CN213843115U

CN213843115U - 一种基于衰减法的超声波发射与接收电路

Info

Publication number: CN213843115U
Application number: CN202022854576.8U
Authority: CN
Inventors: 方立德; 杨泽; 赵敏慧; 韦子辉
Original assignee: Heibei University
Current assignee: Heibei University; Hebei University
Priority date: 2020-12-01
Filing date: 2020-12-01
Publication date: 2021-07-30
Anticipated expiration: 2030-12-01

Abstract

本实用新型提供了一种基于衰减法的超声波发射与接收电路。其结构包括电源模块、主控制模块、发射模块和接收模块。主控制模块的核心是单片机，其用于信号的发射、接收及与上位机通信等；电源模块用于为各模块提供所需电压；发射模块用于将单片机提供的3.3V的方波激励信号进行处理，使其能够驱动发射端超声波换能器；接收模块用于将接收端超声波换能器转换的电信号进行滤波、放大等处理，处理后的信号由单片机进行采集；最终由单片机将采集到的数据上传至上位机。将本实用新型应用于基于衰减法测两相流相含率的装置中，能够在利用超声衰减法测量相含率的过程中，实现对超声波换能器的驱动，同时实现对信号的发射、接收的调理。

Description

一种基于衰减法的超声波发射与接收电路

技术领域

本实用新型涉及气液两相流检测和模拟电子技术领域，具体地说是一种基于衰减法的超声波发射与接收电路。

背景技术

超声波技术多用于无损检测，尤其是在超声探伤方面，而超声应用于流量领域，虽已较为成熟，但仍在进一步完善中。2011年，重庆理工大学的张兴红等人针对高精度时差法超声波流量计的时间差信号采集问题，采用了一款双通道12位低功耗单片CMOS模拟数字转换器ADC12DL040芯片设计并实现了超声波流量计ns级时间差的高分辨率数据采集，实现了400kHz输入频率，8MHz采样频率的超声波时间差高分辨率实时采样。2016年，山东科技大学的高正中等人以控制器STM32设计了一款时差法测量管道流量的超声波流量计，为了提高环境适应性和流量测量精度，时差测量采用基于BP神经网络滤波的广义互相关时延估计算法。该算法通过对多个具有特定统计规律的预滤波器的组合优化来对混合噪声进行滤波，其具有自学习调整能力，能够适应动态变化的环境。

实用新型内容

本实用新型的目的就是提供一种基于衰减法的超声波发射与接收电路，该电路可应用于测量竖直管道气液两相流流量的装置上，实现了在利用超声衰减法测量相含率的过程中，对超声波换能器的驱动和接收信号的调理。

本实用新型是这样实现的：一种基于衰减法的超声波发射与接收电路，其特征是，包括：

主控制模块，分别与发射模块、接收模块以及电源模块相接；所述主控制模块包括STM32F407VGT6单片机，单片机用于提供3.3V的方波信号，同时用于信号的接收以及用于实现与上位机的通信；

发射模块，分别与所述主控制模块、电源模块和发射端超声波换能器相接；所述发射模块用于将单片机提供的3.3V的方波信号进行处理，使其能够驱动发射端超声波换能器；

发射端超声波换能器，与所述发射模块相接，设置在待测管道的一端；所述发射端超声波换能器用于接收所述发射模块输出的电信号并转换成超声波，所转换后的超声波沿待测管道内的流体一起传输；

接收端超声波换能器，与所述接收模块相接，设置在待测管道的另一端；所述接收端超声波换能器用于接收自待测管道内传输的超声波并转换为电信号，同时还用于把转换后的电信号输出至接收模块；

接收模块，分别与所述主控制模块、电源模块和接收端超声波换能器相接；所述接收模块用于将接收端超声波换能器转换的电信号进行滤波、放大，并将滤波、放大后的信号输出至单片机；以及

电源模块，分别与所述主控制模块、所述发射模块和所述接收模块相接；所述电源模块用于为所述主控制模块、所述发射模块和所述接收模块提供所需工作电压。

所述电源模块包括LM46002芯片和LT1763芯片；所述LM46002芯片用于将外接的24V电压转换为5V电压输出，所述LT1763芯片用于将所述LM46002芯片输出的5V电压转换为3.3V电压输出。

所述主控制模块还包括外围电路；所述外围电路包括电源电路、晶振电路、复位电路及下载电路。

所述发射模块包括信号产生电路、激励脉冲反向电路和激励电压放大电路；所述激励脉冲反向电路包括NC7SZ14芯片。

所述接收模块包括信号采集电路、带通滤波电路和接收电压放大电路；所述接收电压放大电路包括AD8310芯片和MCP6001低功率运算放大器；所述AD8310芯片用于对信号进行一次解调对数放大，所述MCP6001低功率运算放大器用于将信号进行二次放大；所述带通滤波电路包括AD8052芯片。

