張夢(mèng)雨，張真

（中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)，北京， 100088）

關(guān)鍵字：超能傳感器；檢波；濾波；計(jì)數(shù)

0 引言

超聲波風(fēng)速計(jì)的換能器安裝在被測(cè)管道的外側(cè)，基本上不干擾流體的流場(chǎng)，無(wú)壓力損失，維修方便，同時(shí)對(duì)流體的溫度，粘度，密度等因素也不敏感，輸出線性范圍寬，沒(méi)有零點(diǎn)漂移問(wèn)題，通用性好，又因無(wú)可動(dòng)部件無(wú)磨損，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，日常生活的每個(gè)角落，風(fēng)速測(cè)量作為流速測(cè)量的一個(gè)重要領(lǐng)域已與人們的生產(chǎn)，生活密不可分，現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展更促使其廣泛地應(yīng)用于航空航天，科研實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)及氣象科學(xué)等重要領(lǐng)域，且人們對(duì)流速，流量的測(cè)量的要求也越來(lái)越高，而風(fēng)速檢測(cè)在低流速速小管徑和流動(dòng)流體很不穩(wěn)定的情況下很難得到令人滿意的效果。為了能在低流速小口徑的條件下仍然能測(cè)得比較精確的流速，本文采用高頻率的超能傳感器對(duì)流動(dòng)的流體進(jìn)行載送，并把接收到的超聲波信號(hào)進(jìn)行處理。

1 渦街風(fēng)速計(jì)測(cè)量原理

由于超聲波在流動(dòng)的流體中傳播時(shí)可以載上流體流速的信息，因此我們可以對(duì)接收到的超聲波信號(hào)進(jìn)行處理，得到相應(yīng)的流體流速。

渦街產(chǎn)生的頻率與流體的平均流速之間有如下關(guān)系：

其中V—流體的平均流速，m/s;

Sr—斯特勞哈爾數(shù)；

m—渦街發(fā)聲體兩側(cè)矩形面積與通道橫截面積之比；

d—渦街發(fā)聲體迎流面特征寬度；

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計(jì)

測(cè)量系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示，整體可分為3 大模塊，信號(hào)調(diào)制模塊，信號(hào)接收處理模塊，信號(hào)控制輸出顯示模塊。由于采用傳統(tǒng)的放大器加二極管已達(dá)不到200KHz 檢波效果，因此采用專用的中頻檢波芯片，該芯片集成了檢波功能，高頻放大等功能，檢波效果理想。同時(shí)為了達(dá)到高速的測(cè)量要求，高速的計(jì)時(shí)電路是必須的，因此采用AVR 單片機(jī)作為控制單元輸出顯示。該單片機(jī)擁有特殊的捕獲功能，可以直接捕獲輸入信號(hào)的頻率，而且采用10MHz 的晶振，內(nèi)部4 分頻，測(cè)量最大誤差只有0.4us。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)總體框圖

3 信號(hào)處理電路

3.1 接收、放大電路

超聲波傳感器接收的信號(hào)在幾毫伏左右，為了將該電壓放大到后續(xù)電路易于處理的程度，接收放大電路的增益至少應(yīng)達(dá)到100 倍以上，且傳感器諧振頻率達(dá)到200kHz,因此采用高速型4556 作為放大芯片，該芯片在輸入信號(hào)頻率達(dá)到200kHz 時(shí)，增益仍然可以達(dá)到45db 左右，為了防止信號(hào)經(jīng)放大后飽和失真，應(yīng)該在正端輸入端輸入5V 直流電壓。

3.2 檢波電路設(shè)計(jì)

為了得到所要測(cè)量的渦街信號(hào)，需要把調(diào)制過(guò)的渦街信號(hào)解調(diào)出來(lái)，因此采用檢波電路對(duì)其進(jìn)行解調(diào)，檢波電路如圖2 所示。

圖2 檢波電路

本電路采用直接放大檢波式收音機(jī)專用集成電路，功能包括一級(jí)高阻輸入緩沖、三級(jí)高頻放大和一級(jí)檢波，工作頻帶寬，150 ～3000kHz；放大能力強(qiáng)，功率增益可達(dá)72dB；自動(dòng)增益控制范圍可達(dá)20dB。

圖中輸入端加入R5 是為了去除地線的干擾，采用C1 與芯片直接耦合，可以過(guò)濾掉前端的低頻信號(hào)，R1 是芯片的偏置電阻，同時(shí)也具有一定的自動(dòng)增益控制作用，R2 為IC 的輸出負(fù)載，同時(shí)還提供一定范圍的AGC 控制作用，C3 和R2大小的選擇根據(jù)AGC 的反應(yīng)速度，信號(hào)通過(guò)IC 之后輸出我們所需要的低頻信號(hào)，為了去除參雜在低頻信號(hào)中的高頻信號(hào)，在地與輸出端之間接一個(gè)C3,使高頻信號(hào)與地之間提供通路，C3 大小根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式

