超声波浆体浓度检测系统的设计

1、1绪论研究的背景和意义在工业生产进程中，浆体是一种常见的流体类型，其种类有矿浆、泥浆、纸浆 和煤浆等，它是一种固、液两相混合流体。浆体浓度是指必然量的浆体中固相成份占整个浆体的百分数，有质量百分数（质量浓度）和体积百分数（体积浓度）。为了提高产品质量和知足生产进程自动化的要求，必需对浆体浓度进行准确、 及时、持续的在线测量和操纵。因此，一个知足要求的、性能优良的浆体浓度检测系统，能够给治理者提供准 确、及时的现场信息，提高企业治理水平、产品质量，降低生产本钱，具有庞大的 社会效益和经济效益。浆体的特点从浆体本身所具有的特性来看，浆体及浆体浓度的测量有如下几个特殊性：一、浆体是固、液两相悬浊液，

2、有些情形下可能还会有气相成份。这就造成了 其流体动力学特性极为复杂。有些浆体由于固、液两相的比重差，静态时容易分层。 这种非均匀性、多相性增加了测量的难度。二、浆体浓度的测量还受温度、压强等其他因素的阻碍。因此，为了提高测量 精度必需对这些阻碍进行补偿。3、某些工业进程中（比如造纸工业）的不同工段，固相成份的尺寸、形状、颜 色等都不同，这就造成了浆体浓度传感器的通用性差。浆体浓度检测技术的国内外研究现状在工业生产进程中，传统的浆体浓度分析方式常采纳间隙采样、称量、电解、化学滴定等离线测量的方式。由于持续进程监控和对浆体浓度分析的要求日趋提高, 显然这种方式难以适应生产进程自动化的要求。这就需要

3、从头的或更好的在线浓度 传感器取得有效的信息以提高进程操纵的质量和产品的性能。由于浆体的特性极为复杂，在线持续检测浆体的浓度难度较大。目前，常采纳 的技术有以下几类：由密度推算浓度的方式这种方式先由密度传感器111测得浆体的平均密度，然后依照密度和浓度之间的 对应关系就能够够推算出浆体的浓度。依照密度传感器测得的浆体平均密度和密度和浓度之间的对应关系就能够够推 算出浆体的固相百分含量，但实现这种方式的前提是固相和液相的密度有较大不同， 而且二者密度能维持稳固。机械式浓度传感器利用浆体的各类物理特性就能够够检测出浆体的固相浓度。其原理是利用纸浆 流动时的阻力损失和纸浆浓度之间的关系来实现浓度的测

4、量，具测量范围多数在中 浓区域。光学浓度传感器这种传感器是利用浆体对光的吸收、散射、透射能力或利用固相对偏振光具有去偏振作用与浆体浓度的关系制成。其最大优势确实是非接触式测量，工业管道内 无可动部件，通常能够在不阻碍生产的情形下对传感器进行维修。但光学浓度传感 器要求浆体透光性强，因此测量中、高浓度的浆体有必然困难。另外，浆体中固相 的形状、大小对光的反（散）射阻碍较大，会带来较大的测量误差。电容浓度传感器基于浆体的电特性如介电常数与浓度的关系测量浆体浓度是一种有进展前途的 检测方式。浆体中各相具有不同的介电常数，当浆体流过电容极板间形成的电场时, 相浓度的转变会引发浆体等效介电常数的转变而使

5、极板间的电容随之发生转变，检 测出电容的转变值就能够得出相应的固相浓度。电容浓度传感器具有非侵入性、实时性高等优势。但其还存在电容值与相浓度是非线性的关系，参数间关系复杂，传感器的电容测量易受杂散电容干扰，灵敏度低，测量易受流场散布不均匀的阻碍等问题。针对这些特点，国内外开展了一系列研究，以期提高电容浓度传感器的测量性能：Abouelwafa3、Xie、金峰冏等别离研究了传感器电容极板构造与流场特性的关系，并提出了各类传感器的结构优化方式。Huang” Yand等人研究了微小电容测量技术，提高了电容传感器的测量精度。超声浓度传感器超声技术那么是另一类先进的物性参数检测手腕。最近几年来，随着相关

6、理论 研究的冲破及技术的进步，超声测量技术也有了专门大的进展。1.4 超声测量浆体浓度技术运用超声波技术进行浆体浓度的测量是一种进展潜力专门大的工业测量技术。超声测量技术超声波是一种机械波，频率高于20KHz,在工业应用中常采纳的频率范围是20KHz- 10MHz超声学也是一门从生产实际应用中进展起来的学科，已有几十年的历史，涉及的应用范围超级普遍。归纳起来，超声应用无非是两大类别：第一类是超声加工和处置技术；第二类确实是超声检测与操纵技术，而其他超声理论和实验工作，事实上都是为这两类应用效劳的70超声测量浓度技术的国内外研究现状早在20世纪50年代国外就有文献报导7超声传感器用于流体密度测量

