CN104535140B - 超声波流量计换能器的谐振频率测试方法 - Google Patents

Abstract

一种超声波流量计换能器的谐振频率测试方法，采用了如下系统包括DSP、FPGA、发射换能器、接收换能器、DA转换器、AD转换器、功率放大电路、存储器，DSP用于将测试命令传递给FPGA，FPGA用于接收DSP的测试命令，输出驱动信号传递给DA转换器，用于接收FPGA的驱动信号输出正弦波信号驱动发射换能器，所述接收换能器用于接收发射换能器的超声脉冲信号发生压电转换，输出一定峰值的正弦信号给AD转换器，所述AD转换器用于对接收换能器的正弦信号进行采样，并传递给FPGA，FPGA用于将接收的AD转换器的采样值输出给DSP，DSP判断出AD采样值中峰值最大的点，并将该点所对应的频率值写入存储器。

Description

超声波流量计换能器的谐振频率测试方法

技术领域

本发明涉及超声波流量计换能器驱动领域，尤其涉及一种超声波流量计换能器的谐振频率测试方法。

背景技术

超声波流量计产品通常采用时差法测量流体流速，基本原理都是测量超声波脉冲在顺水流和逆水流中的时间差来反应流速，从而测出流量。图8所示为超声波流量计时差法测流速的示意图，从第一换能器开始发送脉冲到第二换能器接收到脉冲信号的时间为t1，从第二换能器发送脉冲到第一换能器接收到脉冲信号的时间为t2。 t1与t2之差为⊿t，其与管道内流体流速关系如式1所示:

(1)

式中，c为超声波在流体中的速度，D为管道直径是两超声波换能器与管道水平方向夹角。由式1可见，当超声波在静止流体中传播速度可认为是常数时，流体流速就与时间差⊿t成正比，测量⊿t即可得到流速，进而求得流量。

超声波流量计换能器的驱动频率都是固定的，如液体超声波传感器的驱动频率都是1M Hz，气体超声波传感器的驱动频率 200kHz。但是超声波换能器本质上属于压电晶体，每个换能器都有唯一的谐振频率，只有驱动频率和其自身谐振频率一致，才能在发送功率相同的情况下，在接收端换能器上产生最强的输出信号，提高信号传输性能。目前，传统的超声波流量计产品的换能器驱动频率都是固定频率，并不是超声波换能器的谐振频率，在同等发射功率上，不能发挥超声波换能器最好的效果。因此有必要设计一种针对每个超声波流量计及其换能器的谐振频率测试系统，使超声波流量计自身就能测试换能器的谐振参数，并将测试的信息写入外接存储器作为频率常数固定，不必上电都测试谐振频率，之后从存储器中读取之前写入的参数即可。

发明内容

本发明是针对现有技术的不足，提供了一种超声波流量计换能器的谐振频率测试方法，该方法可以准确测试出每个超声波流量计换能器的谐振频率，同等发射功率下，以该频率作为换能器的驱动频率可以增强超声波换能器接收端信号强度，并且不增加硬件资源。

本发明为解决上述技术问题采用的技术方案为：一种超声波流量计换能器的谐振频率测试方法，采用了如下系统，该系统包括DSP数据处理器、FPGA电路、发射换能器、接收换能器、DA转换器、AD转换器、功率放大电路、存储器，所述DSP数据处理器用于将测试命令传递给FPGA电路，所述FPGA电路用于接收DSP数据处理器的测试命令，输出驱动信号传递给DA转换器，所述DA转换器用于接收FPGA电路的驱动信号输出正弦波信号驱动发射换能器，所述发射换能器用于发送超声脉冲信号给接收换能器，所述接收换能器用于接收发射换能器的超声脉冲信号发生压电转换，输出一定峰值的正弦信号给AD转换器，所述AD转换器用于对接收换能器的正弦信号进行采样，并传递给FPGA电路，所述FPGA电路用于将接收的AD转换器的采样值输出给DSP数据处理器，所述DSP数据处理器判断出AD采样值中峰值最大的点，并将该点所对应的频率值写入存储器；