實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)輸出的低頻信號(hào)非常小，采用二級(jí)放大電路放大輸出的低頻信號(hào)以便后續(xù)電路的處理，第一次采用功率放大電路，第二級(jí)采用同相放大電路

3.3 濾波電路設(shè)計(jì)

通過(guò)檢波后的芯片已經(jīng)變得相當(dāng)光滑，但是由于還要將前端電路中的200kHz 高頻雜波信號(hào)濾除，讓渦街產(chǎn)生的低頻信號(hào)通過(guò)，將多余的干擾信號(hào)濾除，因此選用的是二階壓控低通濾波電路。

本文設(shè)計(jì)測(cè)量的風(fēng)速范圍0.1m/s～200m/s，由馮.卡曼公式可知對(duì)應(yīng)的頻率在0.3Hz～1500Hz 之間，因此濾波電路的截至頻率設(shè)計(jì)在1.5KHz,濾波電路如圖3 所示。

圖3 二階壓控低通濾波電路

3.4 比較電路與整形電路

為了把信號(hào)輸入到單片機(jī)，需要把接收到的正弦波信號(hào)轉(zhuǎn)變成TTL 信號(hào)，首先采用一個(gè)比較器電路，把正弦波信號(hào)轉(zhuǎn)變成方波信號(hào)，在通過(guò)幅值整形電路把方波信號(hào)轉(zhuǎn)變成單片機(jī)可以識(shí)別的TTL 信號(hào)。

3.5 單片機(jī)控制顯示輸出電路

單片機(jī)采用ATMEL16 作為控制芯片，采用16MHz 晶振，以獲得較穩(wěn)定的始終頻率，減小測(cè)量誤差，顯示電路采用hd44780。單片機(jī)以PD6 口(輸入捕獲引腳)接收傳送過(guò)來(lái)的TTL 信號(hào)，利用其內(nèi)部捕獲功能，當(dāng)捕獲到信號(hào)上升沿時(shí)，捕獲寄存器存取計(jì)數(shù)器中的值，連續(xù)取出2 次計(jì)數(shù)器中的值，求出2 次差值便可以得到信號(hào)的周期，把周期轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的頻率后，再根據(jù)頻率與速度的線性關(guān)系，即可求出需要的風(fēng)速。最后，用ATMEL16 的PA 口作為輸出引腳，驅(qū)動(dòng)hd44780 顯示出所要求的頻率與速度。

4 系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序流程圖如圖4 所示，系統(tǒng)程序主要由主程序，延遲程序，捕獲中斷程序和顯示程序組成。

圖4 程序流程圖

在設(shè)計(jì)時(shí)采用系統(tǒng)時(shí)鐘64 分頻，每次計(jì)數(shù)用時(shí)1/(16/64)*10-6s,因此精度仍然可以保證，捕獲時(shí)控制單片機(jī)在每次上升沿捕獲。當(dāng)無(wú)信號(hào)輸入時(shí)，單片機(jī)處于等在狀態(tài)，直到有信號(hào)輸入時(shí)，捕獲中斷自動(dòng)開(kāi)啟，捕獲引腳ICP 捕獲到第一次信號(hào)上升沿時(shí)，把捕獲到的計(jì)數(shù)值存入寄存器R0，當(dāng)捕獲第二次信號(hào)上升沿時(shí)，捕獲寄存器ICR 再次捕獲計(jì)數(shù)器的值，控制2 次計(jì)數(shù)差值輸出，同時(shí)把計(jì)數(shù)器清0，等待下一次捕獲。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由于試驗(yàn)條件有限，且為了得到比較平穩(wěn)的風(fēng)速，實(shí)驗(yàn)過(guò)程采取在水洞中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示，圖中直線由標(biāo)定的風(fēng)速連接而成，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖中黑點(diǎn)所示。

圖5 標(biāo)定風(fēng)速與實(shí)際所測(cè)風(fēng)速

從圖中可以看出，超聲波所測(cè)的的數(shù)據(jù)與標(biāo)定的風(fēng)速已經(jīng)相當(dāng)?shù)慕咏矣蟹浅：玫木€性度，采用200Khz 的超聲波傳感器，一致性較好，檢出波形趨于光滑，因此精度得到保證。受測(cè)試條件所限，加上測(cè)試環(huán)境的影響，實(shí)驗(yàn)所測(cè)的風(fēng)速有略微的跳動(dòng)。

6 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)欠佳，給測(cè)量的結(jié)果帶來(lái)了一定的影響，但是整體的測(cè)量結(jié)果是具有很好的線性度，測(cè)量結(jié)果是準(zhǔn)確的。同時(shí)還要改進(jìn)渦街發(fā)聲體的設(shè)計(jì)，通過(guò)更好的設(shè)計(jì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，可以測(cè)量出更加精確的測(cè)量結(jié)果。

通過(guò)搭建硬件平臺(tái)，軟硬件結(jié)合設(shè)計(jì)，大大提高了測(cè)量的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。