超聲波液位傳感器功能電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

高琬佳,康建洲,薛偉釗

(1.中北大學(xué),儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西太原 030051;2.省部共建動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西太原 030051)

0 引言

超聲波檢測(cè)是目前應(yīng)用最廣泛的無損檢測(cè)方法之一[1]。利用超聲波能夠?qū)崿F(xiàn)液位的非接觸式測(cè)量,已被廣泛研究和使用[2]。

超聲波的產(chǎn)生需要一個(gè)電信號(hào)加在換能器上,激勵(lì)換能器發(fā)射超聲波。一般有3種激勵(lì)方式:脈沖波激勵(lì)[3]、連續(xù)波激勵(lì)[4]和調(diào)頻波激勵(lì)[5]。本文根據(jù)超聲波在傳播過程中能量的變化來區(qū)分液位高度,因此,更適合選用連續(xù)且頻率不變的連續(xù)波激勵(lì)換能器。超聲波發(fā)射后在被測(cè)容器壁內(nèi)傳播,到達(dá)接收端時(shí)發(fā)生衰減[6]。為了更加清楚直觀地分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果,需要進(jìn)行放大檢波處理。因此,使用少量器件實(shí)現(xiàn)超聲波發(fā)射及信號(hào)接收處理的電路設(shè)計(jì)以及功能驗(yàn)證是一項(xiàng)重要的挑戰(zhàn)。

綜上,本文利用分立元器件設(shè)計(jì)了振蕩電路來代替?zhèn)鹘y(tǒng)單片機(jī)發(fā)射連續(xù)的正弦波信號(hào)激勵(lì)換能器產(chǎn)生超聲波。設(shè)計(jì)了開關(guān)電路用來實(shí)現(xiàn)換能器作為發(fā)射或接收端的選擇功能。此外,給出了接收端放大檢波原理圖。最后,在鋁合金桶上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試,驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的電路系統(tǒng)的功能完整性及可靠性。

1 電路原理及設(shè)計(jì)

1.1 整體功能電路

本文提出的系統(tǒng)用于超聲波液位監(jiān)測(cè)。該硬件系統(tǒng)主要由發(fā)射模塊、開關(guān)模塊和接收模塊組成。其中,發(fā)射模塊為L(zhǎng)C振蕩電路。開關(guān)模塊實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收的二選一功能。接收模塊包括放大電路和整流電路。整體電路的工作流程為:振蕩電路輸出連續(xù)的正弦波作為超聲波的激勵(lì)信號(hào);超聲換能器貼在被測(cè)容器外壁上,發(fā)射的超聲波透射入容器內(nèi),并傳播至接收端。接收到超聲波后經(jīng)過信號(hào)的放大和檢波,并由跟隨電路進(jìn)行阻抗匹配,最終由數(shù)字采集卡傳至上位機(jī)顯示數(shù)值。系統(tǒng)的整體功能電路示意圖如圖1所示。

圖1 整體功能電路示意圖

本文進(jìn)行液位監(jiān)測(cè)的原理是基于超聲阻抗法。超聲波在不同聲阻抗的交界面處會(huì)發(fā)生波的反射和透射。透射的聲波越多,反射的越少。容器內(nèi)部介質(zhì)不同,其聲阻抗不同,其反射超聲波的能力就不同。因此可根據(jù)接收的剩余聲波能量來判斷內(nèi)部介質(zhì)類型。本文提出的液位監(jiān)測(cè)方法同樣適用于測(cè)量油、鹽水等其他應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)中被測(cè)容器為壁厚3 mm的鋁合金容器,內(nèi)部介質(zhì)為空氣和水。超聲波換能器為壓電陶瓷片。直徑為15 mm,固有頻率為1 MHz。楔塊材質(zhì)為有機(jī)玻璃,傾角為30°。具體的液位監(jiān)測(cè)原理以及其余實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置等可參考本團(tuán)隊(duì)已經(jīng)發(fā)表的文章[7]。

1.2 超聲波激勵(lì)電路

超聲波的激勵(lì)方式包括脈沖波、連續(xù)波和調(diào)頻波等。本文檢測(cè)液位的方法是超聲阻抗法,通過檢測(cè)接收到超聲波的能量來判斷液位。而能量體現(xiàn)在信號(hào)峰峰值上[8]。因此,更適合采用連續(xù)波激勵(lì)超聲換能器。

