超声波的多普勒测管道流速流量的发射接收电路以及其信号处理等设计

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1、超声波的多普勒测管道流速流量的发射接收电路以及其信号处理等设计超声波多普勒测流速流量设计核心超声波传感器收发装置1.1超声波传感器超声波的发射与接收都是通过换能器实现的，换能器的材质、工作频率、晶片直径极大的影响了发射的效率及回波接收的质量，因此选择合适的换能器对于整个系统能否按预期目标工作来说是至关重要的。1）换能器材质的确定压电换能器，使用的材料有压电单晶体、压电陶瓷、压电半导体、压电高分子聚合物和复合压电材料。压电换能器以介电损耗小、机电耦合系数比较大和足够高的机械强度优于石英晶体、镍和一些合金材

2、料，已日趋广泛地用于超声波换能器。课题选用其中的压电陶瓷超声换能器，有压电性能好，生产和机械加工方便等优点，在各种超声检测中都有广泛的应用。2）超声波换能器工作频率的选择工作频率的选择需考虑以下因素：●工作频率高，分辨力高，有利于增大信噪比及提取所需信号；●工作频率高，波长?短，半扩散角?0小，声束指向性好，声能集中，有利———————————————————————————————————————————————于接收回波；●工作频率增加，声能急剧衰减。工作频率高，灵敏度和分辨力高，指向性好，对测量有

3、利；但工作频率高时，能力衰减大，又对检测不利。因此，应综合考虑，选择适中的频率。本课题选择的超声换能器工作频率为1MHz。3）超声波换能器晶片直径的确定超声波换能器直径D一般为?10~?20毫米，晶片大小对超声检测具有一定的影响。晶片直径的选择需考虑以下因素：●晶片直径D增加，半扩散角?0减小，声束指向性变好，声能集中，对检测有利；●晶片直径D增加，辐射的声能大，换能器扩散区扫查范围大，远距离扫查范围相对变小；如上所述，换能器晶片直径对声束指向性、远距离扫查范围都有较大的影响。经过考虑，本课题选择晶片直

4、径D为?20。综合考虑，本课题最终确定选用压电陶瓷换能器，其工作频率为1MHz，晶片直径为?20。2多普勒法测量原理多普勒法测量原理，是依据声波中的多普勒效应，检测其多普勒频率差。超声波发生器为一固定声源，随流体以同速度运动的固体颗粒与声源有相对运动，该固体颗粒可把入射的超声波反射回接收器。入射声波与反射声波之间的频率差就是由于流体中固体颗粒运动而———————————————————————————————————————————————产生的声波多普勒频移。由于这个频率差正比于流体流速，所以通过测量

5、频率差就可以求得流速，进而可以得到流体流量，如图3。图3多普勒超声波流量计测流原理图当随流体以速度v运动的颗粒流向声波发生器时，颗粒接收到的声波频率f1为：因此，声波接收器和发生器间的多普勒频移Δf为：以上各式中：θ为声波方向与流体流速v之间的夹角，f0为声源的初始声波频率，c为声源在介质中的传播速度。若c>>vcosθ则式(11)、(12)是按单个颗粒考虑时，测得的流体流速和流量。但对于实际含有大量粒群的水流，则应对所有频移信号进行统计处理。超声波多普勒流量计的换能器通常采用收发一体结构，

6、见图4。换能器接收到的反射信号只能是发生器和接收器的两个指向性波束重叠区域内颗粒的反射波，这个重叠区域称为多普勒信号的信息窗。换能器所收到的信号就是由信息窗中所有流动悬浮颗粒的反射波的叠加，即信息窗内多普勒频移为反射波叠加的平均值。平均多普勒频移Δ-f可以表示为：式中Δ-f——信息窗内所有反射粒子的多普勒频移的平均值；ΣNi——产生多普勒频移Δfi的粒子数；Δfi——任一个悬浮粒子产生的多普勒频移。由上可知，该流量计测得的多普勒频移信号仅反映了信息窗区域内的流体速度，因此要求信息窗应位于管渠内接近平均流

7、速的部位，———————————————————————————————————————————————才能使其测量值反映管渠内流体的平均流速。图4多普勒信息窗示意图3.超声波发射模块超声波发射电路采用正弦波振荡电路产生1MHz的正弦波，用以驱动超声波发射换能器。正弦波振荡电路通过自激产生振荡，它由放大电路和正反馈网络两部分组成的，为了得到单一频率的正弦波，并且使振荡电路稳定工作，电路中还应包含选频网络和稳幅环节，选频网络用以从很宽的频率中选择单一频率的信号送到放大器输入端，而将其他频率的信号进行衰减，

8、稳幅环节用以稳定振荡的幅度，抑制振荡中产生的谐波。石英晶体振荡电路随时间和温度的漂移要小很多，具有很高的稳定性和品质因数、很小的频率误差，因此采用石英晶体振荡电路产生所需正弦波。电路如下：4.超声波接收模块4.1选频放大电路超声波发射电路产生的1MHz的正弦波信号经由发射换能器入射到流体中，被流体中的颗粒散射，接收换能器接收到的信号一部分是颗粒散射的含有流速信息的信号，一部分是直接耦合到接收换能器上的发射信号及噪声信号。含有流速信息的信号一