CN108168653A - 换能器阻抗自适应匹配的超声波物位监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种换能器阻抗自适应匹配的超声波物位监测装置，可根据测量范围、物位表面状况和周围环境的不同，更换不同的超声换能器，可结合温度因素的影响实时测量所用超声换能器的静态电容，并进行超声换能器的阻抗自适应匹配，具有使用方便，易于操作，可靠性高，适用范围广，检测速度快，检测精度高，检测量程大的特点。

Description

换能器阻抗自适应匹配的超声波物位监测装置

技术领域

本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种换能器阻抗自适应匹配的超声波物位监测装置。

背景技术

物位指设备和容器中液体或固体物料的表面位置，物位监测用于测定待测物的物位，超声波物位监测装置具有无机械可动部件、安装维修方便、可以实现非接触式测量及物位的定点测量的特点，对环境适应能力强，适用于有毒、高粘度及密闭容器物位的测量。

超声波物位监测装置的核心是超声换能器，超声换能器具有寿命长、不受光线影响、抗电磁干扰、方向性集中、能量大等特点，但市场上性能精良的超声换能器造价昂贵，而普通的超声换能器使用时只利用换能器内部结构的驱动电路，其利用率并不理想，发射能量较低，从而得到的回波信号很弱，容易受到噪声干扰。为了提高超声换能器的效率，使信号源的输出功率尽可能全部转换为超声换能器的发射功率，以便得到更强的回波，通常采用阻抗匹配的方法，即先测量超声换能器的静态电容值，然后根据所测电容值并联与之匹配的电感，使超声波振动系统工作在谐振状态。采用超声波进行物位检测时，应根据测量范围、物位表面状况和周围环境条件来决定所使用的超声换能器的型号，但现有的超声波物位监测装置所使用的超声换能器都是固定的，其匹配电感也是固定的，只能用于某一特定对象的物位测量，无法根据测量对象或条件的不同，更换不同的超声换能器，也无法实现阻抗的自适应匹配，存在测量对象单一、适用范围小的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种换能器阻抗自适应匹配的超声波物位监测装置。

本发明的目的可以通过采用如下的技术措施来实现，设计一种换能器阻抗自适应匹配的超声波物位监测装置，包括：超声换能器和电学结构部分；

电学结构部分包括测距模块、调零模块、电容检测模块、中央数据处理模块、超声换能器频率输入模块、量程选择模块、温度校准模块、显示驱动模块、可调电感模块、供电模块、数模转换模块、V/I模块、中周和开关模块；其中，开关模块由电力电子开关S1和S2组成，开关模块输入端与超声换能器相连，开关模块中开关S1的输出端与电容检测模块相连，开关S2的输出端与可调电感模块相连，开关模块接收中央数据处理模块的控制指令，并据此对开关S1和S2进行通断控制；测距模块发射矩形脉冲，通过中周、可调电感模块的工作绕组传送给超声换能器，驱动超声换能器发出超声波，再由超声换能器接收回波并转化为电信号后传输给测距模块进行测距运算；电容检测模块的输入端与温度校准模块和量程选择模块相连，并通过开关模块的开关S1与超声换能器连接，电容检测模块的输出端与中央数据处理模块相连，中央数据处理模块接收测距模块、调零模块和超声换能器频率输入模块的输入信号，中央数据处理模块的输出端分别与开关模块、数模转换模块和显示驱动模块相连，V/I模块的输入端与数模转换模块相连，输出端与可调电感模块的控制绕组相连；供电模块连接中央数据处理模块，以为装置的用电模块进行供电。

其中，还包括机械壳体，电学结构部分集成于机械壳体内部；机械壳体上设置电源键、显示屏、数字按键、调零按键、量程选择按键和超声换能器接口。

其中，电源键与供电模块相连，显示屏与显示驱动模块相连，数字按键与超声换能器频率输入模块相连，调零按键与调零模块相连，量程选择按键与量程选择模块相连，超声换能器插在超声换能器接口处，用于超声波的产生和接收。

其中，测距模块和中周之间设置一三极管T，三极管的集电极连接中周，基极连接测距模块，发射极接地；中周为中频变压器，一端连接三极管的集电极和12V电源，12V电源经过滤波电容C2接地，另一端通过匹配电阻R1连接到可调电感模块的工作绕组，并进一步连接超声换能器及通过限流电阻R2连接到测距模块。

其中，开关模块的开关S1通过匹配电容C1与可调电感模块的工作绕组相连。

区别于现有技术，本发明的换能器阻抗自适应匹配的超声波物位监测装置可根据测量范围、物位表面状况和周围环境的不同，更换不同的超声换能器，可结合温度因素的影响实时测量所用超声换能器的静态电容，并进行超声换能器的阻抗自适应匹配，具有使用方便，易于操作，可靠性高，适用范围广，检测速度快，检测精度高，检测量程大的特点。

