0.引言

隨著超聲波技術(shù)研究的不斷深入，其應(yīng)用變得越來越廣泛，當(dāng)超聲波在流體媒介中傳播時(shí)，會(huì)攜帶流體流速等信息，因此根據(jù)對(duì)接收到的超聲波信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算，就可以得到流體流速，進(jìn)而可以得到流體流量。利用這個(gè)原理，就可以研制出種類繁多的超聲波流量計(jì)。從原來只有的頻差法和時(shí)差法，增加了射束位移法 相關(guān)法 多普勒法和位移法等。其中超聲多普勒流量計(jì)尤為突出。在超聲波流量計(jì)中多普勒法是其中重要的一種，它適用于測(cè)量混合介質(zhì)流體流量。一般的超聲波流量計(jì)具有很多優(yōu)點(diǎn)，例如流量計(jì)可以安裝在管道外面，無力損失，管道內(nèi)的流體不受干擾，安裝 拆卸 維修傳感器時(shí)不需要中斷生產(chǎn)流程。超聲波流量計(jì)之所以非常適合大管徑流量測(cè)量和污水流量測(cè)量，正是因?yàn)檫@一系列優(yōu)點(diǎn)。

1.超聲波多普勒流量計(jì)的測(cè)量原理

多普勒效應(yīng)是奧地利物理學(xué)家克里斯·約翰·多普勒于842 年首先提出的理論。其主要內(nèi)容是當(dāng)聲源和觀測(cè)者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)。觀測(cè)者接收到的頻率和聲源發(fā)出的頻率是不同的，該頻率的差值與相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度成正比。超聲多普勒流量計(jì)正是以這種多普勒效應(yīng)為基礎(chǔ)的。圖 1 為超聲波發(fā)射換能器 P向管道中發(fā)射固定頻率為 f的超聲波，經(jīng)被測(cè)流體中的固體顆粒反射后，因多普勒原理，超聲波接收換能器 P2  接收到的超聲波頻率 f1 發(fā)生變化，超聲波發(fā)射與接受換能器頻率之差  f =| f0  － f1 | ，設(shè)超聲波在流體中的傳播速度為 c，流體速度為 v，超聲波與流體流速方向夾角 θ，多普勒頻移值為

式中 A 為被測(cè)管道的截面積。

當(dāng)被測(cè)的管道及被測(cè)介質(zhì)確定之后，多普勒頻移與流體流量成正比，只要測(cè)得頻差 f 就可以得到流體流量 Q。

2.多普勒流量計(jì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

多普勒流量計(jì)硬件系統(tǒng)主要是完成對(duì)超聲波信號(hào)的發(fā)射、接收和信號(hào)處理，以及對(duì)流量計(jì)外部設(shè)備的控制，系統(tǒng)框圖如圖 2 所示。超聲波發(fā)射電路主要包括 DDS 電路、功率放大電路。接收電路主要包括多級(jí)放大電路、帶通濾波電路、混頻電路以及低通濾波電路。

2. 1 超聲波發(fā)射電路

選用一對(duì)中心頻率為 1 MHz 的超聲波換能器分別作為發(fā)射和接收探頭，利用頻率為 1 MHz 的連續(xù)正弦波，驅(qū)動(dòng)超聲波換能器使其在管道中發(fā)射超聲波。如果采用一般的正弦波電路來產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，會(huì)使產(chǎn)生信號(hào)源精度不高，從而影響測(cè)量的準(zhǔn)確性，所以文中采用 DDS 電路來產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)超聲波的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。文中用 DDS 電路產(chǎn)生 2 路 DDS 信號(hào)，一路為 1 MHz 的正弦波信號(hào)用作超聲波的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，另一路為 990 kHz 的正弦波信號(hào)，作為后面混頻電路的參考信號(hào)。DDS 產(chǎn)生的 1 MHz 正弦波信號(hào)并不能直接驅(qū)動(dòng)超聲波換能器，要經(jīng)過功率放大之后才能驅(qū)動(dòng)超聲波換能器。本文采用推挽式功率放大電路，變壓器主要起到提升電壓以及和超聲波換能器阻抗匹配的問題。此電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，電路圖如圖 3 所示。

2. 2 超聲波接收電路

接收換能器接收到的超聲波回波信號(hào)很微小，一般為幾十到幾百 mV，所以要對(duì)接收到的回波信號(hào)進(jìn)行多級(jí)放大，由于回波信號(hào)中含有各種噪聲信號(hào)，經(jīng)過多級(jí)放大處理過后，原來的噪聲信號(hào)也被放大了，有些噪聲信號(hào)甚至有可能淹沒回波信號(hào)，所以濾波電路至關(guān)重要。設(shè)計(jì)中心頻率為 1 MHz 的帶通濾波電路，來濾除信號(hào)中的干擾。具體電路圖如圖 4 所示。