将本实用新型应用于基于衰减法测两相流相含率的装置中，能够在利用超声衰减法测量相含率的过程中，实现对超声波换能器的驱动，同时实现对信号的发射、接收的调理。

附图说明

图1是本实用新型的结构框图。

图2是本实用新型中电源模块的电路图。

图3是本实用新型中主控制模块的电路图。

图4是本实用新型发射模块中的激励脉冲反向电路图。

图5是本实用新型发射模块中的激励电压放大电路图。

图6是本实用新型接收模块中的带通滤波电路图。

图7是本实用新型接收模块中的接收电压放大电路图。

具体实施方式

本实用新型所提供的基于衰减法的超声波发射与接收电路的整体结构包括一块电路板，在电路板上设有一对超声波换能器(超声波换能器包括发射端超声波换能器和接收端超声波换能器)的接口、电源接口、电源指示灯，同时还设有电源模块、主控制模块、发射模块和接收模块。

本实用新型中主控制模块的核心是单片机，由单片机发射五个峰值为3.3V的方波，经发射模块处理后，作用于发射端超声波换能器，然后由接收端超声波换能器将携带两相流信息的声信号转化为电信号，再经接收模块将接收到的信号进行滤波、放大等，最终由单片机的AD模块采集电压信号，通过分析电压信号确定衰减系数。下面结合图1-图7对本实用新型中电源模块、主控制模块、发射模块和接收模块等进行详细描述。

如图1所示，图1是本实用新型的总体框图。其中，主控制模块的核心是STM32F407VGT6单片机，其用于信号的发射、接收及与上位机通信等；电源模块用于为主控制模块、发射模块和接收模块提供所需工作电压。发射模块包括信号产生电路、激励脉冲反向电路和激励电压放大电路；发射模块用于将单片机提供的3.3V的方波激励信号进行处理，使其能够驱动发射端超声波换能器。接收模块包括信号采集电路、带通滤波电路和接收电压放大电路；接收模块用于将接收端超声波换能器转换的电信号进行滤波、放大等手段处理，处理后的信号由单片机进行采集；最终由单片机所带的串口将采集到的数据上传至上位机。图1中探头1即为发射端超声波换能器，探头2即为接收端超声波换能器，发射端超声波换能器和接收端超声波换能器均为常规超声波换能器。发射端超声波换能器用于接收发射模块输出的电信号并转换成超声波，所转换后的超声波沿待测管道内的流体一起传输；接收端超声波换能器用于接收自待测管道内传输的超声波并转换为电信号，同时还用于把转换后的电信号输出至接收模块。

图2是本实用新型中电源模块的电路原理图。电源模块分为两部分，首先是由LM46002将输入的24V电压转为5V输出，其次是由LT1763将上级芯片转换的5V转为3.3V输出。电源模块由外接电源供电，外接电源为电源模块提供24V电压，外接电源连接两个滤波电容C38、C39的一端，滤波电容C38、C39的另一端接地，通过滤波电容C38、C39，可以保证外接电源的平稳。LM46002中的电压调节回路通过维持FB引脚(V_FB)上的电压(与内部的电压V_REF相同)来调节输出电压。电压参考系统产生一个精确的温度参考电压，内部电压V_REF通常是1.011V。输出电压值的大小由两个电阻R32和R35决定，满足以下关系式：

二次电压转换是将5V电压经磁珠B1输入LT1763芯片，LT1763是一种微功率、低噪声、低压差稳压器，可调输出范围为1.22V至20V，本实用新型将电压调整为3.3V，为单片机主控制模块供电。D3为一个发光二极管，作用为电源指示灯。

本实用新型设计电源隔离模块将5V电源进行隔离，分别对发射模块和接收模块中的某些芯片供电。

图3是本实用新型的主控制模块的电路原理图。此模块主要由单片机STM32F407VGT6及其外围电路组成，外围电路包括电源电路、晶振电路、复位电路及下载电路。图中0Ω电阻R31和电容C30-C36构成了本单片机的电源电路，用以将3.3V电源给单片机供电。图中的晶振Y1和电容C23、C24构成晶振电路；按键S1、电容C44和电阻R33构成复位电路；下载电路采用三线制(JTMS/SWDIO、JTCK/SWCLK、GND)，将下载接口的三根线与单片机对应的接口相连即可。电阻R27、R29和发光二极管D1、D2组成一个指示灯电路，一端接电源3.3V，另一端与单片机的通用输入输出口相连接，可用于简单的程序调试。单片机的24号引脚可通过编辑程序输出方波，经后续电路处理后，用以激励超声波换能器。单片机的68、69两个引脚用以将采集到的数据串口发送至上位机，采用的是TTL电平传输方式。

