高精度的超声波收/发系统的设计

　　利用超声波来实现距离、速度、流量、浓度等的检测，具有其它检测方法无法比拟的优点。特别是随着以微控制器为核心的智能仪表的兴起，超声波检测装置更是如虎添翼，其测量精度、处理手段、应用范围实现了新的飞跃，成为智能化检测领域独具魅力的一颗明珠。本文将我们所设计的液压超声波流量、压力检测装置中的超声波收、发电路呈现给大家，其实现了双路低辐射发射高压的产生、发射和回波信号的接收。系统通过程控增益放大电路，使接收到的超声波信号幅度适中，在信号满足接收灵敏度的前提下，对噪声干扰进行最大限度的衰减，提高了测量信号的信噪比。
　　
　　一、超声波收、发系统组成及工作原理
　　
　　超声波测量电路包括超声波的产生、发射和接收电路。超声波收、发系统由振荡电路、升压电路、超声波脉冲发射电路、同步触发控制电路、超声波换能器、增益控制电路和信号调理电路组成，其组成框图如下图所示。
　　
　　系统发射超声波的工作原理是：振荡电路将+12V直流电压输入转变成交流正弦波输出，送给交流变压器，经过升压电路产生750V高压给储能电路充电。同步触发控制电路输出触发脉冲，超声波脉冲发射电路工作，储能电路放电，其冲击电压加到超声波换能器的晶体上，由于逆压电效应，超声波换能器的晶体受激振荡产生超声波。
　　
　　系统接收超声波的工作原理是：同步触发控制电路输出一低脉冲，超声波脉冲发射电路关断，放电过程结束，进入充电过程。超声波换能器将接收到对方换能器发射的通过流体后的超声波信号。由于压电效应输出电信号，在送超高速数据采集系统之前，通过信号调理电路进行适当的调理，以便满足A/D转换的要求。

　　
　　二、超声波双路产生、发射电路
　　
　　超声波产生、发射电路用于产生750V高压和超声波信号的发射，并控制超声波脉冲的发射和关断。电路如下图所示。
　　
　　超声波产生、发射电路主要由振荡电路、升压电路、同步触发控制电路和超声波脉冲发射电路等部分组成。其工作过程如下：升压电路用于产生750V高压，该电路是信号噪声的主要来源，所以能否降低其噪声将影响到整个系统的精度。在工作中，主要由运放组成的振荡电路输出一正弦波，它不同于传统的由555振荡电路产生方波，使波形得到了改善，降低了系统噪声。
　　
　　一般情况下，T_UT1、T_UT2初始状态为高电平，Q1、Q2处于截止状态，C14、两端电压都为OV，SCR1、SCR2关断，C13、C15的A端为750V高压，B端（接超声波换能器一端）为ov。
　　
　　在时序控制电路的控制下，T_UTl、来一负脉冲，Q1、Q2导通，通过、C16产生的触发脉冲使SCR1、导通，C13、C15的A端电压跃变为Ov，而B端则跃变为-750V。这一负的尖脉冲信号通过D3、D4、D7、D8同时加在超声波换能器TR1、TR2上，给换能器一个激励信号，使其按固有频率振荡并发射超声波脉冲。
　　
　　当C13、C15瞬间放电完毕后，由于Rll、R20的存在，使得通过SCR1、上的电流达不到其维持电流．、SCR2关断。此后，高压电路将通过R11、R20对C13、C15充电，为下一次发射作准备。
　　
　　在这部分电路中还使用了两个背靠背串接的稳压管进行双向限幅，主要用于消除窜入电路中的大幅度脉冲干扰。
　　
　　电感主要是起滤波消除噪声的作用。

　　
　　三、超声波接收电路
　　
　　超声波接收电路充分利用了压电效应，主要由超声波换能器和信号调理电路组成。超声波换能器TR1、TR2同时发射超声波脉冲，经过一段时间后，TR1、发射的超声波信号分别进入对方换能器（TRl-TR2，TR2_TR1）。由于压电效应，输出电信号，在送数据采集系统之前，通过信号调理电路进行适当的调理，以便满足A/D转换的要求。
　　
　　四、信号调理电路
　　
　　信号调理电路由三级放大电路组成，其原理图如下图所示。

　　
　　信号调理电路主要由放大器、AD603构成。AD844是一种宽带单片放大器，最大可以获得的输入带宽。AD603则是一种精密放大器，它具有90MHz的输入带宽，增益可调，噪声小。这两种放大器广泛用于视频信号处理、闪烁式ADC的前端放大等场合。
　　
　　第一级由AD844组成，对输入信号进行11倍放大，
　　
　　第二级放大电路由组成，其增益大小由数据采集电路增益控制模块决定，增益大小可以控制在+10～+50dB之间。当测量过程中出现超声波信号太强或较弱的情况时，可以调整增益控制模块的增益大小来将信号调整到一个适当的水平，一方面使噪声控制在最小，同时也使信号幅度满足测量要求。
　　
　　第三级放大电路由另一片组成反相器，放大倍数为-1。
　　
　　的输入范围被设定在0～2.28V之间，所以应调整AD844同相端的直流偏置电压，使得送入TLC5540输入端的电压为1.14+1.14V。
　　
　　这部分硬件电路应用在我们研制的液压超声波流量、压力检测系统中，可以产生兆赫级的超声波，脉冲持续时间短，测量速度快，误差小，并从根本上减弱了超声检测中发射高压产生的干扰，充分保证了超声波脉冲信号在液压管路中声时测量的准确性。

本文关键字：超声波  无线遥控电路，电器控制 - 无线遥控电路