采用上述系统实现超声波流量计换能器的谐振频率测试的方法，包括以下步骤：

1）在DSP数据处理器中预先设定多个驱动频率，多个驱动频率呈等差数列；

2 ）启动测试，DSP数据处理器根据预先设定的多个驱动频率按顺序发送对应频率的测试命令给FPGA电路，FPGA电路输出对应频率的驱动信号给DA转换器，DA转换器输出对应频率的正弦波信号经功率放大后驱动发射换能器发送对应频率的超声波信号，接收换能器接收到发射换能器的超声波信号后产生压电效应，输出对应频率的正弦波信号被AD转换器采样，FPGA电路采样各个发射频率下接收换能器的AD采样值并传输给DSP数据处理器，DSP数据处理器得到各个驱动频率下的接收换能器的正弦波信号峰值电压，并判断出正弦波信号峰值电压值最大的点，即为该超声波流量计对应该换能器的最佳频率驱动点，即该换能器的谐振点；

3）确定该频率点后，将相对应的DSP驱动FPGA的频率参数写入存储器中，作为频率常数被DSP直接调用。

所述多个驱动频率中最低驱动频率为800k Hz，最高驱动频率为1200k Hz，频率增量为10k Hz。

所述DSP数据处理器采用型号为TMS320F28335的数据处理器。

所述FPGA电路采用型号为EP4CE10的FPGA芯片。

所述DA转换器采用型号为AD9760AR的数模转换器。

所述AD转换器采用型号为ADC12DL040CIVS的模数转换器。

功率放大电路包括运放U24、电流放大器U25以及若干电阻、电容，所述运放U24的同相输入端与第76个电阻R76的一端连接，第76个电阻R76的另一端分别与第77个电阻R77的一端、第85个电容C85的一端连接，第77个电阻R77的另一端接地，第85个电容C85的另一端分别与DA转换器的输出端、第74个电阻R74的一端、第84个电容C84的一端连接， 第74个电阻R74的另一端、第84个电容C84的另一端均接地，所述运放U24的反相输入端分别与第75个电阻R75的一端、第78个电阻R78的一端连接，第75个电阻R75的另一端接地，第78个电阻R78的另一端与运放U24的输出端连接，运放U24的输出端经第79个电阻R79与电流放大器U25的输入端连接，电流放大器U25的输出端与发射换能器连接。

所述存储器为EE存储器。

所述EE存储器的型号为FM25L04。

本发明采用上述技术方案的有益效果为：由于本发明采用了如下系统，该系统包括DSP数据处理器、FPGA电路、发射换能器、接收换能器、DA转换器、AD转换器、功率放大电路、存储器，所述DSP数据处理器用于将测试命令传递给FPGA电路，所述FPGA电路用于接收DSP数据处理器的测试命令，输出驱动信号传递给DA转换器，所述DA转换器用于接收FPGA电路的驱动信号输出正弦波信号驱动发射换能器，所述发射换能器用于发送超声脉冲信号给接收换能器，所述接收换能器用于接收发射换能器的超声脉冲信号发生压电转换，输出一定峰值的正弦信号给AD转换器，所述AD转换器用于对接收换能器的正弦信号进行采样，并传递给FPGA电路，所述FPGA电路用于将接收的AD转换器的采样值输出给DSP数据处理器，所述DSP数据处理器判断出AD采样值中峰值最大的点，并将该点所对应的频率值写入存储器。本发明在不增加超声波流量计任何硬件资源的情况下，采用本方法配合已有的超声波流量计换能器驱动频率测试硬件的紧密结合，自动测试换能器的谐振频率，并将该频率信息写入EE外部存储器，作为驱动频率常数使用，同等发射功率下，以该频率作为换能器的驱动频率可以增强超声波换能器接收端信号强度，并且不增加硬件资源。