附图说明

图1是本发明提供的一种换能器阻抗自适应匹配的超声波物位监测装置的电路结构部分的结构示意图；

图2是本发明提供的一种换能器阻抗自适应匹配的超声波物位监测装置的机械壳体的结构示意图。

附图标号：1.电源键；2.显示屏；3.数字按键；4.调零按键；5.量程选择按键；6. 超声换能器接口；7.测距模块；8.调零模块；9.电容检测模块；10.中央数据处理模块；11.超声换能器频率输入模块；12.量程选择模块；13.温度校准模块；14.显示驱动模块；15.可调电感模块；16.供电模块；17. 数模转换模块；18.V/I模块；19.中周；20.开关模块；21.超声换能器。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

参阅图1，图1是本发明提供的一种换能器阻抗自适应匹配的超声波物位监测装置的电路结构示意图。该装置包括：

超声换能器21和电学结构部分；

电学结构部分包括测距模块7、调零模块8、电容检测模块9、中央数据处理模块10、超声换能器频率输入模块11、量程选择模块12、温度校准模块13、显示驱动模块14、可调电感模块15、供电模块16、数模转换模块17、V/I模块18、中周19和开关模块20；其中，V/I模块18为电压转电流模块。开关模块20由电力电子开关S1和S2组成，开关模块20输入端与超声换能器21相连，开关模块20中开关S1的输出端与电容检测模块9相连，开关S2的输出端与可调电感模块15相连，开关模块20接收中央数据处理模块10的控制指令，并据此对开关S1和S2进行通断控制；测距模块7发射矩形脉冲，依次通过中周19、可调电感模块15的工作绕组传送给超声换能器21，驱动超声换能器21发出超声波，再由超声换能器21接收回波并转化为电信号后传输给测距模块7进行测距运算；电容检测模块9的输入端与温度校准模块13和量程选择模块12相连，并通过开关模块20的开关S1与超声换能器21连接，电容检测模块9的输出端与中央数据处理模块10相连，中央数据处理模块10接收测距模块7、调零模块8和超声换能器频率输入模块11的输入信号，中央数据处理模块10的输出端分别与开关模块20、数模转换模块17和显示驱动模块14相连，V/I模块18的输入端与数模转换模块17相连，输出端与可调电感模块15的控制绕组相连；供电模块16连接中央数据处理模块10，以为装置的用电模块进行供电。

优选的，还包括机械壳体，所述电学结构部分集成于所述机械壳体内部；机械壳体上设置电源键1、显示屏2、数字按键3、调零按键4、量程选择按键5和超声换能器接口6。可根据测量范围、物位表面状况和周围环境的不同，更换不同的超声换能器21，具体的，超声换能器接口6为热插拔的接口，可根据需求，实时在超声换能器接口6更换不同类型的超声换能器21。

优选的，电源键1与供电模块16相连，显示屏2与显示驱动模块14相连，数字按键3与超声换能器频率输入模块11相连，调零按键4与调零模块8相连，量程选择按键5与量程选择模块12相连，超声换能器21插在超声换能器接口6处，用于超声波的产生和接收。

优选的，测距模块7和中周19之间设置一三极管T，三极管的集电极连接中周19，基极连接测距模块7，发射极接地；中周19为中频变压器，一端连接三极管的集电极和12V电源，12V电源经过滤波电容C2接地，另一端另一端通过匹配电阻R1连接到可调电感模块的工作绕组，并进一步连接超声换能器21及通过限流电阻R2连接到测距模块7。

优选的，开关模块20的开关S1通过匹配电容C1与可调电感模块15的工作绕组相连。

示例的，按下电源键1启动检测，中央数据处理模块10发出高电平控制信号，使开关模块20的S1导通并且S2关断，此时接通的是超声换能器静态电容的测量部分，先在空载状态下进行调零，按下调零按键4，使调零模块8的电路接通，电容检测模块9获取当前测量的空载电容值，并根据温度校准模块13传输的当前温度参数对空载电容值进行校准后传送至中央数据处理模块10，中央数据处理模块10将空载电容值作为基准值输入运算程序，实现零点标定。

调零结束后将超声换能器21接入超声换能器接口6，通过数字按键3手动输入超声换能器21的频率，经超声换能器频率输入模块11将频率送入中央数据处理模块10，根据预估超声换能器21的电容值大小按下量程选择按键5的相应档位，通过量程选择模块12进行量程选择传送给电容检测模块9，电容检测模块9测量并接收超声换能器21的电容信号，并根据温度校准模块13传输的当前温度参数对超声换能器21的电容值进行校准后传送至中央数据处理模块10中。

中央数据处理模块10结合超声换能器21的频率计算出阻抗自适应匹配的电感值，再根据此电感计算并输出相应的电压控制量，通过数模转换模块18进行数模转换后输出0-3.3V电压信号至V/I模块19，将电压控制量转化成电流控制量，电流控制量输入可调电感模块15的控制绕组，使可调电感模块15中工作绕组的感应电流随之发生变化，从而使工作绕组的电感值发生变化，达到阻抗匹配的目的，同时，中央数据处理模块10将超声换能器21的静态电容和阻抗自适应匹配电感值传送给显示驱动模块14并实时显示在液晶显示屏2上，即完成匹配过程。

