f 弛3 1 1p 翟1 日喀# o f m a 】匕9 r 7 m a ) 【2 9 7 开关电容滤波器的时钟信号既可由外部时钟直接驱动也可由内部振荡器 产生，使用内部时钟时只需外接一个定时用的电容既可。其时钟截止频率比为5 0 ：l ， 误差小于士1 。另外，其特性还有： 超声波流量检测技术的研究 ( d 外部器件时漂和温漂引起的滤波器响应偏差很小； ( 多截止频率范围为o 1 h z 到5 0 k h z ( v c c = 士2 5 v ) ； ( d 既可用单+ 5 v 电源供电也可用士5 v 双电源供电； ( d 有一个独立的运算放大器可用于其它应用目的； ( d 电源电压敏感度低。 本设计使用内部时钟，振荡器的频率由接在c l k 端上的电容c 决定： = 器 ( 3 1 5 ) 由于输出信号强度较弱，不能满足采样的要求，必须进行放大，所以滤波器输出的 信号被送往信号放大电路a d 6 2 0 进行放大。 2 ) 信号放大器触) 6 2 0 a d 6 2 0 封装形式如图3 1 2 所示。 r o + 】n - v s r o + 魄 o u t p u t r e f 图3 1 2 a d 6 2 0 封装形式 f i 粤3 1 2p a c l 【a 辨o f a d 6 2 0 a d 6 2 0 是一个集成仪表放大器。a d 6 2 0 允许使用单个增益设置电阻进行增益编程， 以得到更好的用户灵活性，且符合8 引脚的工业标准引脚配置其特点是精确度高、使 用简易、应用广泛。 沈阳工业大学硕士学位论文 其中，l 、8 引脚要跨接一电阻来调整放大倍数，4 、7 引脚需提供正负相等的工作 电压，由2 、3 引脚输入的放大电压可从引脚6 输出放大后的电压值。引脚5 则是参考 基准，如果接地则引脚6 的输出电压即为与地之间的相对电压。其放大增益g 与1 、2 脚跨接电阻关系式如式( 3 1 6 ) 、式( 3 1 7 ) 所示 g ：塑+ 1( 3 1 6 ) 忍= 等 ( 3 1 7 ) 本系统中，电阻在l o k 范围内连续可调 3 3 数字部分电路设计 数字信号处理电路原理图见附录c 。数字系统主要用来实现对数据的处理以及整个 仪表的控制功能，它以1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为核心器件，外加其它辅助电路及设备构成。 该数字部分组成框图如图3 1 3 所示下面将分别进行介绍 3 3 1t _ s 3 2 0 l f 2 4 0 7 简介 n 镌3 2 0 【量2 4 0 7 a 是美国n ( 德州仪器) 公司为满足控制领域的应用丽推出的1 6 位定点d s p ，属i m s 3 2 0 l f 2 4 0 系列。该系列将高性能、低功耗的d s p 内核和先进的外 围接口电路结合在一起口1 捌。 聊s 3 2 0 f 2 4 0 x 具有以下主要性能： ( 1 ) 核心c p u ： 1 ) 3 2 位中央算术逻辑单元( c a l u ) f 2 ) 3 2 位加法器； 3 ) 1 6 位1 6 位并行乘法器，3 2 位乘积； 4 ) 三个定标移位寄存器； 5 ) 8 个1 6 位辅助寄存器，带有一个专用的算术单元，用来作数据存储器的间接寻 址 超声波流量检测技术的研究 图3 1 3 系统数字电路组成框图 f 弛3 1 3f r 嘲e w o r ko f 吐峙m g n a j 咖 ( 2 ) 存储器： 1 ) 1 6 k 字、1 6 位的片内闪速e 2 p i m ； 2 ) 片内5 4 4 字1 6 位的双端口数据，程序i 认m ，2 2 4 k 字1 6 位的最大可寻址存储 器空间( “k 字的程序空间，6 4 k 字的数据空间，6 4 k 字加空间和3 2 k 字的全局空间) 。 ( 3 ) 速度：5 0 n s ( 2 0 m m s ) 的指令周期，几乎所有指令都可以在一个5 咖s 的单周 期内执行完毕。 ( 4 ) 程序控制： 1 ) 4 级管道操作； 2 ) 8 级硬件堆栈； 3 ) 6 个外部中断。 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 5 ) 指令系统： 1 ) 与1 m s 3 2 0 家族的c x ，c ：b 和c 5 x 定点产品在源代码级兼容； 2 ) 单指令重复操作； 3 ) 单周期的乘法，力喃e 指令； 4 ) 程序，数据管理的存储器块移动指令； 5 ) 基2 快速傅立叶交换( f f t s ) 的位反转索引寻址功能。 ( 6 ) 电源： 1 ) 静态c m o s 技术； 2 ) 4 种低电源模式以降低电源损耗。 ( 7 ) 仿真：与片内扫描仿真逻辑相连的m e e 标准1 1 4 9 1 测试访问端口 ( 8 ) 事件管理器： 1 ) 具有1 2 个比较脉宽调制( p w m ) 通道( 其中9 个相互独立) ； 2 ) 三个1 6 位通用定时器，有6 种工作模式，包括连续递增和连续加减计数； 3 ) 三个1 6 位全比较单元。有死区功能； 4 ) 三个1 6 位简单比较单元： 5 ) 四个捕获单元，其中两个有正交编码器脉冲接口功能。 ( 9 ) 双1 0 位榭数转换器( a d c ) ，共1 6 个通道，其采样率可达1 6 6 ，6 k i z ( 1 0 ) 2 9 个独立可编程的多路复用i o 引脚，包括p a m p a 3 ，p b o p b 7 以及p c o p c 7 等 ( 1 1 ) 串行通信接口( s c i ) 和串行外部设备接口( s p i ) ， ( 1 2 ) 带实时中断( r 瓢) 的看门狗( w d ) 定时器模块 ( 1 3 ) 基于锁相环的时钟模块。 1 m s 3 彻4 0 7 a 采用改进的哈佛结构，芯片内部具有两套独立的程序存储器总线 和数据存储器总线，从而使其处理能力得到最大程度的优化 本系统电路中，i o p f l 、l o p e l 1 0 聊用来与键盘接口，1 0 p e 4 1 0 p e 7 配置为输 超声波流量检测技术的研究 入口，接收按键信息，i o p f l 、1 0 p e l i o p e 3 配置为输出口，输出键盘扫描码；i o p b 0 i o p b 0 配置为输出口，用来与液晶显示器的数据线相接口，i o p a 4 i o p a 7 分别为输入 和输出口，用来与液晶显示器的握手信号线接口。1 0 p c o 配置为输出口，控制串行 e 2 p i 的m ) ( 5 0 4 5 的片选信号。模，数转换器选用了第一路a d c 的通道l l 。外设接口( s p i ) 用来对d ，a 转换器c 5 6 1 8 和0 4 5 进行操作。 3 3 2 p 电源设计 d s p 供电电路如图3 1 4 所示。 = f 图3 1 4 1 1 p s 7 6 7 d 3 0 1 产生d s p 所需电源 f i g 3 1 4p c f w 盯s u p p l yf o r 恤ed s 只铲r 鳅锄e db yt p s 7 6 7 d 3 0 l 由于l f 2 4 0 7 a 芯片的供电电压只能是3 3 v ，所以在电路设计时，需要将+ 5 v 电源 沈阳工业大学硕士学位论文 变换为3 3 v 给c p u 供电，同时，因复位电路设计需要+ 1 6 v 供电，因此使用1 1 公司的 1 1 p s 7 6 7 d 3 0 l 元件作为5 v b 3 v 、5 v ，1 6 v 的转换芯片。t p s 7 6 7 d 3 0 1 是一个低压降的电 压调节器可以从5 o v 输入电压获得3 3 v ，同时产生1 6 v 电压，而且单端口提供最高 7 5 0 m a 的电流，在实际的系统中能够正常工作鲫 3 3 3d 卵片外存储方案 1 m s 3 2 0 i 成4 0 7 a 内部仅有5 4 4 字的双端口数据程序r a m ，这对于大量的数据处 理来说是远远不够的，因此必须扩展外部鼬蝴，供数据处理使用因d s p 的存储速度 较快，对存储器的要求也比较高，常用的存储器不能满足设计的要求，所以必须选择高 速存储器刚。本设计扩展的数据存储器选用c 眦s s 公司的s i 认m ，c y 7 c 1 2 0 l ，每 片6 4 k 字，l o n s 的读取时间。 由于系统中的某些参数需要长期保存，即使在掉电情况下也不能丢失，院如管道半 径、调整因子、切除流量等，而1 m s 3 2 0 u 砣4 0 7 a 中并不包含能实现此功能的存储器， 所以必须外接掉电不丢失的存储器用来存储这些参数。由于所需要存储的参数并不多， 而1 m s 3 2 0 u 毪4 0 7 a 的外围接口中有现成的s p l ，故选用了x i c o r 公司的具有s p i 接口 特性的串行e 2 p i 的m ) 【5 0 4 5 ，该器件具有以下特点： ( 1 ) 可编程的看门狗定时器； ( 2 ) 低检测； ( 3 ) 直至v c c - l v 复位信号有效； ( 4 ) l m h z 时钟频率； ( 5 ) 5 1 2 x 8 位串行e r o m ： ( 6 ) 电源电压范围；2 7 5 v ； ( 7 ) 块锁定功能：可以保护l ，4 ，l 陀，或所有髓p r ) m 阵列； ( 8 ) 偶然性写保护：上电和掉电保护电路、写锁存、写保护引脚； ( 9 ) 高可靠性：使用期限为l o 万周期，字节；数据保存期为l 年 ) 【5 0 4 5 引脚封装图如图3 1 5