7、，我国的一些化工厂在70年代利用超声传感器实现了氯丁橡胶比重的测量，但由于传感器制 造技术和信号处置技术的掉队，那时的超声密度传感器精度较低，不能知足工业在 线持续测量的要求。随着近 20年来材料科学、电子技术及信号处置技术的新进展,超声技术包括新型换能器的开发、流体超声特性的研究、超声发射和接收和超声信号处置技术等已有了长足的进步。姚士强网设计的基于超声衰减原理的超声浓度传感器实现了高水基流体的测量，实验说明高水基流体在 038%勺范围内浓度与超声衰减有专门好的线性度。马殿旗 依照超声波衰减的原理测量泥浆的体积浓度，并利用体会参数修正的方式取得低浓 度范围内的泥浆质量浓度，采纳直接数字合成频

8、率技术（ DDS提高了超声波的频率 稳固性，采纳自动温度补偿技术提高了仪器的测量精度和稳固性。Carlson通过确信管道上两个超声接收换能器处的超声能量比来检测金属矿浆中固体颗粒的质量浓度，实验说明，在335%勺浓度范围内能量比和浓度有专门好的线性度，在线测量 精度优于1%基于声衰减原理研制成功并应用在实践中的产品还有：王朝阳等研制 的用于泥浆检测的浓度计，实现了对污泥浓度的测量，测量范围为035%汪兴亮等研制的用于检测矿浆的浓度计。超声测量浓度技术的原理方式超声波换能器超声波的发射和接收通常由换能器来实现。超声换能器的作用是使其他形式的 能量转换成超声波的能量（发射换能器）和使超声波的能量转

9、换成其他易于检测的 能量（接收换能器）。超声波换能器按其作用原理能够分为压电式、磁致伸缩式、电 磁式等。电信号是利用方便的一种信号，因此运用最为普遍的是电信号和超声信号 彼此转换的压电式换能器。压电换能器采纳压电陶瓷制成。发射电路把电信号加到 发射换能器上就可使它作超声振动，并在周围的媒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为电信号，采纳适当的接收电路就可取得有足够能量 的、可用于检测操纵的电信号。超声测量浓度技术的原理方式超声波测量浆体浓度技术的大体工作原理是：在脉冲波或持续波的鼓励下，超 声发射换能器以厚度振动模式向浆体发送超声波，使超声波与被测浆体发生交互作 用。当超声

10、波抵达接收换能器时，超声信号携带了浆体浓度参数的信息。通过测量 并分析声速、声阻抗或声衰减等参数，就能够够确信浆体的浓度。超声波具有很强 的穿透性，能够实现非接触式在线测量。在超声工业测量技术中，常采纳测量媒质的超声声速、声衰减和声阻抗这三种 大体方式来确信媒质的非声量。一、声速法7超声工业测量技术中应用最广的是媒质的声速这一物理量。这是因为：第一， 媒质的声速与媒质的许多特性有直接或间接的关系。有些关系比较间接而且复杂， 但在特定的条件下，仍可成立一些半理论或纯体会的关系式。第二，媒质的声速和 媒质所处的状态也有彼此关系，如媒质的温度、压强的转变都能够引发媒质声速的 转变，能够运用在测量媒质

11、状态的场合。二、声阻抗法声阻抗法也是一种较经常使用于媒质特性分析的技术。在这种技术中，所测定 的声学量是换能器对媒质的辐射阻抗率。若是发射换能器在媒质中激起的是平面纵 波行波，那么辐射阻抗率确实是声阻率 回|。当两种媒质的声速 息几乎相同，但密度 0专门大不同时，往往能够依照 画的测量来加以区别。在同时测得声速的情形下， 也能够用这种方式来测量液体的密度酉若是换能器是在流体中做弯曲振动的，那 么其辐射声阻抗率将与流体的密度 T关，因此使换能器的共振频率随 国而转变， 这也是一种能够精准测定液体密度的原理。在用这种方式测得流体的密度后，就能 够够推算出相关的浓度参数。3、声衰减法通过度析声衰减特

12、性测定浆体浓度是另一种超声检测方式。例如能够应用在测定浆体的浓度、粒子散布和大小等场合。超声波在浆体中主若是以平面纵波的方式传播。假设一平面纵波在浆体中传播，7,如图1-5所示，即当传播距离为x时，那么其振幅随传播距离按指数规律衰减当传播距离为x时，那么其振幅随传播距离按指数规律衰减式中，回联 平面波传播了一段距离X后的振幅；O x=0时的振幅；口 一浆体对声波的发减系数。而声波的振幅与换能器上电信号的振幅成比例，因此由式(1-2)可得：图1-5振幅变化图式中，-加在发射换能器上的电信号(鼓励信号)的幅值； 国-接收换能器上接收到的电信号的幅值。另外，浆体的固相浓度与 晅成必然比例，由此可知，

13、通过测量加在发射换能器上电信号的幅值 同和接收换能器输出的电信号幅值 0|,计算出二者的相对衰减量， 就可测得浆体的浓度。国一声吸收系数,粘度损失系数，晅*热损失系数,(1-4)国一声吸收系数,粘度损失系数，晅*热损失系数,(1-4)臼厂散射损失系数,2d京-弛豫损失系数。Urick、Allegra、Harker等人研究并改良了液体超声特性的数学模型，给出了声衰减与液体特性的关系。但浆体中的声衰减与浆体的吸收特性、 粘度、温度、固体颗粒尺寸等因素之间的关系复杂。在外界因素中，与其他因素（如压强）相较，温度是对测量结果阻碍专门大的一个因素，需要对其阻碍进行补 偿。声衰减的绝对测量很难做到。其缘故

