四声道超声波流量计收发电路设计

超声波发射和接收电路在本设计中，我们设计的发射和接收电路都是分别只有一个，通过继电器进行顺、逆流方向收发电路的切换，这样做既降低了成本，又消除了非对称性电路误差，且发射脉冲通过使用单独的继电器分别对发射和接收换能器进行控制，使换能器的发射和接收电路完全隔离，消除了发射信号对接收的影响。

4.2.1超声波发射电路接收信号的大小和好坏直接取决于发射传感器的发射信号,由于使用收发共用型超声换能器，所以除了选用性能优良的超声波传感器外，发射电路和前级信号接收电路至关重要，它决定着整个系统的灵敏度和精度。

超声波测量最常用的换能器发射电路大体可分为三种类型：窄脉冲触发的宽带激励电路、调制脉冲谐振电路和单脉冲发射电路。

从早先国内进口的日本超声波流量计来看，基本都采用的是窄脉冲驱动电路。

这种电路在设计上一般是用一个极快速的电子开关通过对储能元件的放电来实现，这些开关器件通常为晶闸管或大功率场效应管（MOSFET）。

由于需要输出激励信号的瞬时功率大，因此开关器件必须由直流高压供电，一般要达到几十到一百伏以上，这在电池供电的系统中无法实现；此外，开关瞬间会产生高压脉冲，对整个电路的抗干扰设计不利。

而脉冲谐振电路设计起来比较简单，其基本方法是用振荡电路产生一个高频振荡，经过幅值和功率放大后接至换能器，使换能器发出超声波，确保高频振荡的频率与换能器固有频率一致，则可获得超声发射的最佳效果。

谐振电路能够使用较低的电压产生较强的超声波发射，适合使用电池供电的系统，而且它能精确地控制发射信号，效率高。

在本设计中，超声发射电路采用了连续脉冲发射电路，它由脉冲发生、放大电路构成，具体电路连接如图17所示。

单片机发出的方波信号经三极管放大和变压器升压，达到足够功率后推动换能器超声超声波，这里变压器的主要用途是升高脉冲电压和使振荡器的输出阻抗与负载（超声换能器）阻抗匹配，变压器与探头接成单端激励方式。

图17超声波发射电路4.3.2 超声波接收电路发射换能器发出超声波信号后，信号经过流体传播到接收换能器，中间有杂 质和气泡等影响，强度不断减小，并且强度也不稳定。

超声波电路设计指导1．超声波发射电路τ图1 发射电路T IRFP840 耐压500V以上，额定功率10W以上的场效应管U1 IR4426 电源电压用12V注1：若使用IR4427，当注意其输入输出波形不反相，故须正脉冲输入。

注2：U1极忌长时间导通。

在U1与T之间可以插入限流电阻保护U1，电阻不宜大，否则输出脉冲边沿会变得过缓；在正常工作状态，U1只在极短时内导通，即使无限流电阻也不致损坏。

R1 50K~1MΩ电阻取值与两次发射的最小间隔时间有关，间隔越长则回路充放电时间可越长，R1可以越大。

建议设法取1MΩ，以便减小250V电源的输出电流。

C1 1000pF/1000V 高压瓷片电容RL 510Ω简要工作原理如下：当T截止时，250V电压源通过R1和RL向C1充电。

一般认为，持续充电时间大于5倍的回路充放电常数，则C1两端电压能基本达到250V，为驱动超声波发射做好准备。

当T瞬时导通，T、C1和RL构成放电回路。

超声波传感器的阻抗约为50Ω，故C1中的电荷被快速释放，在超声波传感器上形成一个负向冲击脉冲，脉冲宽度约为0.5~1.5us。

图2 超声波传感器上信号波形示意2．超声波接收电路限幅限幅放大检波后级放大比较或1N60图3 接收电路图3中：（1）R1、R2取值一般为100~300Ω，与后级放大器输入阻抗大小有关。

（2）Ci不宜太大，否则超声波发射后电路会有一段时间无法正常接收回波信号，故一般可小于0.1uF；也不宜太小，否则信号损耗会比较大。

（3）通路上放大器的总增益应大于50dB，大于60dB则更佳。

（4）检波电路时间常数的选取要得当，太大则造成包络展宽，太小则单个回波脉冲会被检测成多个脉冲。

可根据超声波工作频率确定，并通过观测检波输出波形加以矫正。

3．脉冲间隔测量电路请参考并分析ultrasonic.ddb中图纸。

4．声波传导耦合剂实验中，使用超声波传感器探头探测实验样块。

样块与探头的接触面、多个样块层叠时样块之间的接触面，可能因不平整而有空气间隙，影响声波传导，带来较严重的界面衰耗，故建议实验中使用清水在接触面涂抹填充，作为耦合剂，并压实接触面，减小声波传导损耗。