附图说明

图1为本发明的系统电路框图；

图2为本发明的DA转换器的电路图；

图3为本发明的功率放大电路的电路图；

图4为本发明的AD转换器的电路图；

图5为本发明的存储器的电路图；

图6为本发明的自动测试方法流程图；

图7为本发明的接收端换能器正弦波包络图；

图8为时差法测流速示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

参见图1至图6，一种超声波流量计换能器的谐振频率测试方法的实施例，包括DSP数据处理器、FPGA电路、发射换能器、接收换能器、DA转换器、AD转换器、功率放大电路、存储器，所述DSP数据处理器用于将测试命令传递给FPGA电路，所述FPGA电路用于接收DSP数据处理器的测试命令，输出测试命令给DA转换器，所述DA转换器用于接收FPGA电路的测试命令输出不同频率的正弦波信号驱动发射换能器，所述发射换能器用于发送超声脉冲信号给接收换能器，所述接收换能器用于接收发射换能器的超声脉冲信号发生压电转换，输出一定峰值的正弦信号给AD转换器，所述AD转换器用于对接收换能器的正弦信号进行采样，并传递给FPGA电路，所述FPGA电路用于将接收的AD转换器的采样值输出给DSP数据处理器，所述DSP数据处理器判断出AD采样值中峰值最大的点，并将该点所对应的频率值作为谐振频率写入存储器。

DSP是系统的核心单元，为FPGA传输命令，使FPGA向DA转换器发出相应的数据数据是10位并行方式传输给DA，这些数据是事先设计好的序列，通过该测试命令可以使DA输出设定幅值和频率的正弦波形，即前文所指的800 K Hz～1200 kHz频率信号，使DA输出不同频率的正弦波信号驱动发射换能器，接收换能器接收发射换能器的信号发生压电转换，输出一定强度的正弦信号输入到AD转换器，FPGA采样AD转换器的采样值最大值，最大值就是接收端换能器在接收到发射端换能器的驱动信号后，产生压电效应，感应出一定峰值的正弦波信号包络，包络中正弦波峰值最大的点即为AD转换器采样最大值。接收的正弦波包络如图7。并传输给DSP，即可知道在该驱动频率下的接收端信号强度。

具体电路如下：所述DSP数据处理器采用型号为TMS320F28335的数据处理器。所述FPGA电路采用型号为EP4CE10的FPGA芯片。所述DA转换器采用型号为AD9760AR的数模转换器。所述AD转换器采用型号为ADC12DL040CIVS的模数转换器。所述存储器为EE存储器。所述EE存储器的型号为FM25L04。

所述功率放大电路包括运放U24、电流放大器U25以及若干电阻、电容，所述运放U24的同相输入端与第76个电阻R76的一端连接，第76个电阻R76的另一端分别与第77个电阻R77的一端、第85个电容C85的一端连接，第77个电阻R77的另一端接地，第85个电容C85的另一端分别与DA转换器的输出端、第74个电阻R74的一端、第84个电容C84的一端连接， 第74个电阻R74的另一端、第84个电容C84的另一端均接地，所述运放U24的反相输入端分别与第75个电阻R75的一端、第78个电阻R78的一端连接，第75个电阻R75的另一端接地，第78个电阻R78的另一端与运放U24的输出端连接，运放U24的输出端经第79个电阻R79与电流放大器U25的输入端连接，电流放大器U25的输出端与发射换能器连接。

