基于電路相移的超聲波信號調(diào)理電路時延特性研究

張　恒，宋壽鵬

(江蘇大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江　212013)

0　引言

近年來，隨著超聲波檢測技術(shù)研究的不斷深入，再加上其具有精度高、無損、非介入等優(yōu)點，超聲波檢測技術(shù)在許多檢測領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。

超聲波檢測的基本原理是被測參量的變化引起聲速的變化，最終轉(zhuǎn)化超聲波傳播時延的變化，因此通過精確測算時延的變化量可以得到被測參量的變化。研究表明，被測參量變化引起的時延變化量很小，給檢測帶來很大難度。

傳統(tǒng)的超聲波時延檢測方法主要有延遲線法、零頻檢測法、脈沖回波重合法、脈沖疊加法和回振法等[2]。其中，脈沖回波重合法測量精度雖高，但此方法和延遲線法所用儀器設(shè)備復(fù)雜程度高，易受主觀因素影響；零頻檢測法和脈沖疊加法只適用于縱波類超聲波的傳播時延測量[3]；回振法原理電路簡單，適用范圍廣，能有效放大被測參量引起的時延變化量，提高測量分辨率，但是其在放大被測參量引起的時延變化量的同時，超聲波傳感器、耦合層、電路等環(huán)節(jié)引起的時延變化量也被重復(fù)放大，當(dāng)循環(huán)次數(shù)較多時，產(chǎn)生的測量誤差更大。別外，如果能得到超聲波的波形數(shù)字量，那么可以根據(jù)這些數(shù)字信號進行信號處理或者計算得到其時延，例如相關(guān)法、自適應(yīng)法、雙譜法等[4-8]。但是要得到高頻率的采樣信號需要高品質(zhì)的采集卡，實現(xiàn)起來比較復(fù)雜，花費也比較高。

目前，有關(guān)超聲波精確檢測的研究主要集中在采取不同的檢測方法來提高超聲波時延檢測的精度上，很少考慮由于硬件電路系統(tǒng)本身產(chǎn)生的相移而引起的時延誤差。文中提供了一種由于硬件電路相移產(chǎn)生的時延的分析方法，通過對超聲波信號調(diào)理電路相頻特性建模和仿真得到其相頻特性曲線，研究其相移特性對超聲波傳播時延的影響規(guī)律，并進行補償，從而達到提高時延檢測精度的目的。

1　超聲波信號調(diào)理電路

超聲波信號調(diào)理電路的主要作用是對超聲回波信號進行處理，以便回波信號的傳輸與檢測。超聲波信號調(diào)理電路一般由前置放大電路、高增益放大電路、帶通濾波電路、二極管檢波電路、末級放大電路等組成，其原理框圖如圖1所示。

圖1超聲波信號調(diào)理電路原理框圖

前置放大電路是超聲波信號調(diào)理電路的第一級，其主要作用是實現(xiàn)阻抗匹配; 高增益放大電路和帶通濾波電路對超聲回波信號進行放大、濾波，得到攜帶有表征被測對象性能和特征的信號; 二極管檢波電路的主要作用是提取超聲回波信號的包絡(luò); 末級放大電路對得到的包絡(luò)信號進行放大，以滿足后續(xù)電路對輸入信號電壓的要求。

2　超聲波信號調(diào)理電路相頻特性分析

文中設(shè)計的超聲波信號調(diào)理電路主要由放大電路、濾波電路、檢波電路組成。當(dāng)信號通過該信號調(diào)理電路時，其相移響應(yīng)特性會引起超聲波時延的變化，導(dǎo)致超聲波時延的測量產(chǎn)生誤差。為研究超聲波信號調(diào)理電路相移特性產(chǎn)生的時延，文中首先對其相頻特性進行分析。

2．1前置放大電路的相頻特性

前置放大級一般采用電荷放大電路，將超聲波傳感器輸出的電荷信號轉(zhuǎn)化成后續(xù)電路可以處理的電信號，其基本原理圖如圖2(a)所示。

(a)基本原理圖(b)實際等效電路圖

實際上，超聲波傳感器主要由壓電晶片組成，其等效為帶電荷的電容器CS，其泄露電阻是RS，如圖2(b)所示，Cc是傳感器電纜電容，Ri和Ci分別為運算放大器的輸入電阻和輸入電容，R1和C1分別為分壓電阻和耦合電容，R2為電容C2的放電回路。把R2和C2等效到放大器的輸入端時，等效電阻為R2/(1+K)，等效電容為C2(1+K)，K為運算放大器的開環(huán)放大倍數(shù)，則輸出為：