2009.04中国计量计60技术篇┃科研与实践随着国民经济的迅速发展，冶金、化工等各部门对气体大流量的准确测量要求日益迫切，为了满足气体流量测量准确度不断提高的要求，超声波气体流量计被广泛应用于气体流量的检测与标定中。

在超声波气体流量计的测量方法中应用最广泛的是时差法。

时差法超声波气体流量计是通过测量超声波信号在流体中顺流和逆流传播时间之差来计算气体流速的，它具有准确度高、非接触测量、宽量程、无压力损失、安装使用简单等特点，具有很好的前景。

本文主要介绍四声道超声波气体流量计中的自动增益控制电路的设计。

一、超声波流量计测量原理时差法在超声波气体流量计的测量中应用最为广泛。

图1为超声波传感器安装的简化结构，A 与B 两个传感器相对于管道轴线的安装角为θ，管径为D ，两个传感器之间的距离为L ，超声波在静止流体中的传播速度为C 0。

超声波实际的传播速度C 为C 0与流体在声道方向四声道超声波气体流量计自动增益控制电路设计□徐南赵辉蔡忠兴图11MN %FC 示值误差与力值扩展不确定度图1时差法流速测量原理图对扩展不确定度的评估结果。

由图2可见，在（600~5000）kN 范围内，力值示值误差绝对值≤0.01%，力值相对扩展不确定度≤0.03%（k =2）。

δ=（X B N -X D W M ）/X B M （k =2）δ=（X B M -X HM ）/X B M （已考虑叠加效应）（k =2）三、结论1MN 力比较机和6.7MN 叠加式力标准机在其检定范围内的力值示值误差绝对值≤0.03%，力值相对扩展不确定度≤0.03%（k =2），其技术指标已达到国际先进水平。

文中使用“间接法”对叠加式力标准机的合成不确定度进行评估，结果表明“间接法”评估可靠、计算合理、应用范围广。

由于作为参考标准的力传感器的长期稳定度、重复性、寄生效应及温度影响等性能的显著改善，叠加机的计量学指标已可以和杠杆机、液压机的相当。

同时，叠加机又具有造价低、加工时间短、体积小、重量轻、耗电低、占地面积小、操作简便、易于维护等优点，叠加机已成为国内外建立中、大量程力标准的首选。

超声波发射和接收电路在本设计中，我们设计的发射和接收电路都是分别只有一个，通过继电器进行顺、逆流方向收发电路的切换，这样做既降低了成本，又消除了非对称性电路误差,且发射脉冲通过使用单独的继电器分别对发射和接收换能器进行控制，使换能器的发射和接收电路完全隔离，消除了发射信号对接收的影响。

4.2.1超声波发射电路接收信号的大小和好坏直接取决于发射传感器的发射信号,由于使用收发共用型超声换能器，所以除了选用性能优良的超声波传感器外,发射电路和前级信号接收电路至关重要，它决定着整个系统的灵敏度和精度.超声波测量最常用的换能器发射电路大体可分为三种类型：窄脉冲触发的宽带激励电路、调制脉冲谐振电路和单脉冲发射电路。

从早先国内进口的日本超声波流量计来看，基本都采用的是窄脉冲驱动电路.这种电路在设计上一般是用一个极快速的电子开关通过对储能元件的放电来实现，这些开关器件通常为晶闸管或大功率场效应管（MOSFET）.由于需要输出激励信号的瞬时功率大，因此开关器件必须由直流高压供电,一般要达到几十到一百伏以上,这在电池供电的系统中无法实现;此外，开关瞬间会产生高压脉冲，对整个电路的抗干扰设计不利。

而脉冲谐振电路设计起来比较简单，其基本方法是用振荡电路产生一个高频振荡，经过幅值和功率放大后接至换能器,使换能器发出超声波，确保高频振荡的频率与换能器固有频率一致，则可获得超声发射的最佳效果。

谐振电路能够使用较低的电压产生较强的超声波发射,适合使用电池供电的系统，而且它能精确地控制发射信号，效率高.在本设计中，超声发射电路采用了连续脉冲发射电路，它由脉冲发生、放大电路构成，具体电路连接如图17所示。

单片机发出的方波信号经三极管放大和变压器升压，达到足够功率后推动换能器超声超声波，这里变压器的主要用途是升高脉冲电压和使振荡器的输出阻抗与负载（超声换能器)阻抗匹配，变压器与探头接成单端激励方式。