14、是超声信号的强度转变不只是声衰减的结 果，其它因素对信号的衰减也有专门大阻碍，如界面的反射、声束扩散和传感器特 性的漂移。因此，在工业测量进程中，往往采纳测量相对声衰减量进行浆体特性分 析的方式。4、同时采纳上述三种方式中的某几种方式，来提高测量性能最近几年来，国内外研究说明采纳声速特性和声阻抗特性相结合的方式能够提精湛声传感器的测量性能，取得更好的测量成效关于平面纵波，声阻抗|日f精湛声传感器的测量性能，取得更好的测量成效关于平面纵波，声阻抗|日f,其中国为媒质密度，阴声波在媒质中传播的速度。如 图1-6所示，当超声波从一种媒质垂直入射到第第一媒质Z1入射第二媒质Z2折射反射图1-6垂直入射

15、的反射和折射(1-5)(1-6)(1-5)(1-6)二种媒质时，声反射系数曲口声传输系数耶声 阻抗有如下关系：| 回内第一种媒质的声阻抗，国为第二种媒质的声阻抗。通过测量声波的幅度就能够够确信反射系数R,进而确信出待测声阻抗同（圆已知）；声速口可通过测量定长距离（比如管道直径）的超声传播时刻来测定，由此 能够确信媒质密度回最后再推算出浓度2大体测试系统的设计与组成系统测量原理及原理框图测量方式的选择在本测量系统中，采纳什么超声方式来测量浆体浓度是需要第一解决的问题，科学合理地选用一种超声测量方式相当重要。超声波在媒质中传播时，媒质的声速、声阻抗和声衰减等超声量都和媒质的特 性及状态有关。通过测

16、量这些声学量，就能够了解被测媒质的特性或状态的转变。 因此，超声检测中经常使用的三种测量方式是声速法、声阻抗法和声衰减法。下面 对三种测量方式的特点作一比较，进而选出本测试系统所采纳的方式。一、声速法尽管测量声速的方式很多，但声速测量浓度的方式多用于测量某些成份已知的 混合气体浓度、二元混合溶液浓度方面，而且测量溶液浓度时多用于中高浓度的场 合。在多元混合溶液及多相混合流体中声速与浓度往往表现出非线性关系。当各相 的声速相近时，声速测量对多元系统的浓度转变不灵敏。另外声速受外界温度转变 的阻碍较大。二、声阻抗法声阻抗的转变和浓度关系不明显、不直接、方式本身也比较复杂，而且大多数 应用处合也需要

17、同时测量声速，多用于测量硬度、强度和粘度等场合。3、声衰减法超声波在媒质中的衰减要紧包括以下三个方面 凡 第一，扩散衰减，在严格的平 面波中这一衰减能够忽略，若是扩散不严峻，也能够修正；第二，吸收衰减，这种 衰减的缘故很多，例如粘性、热传导和边界摩擦等等都是；第三，散射衰减，媒质 本身的晶粒结构、媒质中的悬浮粒子、杂质和气泡等都能够组成超声波的散射体而 引发这种衰减。这三种衰减随频率转变的规律各不相同，若是选择适当的频率，必然媒质的某种衰减就能够够有突出的表现，若是与这种衰减有关的某种媒质特性发 生转变时，这种衰减就能够发生明显的转变，这确实是利用衰减进行媒质特性分析的理论依据。而浓度的转变和

18、超声波的幅值转变有直接、明显的关系。选取超声测量方式时，依照顾选取与被测的非声量关系紧密的那种方式作为测量方式的原那么，结合以上分析，前两种方式不适宜于用来测量浆体浓度。因此在本测量系统中，咱们选用测量超声衰减的方式来测量纸浆浓度。测量原理及其框图本课题采纳测量超声衰减的方式进行浆体浓度的测量。其理论依据是公式：国 3a-（2-1）鼓励信号选用持续的正弦波信号，只要测量动身射信号的幅值和接收信号的幅值，就能够够取得超声波在必然浓度的浆体中传播了一段距离后的衰减程度，其衰减程度的大小用衰减系数 口声表示。不同的他对应不同的浆体浓度值。系统的测量原理框图如图2-1所示。超声发发射 接收超声接射电路

19、换能器换能与收电路图超声发发射 接收超声接射电路换能器换能与收电路图2-1超声测量原理框图具体的测量进程是：在持续波正弦波信号的鼓励下，超声发射换能器以厚度振 动模式向浆体发送超声波（平面纵波），使超声波与被测浆体发生交互作用。当超声 波抵达接收换能器时，具幅值会发生衰减，造成接收波形的幅值比发射波形的幅值 小，幅值衰减程度的大小与浆体浓度的大小有关系，而且这种关系比较直接、明显。如此通过测量超声波的衰减程度（用衰减系数 Q,示），就能够够得知浆体的浓度信 息。超声发射电路发出的鼓励信号加在发射换能器上，发射换能器产生的超声波信号穿越被测媒质后抵达接收换能器，同时被转换成电信号输出到后续电路进