(1)

式中，

R=(1/Rs)+(1/Ri)+R1+(1+K)/R2

C=(1/Cs+Cc+Ci)+(1/C1)+(1+K)C2

當(dāng)K足夠大時，其輸出為

(2)

則其傳遞函數(shù)為

(3)

相頻特性為

(4)

2．2高增益放大電路的相頻特性

在實際檢測中，超聲波傳感器接收的回波信號為mV級，而前置放大電路主要完成阻抗變換，為此，需要設(shè)計高增益放大電路對回波信號進行放大。受放大器帶寬限制，高增益放大電路一般采用兩級反相放大器級聯(lián)，其原理圖如圖3所示。圖中R4和R6是2個可調(diào)電阻，用于調(diào)節(jié)前后兩級的電路放大增益。

圖3　高增益放大電路

由放大電路輸出與輸入之間的關(guān)系可得其傳遞函數(shù)為

(5)

相頻特性為

(6)

2．3帶通濾波電路的相頻特性

超聲波在介質(zhì)中傳播時，回波信號攜帶了大量反應(yīng)被測參量變化的信息，也摻雜著大量的噪聲干擾信號，要想得到有用的信息，就必須對回波信號進行降噪處理。帶通濾波電路由無限增益多路反饋型帶通濾波電路組成，其原理圖如圖4所示。

圖4　帶通濾波電路

由基爾霍夫定理可以得到該電路的傳遞函數(shù)為

H3(jω)=

(7)

相頻特性為

(8)

2．4二極管檢波電路的相頻特性

為提取超聲回波的有效信息，需對其進行采樣。但是由于超聲波信號頻率較高，直接對原始回波進行采樣需要較高采樣速率，對硬件性能的要求較高。而采用二極管檢波電路提取回波信號包絡(luò)，在保證有效信息提取的同時也降低了采樣速率，從而降低了系統(tǒng)性能要求及設(shè)計成本。二極管檢波電路原理圖如圖5所示。

圖5　二極管檢波電路

其傳遞函數(shù)為[9]

(9)

相頻特性為

(10)

式中，θD為平衡狀態(tài)下二極管的導(dǎo)通角。

2．5末級放大電路的相頻特性

由于得到的包絡(luò)信號幅度較低，故加一級反相放大電路對波形幅度進行調(diào)整以滿足后端電路對輸入電壓的要求，如圖6所示。

圖6　末級放大電路

由放大電路輸出與輸入之間的關(guān)系可得其傳遞函數(shù)為

(11)

相頻特性為

(12)

2．6超聲波信號調(diào)理電路的相頻特性

綜上所述，超聲波信號調(diào)理電路的相頻特性為

(13)

式中：φ(ω)為超聲波信號調(diào)理電路的總體相頻特性；φi(ω)為超聲波信號調(diào)理電路各單元電路的相頻特性。

3　超聲波信號調(diào)理電路相頻特性仿真

為研究超聲波信號調(diào)理電路的相移特性，需要對其進行相頻特性仿真。文中以中心頻率為5 MHz的超聲波傳感器為例，其通頻帶寬為4 MHz．根據(jù)設(shè)計要求，高增益放大電路兩級放大400倍，帶通濾波電路的通頻帶為3～7 MHz，則上述超聲波信號調(diào)理電路中元器件的參數(shù)分別為R2=R3=R5=R11=R13=1 kΩ，R4=R6=20 kΩ，R7=2kΩ，R8=3.6kΩ，R9=8.2kΩ，R14=10kΩ，C2=C3=C5=C10=0.1 μF，C9=750 pF，C7=C8=10 pF，θD=90°。把以上元器件的取值和頻率代入式(13)中即可得到超聲波信號調(diào)理電路在各頻率點的相移。

在超聲波信號調(diào)理電路的通頻帶內(nèi)以0.5 MHz為步長取9個頻率點，各頻率點對應(yīng)的相移如表1所示。對所取的9個點進行最小二乘擬合，得到其相頻特性擬合直線，如圖7所示。

圖7　超聲波信號調(diào)理電路相頻特性擬合直線

4　超聲波信號調(diào)理電路相移對時延的影響

為研究信號調(diào)理電路相移對超聲波時延的影響，根據(jù)時延和相移的關(guān)系建立其轉(zhuǎn)換關(guān)系式，則有[10]

