專利名稱：超聲波物位計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及測(cè)量容器中物料位置的裝置，具體說涉及一種超聲波測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
采用超聲波進(jìn)行物位測(cè)量是利用聲波反射原理，避免超聲波傳感器直接與介 質(zhì)接觸，實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，因而在固體散料、粘稠介質(zhì)、固體液體混合介質(zhì)物位 測(cè)量中具有優(yōu)勢(shì)。目前采用的超聲波測(cè)量方法，基于回波測(cè)量，但由于對(duì)回波識(shí) 別簡(jiǎn)單，未能去除干擾波，致使測(cè)量精度較低或測(cè)量不穩(wěn)定。 發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型針對(duì)現(xiàn)有超聲波物位測(cè)量存在的缺陷，提出一種采用高性能硬件 電路和數(shù)字信號(hào)采集、處理技術(shù)，達(dá)到測(cè)量精度高、測(cè)量穩(wěn)定性好的超聲波物位測(cè)量裝置。本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案 一種超聲波物位計(jì)，包括換能器，其特征在于 超聲波物位計(jì)包括軟件在內(nèi)的主機(jī)，主機(jī)的中央處理器(CPU)聯(lián)接發(fā)射單元， 發(fā)射單元設(shè)有蓄能功率自動(dòng)調(diào)節(jié)電路，發(fā)射單元聯(lián)接匹配單元，匹配電路與換能 器發(fā)射接口相聯(lián)接，換能器回波接口聯(lián)接匹配電路，匹配單元聯(lián)接設(shè)有前放電路 和后放電路的放大單元，放大單元聯(lián)接濾波單元的濾波電路、濾波單元聯(lián)接波形整形單元的波形整形電路再聯(lián)接裝有A/D轉(zhuǎn)換芯片的A/D采樣單元，A/D采樣 單元聯(lián)接中央處理器，在主機(jī)上裝有D/A轉(zhuǎn)換芯片的D/A輸出單元、繼電器輸 出電路、看門狗及人機(jī)界面鍵盤裝置。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于采用蓄能功率自動(dòng)調(diào)節(jié)電路，并在匹配電 路配合下完成換能器與發(fā)射單元輸出阻抗匹配，實(shí)現(xiàn)最大的發(fā)射功率?；夭ㄐ盘?hào) 經(jīng)濾波電路處理，增大回波信號(hào)，抑制噪聲。在軟件設(shè)計(jì)中發(fā)射采樣子程序采用 延時(shí)采樣，解決了發(fā)射部分無法采樣的問題，在回波處理子程序中剔除部分高峰 值、窄脈沖、直流分量，使回波數(shù)據(jù)更精確、穩(wěn)定。

圖1是本實(shí)用新型的超聲波物位計(jì)原理框圖圖2是圖1中發(fā)射單元的蓄能功率自動(dòng)調(diào)節(jié)電路框圖圖3是圖1中匹配單元的匹配電路框圖圖4是圖1中放大單元的放大電路框圖圖5是圖1中濾波單元的窄帶濾波器電路框圖具體實(shí)施方式
結(jié)合附圖詳細(xì)說明超聲波物位計(jì)的結(jié)構(gòu)和工作原理。 一種超聲波物位計(jì)，是由主機(jī)和換能器構(gòu)成，圖1是本實(shí)用新型的超聲波物 位計(jì)原理框圖，在換能器4殼體內(nèi)裝有SENSE公司的CUSS200超聲波傳感器， 其最佳工作頻率為41 kHz，探測(cè)范圍可達(dá)20米，換能器外殼體為有機(jī)玻璃，內(nèi) 用聚酯填充，聲能窗口為環(huán)氧樹脂加強(qiáng)型有機(jī)玻璃，其特點(diǎn)是無干擾，在殼體內(nèi) 裝有市售溫度傳感器，超聲波物位計(jì)主機(jī)的中央處理器(CPU) 1是PMhps產(chǎn) 品，在CPU內(nèi)裝有以C51語言編寫的超聲波收、發(fā)時(shí)序控制程序、發(fā)射功率控 制程序、測(cè)量距離計(jì)算程序、輸入輸出控制程序、串行通訊程序及鍵盤顯示管理 程序；超聲波物位計(jì)是通過發(fā)射單元2的蓄能功率自動(dòng)調(diào)節(jié)電路和匹配單元3的 