CN109443464A - 一种被动侦听声呐流量计的接收电路 - Google Patents

Abstract

一种被动侦听声呐流量计的接收电路，由至少两个绑缚在流量测量管道上的传感器带阵列(图示为八个传感器带)，各传感器相同间距的缠绕在管道周围。传感器带通过对管中湍流边界层产生的脉动信号进行测量和处理，进而实现流体流动速度的测量，得到我们需要的流量信息。接收电路包括一个运算放大器，其反向输入端连接传感器的引出电极。同向输入点连接信号参考。输入输出端具有反馈电路。电容串联在传感器电极与运放反向输入端之间，并联在传感器的电极和参考地之间的电容和大电阻，将传感器微弱的电荷信号采集出来，连接到后续检测电路中。图中阿拉伯数字1‑8即为所述接收电路部分。

Description

一种被动侦听声呐流量计的接收电路

技术领域

本发明声呐系统领域，具体涉及一种被动侦听声呐流量计的接收电路。

背景技术

流量计是工业生产自动化控制过程中重要组成部分之一，流量的测量与所用流量计的关系紧密，通常使用的如超声、电磁、涡轮、孔板、旋涡、科里奥利流量计和文丘里流量计。实际应用中都会受到各种限制，更多的应用中需要非接触式的测量仪表，并且它是精确性、可靠性、经济性，理想情况下需要能够适用于各种管道材质，能够实现任何类型流体的流量测量。在这样的需求下，一款新型声呐流量计就成为必然趋势。声呐流量计是利用声呐处理算法计算被动阵列探测器采集的信号，得到流速信号。这对于液体输送固体颗粒浆体应用优势突出。

阵列传感器采集轴向自然产生的对流湍流结构的速度，来提供混合体积流量（速）。采用直接侵入工艺流体的压力传感器或夹在工艺管道外非侵入式传感器都可以实现。在宽泛的工艺流体浆液、管道的尺寸和流动条件情况下，声呐流量测量技术能够提供强大的、精确体积流量测量。

现有技术资料多是涉及被动声呐系统目标探测领域。所述的接收电路多为水声信号、放大滤波、移项。网络、波束形成等。通常的被动侦听声呐的接收电路是由放大和滤波电路组成。要求放大器精度高、噪声低，选用轨对轨放大器，第一级通常采用正向放大电路，前端置有两个反向的二极管，防止大电压对输入级造成损坏，在输入端上加入一个对地电阻，无输入情况下可以把输入端电平拉低，以免造成输出混乱，放大倍数控制在20倍以内，以提高运放电路的稳定性。第二级放大为方向放大电路，放大倍数取决于反馈电阻，和输入电阻的比值，倍数控制在20倍以内。第三级和第四级为一个高Q值得带通滤波器，在一定范围内滤波器Q值越高选频特性越好，由于探测目标生源频率已知，在设计过程中通常与用高阶带通滤波器来实现。第五和第六级均为反向放大器，用来弥补前级放大倍数不足带来的幅度低等问题。这种设计实现复杂，对运放要求高，容易产生自激震荡等不稳定因素，并且不能够准确的采集到传感器信号。实际实现效果也达不到理想。而对于流量信号应用，尤其是在管道湍流边界层的湍流漩涡这种应用，检测的信号频率非常低，传感器检测电荷信号十分微弱，如何能够准确的检测湍流边界层的脉动信号，成为一个应用难题。如何设计好接收电路，成为能否实现流量测量的关键，相关资料未找到相关应用文献。

发明内容

本发明是在上述背景技术基础上,提出了一种被动侦听声呐流量计的接收电路.