匹配过程结束后，中央数据处理模块10发出低电平控制信号使开关模块20中的S1关断并且S2导通，此时接通的是超声波物位监测部分，测距模块7发射矩形脉冲控制三极管T的导通与截止，12V电源经滤波电容C2滤波和中周19的升压以提升超声换能器的驱动电压，对测距模块7发射的矩形脉冲升压后变为高电压脉冲，经匹配电阻R1、可调电感模块15的工作绕组和匹配电容C1来驱动超声换能器21。由于可调电感模块15的工作绕组已经调控为最优匹配电感，所以将产生高能量的共振，引起高强度的机械振动，从而产生超声波，超声波遇到物料表面产生回波，回波能量又被超声波换能器21接收并引起机械振动，且振动效果良好，机械振动转化的电信号经限流电阻R2传输给测距模块7，测距模块7对数据进行处理和计算，得到物位监测结果后传送给中央数据处理模块10，中央数据处理模块10将物位监测结果传送给显示驱动模块14并实时显示在液晶显示屏2上，完成物位检测的功能。

区别于现有技术，本发明的换能器阻抗自适应匹配的超声波物位监测装置可根据测量范围、物位表面状况和周围环境的不同，更换不同的超声换能器，可结合温度因素的影响实时测量所用超声换能器的静态电容，并进行超声换能器的阻抗自适应匹配，具有使用方便，易于操作，可靠性高，适用范围广，检测速度快，检测精度高，检测量程大的特点。

以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种换能器阻抗自适应匹配的超声波物位监测装置，其特征在于，包括：超声换能器（21）和电学结构部分；

所述电学结构部分包括测距模块（7）、调零模块（8）、电容检测模块（9）、中央数据处理模块（10）、超声换能器频率输入模块（11）、量程选择模块（12）、温度校准模块（13）、显示驱动模块（14）、可调电感模块（15）、供电模块（16）、数模转换模块（17）、V/I模块（18）、中周（19）和开关模块（20）；其中，开关模块（20）由电力电子开关S1和S2组成，开关模块（20）输入端与超声换能器（21）相连，开关模块（20）中开关S1的输出端与电容检测模块（9）相连，开关S2的输出端与可调电感模块（15）相连，开关模块（20）接收中央数据处理模块（10）的控制指令，并据此对开关S1和S2进行通断控制；测距模块（7）发射矩形脉冲，依次通过中周（19）、可调电感模块（15）的工作绕组传送给超声换能器（21），驱动超声换能器（21）发出超声波，再由超声换能器（21）接收回波并转化为电信号后传输给测距模块（7）进行测距运算；电容检测模块（9）的输入端与温度校准模块（13）和量程选择模块（12）相连，并通过开关模块（20）的开关S1与超声换能器（21）连接，电容检测模块（9）的输出端与中央数据处理模块（10）相连，中央数据处理模块（10）接收测距模块（7）、调零模块（8）和超声换能器频率输入模块（11）的输入信号，中央数据处理模块（10）的输出端分别与开关模块（20）、数模转换模块（17）和显示驱动模块（14）相连，V/I模块（18）的输入端与数模转换模块（17）相连，输出端与可调电感模块（15）的控制绕组相连；供电模块（16）连接中央数据处理模块（10），以为装置的用电模块进行供电。

2.根据权利要求1所述的换能器阻抗自适应匹配的超声波物位监测装置，其特征在于，还包括机械壳体，所述电学结构部分集成于所述机械壳体内部；机械壳体上设置电源键（1）、显示屏（2）、数字按键（3）、调零按键（4）、量程选择按键（5）和超声换能器接口（6）。

3.根据权利要求2所述的换能器阻抗自适应匹配的超声波物位监测装置，其特征在于，所述电源键（1）与供电模块（16）相连，显示屏（2）与显示驱动模块（14）相连，数字按键（3）与超声换能器频率输入模块（11）相连，调零按键（4）与调零模块（8）相连，量程选择按键（5）与量程选择模块（12）相连，所述超声换能器（21）插在超声换能器接口（6）处，用于超声波的产生和接收。

4.根据权利要求1所述的换能器阻抗自适应匹配的超声波物位监测装置，其特征在于，所述测距模块（7）和所述中周（19）之间设置一三极管T，三极管的集电极连接中周（19），基极连接测距模块（7），发射极接地；所述中周（19）为中频变压器，一端连接三极管的集电极和12V电源，所述12V电源经过滤波电容C2接地，另一端通过匹配电阻R1连接到可调电感模块的工作绕组，并进一步连接超声换能器（21）及通过限流电阻R2连接到测距模块（7）。

5.根据权利要求1所述的换能器阻抗自适应匹配的超声波物位监测装置，其特征在于，所述开关模块（20）的开关S1通过匹配电容C1与可调电感模块（15）的工作绕组相连。