图4是本实用新型的发射模块中的激励脉冲反向电路原理图。由于单片机所发出的原始方波信号(图中的PWM信号)是方向向下的方形脉冲，故而需将其反向成为正向脉冲方波。所使用的芯片是NC7SZ14。此芯片是一款带施密特触发器输入的单通道反向器。该芯片采用先进的CMOS技术制造，实现了超高速度和高输出驱动，同时能在很宽的供电电压工作范围内保持较低的静态功耗。

图5是本实用新型的发射模块中的激励电压放大电路原理图。为了保证超声波换能器可以正常被激励从而产生超声波信号，需要采取升压激励方法将激励信号的电压放大，使其具有足够的能量来驱动超声波换能器。经激励脉冲反向电路反向后的信号作为一个开关信号，控制Q2的通断，此处的Q2作为一个高速开关，用以保持原激励信号的波形。当激励信号SSP3为高电平时，Q2导通，变压器通电，可输出高电平信号(峰值可达70V)；当激励信号SSP3为低电平时，Q2不导通，变压器无输出，即低电平，由此可保证激励信号的波形不变。通过T3+、T3-两个引脚将激励信号传输至发射端超声波换能器即可正常激励超声波换能器。

图6、图7是本实用新型的接收模块电路原理图。发射端超声波换能器被激励后发出超声波信号，超声波信号在两相流中传播之后，由接收端超声波换能器进行接收，接收端超声波换能器将携带有两相流信息的超声波信号转化为电信号，再经过后续的滤波、放大处理，由单片机进行采集。

图6是本实用新型的接收模块中的带通滤波电路原理图。图中“R3+”是连接接收端超声波换能器的输出端的信号引入端。一般情况下超声波接收信号仅有几十毫伏的震荡信号，故首先经过一个三极管Q1，将信号放大一定的倍数。带通滤波电路在此处的作用是滤除掉一些干扰信号，只留下携带有两相流信息的电信号。此带通滤波电路的放大倍数、中心频率都是可以调节的，可更换图6中电阻R1、R2、R6、R7，电阻R3、R4，电容C1、C2、C4、C6，即可改变带通滤波电路的参数。本实用新型针对1MHz超声波换能器测试的增益设置为8.25，带宽为357.25KHz。

图7是本实用新型的接收模块中的接收电压放大电路原理图。信号由带通滤波电路传输至接收电压放大电路部分，本实用新型采用两级信号放大方法，选用AD8310芯片对信号进行一次多级解调对数放大，然后再使用MCP6001低功率运算放大器将信号进行二次信号放大。MCP6001是一种低功率运算放大器，具有1MHz增益带宽积，90°相位容限，支持轨到轨特定输入输出，是一种低功率运算放大器。AD8310芯片引脚INHI与带通滤波AD8052引脚1相连接，引脚VOUT与MCP6001芯片IN+引脚连接，完成电压信号的对数放大功能。最后由示波器在输入单片机TP6测试点测得接收信号电压高达4V。

Claims

1.一种基于衰减法的超声波发射与接收电路，其特征是，包括：

2.根据权利要求1所述的基于衰减法的超声波发射与接收电路，其特征是，所述电源模块包括LM46002芯片和LT1763芯片；所述LM46002芯片用于将外接的24V电压转换为5V电压输出，所述LT1763芯片用于将所述LM46002芯片输出的5V电压转换为3.3V电压输出。

3.根据权利要求1所述的基于衰减法的超声波发射与接收电路，其特征是，所述主控制模块还包括外围电路；所述外围电路包括电源电路、晶振电路、复位电路及下载电路。

4.根据权利要求1所述的基于衰减法的超声波发射与接收电路，其特征是，所述发射模块包括信号产生电路、激励脉冲反向电路和激励电压放大电路；所述激励脉冲反向电路包括NC7SZ14芯片。

5.根据权利要求1所述的基于衰减法的超声波发射与接收电路，其特征是，所述接收模块包括信号采集电路、带通滤波电路和接收电压放大电路；所述接收电压放大电路包括AD8310芯片和MCP6001低功率运算放大器；所述AD8310芯片用于对信号进行一次解调对数放大，所述MCP6001低功率运算放大器用于将信号进行二次放大。