我们选用一种新型的微应变力传感器，PVDF膜阵列能够精确地感知管道湍流边界层的脉动信号。通过连接一种管道微应变压力检测传感器阵列，接收传感器阵列可以是pvdf或与其功能相似的传感器阵列（光纤、红外、超声等）用于测量管道流量信息，信号连接运算放大器的一个输入端和潜在参考信号之间。接收传感器阵列(4)，绑缚在管道上的n(n>=2)路接收传感器阵列，接收来自管中湍流边界层产生的脉动信号，提供一种声呐流量计接收处理电路,来分时采集传感器阵列各路信号，实现流体的流速（体积流量）的测量。目的在于提供一种概述中提及的,声呐流量计的传感器阵列相连接的接收电路。它能够实现管道微应变压力传感器PVDF的信号采集，解决传感器微弱的低频电荷信号在流量采集应用接收电路中的技术空白。实现传感器信号逐个有序采集。如图1所示, 为被动侦听声呐流量计的n路传感器阵列及接收电路框图。传感器阵列感知管道内流体流动产生的湍流涡团信号,各路传感器带等间距的固定在管道上,其输出的微弱电荷信号经接收电路,转化为放大的电压信号，同时又能够完成传感器的阻抗转换。本专利提供了一种传感器信号接收电路实现方式。能够很好地实现采集湍流边界层的湍流漩涡引起的微应变力信号的功能。图2中序号1为运算放大器(1)，运算放大器的反向输入端连接到a）所述的接收传感器阵列中的一列,实现电容(13)，通过连接一种管道微应变压力检测传感器阵列，一个积累传感器电荷的与接收频率相匹配的电容,电实现电容上积累的电荷信号的采集放大， 2为测量流体流经的管道，3为感应管道湍流漩涡的微应变力传感器。4为所测量流体的流动方向。5、8为传感器带的引出线.7为被测流体。10为同向(或反向)输入端连接网络，即同向(或反向)输入端连接到的固定参考信号或地回路等。14为接收电路阵列开关即用于各通路信号与后续信号采集电路的选通开关电路。每一路信号与后续信号处理电路具有选通开关，开关电路可以位于运放的输入端通路中或者运放的输出通路中。开关电路能够满足阵列不同阵元分时接收的同时,避免由于电路间的差异对测量产生影响.11为并联与微应变传感器两端的接收电路电阻R1，使得传感器产生的电荷尽可能多的积累在C1（13）电容上，有效减少了电荷泄漏，而很大的R1保证了电容的放电时间常数τ很大，可以提高电路的低频测量能力和信号幅度，减少负载效应。12为反馈连接网络，连接到运算放大器输入端与输出端之间的反馈网络；15为输出端连接网络，即运放输出端连接到后续信号滤波、检测电路；对图2所示接收电路,在具体实施中如图3、图4所示，或者局部调整的具有相同功能的电路形式,图4为如图3所示实施例中加入了带有低通滤波功能的积分电路，在图3的基础上接在运放输出端和反向输入端之间的反馈网络R2和C2。合适大的电阻器R2电容C2的两端并联，能够给传感器接收信号提供稳定的偏置直流反馈，达到稳定的偏置电流。会使输出电平在电源电压与0电平之间输出稳定有效信号。另一方面由于运算放大器存在偏置电压，会对电容进行充放电，这种连接方式能够避免电容饱和。并联电阻同时给电容提供放电回路。并联电阻后的积分器的传递函数不是理想积分器了，由于我们检测的阵列输入信号周期远远大于RC常数，所以可以有效的实现微应变压力传感器的信号传递至后续的滤波、放大电路。

本发明电路与传统的被动声呐接收电路相比，具有结构简单，频带宽度设计更改简便，频带宽度宽，信噪比高等有点。传统的接收电路可以实现微弱的放大同时将传感器的高的输入阻抗转变为较低的阻抗，但是为了与传感器匹配需要高输入阻抗，因此，带来抗干扰能力不足。带宽、灵敏度受传感器线路电容量限制。而图示的接收电路能够将传感器输出的微弱电荷信号转化为放大的电压信号，同时又能有效的减少测量电路的电荷泄露。放大器输出的电压与传感器带上积累的电荷量成正比，只与电量有关，所以，频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻。采用了开关阵列控制信号分时采集，提供了一种解决不同路信号的间电路引起的差异的方式，(如温度系数等的不同引起的差异),供了一种简洁的解决方式。

