超聲波的最新應用：超聲波回波衰濺理論應用于濃度

大家都知道超聲波的應用是非常廣泛的，在現(xiàn)在的高科技時代,，超聲波的應用價值被開發(fā)的已經(jīng)超越了原本設想的價值,。超聲波在懸浮液中傳播時,，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被吸收衰減,，接觸界面的超聲波又受到粘滯衰減,，最后到達接收端,。各種衰減的機理是很復雜的，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,。設液體中有懸浮粒子時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)過標定后，即可從測量電壓得到濃度值,。
 
2 硬件設計
    如圖1所示,，整個數(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)過功率放大電路驅動超聲波換能器,，超聲波經(jīng)過懸濁液到達接收換能器，利用92 dB對數(shù)放大器AD8307對回波衰減信號進行對數(shù)放大,，最后由微控制器對數(shù)據(jù)進行處理得出濃度值,。系統(tǒng)還包括鍵盤、顯示,、參數(shù)存儲,、開關量輸出、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ISP Flash微控制器C8051F021為核心,。衰減法超聲波濃度計在超聲波發(fā)射和接收的時序上需要精確的控制，這不僅需要處理器的速度快,，而且需要多個定時器,；由接收單元返回的是低于2．5 V的電壓信號，需要經(jīng)過精確的A／D采集轉換成數(shù)字信號傳遞給CPU處理,。C8051F021的特點如下,；
    ①高速、流水線結構的8051兼容的CIP-51內核(可達25 MIPS),。
    ②12位的片上SAR ADC,，可編程轉換速率，最大100 kbps,，可編程放大器增益,。
    ③4 352字節(jié)內部數(shù)據(jù)RAM，64 KB Flash存儲器,；可以在系統(tǒng)編程,。
    ④5個通用16位計數(shù)器、定時器陣列,，硬件SMBus,、SPI及2個UART串口。
    ⑤功耗低(10 mA@20 MHz),，多種節(jié)電休眠和停機方式,。
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),，只需要一個外部時鐘去產(chǎn)生簡單正弦波就可工作。AD9833可以在基于25 MHz的時鐘下產(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,，用于增強信號帶負載能力,。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，這個脈沖串經(jīng)過功率放大電路就可以對超聲波換能器進行驅動,。
 

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