基于超声波衰减法浆体质量浓度检测系统的设计

　　1测量原理

　　超声波在浆体中主要是以平面纵波的方式传播。假设一平面纵波在浆体中传播，当传播距离为二时，则其振幅随传播距离按指数规律衰减，即:

　　式中为平面波传播了一段距离x后的振幅;氛。为x的振幅;为浆体对声波的衰减系数。

　　而声波的振幅与换能器上电信号的振幅成比例，由式(l)可得:

式中:V₀为加在发射换能器上的电信号(激励信号)的幅值;v为接收换能器上接收到的电信号的幅值。

　　另外，浆体的固相浓度与。成一定比例，由此可知，通过测量加在发射换能器上电信号的幅值v0和接收换能器输出的电信号幅值V，计算出两者的相对衰减量，就可测得浆体质量浓度。

　　2系统设计

　　依据上述测量原理，并综合考虑实用因素，我们对超声波浆体浓度检测系统进行了仪器化设计。系统硬件结构图如图1所示。

　　其工作过程是:D/A输出的电压信号被VFC(7741)转换成频率信号(方波)，分频后进行滤波处理，所得的正弦信号经放大后加到发射换能器上，同时送到检波电路，得到的幅值信号输入到VFC ( 7742 ) ;接收信号经放大、检波后，输人到VFC (7742 )。电压一频率转换器AD7742在单片机的控制下，分时选通发射信号或接收信号经检波后的幅值信号，进行V/F转换，随之输人到单片机中进行运算处理。

　　2.1激励方式的设计

　　与正弦波信号相比，方波信号的优点是容易产生、调频简便、频率稳定性好;另一方面，超声压电换能器对工作频率点十分敏感，加在换能器上的信号以正弦波为佳。为了充分发挥两者的优点，本文采用以下的方法:产生的方波信号通过滤波器滤波后输出正弦波信号，再将此正弦波信号加在换能器上。

　　本文选择Butterworth二阶低通有源滤波器进行滤波，原理图如图2所示。

　　2.2激励信号频率的自动调节

　　本文采用闭环系统的设计思想来实现激励信号频率的自动调节功能，使得接收信号的幅值达到最大，同时提高了系统的灵敏度。

　　具体设计方法为:先将激励信号的频率设定为压电陶瓷片的中心频率，由单片机测量接收信号的幅值，接着在此信号频率附近，改变一定步长的频率变化量，依据接收信号幅值的变化，再次改变信号频率值，直至找到接收信号幅值的最大值。频率调节步长的大小，可以根据具体要求设定。在硬件实现上，选择电压一频率转换器为核心部件。具体的调节过程如图3所示。

　　2.3发射和接收电路的设计