CN112019989B - 超声波换能器动态性能测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波换能器动态性能测试装置。当前针对换能器动态性能测试分析回波信号整体波形，成本较高且存在大量冗余数据，整体测试效率较低的问题。本发明包括密闭管道、超声波换能器A、超声波换能器B、切换接收单元、前置差分放大单元、带通滤波单元、比较单元、时间测量单元、增益控制单元、峰值保持单元、回波信号采样单元。本发明通过测试容器内部充入不同组份、温度和压力的气体，模拟超声换能器的工作环境，采样超声波换能器回波特征信号、测量回波到达时间和当前装置内的工作温度、压力等参数，获得换能器的动态性能，实现对换能器不同工况下全面的性能测试。

Description

超声波换能器动态性能测试装置

技术领域

本发明属于超声波换能器检测领域，涉及一种超声波换能器动态性能测试装置。

背景技术

超声波流量计通常采用时差法进行流量测量，即分别用上下游两个超声波换能器发射超声波信号，测量另一个换能器所接收到超声波信号的到达时间。超声换能器作为超声流量计中的重要传感部件，其性能影响流量计的测量精度。当前对于超声换能器动态性能的研究侧重于灵敏度以及回波信号一致性，该方法通过比较回波信号整体波形相似度实现换能器动态性能差异的比较，对采样频率和计算成本的要求较高。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种气体超声波换能器动态性能测试装置，该装置模拟气体超声换能器的不同工况环境并测试其动态性能，减少了采样数据，降低了硬件成本和换能器动态性能分析的计算复杂性，提高了气体超声波换能器动态性能测试效率。

本发明方法是通过向测试容器内部充入不同组份、温度和压力的气体，模拟超声波换能器的工作环境，采样超声波换能器回波特征信号、测量回波到达时间和当前装置内的工作温度、压力等参数，获得超声波换能器的动态性能，实现对换能器不同工况下全面的性能测试。

本发明实现上述方法的装置包括一个可承受一定内部压力的密闭管道、超声波换能器A、超声波换能器B、切换接收单元、前置差分放大单元、带通滤波单元、比较单元、驱动单元、时间测量单元、增益控制单元、峰值保持单元、回波信号采样单元、压力检测单元、温度检测单元、LCD显示单元、485通讯单元及上位机单元。

超声波换能器A、B分别安装在管道两侧，管道一侧可通气并增大管道内气压，另一侧通过阀门控制可实现气体的泄放。

超声波换能器A的输入端与模拟开关第一通道输入端连接；换能器B的输入端与模拟开关第二通道输入端连接，模拟开关输出端与前置差分放大单元输入端连接。

前置差分放大单元输出端与带通滤波单元的负输入端连接，带通滤波单元正输入端为1.5V的基准电压；带通滤波单元的输出端与增益控制单元的负输入端连接，增益控制单元正输入端为1.5V的基准电压；增益控制单元的输出端与比较单元的正输入端连接；比较单元的负输入端与阈值信号连接；比较单元的输出端与时间检测单元的计时停止脚连接。

峰值保持单元输入端与增益控制单元的输出端连接；峰值保持单元输出端与单片机模拟输入引脚和回波特征信号采样电路连接；峰值保持单元控制端与单片机的I/O口连接。

回波特征信号采样单元输入端与增益控制单元的输出端连接；回波特征信号采样单元输出端与单片机串行输入端连接。

驱动单元的输入端与时间检测单元的脉冲发射脚连接；驱动单元的输出端与换能器连接。

时间检测单元的使能脚、数据输入脚、数据输出脚与单片机的I/O口连接。

LCD显示单元与单片机的I/O口连接。

温度检测单元的输出端与单片机的I/O口连接；压力检测单元的输出端与单片机的I/O口连接。

所述模拟开关选型芯片MAX4762；所述仪表放大器选型芯片AD8226；所述带通滤波单元选型芯片OPA837；所述比较单元选型芯片OPA837；所述峰值保持单元选型芯片MAX998EUT；所述回波特征信号采样电路选型芯片为EPM240T100C5,AD9237,CY7C1021DV33；所述时间测量单元芯片选型为TDC-GP22；所述单片机选型芯片为MSP430F449。

本发明的测试原理：通过时间测量电路得到回波信号到达时间和回波信号频率，自适应地确定回波特征信号采样窗口时间，保证在回波即将到达前开启特征信号采样，而当时间测量单元芯片GP22接收到STOP信号产生回波信号接收中断后停止采样，在得到完整回波特征信号的前提下既减少了不必要的采样又避免了噪声信号的串扰；通过增益控制电路可以调整回波信号峰峰值电压达到目标值并由数字电位器阻值确定回波信号增益。由回波特征信号采样值可得回波特征信号的台阶电压。通过485通讯实现回波信号增益、频率和特征信号台阶电压。本发明以回波信号增益、频率和回波特征信号台阶电压在实现换能器之间动态性能差异比较的前提下降低了计算量，为换能器动态性能分析和一致性评价带来巨大的便利。