20、行处置、分析。大体测试系统的整体要求前已述及，超声衰减法测量浓度的理论依据公式是可 ,一一。这就要求测试系统能以尽可能高的精度测量动身射信号和接收信号的幅值，而且应能对所接收到的信号进行处置、显示。而且由于实验进程中需要用到多种频率的信号，因此要求所产生的鼓励信号频率应该可调。这些 功能由硬件和软件彼此配合来实现。据此，设计了相应的测试系统，下面从硬件和软件两方面对 其进行详细分析研究。系统硬件设计系统硬件的功能要求作为整个测试系统的硬件平台，依据测量原理，硬件系统应具有信号发射、功率驱动、信号接收、信号处置、与上位机通信及相关的操纵功能。在完成硬件电路的设计后，还应付其系统误差进行详细分析。

21、系统测量电路硬件设计系统硬件电路部份要紧由单片机操纵电路、波形发生电路、功率输出电路、接收放大电路、检波电路和通信接口电路六部份组成。要紧完成超声信号的发射、接收处置等任务。其示用意如图2-2所示，详细电路图见附录一。A/D看门狗 电路单片机波形 发生 电路检波电路A/D看门狗 电路单片机波形 发生 电路检波电路仁部分功率） 输出 =激励 信号 接收收大路接放电.1单片机操纵电路单片机操纵电路要紧由 MCU A/D、D/A和复位监测电路（看门狗）几部份组成。由于MCS51系列单片机具有性能稳固、工作靠得住、价钱低廉等特点，其应用相当普遍。一个MCS5保列的单片机内部包括有RAM FLASHRO

22、M两个或三个16位 的按时器/计数器、一个通用异步串行通信操纵器（UART等多种资源。因此本系统 选用AT89C2051 A/D选用12位的MAX187 D/A那么选用12位高精度的串行 MAX531 采纳MAX81骑控电路，可为CPU提供上电复位、掉电复位、手动复位、看门狗及电 压比较器功能。该部份电路要紧完成系统的操纵、运算等任务。MCU勺操纵彳S号经MAX53傲/模 转换后输出到下一级的信号发生电路，操纵输出的鼓励信号的频率。换能器的接收信号经放大、检波电路处置后，通过 A/D芯片MAX187X入MCU单片机通过MAX232 与PC进行通信。.2 波形发生电路波形发生电路的核心部件是集成

23、化波形发生芯片MAX038 MAX038是美国MAXIM公司推出的一种高频周密波形发生器件，它比起以前比较经常使用的函数发生器如 8038系列，从频率范围、频率精准度、对芯片及波形的操纵性能、用户利用的方便 性等方面都有了专门大的提高，因此可普遍应用于波形的产生、压控振荡器、脉宽 调制器、频率合成器和FSK发生器等。z到40MHz勺三角波、正弦波和方波。MAX038工作电压采纳 5V,功耗为400mW/其内部的工作原理是：内部提供2.5V基准电压，通过外接可调电阻 R3 R1向振荡电流发生器的IIN端和FADJ端提 TOC o 1-5 h z 供频率粗调电流和频率细调电压；通过 R2向DADJ

24、端提供脉冲占空比调剂电压。这 三种参数经振荡电流发生器处置后，向振荡器提供充电电流，该电流对外接电容二充电，形成振荡，产生三角波信号。进而产生正弦波、方波和三角波信号。由Ao、Ai操纵端选择其中的一种波形输出。本系统采纳了倍频方式使 MAX038的输出频率加倍，那么最大输出频率能够扩展 到40MHz输出波形的频率 同可用下面的公式表示：（I 因 D（2-2）式中国为输入 MAX038 IIN引脚的频率操纵电流，国（习 T）为连接在MAX038勺COSCI脚和地线间的一组外部电容。系统设计了 MAX038 IIN引脚的电流同“单片机和D/A转换器进行操纵，调剂范.围为80回j40疽p本波形发生电

25、路的输出频率分为 8个频段，依据式（2-2）计 算得出各个频段范围，如表2-1所示。选定 国后，可在对应的频段内调剂 回的大小 以达到操纵输出频率的目的。表2-1电容时与频率对照表ii2345678Ci20pfinf目:回:fF0(Hz)8M-40M-8M-160K-800K34K-170K16K-80KK-17K1.6K-8K系统中，输出波形的选择由单片机的两个I/O引脚操纵A0、Ai两个引脚的逻辑电平来设定，当Ai、A0=X时，输出波形为正弦波。.3 功率输出电路在整个系统的测量进程中，对输出波形具有必然的功率要求。咱们选用MAX477对输出信号进行功率放大。MAX477是一种低噪声、高精

26、度、高输出电流的高频运算放大器，其供电电压为 5V, 3dB带宽可达到300MHz最小输出电流为100mA如图2-4所示，系统中MAX47泌负反馈放大器的方式进行工作，即 MAX038勺输出端OUT!过一个电阻(82 Q)连接到MAX477勺IN-端，以一个1KQ的可变电阻作为反馈电阻，通过调剂反馈电阻值就能够够改变输出电压放大倍数，电压最大可放大10倍。因此，整个系统的输出功率可达到数瓦。国一图2-4功率输出电路示意图另外，由于放大电路的负载是作为发射换能器的压电陶瓷片，属于容性负载, 因此在二者之间串联一个 10Q的电阻，以驱动发射换能器。正、负电源引脚和地之间各加一大小为1后的去耦电容。