匹配電路驅(qū)動(dòng)換能器4發(fā)射聲波，蓄能功率自動(dòng)調(diào)節(jié)電路見圖2，其中主要是功 率管Q3和Q4標(biāo)稱電壓和標(biāo)稱電流應(yīng)滿足電路設(shè)計(jì)要求，故Q3選用N溝道場(chǎng) 效應(yīng)晶體管IRF642， Q4選用PNP型三極管MJE2955T，匹配電路見圖3，主要 是匹配變壓器，其技術(shù)參數(shù)匝數(shù)比=1 : 5，初級(jí)電感4.2mH，次級(jí)電感-22.3mH， 磁芯型號(hào)G22M3，在蓄能功率自動(dòng)調(diào)節(jié)電路和匹配電路配合下完成換能器與 發(fā)射單元輸出阻抗匹配，實(shí)現(xiàn)最大的發(fā)射功率。當(dāng)超聲波到達(dá)目標(biāo)物時(shí)超聲波反 射回?fù)Q能器4，回波經(jīng)匹配電路進(jìn)入放大單元5的前放電路和后放電路，見圖4， 前放電路和后放電路均由RC構(gòu)成的低通濾波放大器組成，該電路具有頻率選擇 性，僅放大最大頻率為44.3 kHz的信號(hào)，每級(jí)增益為10倍，放大后的回波信號(hào) 再經(jīng)濾波單元6的濾波電路，見圖5，該電路利用目標(biāo)物回波與干擾噪聲頻譜結(jié) 構(gòu)的不同，采用窄帶濾波器即頻域處理方法來增大回波信號(hào)，抑制噪聲。濾波后 的回波信號(hào)進(jìn)入波形整形單元7的波形整形電路將交流回波信號(hào)轉(zhuǎn)換成可為A/ D采樣的直流信號(hào)，波形整形電路采用對(duì)數(shù)放大器AD8307，波形整形后的信號(hào) 進(jìn)入A/D采樣單元8，通過MX7576A/D轉(zhuǎn)換芯片送入中央處理器1，由于采 用收發(fā)合一型探頭，在發(fā)射時(shí)刻起至接收信號(hào)采樣開始時(shí)刻止是盲區(qū)時(shí)間，在盲 區(qū)中由于振鈴的存在而使發(fā)射信號(hào)、振鈴信號(hào)與目標(biāo)回波信號(hào)糾合在一起，難以 有效的識(shí)別真實(shí)回波信號(hào)，對(duì)發(fā)射部分無法采樣，本實(shí)用新型在發(fā)射采樣子程序中采用延時(shí)采樣。采樣的回波數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在采樣存儲(chǔ)單元中，使用回波處理子程序 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，采樣開始部分有一段比回波強(qiáng)度還大的高峰值，直接影響回波 位置的確定，再則由于外界的干擾在采樣數(shù)據(jù)中形成幅值高、寬度窄的窄脈沖， 同時(shí)在采樣數(shù)據(jù)中包含一部分直流成分，過大的直流分量在后續(xù)的處理中容易造 成溢出，在回波處理子程序中剔除高峰值、窄脈沖、直流分量。為縮短程序執(zhí)行 時(shí)間，在數(shù)據(jù)抽取子程序中采用每隔5個(gè)點(diǎn)抽取一個(gè)數(shù)據(jù)。為了尋找回波，在基 線生成子程序中利用抽取數(shù)據(jù)以從前至后若后一個(gè)點(diǎn)比前一個(gè)點(diǎn)大則用前一個(gè) 點(diǎn)的值取代，形成一條呈遞減趨勢(shì)的基線。利用尋找回波子程序，首先尋找最大 幅值，然后向前尋谷點(diǎn)，取其平均幅值，在抽取數(shù)據(jù)中尋找均值點(diǎn)位置，該位置 為回波位置并將最大幅值和谷幅值相減所得的回波強(qiáng)度寫入?yún)?shù)。抽取數(shù)據(jù)是從 采樣數(shù)據(jù)抽取出來的，其均值點(diǎn)位置并不確切對(duì)應(yīng)采樣數(shù)據(jù)中回波的位置，需根 據(jù)抽取數(shù)據(jù)中的均值在釆樣數(shù)據(jù)中確定均值點(diǎn)位置，該點(diǎn)視為回波位置，按計(jì)算 回波時(shí)間子程序，根據(jù)該點(diǎn)的點(diǎn)數(shù)和點(diǎn)間隔的時(shí)間計(jì)算回波的時(shí)間。