【摘要】超聲波流量計(jì)的流量測(cè)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(cè)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(cè)流體流動(dòng)對(duì)超聲束（或超聲脈沖）的作用以測(cè)量流量的儀表，目的是解決一些測(cè)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(cè)量。

2.噪聲來(lái)源

在超聲波流量計(jì)測(cè)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(chǎng)和磁場(chǎng)干擾;

（2）靠近水泵安裝時(shí)的水泵帶來(lái)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(lái)的噪聲干擾。對(duì)于從外界來(lái)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(lái)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(jiǎn)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(chǎng)和磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)和磁場(chǎng)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(wú)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(lái)降低干擾來(lái)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(zhǎng)距離傳輸時(shí)優(yōu)勢(shì)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(cè)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(chǎng)得到使用，取得了明顯的效果。

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