附图说明

图1是本发明中的被动侦听声呐流量计的传感器阵列及接收电路框图。

图2是本发明中的被动侦听声呐流量计的接收电路及各组成部分。1-运算放大器,2-管壁,3-传感器阵元,4-流动方向,5-连接线路,6-信号参考,7-管道中被测液体,10-运算放大器反向端参考信号,11-保证电路时间常数的大电阻,12-反馈网络,13-与传感器相匹配的累积电荷的合适的电容,15-后续的信号处理单元

图3是本发明中的被动侦听声呐流量计的接收电路的一个实例。

图4是本发明中的被动侦听声呐流量计的接收电路的另一个实例。

图5是本发明中的被动侦听声呐流量计的接收电路确定R2、C2的反馈网络的波特图。

图6是原有声呐接收电路的方框图。

具体实施方式

接收电路如图3所示，首先有一个运放F1，其同向端连接至传感器带的电极上，运算放大器的同向输入端连接到所述的接收传感器阵列中的一列；同时运放的同向输入端接电阻R1，用于减少电荷泄露的大于传感器内阻n倍（n>10⁶）的大电阻；及电容C1，积累传感器电荷的与接收接收传感器测量频率相匹配的电容,传感器产生的电荷尽可能多的积累在C1电容上，有效减少了电荷泄漏，而很大的R1保证了电容的放电时间常数τ很大，足够大阻抗可以保证产生的电荷得以长久保持，提高电路的低频测量能力和信号幅度，减少负载效应。电阻R1和电容C1网络的另一端接至参考地。传感器的电极输出端相连接的运算放大器的同向输入端，反向输入端连接至图3所示的信号地，或者电信号的阻抗网络,即反向输入端连接到的固定参考信号或地回路等。一个反馈网络通过一个阻抗网络Rf，连接至运算放大器的输出端与运算放大器的方向输入端。运放F1 的同向输入端连接一个通路选择开关，实现阵列接受控制,同时解决不同路信号电路间引起的差异。也可以在运放F1输出端连接一个通路选择开关.输出至后续检测电路，用于计算我们需要的湍流边界层的涡旋信号。

传感器的感应部分PVDF膜是一个容性器件，能将机械能转变成微弱的电荷量Q。其上的电荷必须转化为电压才能够被识别接收，而通过运算放大器适配合适的阻容网络就将此微弱电荷变换成与其成正比的电压。C1 配接传感器自身电容，1/2R1C1决定传感器低频下限。运算放大器F1，采用高输入阻抗、低噪声、低漂移宽带精密运算放大器。

由于本实施例中，涉及到一种管道微应变压力检测传感器阵列，分步采集传感器感应的管道流体的湍流边界层产生的脉动信号。因此需要接收电路能够区分至少两个以上的传感器阵列信号，此处采用高速模拟开关实现，多路传感器带接至接收电路，分时切换至后续的放大、滤波处理电路，实际应用中具有例似功能的其他器件或电路，功能相似的分离元件也是一样的。

与图3所示相关联的，另外的实施实例显示如图4所示，与图3所示的电路有相同的用处，首先有一个运放F1，其反向端连接至传感器带的电极上，运放的反向输入端接电阻R1，及电容C1，传感器产生的电荷尽可能多的积累在C1电容上，有效减少了电荷泄漏，而大电阻R1保证了电容的放电时间常数τ很大，可以提高电路的低频测量能力和信号幅度，减少负载效应。电阻R1和电容C1网络的另一端接至参考地。同向输入端连接至图4所示的信号地，或者电信号的阻抗网络。一个反馈网络通过一个阻抗网络Rf，连接至运算放大器的输出端与运算放大器的方向输入端。运放F1 的输出端也连接只一个通路选择模拟开关，实现阵列接受控制。反馈网络由电阻R2及电容C2 组成。