27、.4接收放大电路由于接收换能器输出的信号比较弱，因此输出信号需要放大后，才能被后续电 路进行处置。采纳MAX47却成负反馈放大器就能够够知足要求。.5 检波电路接收换能器输出的正弦波信号经 MAX477a大后,送到幅值检波电路进行检波处置，取得幅度近似为正弦信号幅值的直流信号。那个直流信号通过A/D转换器送到MCU初步处置后送到上位机进行显示处置(也可直接通太高速数据搜集卡送到上位机)。系统中采纳二极管检波电路。电路如图2-5所示。机)。系统中采纳二极管检波电路。电路如图2-5所示。图2-5二极管检波电路图图2-5二极管检波电路图要实现幅值检波测量，上图电路中各元件的参数值必需知足下面的两个条

28、件:(2-3)(2-4)式中，检波器的负载电阻（即电容器的放电电阻）；检波器电容；同一二极管正向电阻（即电容器充电电阻）； 甲被测信号的周期。该检波电路的优势是输入阻抗能够做得很高。其等效阻抗为 甯 从提高输入电 阻来看，希望检波器负载电阻 口5可能地高，但口晌增加受到多方面的限制。系统中，二极管选用1N4148,这是一种快速二极管，其反向恢复时刻为4ns,反向电阻约为800幅。考虑到R应远小于二极管的反向电阻（不然就破坏了二极管 的单向导电性），系统中R选用阻值为1KQ F。如此当系统信号频率为1MHZ寸:国一(2-5)国一同时，口仲也远大于二极管的正向导通电阻。如此就知足了式（2-3）和（

29、2-4）,符合检波条件。表2-2二极管检波电路实测数据表VA(V)VD(V)在实验进程中，发觉当输入电压信号的幅值大于 2V时，检波成效比较好，这主 若是由于二极管本身的正向压降造成的。比较仿真结果和实测数据，当输入信号幅值同为2.007V时，仿真结果是1.228V,而实测数据为1.109V,那个不同说明实测 电路中有一些其他系统误差阻碍了测量结果。在系统误差分析一节中，将对此进行 详细分析研究。频率为800KHzffi 1.5MHz的信号的检波实测结果数据见附录二。.6 通信接口电路测试系统中采纳 MAX23块实现单片机和上位机（PC机）之间的通信。MAX232 的R1OUTT1IN引脚别离

30、与单片机 AT89C2051的RXD TXD引脚相连；R1IN、T1OUT 与上位机的COMR相连。系统误差分析系统中误差要紧包括超声换能器安装误差、检波电路误差和波形误差和其他误差。.1 超声换能器安装误差在实际利用进程中，需将超声换能器与耦合剂、爱惜外壳等做成超声探头。本 测试系统采纳超声垂直入射的方式，理论上，需要两个超声探头正对，使穿过浆体 的超声波尽可能被接收探头接收到，如此超声波强度的转变就更真实的反映了浆体 浓度的转变。但在实际安装进程中，很难严格地做到使两个超声探头正对。如此， 排除声束扩散的阻碍之外，就造成了超声接收探头不能全数接收到发射探头发出的 超声波。另外，管道壁等超声

31、穿过的媒质也会对超声波造成衰减。这些因素使接收 到的超声波强度的转变并非唯一地反映浆体浓度的转变，形成必然的误差。可是那 个误差能够在现场安装好探头以后，通过实际调试和现场标定来确信。.2 检波电路部份误差系统中的误差要紧来源之一确实是检波电路部份。由于检波电路处于测量电路 输入的前置部份，因此这部份电路的性能对整个系统的阻碍较大。在测量正弦波信号时，其误差要紧包括以下几方面:一、理论误差：检波器也确实是峰值检测电路，其工作原理是依托电容的充、 放电，将输入正弦波信号的峰值检测出来，从而实现交流一直流转换。因此，在工 作时有一个充电、放电进程，这就造成了实际峰值和测量到的峰值间存在一个不同，

32、而且那个不同永久不可能等于零，不然检波器中就无法维持一个动态电流（即充电 和放电电流），检波器也就停止工作了，这就形成了理论误差。理论误差主若是由于 没有专门好地知足条件 回三三M造成的，能够通过专门好地知足条件要求来降 低这一误差，使其符合误差要求，但不能排除这一误差。当检波元件固按时，该误 差能够在测量中修正。二、频率误差：在本系统中，选用的信号频率比较高，因此，会带来高频误差， 其要紧缘故是，检波器实际结构中存在各类散布参数的阻碍，和检波管的高频特性 不睬想等。由于在检波器中，两个输入端到检波管、电阻、电容之间都有必然的引线（包 括各元器件本身的几何长度及其引线），故实际检波电路中总存在

33、着引线电感和各类 复杂的散布电容，因此就造成了谐振误差。那个误差能够通过优化电路结构设计、 器件选型来改善。3、检波器非线性误差：检波器的灵敏度会受到检波二极管非线性特性的阻碍。当被测信号减弱时，这一阻碍就加倍明显。这能够通过选用线性特性好、频率高的 晶体二极管来降低阻碍。本测量系统中的检波输入信号是通过放大后再检波的，因 此二极管的非线性特性阻碍较小。但二极管的正向压降是不能排除的。上述几种误差都属于系统误差，一旦器件选定、工作信号频率确信和电路设计完成，就能够够通过误差修正曲线加以修正。依据表 2-2 （二极管检波电路实测数据 表），下面给出了频率为1MHz的输入信号的检波误差值，和据此得