参见图6， 采用上述系统实现超声波流量计换能器的谐振频率测试的方法，包括以下步骤：

1）在DSP数据处理器中预先设定多个驱动频率，多个驱动频率呈等差数列；所述多个驱动频率中最低驱动频率为800k Hz，最高驱动频率为1200k Hz，频率增量为10k Hz。本方法中以800k Hz频率开始，每次测量增加10k Hz，依次顺序为810 、820、830…直至1200kHz，上述频率下接受信号的最大值所对应的频率点即为谐振频率点。为了缩短查找时间，本方法的多个驱动频率还可以采用二分法确定。二分法利用驱动频率变化时只有一个接收信号最大值，在确认最低频率800K hz和最大频率1200k Hz后，选择这两个频率的平均值即(800+1200)/2=1000K HZ，比较最低频率点和最大频率点与1000k Hz 的频率平均值对应接收端信号值，即比较800+1000/2=900和(1200+1000)/2=1100接收信号值，如果900K hz频率点接收信号强度 值大于1100信号强度值，那么即以最小值800和最大值1000作为新的频率起止点，比较850K hz800+800+1000/2/2， 频率和950K hz(1000+800+1000/2/2)频率点对应的接收信号峰值，直至达到接收信号强度最大的频率点即为谐振点。否则以最小值1000和最大值1200作为新的频率起止点。采用二分法可以大大缩短查找时间。

2） 启动测试，DSP数据处理器根据预先设定的多个驱动频率按顺序发送对应频率的测试命令给FPGA电路，FPGA电路输出对应频率的驱动信号给DA转换器，DA转换器输出对应频率的正弦波信号经功率放大后驱动发射换能器发送对应频率的超声波信号，接收换能器接收到发射换能器的超声波信号后产生压电效应，输出对应频率的正弦波信号被AD转换器采样，FPGA电路采样各个发射频率下接收换能器的AD采样值并传输给DSP数据处理器，DSP数据处理器得到各个驱动频率下的接收换能器的正弦波信号峰值电压，并判断出正弦波信号峰值电压值最大的点，即为该超声波流量计对应该换能器的最佳频率驱动点，即该换能器的谐振点；

3）确定该频率点后，将相对应的DSP驱动FPGA的频率参数写入存储器中，作为频率常数被DSP直接调用。

本发明的工作流程为：上电后，DSP发送给FPGA一固定的驱动频率数据，一般为此前固定频率的80%，以液体超声波换能器为例，为800K Hz。FPGA发送与频率信息对应的数据给DA转换器，DA转换器实时的发送模拟的正弦波信号驱动功率放大单元，功率放大单元驱动相应的发射换能器向，接收端换能器接收到发射端换能器的超声波信号后产生压电效应，输出一定强度的正弦波信号被AD转换器采样，FPGA将AD采样值输出给DSP，DSP得到该驱动频率下的接收端换能器的正弦波信号峰值电压。然后DSP再向FPGA发出810K Hz频率驱动信号给FPGA，FPGA根据DSP命令不同输出不同的10位并行测试命令，控制DA转换器输出对应频率和峰值的正弦波形驱动发射端换能器输出超声波信号同理可以得到810KHz频率下的接收端换能器的正弦波峰值电压，依次类推直至驱动频率1200k Hz为止，得到各驱动频率点的接收端信号强度峰值电压值，其中AD值最大的点即为该超声波流量计对应该换能器的最佳频率驱动点，即该换能器的谐振点。确定该频率点后，将相对应的DSP驱动FPGA的频率参数写入外接EE存储器，作为频率常数被DSP直接调用输出给FPGA，不必每次进行谐振点测试。

Claims (7)

1.一种超声波流量计换能器的谐振频率测试方法，其特征在于：采用了如下系统，该系统包括DSP数据处理器、FPGA电路、发射换能器、接收换能器、DA转换器、AD转换器、功率放大电路、存储器，所述DSP数据处理器用于将测试命令传递给FPGA电路，所述FPGA电路用于接收DSP数据处理器的测试命令，输出驱动信号传递给DA转换器，所述DA转换器用于接收FPGA电路的驱动信号输出正弦波信号驱动发射换能器，DA转换器实时的发送模拟的正弦波信号驱动功率放大电路，功率放大单元驱动相应的发射换能器，所述发射换能器用于发送超声脉冲信号给接收换能器，所述接收换能器用于接收发射换能器的超声脉冲信号发生压电转换，输出一定峰值的正弦信号给AD转换器，所述AD转换器用于对接收换能器的正弦信号进行采样，并传递给FPGA电路，所述FPGA电路用于将接收的AD转换器的采样值输出给DSP数据处理器，所述DSP数据处理器判断出AD采样值中峰值最大的点，并将该点所对应的频率值写入存储器；