Δφ=2πfΔt

(14)

式中：Δt為輸入信號經(jīng)過電路產(chǎn)生的時延；Δφ為電路系統(tǒng)總的相移量；f為輸入信號的頻率。

把圖7中標(biāo)記的9個點對應(yīng)的相移Δφ帶入式(14)即可得到對應(yīng)頻率的信號經(jīng)過信號調(diào)理電路產(chǎn)生的時延Δt，如表1所示。

表1　信號調(diào)理電路輸入信號頻率、相移和時延

對表1中的頻率f和時延Δt分別做線性擬合、對數(shù)分布擬合、二次多項式擬合、三次多項式擬合、冪指數(shù)擬合、指數(shù)分布擬合，得到其擬合曲線如圖8所示。

圖8　頻率和時延的擬合曲線

對上述各擬合方式做回歸分析，進而求出其確定系數(shù)R2和均方差MSE，如表2所示。當(dāng)R2越接近1，MSE越小時，擬合效果越好，擬合優(yōu)度越高。由表2可知，冪指數(shù)模型擬合曲線優(yōu)度最高，且頻率f和時延Δт之間的回歸方程為Δt=269.151×f-1.094。

表2　頻率和時延的擬合優(yōu)度對比

綜上所述，中心頻率為5 MHz的超聲波信號經(jīng)過文中設(shè)計的信號調(diào)理電路時，由于信號調(diào)理電路相移產(chǎn)生的時延為46.4 ns．而利用超聲波進行壓力檢測時，0.1 Mpa的壓力變化引起的超聲波傳播時延變化量大約只有3.5 ns，這一時延要比上述超聲波信號調(diào)理電路產(chǎn)生的時延小的多。為了提高檢測精度，必須對時延測量結(jié)果進行補償。文中采用的時延補償方法是利用頻率f和時延Δт的回歸方程Δt=269.151×f-1.004得到超聲波信號調(diào)理電路的時延，并在最終的時延測量結(jié)果中減去。該補償方法在后續(xù)的處理電路中編程實現(xiàn)。

5　結(jié)束語

對超聲波檢測的原理和方法進行了分析。針對超聲波信號調(diào)理電路相移對超聲波精確時延檢測的影響，文中提出了一種基于電路相移的超聲波時延精確檢測方法，通過超聲波信號調(diào)理電路相頻特性仿真和對頻率和時延做回歸分析，得到其相移特性對時延的影響規(guī)律，便于在后續(xù)處理中進行補償，為減小超聲波檢測系統(tǒng)本身相移產(chǎn)生的時延對檢測結(jié)果的影響提供依據(jù)，提高超聲波檢測的精度。

參考文獻：

[1]尹旭全，張建華，高守瑋，等.超聲在測量中的應(yīng)用.現(xiàn)代電子技術(shù)，2003，5(148)：100-102.

[2]賀玲鳳，劉軍.聲彈性技術(shù).北京：科學(xué)出版社，2002.

[3]阮建富.基于回振法的超聲波傳播時間測量方法研究.浙江：浙江大學(xué)，2006.

[4]行鴻彥，唐娟.時延檢測方法的分析.聲學(xué)學(xué)報，2008，(1)：110-114.

[5]行鴻彥，劉照泉，萬明習(xí).基于小波變換的廣義相關(guān)時延檢測算法.聲學(xué)學(xué)報，2002，27(1)：88-93.

[6]Y Bar shalom,F Palmieri.Analysis of wide-band crosscorelation for time-delay estimation.IEEE Transaction on Signal Processing,1993,41(1)：385-398.

[7]Widrow B,Stearn S D.Adaptive signal processing.Englewood Cliffs:Prentice-Hall.Inc.1993.

[8]C.L.Nikias,R.Pan.Time delay estimation in unknown Gaussian spatially correlated noise.IEEE Transactions on Acoustics Speech and Signal Processing.1988,99(3):2813-2816.

[9]劉平，岳彬，李淵．具有自動增益控制的射頻振蕩器穩(wěn)定性分析．電子設(shè)計工程，2011，19(7)：153-155．

[10]謝慶文．用數(shù)字存儲示波器測量RC串聯(lián)電路相頻特性．中山大學(xué)學(xué)報論叢，2007，27(1)：46-48．