本发明有益效果在于：本发明可以模拟气体超声换能器在不同温度、压力和气体组分等工况环境，并测量其在不同工况环境下的动态性能；通过精确测量回波信号到达时间可以自适应地确定回波特征信号采样开启的窗口时间，保证回波特征信号采样电路在回波信号即将到达前开启信号采样，在保证采样得到完整回波特征信号的前提下既减少了不必要的采样数据，又避免噪声串扰影响换能器动态性能的分析；提取回波信号频率和回波特征信号台阶电压作为回波信号特征，和回波信号增益值一同作为换能器动态性能指标，可高效直观地比较不同换能器动态性能的差异。

附图说明

图1是超声波换能器动态性能测试装置示意图；

图2是超声波换能器动态性能测试系统原理框图；

图3是回波信号和回波特征信号；

图4是单片机单元和LCD显示单元；

图5是模拟开关切换电路与驱动电路；

图6是前置放大电路与带通滤波电路；

图7是增益控制电路；

图8是峰值保持与阈值比较电路；

图9是时间测量电路；

图10是回波特征信号采样电路单元。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明。

参照图1，将被测换能器与标准换能器正对安装在密闭管道中，管道长度为80mm，直径为30mm，内部为空气，前后端分别安装有法兰、阀门，可加压，待测的超声波换能器与标准超声波换能器对应引脚T+和T-接入到电路中。

参照图2，整个系统的工作流程为：时间测量电路产生脉冲信号，通过升压激励后产生电压T+和T-驱动换能器，对射换能器接收原始回波信号Signal+和Signal-。通过模拟开关芯片使两个换能器轮流作为发射和接收使用。Signal+和Signal-两路信号经过前置放大与带通滤波输出信号V1，V1通过增益控制电路输出为V2。一方面V2通过峰值保持电路得到回波特征信号V3，V3通过单片机内部AD读取，并反馈调整增益控制电路的增益值，使V2的峰值控制在设定值；一方面V2经过时间测量电路后得到回波信号到达时间t1，t2，t3；另一方面，在回波到达前打开信号采样电路，通过CPLD控制AD芯片对回波特征信号V3信号进行采样，采样数据临时存放在硬件存储电路中，采样完成后将采样数据通过串口传输给单片机MSP430。单片机由回波到达时间t1，t2，t3得到回波信号频率，由回波特征信号采样数据可得其台阶电压，最后单片机通过RS485传输回波信号频率、增益值和特征信号台阶电压数据到上位机。

参照图3，回波信号经过峰值保持电路实现了对回波信号峰值电压的保持，最终得到其特征信号，特征信号表征了回波信号各个峰值电压，体现了回波信号上升沿部分的电压变化情况。

参照图4，单片机单元采用MSP430F449，LCD显示单元采用定制的液晶显示器。单片机的第1、60和100脚接3V，第10、11、56、61、98和99脚接地。晶振Y1的频率为4MHz,单片机第88脚与电容C1和晶振Y1的一端相连，第89脚与晶振Y1的另一端和电容C2的一端相连；电容C1的另一端与电容C2的另一端共同接地；晶振Y2的频率为32.768KHz,单片机第8脚与电容C3和晶振Y2的一端相连，第9脚与晶振Y2的另一端和电容C4的一端相连；电容C3的另一端与电容C4的另一端共同接地；电解电容C5的正极和电容C6的一端接3V，电解电容C5的负极和电容C6的另一端接地。单片机第95脚与V3端口连接；单片机第79脚与EN1端口连接，第78脚与EN2端口连接，第77脚与EN_R端口连接。单片机的第90、91、92、93、76、87脚分别与SPI(1)通讯的CS1、SCK1、SI1、SO1、RSTN1、INTN 1端口连接。单片机的第80、81、82脚分别与SPI(2)通讯的CS2、SCK2、SI2端口连接。单片机的第75、73、72脚分别与CPLD通讯的RXD2、C_RST、C_READ端口连接。单片机的第62、63、64脚分别与RS485通讯电路连接。单片机的第83、84脚与温度检测电路相连接。单片机的第85、86脚与压力检测电路相连接。单片机的第64脚同时与RS485通讯芯片的DE、RE引脚连接。单片机的第12-35脚分别与LCD的第1-24脚连接，单片机的第52-55脚分别与LCD的第25-28脚连接。电阻R1一端接地，另一端与单片机的57脚和R2的一端连接，R2的另一端同时与单片机的58脚和R3的一端连接，R3的另一端与单片机的59脚连接。