由于管道流体的湍流边界层产生的脉动信号，由传感器带转化形成的电信号，其频率很低，通常只有几十至几千赫兹。通常也可以在积分电路的反馈电容C2并联一电阻，则该积分电路就变形为带有增益的低通滤波器。R2、C2的选择依据图5电路所示，由电容C2及R2组成的反馈网络，其传递函数为 H(s)=-R2/R1*1/(1+R2sc) 根据已有电路知识可知，该RC电路有一个极点，其值为s=-1/R2C2，可以绘出该低通电路的波特图如图5所示，当输入频率低于ω1时，电容c2容抗比R2的阻抗值大的多，可以近似看为反相放大器，电路表现出来的为直流的增益特性，此时电容的作用就可以看做为滤波作用。当输入频率在较高的频段上，此时电容C2容抗比R2的阻抗值小的多，可以近似看为积分电路，如图5所示其表现为衰减特性，由于与角频率ω的交点为ω0=1/R2C2，电路在特定的频率范围内可以近似为一积分电路，此时的电路为一有损耗的积分电路。当R2=1/ωC2时，如图5所示,当ω<ω0 ：信号无衰减通过;ω>ω0 ：信号逐渐衰减或者截断;根据声呐流量计接收的湍流涡旋的频率大小，ω0为已知条件，根据ω0的取值,可以确定电容C2的取值范围,结合如图5所示传递函数-3dB频率点。可以确定R2、C2的值。对于声纳流量计要接收的湍流涡旋为低频信号，所以该电路作为声呐流量计的接收电路，能够很好的起到信号接收放大滤波作用。

传统的声呐接收电路大部分采用公知的低噪声、低直流偏移、低放大倍数的电压放大器，提高运放的稳定性，通常的接受框图如图6所示，通常会采用5级、6级电压放大器级联，来弥补放大倍数不足带来的信号幅度低的不足。

以上仅为本发明的一个具体实施例,但并并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换或改进等,均应包含在在本发明的权利要求范围之内。

Claims (5)

1.一种被动侦听声呐流量计的接收电路,其特征为：

其组成部分如下：

a）接收传感器阵列(4)，绑缚在管道上的至少两路接收传感器阵列，接收来自通过管中湍流边界层产生的脉动信号；

b）电容(13)，一个积累传感器电荷的与接收传感器测量频率相匹配的电容；

c）电阻(11)，一个用于减少电荷泄露的大于传感器内阻n倍（n>10⁶）的大电阻；

d）运算放大器(1)，运算放大器的反向输入端连接到a）所述的接收传感器阵列中的一列；

e）反馈连接网络(12)，连接到运算放大器输入端与输出端之间的反馈网络；

f）同向(或反向)输入端连接网络(10)，即反向输入端连接到的固定参考信号或地回路等；

g）输出端连接网络(15)，即运放输出端连接到后续信号滤波、检测电路；

h）选通开关(14)，即用于各通路信号与后续信号采集电路的选通开关电路。

2.根据权利要求1所述的一种被动侦听声呐流量计的接收电路，其特征为：接收传感器阵列可以是与其功能相似的传感器阵列（光纤、红外、超声等）用于测量管道流量信息，信号连接运算放大器的一个输入端和潜在参考信号之间。

3.根据权利要求1所述一种被动侦听声呐流量计的接收电路，，其特征为：接收传感器阵列可以是与其功能相似的传感器阵列，连接到一个积累电荷的电容和大于传感器内阻n倍（n>10^6）的大电阻两端。

4.根据权利要求1所述一种被动侦听声呐流量计的接收电路，其特征为：每一路信号与后续信号处理电路具有选通开关电路，开关电路位于运放的输入端通路中或者运放的输出通路中。

5.根据权利要求1所述一种被动侦听声呐流量计的接收电路，其特征为：接收传感器阵列包括用n条（n>=2）传感器带，侦听管道流体流经管道时，产生的湍流边界层的脉动信号，来测量流体的速, 其所测量的湍流边界层的脉动信号频率小于等于20khz。