超声波测沙仪的设计

　　0　引　言

　　超声波测沙仪系统主要利用超声波反射法与衰减法相结合———"超声波面积比值法"的原理进行设计。硬件电路上,该系统通过双通道频段采集的信号,由接收探头传到信号处理电路,经过放大、滤波、检波、采样保持进入A/D转换器。数据在读入微处理器后进行分析,利用数字处理技术,根据其幅值大小、相位的变化,来判断含沙量的情况。并可通过无线发射技术,实现远距离的测量和控制。软件设计上,系统提供了"自动方式"和"人工方式"的选择。进入"自动方式"后,仪表将自动采集数据、处理数据和显示结果,然后把数据和结果通过串口或者无线通讯方式传给上位机;进入"人工方式"后,可人工控制仪表的工作,有目的地采集数据、显示数据、存贮结果或进行远距离传输。与传统的测沙器具相比,该系统具有使用方便、操作快捷、成本低廉等特点,能够大大减轻操作人员的劳动强度,为我国水利建设与河流水文观测提供了重要的工具。

　　1　工作原理

　　当声波通过媒质传播时,其强度随传播距离的增大而衰减,对沿x方向传播的平面波而言,有:

　　Jx=Joe-ax　　(Jo—初始点声强; Jx—x点的声强;a—衰减系数)

　　将超声波传感器置于密度远大于浑水平均密度的两平行平板(不锈钢)的一侧,当发射的声脉冲透过浑水介质后,尚有部分声能被反射板反射至声源,产生二次反射,如此往复反射,则接收机便收到如图1所示的回波脉冲序列。

　　设反射为镜面反射,则第i个声压幅值可表示为:

　　Vpt=Vpo. exp(-2iLa)　　(L—两平行板间距;a—衰减系数)

　　由图1不难看出:吸收系数a决定回波脉冲所包络的面积,其面积值A与吸收系数a有如下关系:

　　如果前面提到的发射机、传感器、接收机性能参数都是稳定的,则可通过测量面积A求得衰减系数a。"面积法"比单次衰减测量更进了一步,但仍达不到应用要求,因此提出"面积比值法"[1]。这种方法实际上是一种相对测量方法,是超声波反射法和衰减法的综合应用。如图2所示:

　　(A1为第一回波脉冲以后所包络的面积;A2为第二回波脉冲以后所包络的面积)。不难证明,这一相对测量方法中发射声强Vpi及接收机总增益发生变化时,A1和A2的比值是不变的,即衰减系数不变。对包络面积的计算是采用一阶逼近进行计算,如图3,因比值保持不变,即:

　　2　硬件电路设计

　　2. 1　超声波控制电路基本结构

　　超声波脉冲的发射是由压电换能器完成的,它的能量将由脉冲发生器所发出的高压电脉冲来提供。脉冲波由微处理器控制,可发出连续的脉冲波和单脉冲。连续波发射电路使振荡器产生高频电振荡,进行功率放大后,通过激励电路接至换能器,使换能器产生机械振荡[2]。如图4所示。