傳統(tǒng)的超聲波液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用單片機(jī)作為中央控制[9]。但其外圍電路體積龐大,走線設(shè)計(jì)復(fù)雜,且需要利用石英晶振來產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。而石英晶振易碎,無法應(yīng)用在高溫環(huán)境下,其金屬殼容易被氧化,導(dǎo)致頻率偏差大。分立元器件相比單片機(jī),不僅體積減小,成本降低,能夠?qū)崿F(xiàn)小型化封裝。同時(shí),它具有能夠抗過載的優(yōu)點(diǎn),能夠避免上述不足。因此為了簡(jiǎn)化電路,降低外部控制難度,提高穩(wěn)定性,本文舍棄單片機(jī),僅采用電容、電阻等分立元器件搭建振蕩電路,產(chǎn)生頻率1 MHz的高幅值正弦波來驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷片。

常用的正弦波振蕩器為L(zhǎng)C、RC振蕩器和石英晶體振蕩器[10]。LC振蕩器多用于產(chǎn)生高頻信號(hào),RC振蕩器多用來產(chǎn)生低頻信號(hào)。因此本文選用LC振蕩電路。選用三極管2N2923,它是NPN型低噪聲三極管,其fT為160 MHz,滿足設(shè)計(jì)需求。振蕩電路的原理圖如圖2所示。

圖2 振蕩電路原理圖

圖2中,由電感L2,電容C2、C3并聯(lián)構(gòu)成振蕩回路,其余部分構(gòu)成了帶有正反饋的放大電路,使電路獲得一定幅值的輸出量。反饋信號(hào)從C3兩端取得,送回放大器輸入端。C5的作用是隔去直流電壓,使得輸出信號(hào)為正負(fù)對(duì)稱的雙極性正弦波。電路圖中三極管的發(fā)射極與兩個(gè)同性質(zhì)電抗相連,集電極與基極之間連接一個(gè)異性質(zhì)電抗,滿足了相位平衡條件。LC振蕩電路的頻率可由式(1)和式(2)得出[11]。

(1)

(2)

將L=L2=15 μH,C2=C3=3 300 pF代入式(1)和式(2)中可得,該振蕩電路發(fā)射的正弦波頻率為f0≈1.012 MHz。可以驅(qū)動(dòng)固有頻率為1 MHz的壓電陶瓷片產(chǎn)生超聲波。放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置正確,使三極管工作在放大區(qū)。

1.3 開關(guān)電路

本文設(shè)計(jì)的電路系統(tǒng)只連接一個(gè)超聲換能器,該換能器為雙晶探頭,即可作為發(fā)射端,又可作為接收端。因此,設(shè)計(jì)一個(gè)開關(guān)電路作為收發(fā)選擇的控制部分。

光電耦合器以光為媒介傳輸電信號(hào)。它對(duì)輸入、輸出電信號(hào)有良好的隔離作用[12]。器件用絕緣材質(zhì)封裝,可以很好地隔絕外部光線,免受環(huán)境中光源的影響。當(dāng)輸入端加電信號(hào)時(shí)發(fā)光器發(fā)出光線,受光器接收光線之后使得輸出端輸出信號(hào),兩個(gè)輸出端口接通。否則輸出端無信號(hào)輸出。光耦具有體積小、壽命長(zhǎng)、無觸點(diǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、輸出和輸入之間絕緣、單向傳輸信號(hào)等優(yōu)點(diǎn),因此選用AQY210設(shè)計(jì)開關(guān)模塊,其原理圖如圖3所示。

圖3 開關(guān)電路原理圖

由圖3可看出,本設(shè)計(jì)包括2個(gè)AQY210光耦器件。外接5 V的直流信號(hào)作為控制輸入。當(dāng)輸入為5 V高電平時(shí),U1光耦導(dǎo)通,而U2光耦不導(dǎo)通。輸出端PZT與OUT_TX相連。此時(shí)壓電陶瓷片與振蕩電路相接,作為發(fā)射端,產(chǎn)生超聲波。當(dāng)輸入為低電平時(shí),U1光耦不導(dǎo)通,而U2光耦導(dǎo)通。輸出端PZT與IN_RX相連。此時(shí)壓電陶瓷片與后端接收電路相接,作為接收端,接收超聲波回波信號(hào)。此模塊實(shí)現(xiàn)了超聲波發(fā)射和接收的二選一功能。