2. 3 混頻以及解調(diào)

混頻電路是將接收到的回波信號(hào)和另一路 990 kHz 正弦波參考信號(hào)進(jìn)行混頻，并通過二階巴特沃斯低通濾波器濾除高頻分量完成中頻解調(diào)，得到中心頻率約為 10 kHz 的中頻信號(hào)。這樣將測(cè)量信號(hào)的頻率大大降低，使 A /D 采樣的頻率也降低了。本方法在中頻段對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析處理，相對(duì)于在高頻段對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析而言簡(jiǎn)單方便，數(shù)據(jù)量小，相對(duì)于解調(diào)到基頻的傳統(tǒng)方法，其能判斷流速方向。AD7606 對(duì)多普勒頻移信號(hào)進(jìn)行采樣，***后把采樣的到的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變化，得到頻譜圖再通過計(jì)算得到頻移偏量，計(jì)算出流量。

3.軟件設(shè)計(jì)

軟件是整個(gè)超聲波多普勒流量計(jì)系統(tǒng)的重要組成部分。軟件部分主要是完成對(duì) STM32F4 系統(tǒng)的初始化。STM32F4 系統(tǒng)軟件主要包括 2 路 DDS 產(chǎn)生程序，按鍵控制程序，AD7606 采樣程序，以及 ＲS485 通訊程序。STM32F4 系統(tǒng)上電后首先執(zhí)行初始化操作，然后按鍵控制產(chǎn)生正弦波驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器，***后把單片機(jī)采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。應(yīng)用 MATLAB軟件對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。由于采集到的數(shù)據(jù)含有噪聲信號(hào) 在處理前應(yīng)濾除其噪聲信號(hào)。用到小波變換算法 濾除數(shù)據(jù)中的高頻噪聲信號(hào)，然后再把處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行1 024個(gè)點(diǎn)的 FFT 變化，得到信號(hào)的頻譜圖以便計(jì)算出頻率的變化。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

超聲波多普勒流量計(jì)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的與否至關(guān)重要，它直接影響到系統(tǒng)得精度。本文采用高精度的 DDS 芯片產(chǎn)生的正弦波驅(qū)動(dòng)信號(hào)保證了測(cè)量的精度。對(duì)于混頻模塊的處理，我們采用了把多普勒回波信號(hào)解調(diào)到中頻段，而不是傳統(tǒng)的基頻解調(diào)，這樣不但能判斷出流速方向而且也提高了在低流速測(cè)量時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。對(duì)采集的1 024 個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT 變換得到其頻域信息，設(shè)置 AD7606 的采樣頻率為 50 kHz。

圖 5 為流速方向?yàn)檎闹蓄l解調(diào)頻譜圖，圖 6 為流速方向?yàn)樨?fù)的中頻解調(diào)的頻譜圖。

中頻解調(diào)的優(yōu)勢(shì)就是能利用左右?guī)Х直娉隽魉俜较驗(yàn)檎蜇?fù)，圖 7 為管道中流體靜止時(shí)對(duì)應(yīng)的頻譜圖即中頻解調(diào)后的頻率。圖 8 為管道中流體速度大概為 2 m /s 時(shí)對(duì)應(yīng)的頻譜圖。

下面在不同流速情況下，把測(cè)到的流速與實(shí)際流速就行比較?？刂扑魉俣葟?0. 5 ～ 2. 5 m/s 變化，在不同流速情況下分別測(cè)得 7組數(shù)據(jù)。表 1 為此實(shí)驗(yàn)實(shí)際流速與實(shí)驗(yàn)測(cè)得流速值的比較。

5.結(jié)束語

超聲波多普勒流量計(jì)以 STM32F4 作為控制核心，利用高精度的 DDS 芯片產(chǎn)生的正弦波驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在混頻模塊，采用把多普勒回波信號(hào)解調(diào)到中頻的方法，這樣能判斷出流體流速的方向，以及提高了在低流速測(cè)量時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。系統(tǒng)改進(jìn)措施如下: 對(duì)硬件系統(tǒng)和超聲波傳感器進(jìn)行屏蔽處理，降低外界干擾，進(jìn)一步提高測(cè)量的精度和穩(wěn)定性; 選用穩(wěn)定性、精度更高的超聲波傳感器探頭，提高接收到的回波信號(hào)的性; 采用專門的數(shù)據(jù)處理芯片( DSP 單片機(jī)) 作為核心芯片進(jìn)一步提高測(cè)量精度。