CN204988387U - 超声波传感器的谐振频率匹配装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超声波传感器的谐振频率匹配装置，包括单片机、与上游超声波传感器和下游超声波传感器电连接的驱动电路、切换电路、自动增益控制电路、二级放大电路、DAC芯片和比较器；单片机分别与驱动电路、自动增益控制电路、DAC芯片和比较器电连接，驱动电路的信号输出端、切换电路、自动增益控制电路、二级放大电路和比较器依次电连接。本实用新型具有能够得到并稳定输出超声波传感器幅值最强时的驱动信号频率，适用范围广、匹配度高的特点。

Description

超声波传感器的谐振频率匹配装置

技术领域

本实用新型涉及传感器技术领域，尤其是涉及一种能够得到并稳定输出超声波传感器幅值最强时的驱动信号频率的超声波传感器的谐振频率匹配装置。

背景技术

时差法超声波流量计是一种无运动部件的流量测量仪表，其在流通通道未设置任何阻碍件，无压力损失；可做非接触式测量，可测量非导电性液体，对无阻挠测量的电磁流量计是一种补充；除带测量管段式外，一般不需要作实流校验；特别是在大口径流量测量方面有较突出的优点。超声波在流动的流体中传播时会载上流体流速的信息，因此通过计算顺逆流发射的超声波信号的传播时间即可检测出流体的流速，并换算成流量。流速计算公式为：

其中v为流速，D为管道内径，T顺和T逆分别为超声波顺逆流传播时间，θ为传播路径与流体流向的夹角。

适用于时差法超声波流量计的超声波传感器的整个工作过程可分为两步：第一步，上游超声波传感器接收到一定频率的电信号，通过流体向下游传感器发射超声波信号，下游超声波传感器接收到机械能形式的超声波后，转换为正弦波电信号送给信号处理电路；第二步，下游超声波传感器接收到一定频率的电信号，通过流体向上游传感器发射超声波信号，上游超声波传感器接收到机械能形式的超声波后，转换为正弦波电信号送给信号处理电路。

在超声波传感器的生产过程中，无法保证全部传感器的技术指标完全相同，超声波传感器的匹配装置的频率和幅值是不变的，会导致匹配装置与不同的超声波传感器匹配时，接收电路得到的信号幅值等参数不一致，幅值可相差50％以上。

而超声波流量计的应用场合大多为大口径管道，信号就比较微弱，目前业内多采用增大信号放大电路的增益来处理微弱信号，但会导致干扰信号的同步放大，信噪比没有得到根本提升。另外在传感器意外失效更换的情况下，如果信号进一步减小，将无法保证更换后的正常工作。

中国专利授权公开号：CN202631065U，授权公开日2012年12月26日，公开了一种时差法超声波流量计的传输时间校准***，时差法超声波流量计包括流通通道，流通通道内设有液体，其特征是，传输时间校准***包括超声波发射器、设置在流通通道上游的用于发送和接收超声波信号的上游传感器、设置在流通通道下游的用于发送和接收超声波信号的下游传感器、模拟开关电路、自动增益放大器、用于过零采样的第一比较器和具有计算初始丢失脉冲数量用来校准传输时间的计时器，超声波发射器和第一比较器均与计时器相连，超声波发射器同时连接上游传感器和下游传感器，上游传感器和下游传感器连接模拟开关电路，模拟开关电路连接自动增益放大器，自动增益放大器连接第一比较器。该发明的不足之处是，功能单一，无法对超声波传感器的驱动频率进行调整。

发明内容

本实用新型的发明目的是为了克服现有技术中的匹配装置与不同的超声波传感器匹配时，接收到的信号幅值误差较大的不足，提供了一种能够能够得到并稳定输出超声波传感器幅值最强时的驱动信号频率的超声波传感器的谐振频率匹配装置。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种超声波传感器的谐振频率匹配装置，包括单片机、与上游超声波传感器和下游超声波传感器电连接的驱动电路、切换电路、自动增益控制电路、二级放大电路、DAC芯片和比较器；单片机分别与驱动电路、自动增益控制电路、DAC芯片和比较器电连接，驱动电路的信号输出端、切换电路、自动增益控制电路、二级放大电路和比较器依次电连接。

单片机用于通过驱动电路对上游超声波传感器和下游超声波传感器电连接进行驱动，切换电路用于对上游超声波传感器和下游超声波传感器的收发进行切换控制并获得检测信号，自动增益控制电路用于对检测信号进行放大，二级放大电路用于进一步对检测信号进行放大并将检测信号输入比较器，DAC芯片用于获得单片机中预设的标准幅值，在比较器中将标准幅值和检测的信号幅值进行比较，并将比较结果输入单片机中，单片机存储比较结果。

