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        超聲波流量計(jì)的抗干擾研究

        2014-04-29 07:39:25蔣偉
        電子世界 2014年17期
        關(guān)鍵詞:抗干擾噪聲

        【摘要】超聲波流量計(jì)的流量測量準(zhǔn)確性很大程度上依賴于系統(tǒng)對(duì)超聲波信號(hào)的正確識(shí)別,當(dāng)電路耦合有噪聲時(shí),很有可能破壞信號(hào)的波形,降低測量的準(zhǔn)確性,甚至造成整個(gè)儀器不能正常工作。因而如何有效的減小噪聲與噪聲拾取是設(shè)計(jì)中必須考慮的問題。本次設(shè)計(jì)中主要采取了信號(hào)濾波、屏蔽、采用平衡電路等措施,改善了超聲波流量計(jì)適應(yīng)環(huán)境的能力。

        【關(guān)鍵詞】超聲波流量計(jì);噪聲;抗干擾

        1.超聲波流量計(jì)概述

        超聲波流量計(jì)是通過檢測流體流動(dòng)對(duì)超聲束(或超聲脈沖)的作用以測量流量的儀表,目的是解決一些測量困難的問題。超聲波流量計(jì),集計(jì)算機(jī)和傳感器技術(shù)于一身,將聲學(xué)的研究成果與現(xiàn)代電子技術(shù)結(jié)合在一起,可以用于多種液體的測量。

        2.噪聲來源

        在超聲波流量計(jì)測量系統(tǒng)中,構(gòu)成噪聲源物質(zhì)的類型很多。如:

        (1)流量計(jì)安裝環(huán)境中可能存在的較大的電場和磁場干擾;

        (2)靠近水泵安裝時(shí)的水泵帶來的接近于超聲波信號(hào)的噪音;

        (3)操作人員隨身攜帶的通信系統(tǒng);

        (4)電源中的高次諧波;

        (5)電路板上高頻晶體振蕩器所帶來的噪聲干擾。對(duì)于從外界來的噪聲干擾源,主要采用降低電路對(duì)噪聲的敏感度、減少噪聲拾取、切斷噪聲耦合路徑的辦法解決,而對(duì)于來自于系統(tǒng)內(nèi)部,如電路板上的噪聲源,則采取信號(hào)地、數(shù)字地分離、多點(diǎn)接地、合理布線的方法解決。

        典型的噪聲路徑框圖如圖1所示??梢钥闯?,一個(gè)噪聲問題的產(chǎn)生必須具備三個(gè)要素,首先,必須有噪聲源;其次,必須有對(duì)噪聲敏感的接收器;第三,必須有一個(gè)將噪聲從源頭傳送到接收器的耦合路徑。因而要解決噪聲問題就必須從這三個(gè)方面著手解決。

        圖1 噪聲產(chǎn)生的三要素

        3.改良措施

        3.1 濾波

        因?yàn)槌暡ㄐ盘?hào)的頻率大致為1Mhz,由運(yùn)放和電容等器件構(gòu)成的有源濾波器的帶寬較小,最大在幾百千赫茲,在這個(gè)頻率附近不易采用,而若采用專用集成的濾波電路造價(jià)又偏高,因此這里采用了簡單易行的由電感和電容組成的LC 濾波器。

        如圖2所示,由L和C組成并聯(lián)諧振,將諧振頻率設(shè)在1.5MHz,由L1、C1 以及 L2、C2組成串聯(lián)諧振,整個(gè)形成T型網(wǎng)路,實(shí)現(xiàn)了帶通濾波。

        圖2 濾波電路

        除了設(shè)計(jì)信號(hào)處理中的濾波電路外,對(duì)所有進(jìn)出屏蔽盒的導(dǎo)線都實(shí)施了濾波措施。在導(dǎo)線穿透屏蔽體的地方,使用了饋通電容,并且在導(dǎo)線和電路端的地之間又連接了一個(gè)短引腳的云母電容。

        3.2 屏蔽

        在本次設(shè)計(jì)中采用了以鋁為材料的殼體,對(duì)處于內(nèi)部的儀器形成電場和磁場的保護(hù)層。眾所周知,理想的屏蔽體應(yīng)是一個(gè)封閉的、連續(xù)的導(dǎo)電殼體,沒有開孔和接縫。然而實(shí)際使用中卻因?yàn)橐季€,很難達(dá)到真正的屏蔽。通過對(duì)屏蔽的不連續(xù)性對(duì)磁場感應(yīng)電流影響的分析,這里沒有采用矩形縫隙走線,而采用了在屏蔽盒多個(gè)面上開小孔的策略,并且使進(jìn)出屏蔽體的導(dǎo)線的屏蔽層都360°連接到屏蔽盒上。這樣做的好處是直接改善了系統(tǒng)對(duì)于電場和磁場的忍耐能力,增強(qiáng)了性能。

        3.3 平衡電路

        平衡電路是用于產(chǎn)生相同和相反信號(hào)的電路,將這些信號(hào)送入兩個(gè)導(dǎo)線;電路的平衡特性越好,信號(hào)的散射就越小;它的噪聲抑制特性也越好。

        平衡電路抵消干擾信號(hào)的能力,是建立在信號(hào)波形和幅值嚴(yán)格對(duì)稱,同、反相端電路增益嚴(yán)格一致的基礎(chǔ)上的,理論上,理想的平衡放大器對(duì)感應(yīng)噪聲具有無窮大的抑制比,可以將干擾信號(hào)完全抵消,但在實(shí)際應(yīng)用中,平衡電路由于增益誤差等原因,抗干擾能力不可能達(dá)到理想值,甚至?xí)a(chǎn)生一些新的失真和噪音。

        但即使這樣,相對(duì)于單端電路只能采用加強(qiáng)屏蔽和進(jìn)行電源濾波來降低干擾來講,平衡電路仍不失為一種主動(dòng)式、積極有效的抗干擾措施,在惡劣電磁環(huán)境、長距離傳輸時(shí)優(yōu)勢非常明顯。

        4.結(jié)論

        超聲波流量計(jì)的設(shè)計(jì)和使用過程中,各種噪聲對(duì)其測量精度有較大影響,本文通過采用濾波、屏蔽、平衡電路等方式對(duì)流量計(jì)電路進(jìn)行了改良,產(chǎn)品已經(jīng)在現(xiàn)場得到使用,取得了明顯的效果。

        參考文獻(xiàn)

        [1]張俊.基于DSP的超聲波流量計(jì)[D].南京航空航天大學(xué),2005.

        [2]王茜.流量計(jì)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].科技信息(科學(xué)教研),2008(03).

        [3]姜彩明,江景濤.基于小波分析的信號(hào)噪聲的處理[J].儀器儀表用戶,2010(02).

        [4]楊萃.噪聲環(huán)境下頻率估計(jì)算法研究[D].華南理工大學(xué),2010.

        基金項(xiàng)目:天地(常州)自動(dòng)化股份有限公司科研項(xiàng)目(13SY014-01)。

        作者簡介:蔣偉(1982—),男,江蘇常州人,碩士,主要研究方向:自動(dòng)化控制。

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