高精度测量超声波在液体中的传播速度

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1、.高精度测量超声波在液体中的传播速度西安电子科技大学电子工程学院张海伟朱晓波邱攀指导教师郭万有...             高精度测量超声波在液体中的传播速度西安电子科技大学电子工程学院张海伟朱晓波邱攀摘要超声检测技术就是利用超声波在媒质中的传播特性（声速、声衰减、声阻抗等）来获取媒质中的一些非声学信息（如浓度、密度、硬度、弹性、温度等）。已知液体介质的弹性模量和声速后就可以求出液体的密度。超声波的声速应用在对原油含水率的精确检测、非侵入式压力检测、浆体浓度检测等相当多的领域都有广泛的应用。本文正是从上述应用背景出发，研究了一种基于声循环法的超声波测速系统。下图是声循环法

2、测量超声波传播时间的框图：图1声循环法测量超声波传播时间的框图高频脉冲发生器通过发射换能器产生超声波脉冲，在液体中传播一段距离后，被接收换能器接收。经放大，整形和鉴别后重新去触发高频脉冲发生器，产生下一个超声脉冲。这样的过程不断地循环进行，就可以得到一系列脉冲，脉冲的重复周期T基本上等于超声波在液体中传播固定距离L所需的时间。用频率计测量这一脉冲系列的重复频率f或是测量得到周期T，就可以计算出超声波的速度V。假定我们没有进行循环，且设设备的时间测量精度1us,超声波的传播时间是100us，那么直接测量一次得到的有效值是99us或是101us。但是采用循环法（假定循环1000

3、圈）后，那么该装置测得的实际传播一圈的平均时间应为99.999us或是100.001us，因此该方法能有效地提高测量的分辨率。...同时该方法对元器件要求不高，也就是说容易用低性能的元器件构造高品质的测量电路，因此比较试用于专业仪表的开发，例如牛奶分析仪。当然，实际上使用该方法所测得的时间周期不仅仅是超声波在液体中的延迟时间，还包括超声波在换能器，耦合层中的时间延迟以及电信号在电路中的时间延迟等等。但是那些都是ns级或是ps级的，对我们的测量结果影响不大。声循环法测量原理我们采用如下所示的图来说明测量超声波传播时间方案的原理。在接收信号中，由于接受的的超声波信号是波动信号，

4、为确定时间结束点，这里采用电压比较器，只要设定合适的比较电位，A点表示测量起始时刻，B点表示测量结束时刻，而阀门脉冲是计数器的使能信号，当该信号为高电平时计数器工作在计数状态，若该信号为低电平则计数器停止计数。时钟脉冲是由有源晶振输出的周期性脉冲信号，它是作为时钟信号使用的。在起始时刻A，发射电路发射一个脉冲信号，发射探头随即产生超声波信号，该信号穿透液体传播到接收探头。在发射超声波的阶跃信号触发发射电路发射超声波的同一时刻，阀门打开，计数使能信号使计数触发到允许状态，计时器开始对时钟信号进行计数。此次发射的超声波信号最终传播到接收探头处并被接收电路接收，在形成对应阶跃信号

5、的B时刻，再次去触发发射电路，新的超声波信号由发射探头发射出来，而计数器的使能信号不变，这样重复前面的过程，整个装置就处于不停“循环”的工作过程中。此装置的测量停止时刻并不是在接收探头接受的的第一个超声波信号产生的脉冲阶跃边沿，而是由预先设定的某个超声波信号产生的脉冲触发使计时停止。这期间，计数器记录的数字脉冲信号总个数并不对应于A时刻到B时刻的时间，而是当计数器起始时刻到停止时刻的时间，假设在测量开始后，到计数器停止时接收电路接受到N个超声波信号，且期间计数器计数的总时钟脉冲数为n,时钟脉冲频率为f,那么超声波信号传播一次的时间即为平均值：以上就是声循环法测量的原理。由于

6、可以选用频率比较高、稳定性好的有源晶振作时钟脉冲源，即使得上式中的f值为恒定值，所以只要准确地测定N、n值就可以比较好地减小随机干扰对测量的影响，这就是循环测量方法比较突出的优点。...图2声循环法测量时序图根据声循环法的思想，总结以上是研究工作，可以将基于声循环法的时间测量装置表达为如下所示的结构。图中的超声波循环模块由超声波发生器和接收电路组成，超声波发生器发射出超声波，通过液体后传播到接收探头处，接收探头接收超声波信号并经过处理后输出激励信号使得超声波发生器再次发射出超声波，模块重复以上过程，则超声波信号处于不断地循环中。计时模块可用于测量计时开始和结束信号之间的时间

7、，只要开始信号对应于超声波发生器发射超声波的时刻，使结束信号对应于接收探头接收到超声波信号的时刻，那么计时器的结果就是超声波传播的时间了。控制单元是保证电路顺利工作的重要结构，它既是实现电路控制，测量结果处理的核心，也是对外的接口，实现显示，与微机通讯，接收操作输入等功能。单片机以其集成度高，功能齐全，编程灵活等优点，成为实现这一功能块的合适选择，而且可编程的优点为设计改进开发提供了平台，在此基础上比较容易实现仪表的智能化、现代化。目前MSP430系列单片机已经成为主流，且加上其低功耗的特性，使得其在便携式设备上的