单片机输出一定频率的信号给驱动电路，驱动电路对传感器进行驱动，切换电路控制上游超声波传感器和下游传感器交替处于：上游超声波传感器发送超声波，下游超声波传感器接收超声波；下游超声波传感器发送超声波，上游超声波传感器接收超声波的两个状态；

在每个状态中，均进行如下处理：

驱动电路得到的检测信号经过自动增益控制电路、二级放大电路的放大处理后输入比较器进行幅值比较，并将比较结果输入单片机中，单片机存储比较结果；

单片机以固定步长调整(增大或减小)驱动信号的频率，直到得到幅值最强时的驱动信号频率，保存此信号频率并采用此频率进行之后的信号发射，时差法超声波流量计进入正常流量测量环节。

因此，本实用新型具有能够得到并稳定输出超声波传感器幅值最强时的驱动信号频率，适用范围广、匹配度高的特点。

作为优选，所述驱动电路包括功率驱动芯片U2，电容C53、电容C110，二极管D5、二极管D6、二极管D7和二极管D8；功率驱动芯片U2与单片机电连接，电容C53和电容C110一端均接地，电容C53和电容C110另一端均与功率驱动芯片U2电连接；二极管D5和二极管D6反向并联，二极管D7和二极管D8反向并联；二极管D5的正极、二极管D6的负极、二极管D7的正极和二极管D8的负极均与功率驱动芯片U2电连接，二极管D5的负极和二极管D6的正极均与上游超声波传感器电连接，二极管D7的负极和二极管D8的正极均与下游超声波传感器电连接。

作为优选，所述切换电路包括模拟开关芯片、电容C52和电容C54；模拟开关芯片分别与驱动电路和自动增益控制电路电连接，电容C52和电容C54一端均与模拟开关芯片电连接，电容C52和电容C54另一端电连接并接地。

作为优选，所述自动增益控制电路包括自动增益控制芯片、放大器和DC/AC转换芯片；自动增益控制芯片和DC/AC转换芯片均与单片机电连接，DC/AC转换芯片、放大器和自动增益控制芯片依次电连接，自动增益控制芯片与二级放大电路的输入端电连接。

作为优选，所述二级放大电路包括放大器模块，电阻R17和电阻R32，电容C69和电容C76；电阻R17和电阻R32，电容C69和电容C76均与放大器模块电连接，放大器模块与比较器电连接。

作为优选，自动增益控制电路和二级放大电路之间还设有滤波器。

因此，本实用新型具有如下有益效果：能够得到并稳定输出超声波传感器幅值最强时的驱动信号频率，适用范围广、匹配度高。

附图说明

图1是本实用新型的一种原理框图；

图2是本实用新型的驱动电路的一种电路图；

图3是本实用新型的切换电路的一种电路图；

图4是本实用新型的自动增益控制电路的一种电路图；

图5是本实用新型的二级放大电路的一种电路图。

图中：单片机1、上游超声波传感器2、下游超声波传感器3、驱动电路4、切换电路5、自动增益控制电路6、二级放大电路7、DAC芯片8、比较器9、模拟开关芯片10、自动增益控制芯片11、放大器12、DC/AC转换芯片13、放大器模块14、滤波器15。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步的描述。

如图1所示的实施例是一种超声波传感器的谐振频率匹配装置，包括单片机1、与上游超声波传感器2和下游超声波传感器3电连接的驱动电路4、切换电路5、自动增益控制电路6、二级放大电路7、DAC芯片8和比较器9；单片机分别与驱动电路、自动增益控制电路、DAC芯片和比较器电连接，驱动电路的信号输出端、切换电路、自动增益控制电路、二级放大电路和比较器依次电连接。

如图2所示，驱动电路包括功率驱动芯片U2，电容C53、电容C110，二极管D5、二极管D6、二极管D7和二极管D8；功率驱动芯片U2与单片机电连接，电容C53和电容C110一端均接地，电容C53和电容C110另一端均与功率驱动芯片U2电连接；二极管D5和二极管D6反向并联，二极管D7和二极管D8反向并联；二极管D5的正极、二极管D6的负极、二极管D7的正极和二极管D8的负极均与功率驱动芯片U2电连接，二极管D5的负极和二极管D6的正极均与上游超声波传感器电连接，二极管D7的负极和二极管D8的正极均与下游超声波传感器电连接。