功率放大电路包括运放（U24）、电流放大器（U25）以及若干电阻、电容，所述运放（U24）的同相输入端与第76个电阻（R76）的一端连接，第76个电阻（R76）的另一端分别与第77个电阻（R77）的一端、第85个电容（C85）的一端连接，第77个电阻（R77）的另一端接地，第85个电容（C85）的另一端分别与DA转换器的输出端、第74个电阻（R74）的一端、第84个电容（C84）的一端连接，第74个电阻（R74）的另一端、第84个电容（C84）的另一端均接地，所述运放（U24）的反相输入端分别与第75个电阻（R75）的一端、第78个电阻（R78）的一端连接，第75个电阻（R75）的另一端接地，第78个电阻（R78）的另一端与运放（U24）的输出端连接，运放（U24）的输出端经第79个电阻（R79）与电流放大器（U25）的输入端连接，电流放大器（U25）的输出端与发射换能器连接；

采用上述系统实现超声波流量计换能器的谐振频率测试的方法，包括以下步骤：

1）在DSP数据处理器中预先设定多个驱动频率，多个驱动频率呈等差数列；

2）启动测试，DSP数据处理器根据预先设定的多个驱动频率按顺序发送对应频率的测试命令给FPGA电路，FPGA电路输出对应频率的驱动信号给DA转换器，DA转换器输出对应频率的正弦波信号经功率放大后驱动发射换能器发送对应频率的超声波信号，接收换能器接收到发射换能器的超声波信号后产生压电效应，输出对应频率的正弦波信号被AD转换器采样，FPGA电路采样各个发射频率下接收换能器的AD采样值并传输给DSP数据处理器，DSP数据处理器得到各个驱动频率下的接收换能器的正弦波信号峰值电压，并判断出正弦波信号峰值电压值最大的点，即为该超声波流量计对应该换能器的最佳频率驱动点，即该换能器的谐振点；

若多个驱动频率中最低驱动频率为f1，最高驱动频率为f2，频率增量为△f，在确认最低频率f1和最大频率f2后，选择这两个频率的平均值即(f1+f2)/2=f3，比较最低频率点f1和最大频率点f2与f3的频率平均值对应接收端信号值，即比较(f1+f3)/2=f4和(f2+f3)/2=f5接收信号值，如果f4频率点接收信号强度值大于f5频率点接收信号强度值，那么即以最小值f1和最大值f3作为新的频率起止点，比较 (f1+（f1+f3）/2）/2频率点和 (f3+（f1+f3)/2）/2频率点对应的接收信号峰值，直至达到接收信号强度最大的频率点即为谐振点，否则以最小值f3和最大值f2作为新的频率起止点；

3）确定该频率点后，将相对应的DSP驱动FPGA的频率参数写入存储器中，作为频率常数被DSP直接调用。

2.根据权利要求1所述的超声波流量计换能器的谐振频率测试方法，其特征在于：所述DSP数据处理器采用型号为TMS320F28335的数据处理器。

3.根据权利要求1所述的超声波流量计换能器的谐振频率测试方法，其特征在于：所述FPGA电路采用型号为EP4CE10的FPGA芯片。

4.根据权利要求1所述的超声波流量计换能器的谐振频率测试方法，其特征在于：所述DA转换器采用型号为AD9760AR的数模转换器。

5.根据权利要求1所述的超声波流量计换能器的谐振频率测试方法，其特征在于：所述AD转换器采用型号为ADC12DL040CIVS的模数转换器。

6.根据权利要求1所述的超声波流量计换能器的谐振频率测试方法，其特征在于：所述存储器为EE存储器。

7.根据权利要求6所述的超声波流量计换能器的谐振频率测试方法，其特征在于：所述EE存储器的型号为FM25L04。