34、出的 Matlab仿真误差修正曲线。别离如表2-3和图2-7所示表中以VA表示检波电路输入交流信号的幅值电压，以 Vb表示检波后取得的直流信号的幅值电压，Va-Vd为二者的差值。.2Va-.2Va-VD(V)VD(V)波形系统中另外一个误差是被测信号的波形误差。当被测信号是纯正的正弦波信号 时，用检波电路来测量有专门好的成效。实际工作中，纯正弦波是没有的。在被测 的正弦波发生失真的情形下，由于波形引发的误差往往是较大的。这主若是因为失 真的正弦波中，除基波成额外，还含有各次谐波，如此由于各次谐波相位的不同， 合成波形的峰值与基波的峰值有专门大的不同。而当被测信号是非正弦波如方波、 三角波等时，

35、由波形引发的误差往往是很严峻的。这也是本测量系统当选用正弦波 作为压电陶瓷片鼓励信号的缘故之一。从电路设计角度考虑，尽可能选用性能良好 的放大器和提高电路的抗干扰能力，从而降低波形的失真度，减小波形误差。系统 当选用MAX477乍为检波电路输入信号的放大器。关于系统中的其他误差如 A/D、D/A转换时的量化误差，由于选用了 12位精度 的转换器MAX18和MAX531转换性能好，因此阻碍较小。系统软件设计软件系统的功能要求系统的功能是由软件配合硬件来实现的。系统中软件部份由下位机软件和上位 机软件两部份组成，配合硬件完成波形的选择、参数的设定、信号的处置、显示等 功能。下位机软件设计下位机软件

36、由51汇编语言编制，与上位机软件配合完成波形的选择、频率的设定、接收信号的初步处置和与上位机通信等任务。由主程序、D/A转换子程序、A/D转换子程序、T0按时中断子程序和用行口中断子程序组成。各程序的程序框图如图 2-8所示：主程序：完成系统的初始化等功能。D/A转换子程序：波形发生芯片MAX038的频率调剂输入电流I in的大小由D/A 转换子程序操纵产生。由上位机设定的输出信号频率值，寄存于30H、31H中，经D/A转换子程序转换后，从单片机引脚I/O 口输出至IIN,从而完成输出信号频率值的自动设定。A/D转换子程序：接收换能器的输出信号在放大、检波后，经 A/D转换电路转换 成数字量后

37、，由引脚I/O送入单片机中，A/D转换子程序那么对其进行接收、 处置。接收到的数字量寄存与 34H 35H中，采纳求取256次平均值的方式进行软件 滤波处置，处置后的结果送到上位机。主程序串行口中断服务程序T0中断服务程序图2-8主程序及各子程序流程图T0按时中断子程序：完成瞬时信号的输出功能。信号的输出方式有瞬时输出和持续输出两种。被选择瞬时输出时，输出信号持续时刻的长短由T0中断子程序操纵完成。用行口中断子程序：完成与上位机的通信功能。输出信号的各类参数设定、输 出操纵和下位机测量结果的传送都要涉及到上位机与下位机的通信，这些功能那么 由串口中断子程序完成。系统中的波形选择（正弦波、三角波

38、和方波）、频率大小、波形持续输出/瞬时 输出等各操纵信号由单片机发出，操纵MAX038产生符合要求的波形。接收换能器的信号经放大、检波、A/D转换后，送到单片机中进行256次平均值软件滤波，最后通 过用行口送到上位机处置、显示（也可直接通太高速数据搜集卡送到上位机）。上位机测量显示软件设计上位机软件要紧完成参数设定、数据的接收、处置、存储和图形显示等功能。系统中上位机软件由VB LabVIEW编制。在由VB编制的上位机界面上，能够设定输 出波形的各类参数，通过 RS-232实现上位机和下位机之间的通信。LabVIEW那么配 合高速硬件数据搜集卡直接对接收信号进行处置、显示。.1 VB用户界面利

39、用Microsoft Visual Basic6.0开发环境完成用户界面开发工作。 Visual Basic 6.0 提供了一个Active X控件MSComm ,在应用程序中嵌入 MSComm控件，能够方便 地进行运算机用口的通信治理。VB用户界面如图2-9所示。在VB用户界面上能够操作的内容有:一、选择输出波形：方波、三角波、正弦波；二、设置输出时刻：能够设定波形是持续或按时输出。若是选择按时输出，那么能够在1s(ms)至U 255s(ms)之间设定输出时刻；3、设置通信端口及波特率；4、设置输出频率：把发生的频率分成 8个频段(如表2-1所示)，单击“输出”按钮进行输出；五、微调：当输出

40、频率有误差时，可通过单击“上升”或“下降”按钮对其进行微调，校正输出频率。能够选择的微调幅度有：0.0 、0.一、0.五、一、二、5;六、显示当前输出频率值。3超声浓度流量测试系统仪器化的研究浓度流量的分析浓度流量测量技术涉及到浓度信息、流量信息和相关的补偿信息，这就要求设计相应的传感器去取得这些信息。本论文以集成超声浓度传感器、电磁流量传感器和温度传感器的多传感器系统来实现浆体浓度、流量的测量。3浓度流量测量中的多传感器集成系统分析研究集成化是传感器技术进展的一种必然趋势。针对浆体浓度、流量测定的特点，本论文设计了集成超声波传感器、电磁流量计传感器和温度传感器的多传感器系统的浓度、流量测量方