外部的START信號(hào)是通過電線傳輸?shù)?會(huì)產(chǎn)生一些干擾,導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)能力不足。為此,設(shè)計(jì)了一個(gè)在選擇模塊前面加上另一個(gè)三極管的發(fā)射極跟隨器來放大信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。

1.4 超聲波接收電路

接收電路包括濾波、放大、整流和跟隨模塊。換能器接收的超聲波信號(hào),先經(jīng)過RC濾波器,濾掉雜波及噪聲信號(hào)。然后經(jīng)過放大器將信號(hào)放大10倍,再經(jīng)過二極管半波整流電路,輸出直流信號(hào),便于讀數(shù)和記錄。若此時(shí)直接將信號(hào)輸出至數(shù)字采集卡(DAC),由于輸出信號(hào)阻抗很高,無法與DAC進(jìn)行阻抗匹配,使得由上位機(jī)顯示的信號(hào)幅值與實(shí)際信號(hào)幅值存在壓差,導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確。因此需要在輸出信號(hào)與DAC之間加電壓跟隨器。電壓跟隨器可以實(shí)現(xiàn)高輸入阻抗,低輸出阻抗,使前端電路與后端儀器實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

放大電路和跟隨電路都可以用運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn),因此需選用一個(gè)含有多路運(yùn)放的芯片。除此之外,還需考慮運(yùn)放的增益帶寬積是否滿足本文1 MHz信號(hào)放大10倍的要求。本文選用LM6172雙路、高速、低功耗、低失真電壓反饋放大器,內(nèi)含2個(gè)運(yùn)放,增益帶寬積達(dá)到100 MHz,可以很好地實(shí)現(xiàn)放大和跟隨功能。接收模塊的原理圖設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 接收模塊原理圖

綜上,整個(gè)電路設(shè)計(jì)包括超聲波發(fā)射模塊、開關(guān)模塊和接收模塊。使用一個(gè)電路板實(shí)現(xiàn)了超聲波的激勵(lì)、接收及信號(hào)處理功能,實(shí)現(xiàn)了硬件功能電路的小型化設(shè)計(jì)。

2 結(jié)果及討論

2.1 PCB板及實(shí)物設(shè)計(jì)

根據(jù)本文對(duì)各模塊的原理圖設(shè)計(jì),進(jìn)行PCB板的布板和繪制。在不影響走線間的電磁干擾的前提下,盡量減小布板面積。最終設(shè)計(jì)的電路板尺寸為:長(zhǎng)2.4 cm、寬2 cm、厚0.2 cm,是使用的原超聲波檢測(cè)硬件電路體積的4%,實(shí)現(xiàn)了硬件的小型化。同時(shí),它具有能夠抗過載的優(yōu)點(diǎn),避免了原電路中使用單片機(jī)及晶振時(shí)的缺陷。設(shè)計(jì)的PCB板3D視圖如圖5(a)所示,焊接后的電路板實(shí)物圖如圖5(b)所示,原超聲波檢測(cè)電路實(shí)物圖如圖5(c)所示。

(a)PCB圖3D視圖

(b)電路板實(shí)物圖

(c)原電路板實(shí)物圖

2.2 發(fā)射模塊測(cè)試結(jié)果

單獨(dú)對(duì)振蕩電路進(jìn)行無負(fù)載測(cè)試,得到的結(jié)果如圖6(a)所示,對(duì)結(jié)果進(jìn)行FFT分析后得到的頻譜分析如圖6(b)所示。

從圖6(a)可看出,振蕩電路輸出振幅為±8.8 V的連續(xù)正弦波。從圖6(b)可以看出,該正弦波的頻率在1 MHz附近,由上位機(jī)可讀出其頻率為1.082 MHz。振蕩電路在連接換能器后,發(fā)射波形不產(chǎn)生失真或變形,即加負(fù)載后電路正常工作。

(a)振蕩電路輸出信號(hào)(帶負(fù)載)

