超聲波的最新應(yīng)用：超聲波回波衰濺理論應(yīng)用于濃度

大家都知道超聲波的應(yīng)用是非常廣泛的,，在現(xiàn)在的高科技時(shí)代,，超聲波的應(yīng)用價(jià)值被開發(fā)的已經(jīng)超越了原本設(shè)想的價(jià)值,。超聲波在懸浮液中傳播時(shí),，與懸浮粒子相遇的超聲波在界面被散射衰減,，其余部分入射到粒子內(nèi)被吸收衰減,，接觸界面的超聲波又受到粘滯衰減,，最后到達(dá)接收端,。各種衰減的機(jī)理是很復(fù)雜的,，但都是由懸濁粒子所引起,，并與懸濁粒子的數(shù)目成比例，故在一定條件下衰減是和濃度成比例的,，測知懸浮液的聲衰減系數(shù),，就能求出濃度,。設(shè)液體中有懸浮粒子時(shí)的衰減率和接收電壓分別為(a0+ax)和E。,，液體中沒有懸濁粒子時(shí)的衰減率和接收電壓分別為a0和E0,，發(fā)射、接收端之間的距離為L,，發(fā)射電壓為Er,，則：
   
    根據(jù)上述兩個(gè)公式，懸濁粒子引起的衰減率可由ax=(lnE0-lnEx)／L求得,。
    由接收探頭接收到的聲波幅度將隨懸浮液濃度的增加而衰減,，聲波幅度轉(zhuǎn)換成的電壓值也隨濃度的增加而衰減，該濃度一電壓衰減曲線經(jīng)過標(biāo)定后,，即可從測量電壓得到濃度值,。
 
2 硬件設(shè)計(jì)
    如圖1所示，整個(gè)數(shù)字壓力表（www.jsmeiante.com ）系統(tǒng)以超聲波發(fā)射和接收電路為核心,，采用直接數(shù)字頻率合成芯片AD9833產(chǎn)生脈沖串,，經(jīng)過功率放大電路驅(qū)動(dòng)超聲波換能器，超聲波經(jīng)過懸濁液到達(dá)接收換能器,，利用92 dB對數(shù)放大器AD8307對回波衰減信號(hào)進(jìn)行對數(shù)放大,，最后由微控制器對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得出濃度值。系統(tǒng)還包括鍵盤,、顯示,、參數(shù)存儲(chǔ)、開關(guān)量輸出,、繼電器輸出,、電流輸出、UART通信等部分,。

2．1 主控芯片電路
    本系統(tǒng)以美國Silab的高速混合信號(hào)ISP Flash微控制器C8051F021為核心,。衰減法超聲波濃度計(jì)在超聲波發(fā)射和接收的時(shí)序上需要精確的控制，這不僅需要處理器的速度快,，而且需要多個(gè)定時(shí)器,；由接收單元返回的是低于2．5 V的電壓信號(hào)，需要經(jīng)過精確的A／D采集轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳遞給CPU處理,。C8051F021的特點(diǎn)如下,；
    ①高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核(可達(dá)25 MIPS),。
    ②12位的片上SAR ADC,，可編程轉(zhuǎn)換速率，最大100 kbps,，可編程放大器增益,。
    ③4 352字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM,，64 KB Flash存儲(chǔ)器；可以在系統(tǒng)編程,。
    ④5個(gè)通用16位計(jì)數(shù)器,、定時(shí)器陣列，硬件SMBus,、SPI及2個(gè)UART串口,。
    ⑤功耗低(10 mA@20 MHz)，多種節(jié)電休眠和停機(jī)方式,。
2．2 DDS產(chǎn)生超聲波發(fā)射單元的脈沖串
    直接數(shù)字頻率合成器(DDS)以“相位”的概念進(jìn)行頻率合成,，不僅可以產(chǎn)生不同頻率的正弦波,，而且可以控制波形的初始相位,，還可以產(chǎn)生三角波和方波。本系統(tǒng)采用DDS AD9833作為超聲波發(fā)射單元的脈沖生成器,。AD9833是可編程的,，通過高速串口外圍接口(SPI)，只需要一個(gè)外部時(shí)鐘去產(chǎn)生簡單正弦波就可工作,。AD9833可以在基于25 MHz的時(shí)鐘下產(chǎn)生0 Hz～12．5 MHz的波形,。
    超聲波發(fā)射單元的脈沖生成電路如圖2所示。DDS的時(shí)鐘來源于25 MHz有源晶振,。AD9833的SPI總線CLK,、DATA、CS與微處理器的I／O口通過一片74HC244相連接,。74HC244是八同相三態(tài)緩沖器,，用于增強(qiáng)信號(hào)帶負(fù)載能力。通過微處理的控制,，AD9833在VOUT引腳輸出需要頻率的方波,。AD9833的輸出與微控制器的選通信號(hào)EN在與非門的作用下，在與非門的輸出端產(chǎn)生脈沖串,，這個(gè)脈沖串經(jīng)過功率放大電路就可以對超聲波換能器進(jìn)行驅(qū)動(dòng),。
 

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