参照图5，通过DC/DC电路将电压升压为20V，换能器驱动采用推挽驱动的方式，脉冲信号由TDC-GP22产生的Fire信号产生，脉冲频率及个数可根据需要进行调整，脉冲信号经过模拟开关切换电路后通过控制开关管驱动脉冲变压器工作以驱动对应的换能器，变压器副边与换能器并联。阻尼电阻和匹配电容串联入电路用以调理激励信号。通过调整容值的大小可调理激励信号波形以保证激励信号近似于正弦激励信号。

在测量过程中，通过控制模拟开关切换电路的时序，使换能器轮流作为发射和接收用。模拟开关选用MAX4762芯片。其中EN1为对应换能器发射开关控制信号。在换能器A发射时，接收换能器B的原始回波信号。对应开关控制信号EN1置高电平，COM1与NC1连接，COM2与NC2连接，COM3与NC3连接，COM4与NC4连接，Fire进入换能器A对应的驱动电路,Signal+和Signal-接收换能器B的原始回波信号；同理在换能器B发射时，接收换能器A的原始回波信号。对应开关控制信号EN1置低电平，COM1与NO1连接，COM2与NO2连接，COM3与NO3连接，COM4与NO4连接，Fire进入换能器B对应的驱动电路，Signal+和Signal-接收换能器A的原始回波信号。

参照图6，前置差分放大电路采用仪表放大器AD620，带通滤波电路采用轨至轨低功耗高速运放OPA837。AD620的1脚和8脚中间接电阻R14，4脚接地，5脚接1.5V，6脚接V1端口，7脚同时与3V连接。

带通滤波电路根据实际换能器的谐振频率范围设计中心频率。OPA837的2脚接地，3脚接1.5V，5脚和6脚接3V，1脚接电容C12的一端，C12的另一端接V1端口；电阻R14的一端接地，另一端接电容C9、C12和电阻R12的一端，电容C11和电阻R12的另一端与电容C10同时接OPA837的4脚；电容C10另一端接R11，C9和R13，R13另一端接地。

参照图7，增益控制电路的放大器同样采用运放OPA837，数字电位器采用MCP41100。电路的增益与数字电位器的阻值呈正比关系。单片机通过SPI通讯接口调节数字电位器，改变电路增益，使信号的幅值达到预定的大小。由此可知信号增益值为：

其中R_WB为数字电位器在电路中作为反馈电阻参与增益控制的阻值，其具体阻值由单片机设置的数字量D_n决定，其具体公式如下所示：

式中R_AB＝100kΩ，表示本发明实施例所选数字电位器的最大阻值。OPA837的2脚接地，3脚接1.5V，5脚和6脚接3V，1脚分别接电容C13、电阻R15和V2端口，4脚接电阻R16、电容C13的另一端、MCP41100的6脚和7脚，R16的另一端接电容C14，C14另一端接端口V1，R15另一端接MCP41100的5脚，MCP41100的8脚接3V，4脚接地，3脚接SI2端口，2脚接SCK2端口，1脚接CS2端口。

参照图8，峰值保持电路采用两块低功耗高速比较器MAX998EUT。当电路不处于工作状态时，EN_R端口由单片机控制关闭比较器降低功耗。当电路处于工作状态时输入电压升高时，二极管D1导通；降低时，二极管D1截止。电容保持输入电压峰值。检测完成后开启MOS管T1使电容放电防止对下次检测产生影响。阈值比较电路采用低功耗高速比较器MAX998EUT，输入信号与固定阈值电压进行比较，输出比较结果给时间测量电路。

MAX998EUT(1)的2脚接地，3脚接V2端口，5脚接EN_R端口，6脚接3V，1脚与二极管D1的正极连接，4脚与电阻R17的一端连接，R17的另一端接V3端口；MAX998EUT(2)的2脚接地，5脚接EN_R端口，6脚接3V，1脚和4脚同时接V3端口，3脚与二极管D1的负极连接。MOS管T1的源极接地，栅极接EN2端口，漏极接电阻R18的一端，R18的另一端同时接MAX998EUT(2)的3脚和电容C15的一端，C15的另一端接地；MAX998EUT(3)的2脚接地，3脚接V2端口，5脚接EN_R端口，6脚接3V，1脚接OUT端口，4脚与电阻R19、R20的一端连接，电阻R19的另一端接3V，电阻R20的另一端接地。