在計(jì)算距離 子程序中首先用溫度傳感器提供的溫度值對(duì)聲速進(jìn)行矯正，矯正后根據(jù)聲速和回 波時(shí)間計(jì)算距離，最后用回波強(qiáng)度和盲區(qū)判斷回波及所計(jì)算的距離是否有效，若 無效則將距離置為零。處理后的數(shù)字信號(hào)經(jīng)由光藕6N136、 D/A轉(zhuǎn)換芯片 MAX543、電流環(huán)芯片AD694JN、運(yùn)放LM358構(gòu)成具有電隔離功能的模擬量輸 出單元9輸出。在中央處理器1上設(shè)有繼電器輸出10，采用兩路 JE1AXN-DC12V-H型繼電器完成料位的上、下限報(bào)警輸出，繼電器輸出按著控 制信號(hào)子程序?qū)π盘?hào)進(jìn)行平滑后進(jìn)行控制輸出。在中央處理器1上設(shè)置的看門狗 11以保證中央處理器1的可靠運(yùn)行。人機(jī)界面12的設(shè)置為實(shí)現(xiàn)儀表與用戶的交 流，主要包括距離顯示、參數(shù)顯示、參數(shù)設(shè)定，鍵盤采用有線連接方式，采用芯 片HD7279實(shí)現(xiàn)20個(gè)按鍵輸入和4位LED顯示功能，其軟件程序有距離顯示子 程序，對(duì)每次測(cè)量的距離結(jié)果進(jìn)行顯示，該按鍵子程序首先發(fā)讀鍵命令給 HD7292，接著讀取物理鍵值，最后將讀取的物理鍵值轉(zhuǎn)換為虛擬鍵值，在按鍵 處理子程序中根據(jù)虛擬鍵值進(jìn)行相應(yīng)的處理，完成參數(shù)的顯示和設(shè)定。軟件對(duì)于 通信部分主要解決儀表的同步，工作時(shí)由主機(jī)發(fā)出字符"l"，從機(jī)在接收到字符 "1"之后進(jìn)行各自的延時(shí)以避免同時(shí)發(fā)射，通信參數(shù)為波特率4800bps/s， IO位數(shù)據(jù)。上述由軟件程序控制的超聲波物位計(jì)物位測(cè)量精確并有良好的穩(wěn)定性。
權(quán)利要求1一種超聲波物位計(jì)，包括換能器，其特征在于超聲波物位計(jì)包括軟件在內(nèi)的主機(jī)，主機(jī)的中央處理器(CPU)聯(lián)接發(fā)射單元，發(fā)射單元設(shè)有蓄能功率自動(dòng)調(diào)節(jié)電路，發(fā)射單元聯(lián)接匹配單元，匹配電路與換能器發(fā)射接口相聯(lián)接，換能器回波接口聯(lián)接匹配電路，匹配單元聯(lián)接設(shè)有前放電路和后放電路的放大單元，放大單元聯(lián)接濾波單元的濾波電路、濾波單元聯(lián)接波形整形單元的波形整形電路再聯(lián)接裝有A/D轉(zhuǎn)換芯片的A/D采樣單元，A/D采樣單元聯(lián)接中央處理器，在主機(jī)上裝有D/A轉(zhuǎn)換芯片的D/A輸出單元、繼電器輸出電路、看門狗及人機(jī)界面鍵盤裝置。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種超聲波測(cè)量裝置，超聲波物位計(jì)主機(jī)的中央處理器通過發(fā)射單元的蓄能功率自動(dòng)調(diào)節(jié)電路和匹配單元的匹配電路驅(qū)動(dòng)換能器發(fā)射聲波，并在匹配電路配合下完成換能器與發(fā)射單元輸出阻抗匹配，實(shí)現(xiàn)最大的發(fā)射功率?；夭ń?jīng)匹配電路進(jìn)入放大單元的前放電路和后放電路再經(jīng)濾波單元的濾波電路、波形整形單元的波形整形電路增大回波信號(hào)，抑制噪聲。在發(fā)射采樣子程序采用延時(shí)采樣，解決了發(fā)射部分無法采樣的問題。在回波處理子程序中剔除部分高峰值、窄脈沖、直流分量，使回波數(shù)據(jù)更精確、穩(wěn)定，處理后的數(shù)字信號(hào)經(jīng)D/A輸出單元的D/A轉(zhuǎn)換芯片輸出送入中央處理器。
文檔編號(hào)G01S15/00GK201126373SQ200720184870
公開日2008年10月1日 申請(qǐng)日期2007年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月18日
發(fā)明者崔祜林, 李云龍, 楊潔亮, 蘇映新, 解慶昆, 郭衍斗 申請(qǐng)人:丹東東方測(cè)控技術(shù)有限公司