如图3所示，切换电路包括模拟开关芯片10、电容C52和电容C54；模拟开关芯片分别与驱动电路和自动增益控制电路电连接，电容C52和电容C54一端均与模拟开关芯片电连接，电容C52和电容C54另一端电连接并接地。

如图4所示，自动增益控制电路包括自动增益控制芯片11、放大器12和DC/AC转换芯片13；自动增益控制芯片和DC/AC转换芯片均与单片机电连接，DC/AC转换芯片、放大器和自动增益控制芯片依次电连接，自动增益控制芯片与二级放大电路的输入端电连接。自动增益控制电路和二级放大电路之间还设有滤波器15。

如图5所示，二级放大电路包括放大器模块14，电阻R17和电阻R32，电容C69和电容C76；电阻R17和电阻R32，电容C69和电容C76均与放大器模块电连接，放大器模块与比较器电连接。

本实用新型的工作过程如下：

单片机输出频率为900K的信号给驱动电路，驱动电路对传感器进行驱动，切换电路控制上游超声波传感器和下游传感器交替处于：上游超声波传感器发送超声波，下游超声波传感器接收超声波；下游超声波传感器发送超声波，上游超声波传感器接收超声波的两个状态；

在每个状态中，均进行如下处理：

驱动电路得到的检测信号经过自动增益控制电路的放大处理，滤波器滤除噪声信号，二级放大电路将经过进一步放大的检测信号送入比较器进行幅值比较，比较器将比较结果输入单片机中，单片机存储比较结果；

根据比较结果，单片机以10K赫兹的固定步长逐渐增加驱动信号的频率，当驱动信号的频率达到1100K赫兹后，单片机以-10K赫兹的固定步长逐渐减少驱动信号的频率，直到得到幅值最强时的驱动信号频率，保存此信号频率并采用此频率进行之后的信号发射，从而使使用本实用新型的时差法超声波流量计进入正常流量测量环节。

应理解，本实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种超声波传感器的谐振频率匹配装置，其特征是，包括单片机(1)、与上游超声波传感器(2)和下游超声波传感器(3)电连接的驱动电路(4)、切换电路(5)、自动增益控制电路(6)、二级放大电路(7)、DAC芯片(8)和比较器(9)；单片机分别与驱动电路、自动增益控制电路、DAC芯片和比较器电连接，驱动电路的信号输出端、切换电路、自动增益控制电路、二级放大电路和比较器依次电连接。

2.根据权利要求1所述的超声波传感器的谐振频率匹配装置，其特征是，所述驱动电路包括功率驱动芯片U2，电容C53、电容C110，二极管D5、二极管D6、二极管D7和二极管D8；功率驱动芯片U2与单片机电连接，电容C53和电容C110一端均接地，电容C53和电容C110另一端均与功率驱动芯片U2电连接；二极管D5和二极管D6反向并联，二极管D7和二极管D8反向并联；二极管D5的正极、二极管D6的负极、二极管D7的正极和二极管D8的负极均与功率驱动芯片U2电连接，二极管D5的负极和二极管D6的正极均与上游超声波传感器电连接，二极管D7的负极和二极管D8的正极均与下游超声波传感器电连接。

3.根据权利要求1所述的超声波传感器的谐振频率匹配装置，其特征是，所述切换电路包括模拟开关芯片(10)、电容C52和电容C54；模拟开关芯片分别与驱动电路和自动增益控制电路电连接，电容C52和电容C54一端均与模拟开关芯片电连接，电容C52和电容C54另一端电连接并接地。

4.根据权利要求1所述的超声波传感器的谐振频率匹配装置，其特征是，所述自动增益控制电路包括自动增益控制芯片(11)、放大器(12)和DC/AC转换芯片(13)；自动增益控制芯片和DC/AC转换芯片均与单片机电连接，DC/AC转换芯片、放大器和自动增益控制芯片依次电连接，自动增益控制芯片与二级放大电路的输入端电连接。

5.根据权利要求1所述的超声波传感器的谐振频率匹配装置，其特征是，所述二级放大电路包括放大器模块(14)，电阻R17和电阻R32，电容C69和电容C76；电阻R17和电阻R32，电容C69和电容C76均与放大器模块电连接，放大器模块与比较器电连接。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的超声波传感器的谐振频率匹配装置，其特征是，自动增益控制电路和二级放大电路之间还设有滤波器(15)。