参照图9，时间测量电路输出触发信号，接收阈值比较电路输出信号，得到超声波信号的到达时间t1，t2，t3，并将到达时间通过SPI总线上传给单片机。到达时间t1，t2，t3分别表示回波信号的第3、4、5个周期信号的到达时间，由公式(1)可得回波信号频率f

另一方面通过到达时间t1可以自适应地调整确保在回波信号到达前回波信号峰值保持电路和特征信号采样电路的开启时间，TDC-GP21的STOP1脚和电容C16的一端连接；STOP2脚和电容C17的一端连接；电容C16的另一端与电容C17的另一端共同接OUT端口；Fire_down脚和的二极管D2的一端连接；Fire_up脚和二极管D3的一端连接；二极管D2的另一端与二极管D3的另一端共同接Fire端口和电阻R21的一端；电阻R21的另一端接地；Xin脚与电容C18、电阻R22和晶振Y3的一端相连；Xout脚与电容C19的一端和电阻R22、晶振Y3的另一端相连；晶振Y3的频率为4MHz；电容C18的另一端与电容C19的另一端共同接地；芯片的RSTN引脚、SO引脚、SI引脚、SCK引脚、SSN引脚、INTN引脚分别与SPI(1)的RSTN1端口、SO1端口、SI1端口、SCK1端口、CS1端口、INTN1端口相连接。

参照图10，单片机在临近回波到达之前开启CPLD回波特征信号采样，CPLD通过ADC高速采样电压并通过保存在数据存储芯片中。当采样完成后，数据存储芯片中存储了完整的回波特征波形，CPLD模块读取数据存储芯片中数据并传输至单片机。由回波特征信号的采样数据可以很容易地得到回波信号的峰值台阶电压。信号采样电路中CPLD芯片选型为EPM240T100C5，ADC采样芯片选型为AD9237；数据存储芯片选型为CY7C1021DV33。

CPLD的第52-58、61、66-73脚分别与数据存储芯片的地址总线第A0-A15脚连接；CPLD的第74-78、81-87脚分别与数据存储芯片的数据总线第S0-S11脚连接；CPLD的第29、30、33脚分别与数据存储芯片的6、17、41脚连接；CPLD的第34脚与RXD2端口连接；CPLD的第35脚与C_READ端口相连；CPLD的第36与C_RST端口相连；CPLD的第3-8、15-20脚分别与ADC芯片的S0-S11脚连接；CPLD的第2脚与ADC芯片的CLK脚连接；CPLD的第62脚接50MHz有源晶振以获得工作时钟；高速ADC的29脚与电容C21的一端和电阻R23一端相连；高速ADC的30脚与电容C21的另一端和电阻R24的一端相连；R24的另一端与3V连接；电阻R23另一端与电容C20的一端相连；电容C20的另一端与电阻R25的一端V3端相连接；电阻R25的另一端接地。

单片机通过RS485传输回波信号的增益、频率和回波特征信号台阶电压，将其作为评价依据实现换能器动态性能的评价。

本实施例的测试原理如下：标准换能器一端受到驱动信号激励，而被测换能器接收到回波信号并在一端产生电信号，通过控制切换开关接收回波信号，信号经过差分放大去除共模噪声，再经过带通滤波与增益控制电路得到目标回波信号。一方面滤波放大后的回波信号通过峰值保持电路与回波特征信号采样模块得到回波信号特征信号电压，另一方面回波信号经过时间测量电路后得到回波信号到达时间和回波信号频率。通过峰值保持和增益控制电路控制回波信号，将信号保持在目标电压范围内并得到其增益值。根据回波信号的到达时间自适应地确定回波特征信号采样的开启窗口时间，使得采样电路在回波即将到达前才开启回波特征信号采样，并在回波信号到达且产生OUT信号后停止采样，减少了不必要的采样也避免了噪声信号的串扰。当回波特征信号采样完成，采样电路将特征信号采样数据发送给单片机，根据采样数据可得回波特征信号电压值。最后，单片机将回波信号增益、频率，回波特征信号电压和装置内环境的温度、压力数据经过485电路传输给上位机。上位机接收数据并将回波信号增益值、频率以及回波特征信号电压作为评价依据实现换能器之间动态性能的比较。

综上，本发明通过测试容器内部充入不同组份、温度和压力的气体，模拟超声换能器的工作环境，采样超声波换能器回波特征信号、测量回波到达时间和容器内的工作温度、压力等参数，获得换能器的动态性能，实现对换能器不同工况下全面的性能测试。本发明首先在回波信号到达前自适应开启采样电路对回波特征信号采样，在获得回波特征的基础上降低了采样频率要求；其次，以信号增益值、回波特征信号电压和频率作为比较换能器动态性能差异的指标，在实现回波信号波形特征分析的基础上降低了计算量，为换能器动态性能分析和一致性评价带来巨大的便利。