41、案均。浆体的浓度信息由超声传感器取得、流量信息由电磁流量 计取得、温度对超声测量结果阻碍的补偿那么由温度传感器来实现。咱们继续以纸浆为测量对象。第一，别离研究电磁流量传感器和温度传感器的 设计方案，以实现未集成状态下高精度的流量和温度测量。在别离设计各个传感器 系统的同时，需考虑到构建多传感器系统的因素，为下一步的多传感器系统设计打 下基础。第二，由于把超声传感器集成到电磁流量传感器的电极中关于超声传感器 的性能有专门大阻碍，因此在研究超声浓度测量技术的基础上，应该考虑直接在集 成化方式下研究超声传感器以实现浓度的测量。最后，研究把超声波传感器和温度 传感器集成到电磁流量传感器的电极中组成多传

42、感器的流量检测系统。研究三种传 感器的尺寸、材料、位置及结构，排除一体化集成方式下电磁流量传感器与超声波 传感器之间的互耦合和互干扰。关于传感器的具体组成，提出如下方案：在电磁流量传感器的金属电极中内嵌 压电陶瓷片、在电极外表面安装温度传感器，实现超声浓度传感器、电磁流量传感 器和温度传感器的一体化集成。具结构示用意如图 3-1所示。图中通过集成在电磁流量传感器上的温度传感器，来实现温度对超声测量浆体浓度阻碍的补偿。3浓度流量测量中的信号处置技术分析咱们明白，在浆体浓度、流量的测量中，能够利用的现场信息要紧有浓度信息、流量信息和温度信息等，各信息、信号都有其自身特点。应在分析各信息特点的基础上

43、采取相应方法进行处置。设计方案中，浆体的浓度信息由超声波传感器取得、流量信号由电磁流量计取得、温度信息那么由温度传感器AD7814来取得。浓度、流量测量原理如图3-2所示。图3-2浓度流量测量处理电路框图测试系统的仪器化设计依照浓度流量的测量方案，接下来需要对超声浆体浓度测量系统的仪器化设计 进行研究，达到最终有效的目的。那个地址咱们基于前面的研究功效来进行超声浆 体浓度测量系统的仪器化设计，并同时考虑温度对超声测浓的阻碍而进行补偿设计。在超声测量浆体浓度的进程中，压电陶瓷片的标称频率和实际谐振频率不一致, 而咱们希望接收信号的幅值能达到最大，这就需要仪器应能自动调剂频率到谐振频 率值，从而取

44、得接收信号的最大值。鉴于此，在仪器化设计时，需要对前述以实验 为目的的测试装置在以下几方面进行改良：一、鼓励方式的改良：出于信号产生简便、频率调剂容易和测量容易的考虑，将正弦波鼓励方式改良为方波经滤波后输出正弦波的鼓励方式，提高了整个系 统的性能价钱比；二、自动调剂频率、搜索功能方面：由于只有在谐振时，接收信号才能达到最 大，因此系统应具有自动调剂频率、搜索接收信号最大值的功能，如此系统的灵敏度取得了提高。仪器化设计方案中，应考虑采纳闭环自动频率调剂的方式;3、发射、接收电路的改良：引入电压一频率转换器（ VFC）,替换了原先方案顶用到的波形发生芯片 MAX038及A/D转换器。如此既可降低本

45、钱，又可提高系统的测量精度，同时也幸免了 MAX038频率调剂（涉及到电阻、电容等元件）不便 的缺点，使系统鼓励信号频率的自动调剂变得加倍简单、精准。另外，温度对超声衰减法测量浆体浓度的阻碍也需要进行补偿设计。3鼓励方式的分析与改良在进行仪器化的设计进程中，系统的实现方便、本钱低廉和提高测量精度那么显得加倍重要。在前期工作中，出于研究方便的目的，超声换能器的鼓励信号采纳 了正弦波信号。可是与正弦波信号相较，方波信号的优势确实是容易产生、调频简 便、频率稳固性好，因此也就容易降低本钱、提高测量精度。在进行仪器化设计时， 这就显得很加倍重要。另一方面，超声压电换能器对工作频率点十分灵敏，也确实 是

46、说，加在换能器上的信号以正弦波为佳。为了充分发挥二者的优势，论文中以如此一种思路进行解决：产生的方波信号 通过滤波器滤波后输出正弦波信号，再将此正弦波信号加在换能器上。如此就兼顾 了二者的优势，从而提高了所设计仪器的性能。在滤波器的选择上，本论文选择有源滤波器进行滤波。之因此选择有源滤波器是出于以下因素的考虑：RC滤波器尽管实现起来简单，可是滤波特性对元件的容差很灵敏；输出阻抗大；若是使 RC滤波器具有尖锐的辨别特性，那么它对所通过的信 号成份衰减就变得专门大，其结果是必需用放大器来进行补偿。而有源滤波器那么 能够克服这些缺点。因此，咱们就选用有源滤波器进行滤波处置。有源滤波器是由RC和放大单