(b)FFT頻譜分析

2.3 接收模塊測(cè)試結(jié)果

接收端采集到剩余的超聲波,當(dāng)容器內(nèi)無水時(shí),接收信號(hào)經(jīng)過放大及檢波后最終輸出的結(jié)果如圖7(a)所示,對(duì)結(jié)果進(jìn)行FFT分析后得到的頻譜分析如圖7(b)所示。當(dāng)容器內(nèi)有水時(shí),結(jié)果如圖7(c)所示,對(duì)結(jié)果進(jìn)行FFT分析后得到的頻譜分析如圖7(d)所示。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得,接收的信號(hào)仍然是一組連續(xù)的正弦波。無水時(shí),放大10倍后峰峰值為10.9 V,檢波后輸出4.67 V的直流電壓值。向容器內(nèi)加水,使液位高度高于兩個(gè)超聲換能器時(shí),放大10倍后峰峰值為5.38 V,檢波后輸出2.18 V的直流電壓。設(shè)備讀數(shù)偏差<16 mV。從圖7(b)和圖7(d)的接收波頻譜分析圖可看出,回波信號(hào)頻率在1 MHz附近?；夭ㄐ盘?hào)穩(wěn)定,干擾很小,基本沒有其他頻率的諧波干擾。

放大倍數(shù)不是精準(zhǔn)的10倍是由于電阻和電容都有工藝上的精度偏差,采用高精度的器件其誤差允許范圍在±5%以內(nèi)。后期完成整體設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)后,會(huì)在軟件上進(jìn)行標(biāo)定,以糾正誤差。

由圖7的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖可看出,由于水的聲阻抗比空氣的大,因此對(duì)于超聲波,水有更高的透射率。容器內(nèi)部為空氣時(shí)比水接收到更大的剩余回波能量。根據(jù)這一不同,可以實(shí)現(xiàn)容器內(nèi)部是否有液體的監(jiān)測(cè),以實(shí)現(xiàn)液位超范圍警報(bào)的功能。之后會(huì)在此實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行不同液位高度時(shí)輸出電壓值的實(shí)驗(yàn),以實(shí)現(xiàn)非接觸式液位高度讀取的功能。綜上,本文設(shè)計(jì)的電路可以完整地實(shí)現(xiàn)超聲波的激勵(lì)和接收以及收發(fā)選擇的功能。

(a)接收信號(hào)結(jié)果圖(無水)

(b)接收信號(hào)FFT頻譜分析(無水)

(c)接收信號(hào)結(jié)果圖(有水)

(d)接收信號(hào)FFT頻譜分析(有水)

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種小型化、高性能的超聲換能器外圍功能電路。該電路主要包括發(fā)射模塊、開關(guān)模塊和接收模塊3部分。本文利用三極管2N2923設(shè)計(jì)了LC振蕩電路。用2個(gè)光耦A(yù)QY210設(shè)計(jì)了收發(fā)可選模塊。用運(yùn)放LM6172設(shè)計(jì)了放大及跟隨電路。設(shè)計(jì)的電路板主要用于對(duì)密閉容器內(nèi)液位的監(jiān)測(cè)。根據(jù)設(shè)計(jì)的原理圖繪制PCB板并焊接好元器件進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明:該振蕩電路可以輸出連續(xù)的、頻率為1.082 MHz的正弦波,可實(shí)現(xiàn)換能器的激勵(lì)。超聲波進(jìn)入容器壁后沿壁傳播。當(dāng)容器內(nèi)為無水和有水狀態(tài)時(shí),最終讀出的數(shù)值分別為4.67 V和2.18 V,設(shè)備讀數(shù)偏差<16 mV。根據(jù)這一差別實(shí)現(xiàn)液位監(jiān)測(cè)和報(bào)警的功能。相比常用的單片機(jī)等超聲波激勵(lì)電路,本文設(shè)計(jì)的電路實(shí)現(xiàn)了小型化封裝設(shè)計(jì)。且具有抗過載能力強(qiáng)、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本降低等優(yōu)點(diǎn)。開關(guān)模塊實(shí)現(xiàn)了只用一個(gè)壓電陶瓷片,即可作為發(fā)射端又可作為接收端的功能,簡(jiǎn)化了電路,節(jié)省了資源,使得測(cè)量更為靈活。本文設(shè)計(jì)的電路可以用在任意基于超聲波的測(cè)量及實(shí)驗(yàn)中,具有很好的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。