Claims (5)

1.超声波换能器动态性能测试装置，包括密闭管道、超声波换能器A、超声波换能器B、模拟开关、前置差分放大单元、带通滤波单元、比较单元、驱动单元、时间测量单元、增益控制单元、峰值保持单元、回波信号采样单元、压力检测单元、温度检测单元、485通讯单元及上位机，其特征在于：

超声波换能器A、换能器B对称安装在密闭管道上，管道一侧可通气并可增大管道内气压，另一侧通过阀门控制可实现气体的泄放；

超声波换能器A的输入端与模拟开关第一通道输入端连接；换能器B的输入端与模拟开关第二通道输入端连接；模拟开关输出端与前置差分放大单元输入端连接；

前置差分放大单元输出端与带通滤波单元的负输入端连接，带通滤波单元正输入端为1.5V的基准电压；带通滤波单元的输出端与增益控制单元的负输入端连接，增益控制单元正输入端为1.5V的基准电压；增益控制单元的输出端与比较单元的正输入端连接；比较单元的负输入端与阈值信号连接；比较单元的输出端与时间检测单元的计时停止脚连接；

峰值保持单元输入端与增益控制单元的输出端连接；峰值保持单元输出端与单片机模拟输入引脚、回波特征信号采样电路连接；峰值保持单元控制端与单片机的I/O口连接；

回波特征信号采样单元输入端与增益控制单元的输出端连接；回波特征信号采样单元输出端与单片机串行输入端连接；

驱动单元的输入端与时间检测单元的脉冲发射脚连接；驱动单元的输出端与换能器连接；

时间测量单元的使能脚、数据输入脚、数据输出脚与单片机的I/O口连接；

温度检测单元的输出端与单片机的I/O口连接；压力检测单元的输出端与单片机的I/O口连接；

通过向密闭管道内部充入不同组份、温度和压力的气体，模拟超声波换能器的工作环境，采样超声波换能器回波特征信号、测量回波到达时间和当前密闭管道内的工作温度、压力参数，获得超声波换能器的动态性能，实现对超声波换能器不同工况下全面的性能测试，具体是：

时间测量电路产生脉冲信号，通过升压激励后产生电压T+和T-驱动超声波换能器，通过模拟开关使两个超声波换能器轮流作为发射和接收使用；原始回波信号Signal+和Signal-经过前置差分放大单元、带通滤波单元输出信号V1，信号V1通过增益控制单元输出为V2；

一方面V2通过峰值保持单元得到回波特征信号V3，回波特征信号V3通过单片机内部AD读取，并反馈调整增益控制单元的增益值，使V2的峰值控制在设定值；另一方面V2经过时间测量单元后得到回波信号到达时间t1，t2，t3，其中t1，t2，t3分别表示回波信号的第3、4、5个周期信号的到达时间；

在回波特征信号V3到达前开启回波信号采样单元，通过CPLD控制AD芯片对回波特征信号V3进行采样，采样数据临时存放在硬件存储电路中，采样完成后将采样数据通过串口传输给单片机；单片机由回波信号到达时间t1，t2，t3得到回波信号频率，通过到达时间t1适应地确定回波特征信号采样的开启窗口时间，使得回波信号采样单元在回波即将到达前才开启回波特征信号采样；由回波特征信号采样数据可得其台阶电压，最后单片机通过RS485通讯单元传输回波信号频率、增益值、特征信号台阶电压、管道内温度和压力到上位机。

2.根据权利要求1所述的超声波换能器动态性能测试装置，其特征在于：所述的前置差分放大单元采用仪表放大器AD620，带通滤波单元采用轨至轨低功耗高速运放OPA837。

3.根据权利要求1所述的超声波换能器动态性能测试装置，其特征在于：所述的增益控制单元采用轨至轨低功耗高速运放OPA837，数字电位器采用MCP41100，增益值与数字电位器的阻值呈正比关系。

4.根据权利要求1所述的超声波换能器动态性能测试装置，其特征在于：所述的峰值保持单元采用两块低功耗高速比较器MAX998EUT，其中一块比较器的输出端通过二极管D1连接至另一块比较器的正向输入端。

5.根据权利要求1所述的超声波换能器动态性能测试装置，其特征在于：所述的比较单元采用低功耗高速比较器MAX998EUT，输入信号与固定阈值电压进行比较，输出比较结果输出给时间测量单元。

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