基于超声波回波衰减理论的超声波浓度计设计

    1 理论分析

    超声波在悬浮液中传播时,与悬浮粒子相遇的超声波在界面被散射衰减,其余部分入射到粒子内被吸收衰减,接触界面的超声波又受到粘滞衰减,最后到达接收端[1]。各种衰减的机理是很复杂的,但都是由悬浊粒子所引起,并与悬浊粒子的数目成比例,故在一定条件下衰减是和浓度成比例的,测知悬浮液的声衰减系数,就能求出浓度[2-3]。

    设液体中有悬浮粒子时的衰减率和接收电压分别为(A0+Ax)和Ex,液体中没有悬浊粒子时的衰减率和接收电压分别为A0和E0,发射、接收端之间的距离为L,发射电压为Er,则[4]:

    根据上述两个公式,悬浊粒子引起的衰减率可由Ax=(lnE0-lnEx)/L求得。

    由接收探头接收到的声波幅度将随悬浮液浓度的增加而衰减,声波幅度转换成的电压值也随浓度的增加而衰减,该浓度-电压衰减曲线经过标定后,即可从测量电压得到浓度值。

    2 硬件设计

    如图1所示,整个系统以超声波发射和接收电路为核心,采用直接数字频率合成芯片AD9833产生脉冲串,经过功率放大电路驱动超声波换能器,超声波经过悬浊液到达接收换能器,利用92 dB对数放大器AD8307对回波衰减信号进行对数放大,最后由微控制器对数据进行处理得出浓度值。系统还包括键盘、显示、参数存储、开关量输出、继电器输出、电流输出、UART通信等部分。

    2.1 主控芯片电路

    本系统以美国Silab的高速混合信号ISP Flash微控制器C8051F021为核心。衰减法超声波浓度计在超声波发射和接收的时序上需要精确的控制,这不仅需要处理器的速度快,而且需要多个定时器;由接收单元返回的是低于2.5 V的电压信号,需要经过精确的A/D采集转换成数字信号传递给CPU处理。C8051F021的特点如下[5]:

    ①高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核(可达25 MIPS)。

    ②12位的片上SAR ADC,可编程转换速率,最大100 kbps,可编程放大器增益。

    ③4 352字节内部数据RAM,64 KB Flash存储器;可以在系统编程。

    ④5个通用16位计数器、定时器阵列,硬件SMBus、SPI及2个UART串口。

    ⑤功耗低(10 mA@20 MHz),多种节电休眠和停机方式。

    2.2 DDS产生超声波发射单元的脉冲串

    直接数字频率合成器(DDS)以/相位0的概念进行频率合成,不仅可以产生不同频率的正弦波,而且可以控制波形的初始相位,还可以产生三角波和方波。本系统采用DDS AD9833作为超声波发射单元的脉冲生成器。AD9833是可编程的,通过高速串口外围接口(SPI),只需要一个外部时钟去产生简单正弦波就可工作。AD9833可以在基于25 MHz的时钟下产生0 Hz~12.5 MHz的波形[6]。