47、元组成的、与LC有相同特性的滤波器。图3-3给 出了一种Butterworth二阶低通有源滤波器的原理图。回一图3-3二阶低通有源滤波器原理图通常选取 Ci=Q=C, Ri= R2=R 当 Butterworth 系数 ai=1.4142 , bi=1 时，该滤 波器的传递函数为：旦 （4-1）那个地址取截止频率为 1MHz C1=C2=C=20pF,R=F2QR3Q , F4=750Q ,rn=rdu=51Q。另外，考虑到超声压电陶瓷片的标称频率和实测频率会不一致，因此具体到每一种具体型号的陶瓷片时，该滤波器应增加供调整的带宽（如100KHZ,以便提供频率点的调剂裕量。3鼓励信号频率的自动调

48、剂压电陶瓷片的标称频率和实测的谐振频率可能不一致。在实际利用中，为了使接收信号的幅值达到最大，提高系统的灵敏度，需要调剂鼓励信号的频率。在仪器化设计时，咱们采纳闭环系统的设计思想，来实现此功能。即先将鼓励信号的频率设定为压电陶瓷片的中心频率，由单片机测量回接收信号的幅值，接着在现在信号频率周围，改变必然步长的频率转变量，依据接收信号幅值的转变，再 次改变信号频率值，直至找到接收信号幅值的最大值。频率调剂步长区的大小，能够依照具体要求设定。 在硬件实现上，那么选择电压一频率转换器为核心部件。具体的调剂进程如图3-7所示3发射和接收电路的设计与改良对测试系统的硬件电路进行了改良。出于实现容易、降低

49、本钱和提高测量精度的目的，在发射电路和接收电路中别离选用了AD774一、AD7742电压一频率转换器作为核心部件，同时也为信号频率的自动调剂奠定了硬件基础。AD7741是一种新型单通道、单极性输入的电压一频率同步转换器（ VF。，AD7742那么为多通道、双极性的 VFG二者都由+5V电源供电，功耗仅为30mW外 部时钟输入信号频率最高可达 5MHz因此具有功耗低、体积小、精度高等特点。这 些特点使其十分适合运用在仪器化设计场合中。在发射电路中，考虑到需要产生方波信号和输出信号频率自动调剂的简易性，以AD7741替代原先方案中的波形发生芯片 MAX038与MAX03卦目较，AD7741由于选

50、用品振作为时钟输入信号，因此其输出信号频率的稳固性、输入输出的线性度要好 得多。同时，其价钱也比 MAX038氐廉。D/A的电压输出信号输入到 AD7741中，转换 后输出频率信号（方波）。在接收电路中，由于需要测量发射信号和接收信号，因此选用多路输入VFC-AD7742!野t A/D转换器，检波器的输出信号送到 AD7742完成电压一频率的转换而输 出频率信号，那个频率信号输出到单片机中进行测量计算。如此，使系统的整体本钱、测量精度都有所改善。3温度补偿问题的改良第一章中讲述超声衰减内容时，提到声衰减的程度要受到被测媒质温度的阻碍。由式（1-4）可知，声衰减系数即各类衰减系数组成，而浆体的温

51、度会阻碍其中的 热损失系数臼滓声吸收系数回等，从而阻碍到声衰减程度。衰减系数 国与温度的关系超级复杂。整体来讲，二者的关系可由下式来进行一样描述:画十(4-2)在硬件设计时，温度传感器选用AD7814。其测温范围是-55 C-+125 C, I/F输出，10位精度，带有SPI三线接口。3系统仪器化设计方案在前述分析与改良的基础上，咱们提出了最终的仪器化设计方案，其原理框图如图3-8所示A D/AV/F(7741)分频 电路有源 滤波发射 放大温度信号(7742)检波电路检波 电路3AD7814接收 放大温度 传感器换 能 器A D/AV/F(7741)分频 电路有源 滤波发射 放大温度信号(7

52、742)检波电路检波 电路3AD7814接收 放大温度 传感器换 能 器图3-8仪器化设计原理框图其工作进程是：D/A输出的电压信号被 VFC (7741)转换成频率信号(方波), 分频后进行滤波处置，所得的正弦信号经放大后加到发射换能器上，同时送到检波 电路，取得的幅值信号输入到 VFC (7742);接收信号经放大、检波后，输入到 VFC (7742)。电压一频率转换器 AD7742在单片机的操纵下，分时选通发射信号或接收 信号经检波后的幅值信号，进行 V/F转换，随之输入到单片机中进行运算处置。结论本文在总结各类浆体浓度测量方式的特点和工作原理的基础上，以纸浆为测量对象，研究了 超声衰减

53、法测量流动浆体浓度的技术，并在所设计的实际测量装置中验证了其可行性与合理性。 最后研究了浓度流量测量技术，并对研究功效进行了仪器化的设计。本文的要紧研究内容及制造 性结论总结如下：一、在普遍、深切地了解了浆体浓度测量技术国内外进展状况的基础上，提出了运用超声衰 减法测量流动浆体浓度的方式，并以纸浆作为实验研究对象。二、完成了测试系统的设计，对硬件设计和软件设计作了详尽分析，同时对其系统误差作了 详尽的理论分析和实验测试，在此基础上提出了减小系统误差的相关方法。依据超声传感器的特 点，通过对压电陶瓷片相关参数的详尽理论分析和实验测试，合理地选择了压电陶瓷片的型号， 提高了传感器的灵敏度。3、运用所设计的测试系统对纸浆、面粉浆体和盐水溶液进行了静态和动态两种情形下的浓 度测量。实验结果说明，超声衰减和纸浆浓度成单调关系，在必然范围内可对二者按线