图17超声波发射电路4.3。

2 超声波接收电路发射换能器发出超声波信号后，信号经过流体传播到接收换能器，中间有杂 质和气泡等影响，强度不断减小,并且强度也不稳定。

基于fpga的多声路超声波流量计设计与实现随着科技的不断进步，超声波流量计已经成为了工业生产中不可或缺的一种仪器设备。

超声波流量计具有精度高、可靠性强、使用寿命长、维护简单等优点，已经成为了现代工业流量测量的主要手段之一。

本文将以《基于FPGA的多声路超声波流量计设计与实现》为主题，从超声波流量计的原理入手，介绍了FPGA技术在超声波流量计中的应用，并详细阐述了多声路超声波流量计的设计与实现过程。

一、超声波流量计的原理超声波流量计是一种以超声波传播速度变化来测量流体流速的仪器。

其工作原理是利用超声波传播速度与介质密度、粘度、温度等因素的关系，通过测量超声波在流体中传播的时间，从而计算出流体的流速。

超声波流量计通常由发射器、接收器、信号处理器、显示器等部分组成。

其中，发射器发出超声波信号，经过流体后被接收器接收，并通过信号处理器处理后输出流体的流速数据。

二、FPGA技术在超声波流量计中的应用FPGA（Field Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，它可以实现任意数字电路的设计与实现。

由于FPGA具有高速度、低功耗、可重构等特点，因此在超声波流量计的设计中，FPGA被广泛应用。

FPGA技术在超声波流量计中的应用主要包括以下几个方面：1、时序控制：超声波流量计需要精确地控制超声波的发射和接收时间，因此需要使用FPGA来实现时序控制功能。

2、数字信号处理：超声波信号经过接收器后需要进行数字信号处理，这需要使用FPGA来实现。

3、数据存储：超声波流量计需要将测量的数据进行存储，这需要使用FPGA来实现数据存储功能。

三、多声路超声波流量计的设计与实现多声路超声波流量计是一种可以同时测量多个流体管道流量的仪器。

它可以通过一组发射器和接收器，同时测量多个流体管道的流量，并将测量结果输出给用户。

多声路超声波流量计的设计与实现需要使用FPGA技术，具体流程如下：1、硬件设计：多声路超声波流量计的硬件设计需要包括多个发射器、接收器、信号处理器、数据存储器等部分。

多声道超声波流量计的原理及设计今天为大家介绍一项国家发明授权专利——一种多声道超声波流量计。

该专利由青岛海威茨仪表有限公司申请，并于2017年9月5日获得授权公告。

内容说明本实用新型属于液体流体计量技术领域，具体涉及一种多声道超声波流量计。

发明背景超声波流量计和传统的机械式流量仪表、电磁式流量仪表相比具有计量精度高、量程比更大，更能适应被测流体温度、压力、密度等参数的变化，对管径及其管道水平、垂直走向的适应性强，使用方便，易于数字化管理等优点。

目前，超声波流量计已经广泛的应用到市政供热、水务、工业、矿山、发电厂等流量测量领域，技术日益成熟。

在实际应用中，对超声波流量计的量程范围和计量精度有了更高的需求。

对于提高测量精度，其中一个方向是通过换能器的安装设置，增大发射和接收超声波的换能器在管段轴线上的投影距离，即，增大超声波在管段轴线上的声程，来提高超声波流量计的量程比和计量精度。

中国专利CN 202092694 U公开了一种超声波水表，换能器安装在管段的倾斜孔中，由于倾斜孔的加工需要的空间较大以及换能器安装在斜孔中也需要与管段两端的法兰留出足够的空间，所以换能器只能设置在距离法兰较远处。

这就限制了超声波的有效声程以及流量计的量程比的提高。

中国专利CN 205785594 U公开了一种多声道超声波热量表基表，换能器通过支架设置在垂直于管段的安装孔中，垂直孔的结构更加简单，便于加工，增大了两个换能器之间的距离，提高了计量精度。

但是，也存在诸多缺陷，换能器支架设置有定位孔，通过螺钉与管段固定连接，限制其旋转移动，由于螺钉与安装孔之间存在的间隙较大，所以角度定位精度不高，影响计量精度；通过支架上设置台阶，在台阶处设置O型圈来密封，密封寿命一般为6年左右，定时更换费时费力。

发明内容本实用新型针对现有技术存在的不足，提供了一种多声道超声波流量计，改进了换能器安装座的定位方式以及密封方式，使得定位准确，密封寿命长。

超声波流量计信号激励电路研究【摘要】在基于时差法的液体超声波流量计设计中，如何提高换能器激励信号的灵敏度和稳定性是重要环节。

本文介绍了一种利用MOS 场效应管驱动器TC4427 构成BTL 驱动电路，该电路将微控制器发出的脉冲信号提升峰峰值到30V，明显提高接收换能器的信号灵敏度和稳定度。

由于流量计中超声波换能器为发送接收一体化传感器，两探头均需在接收和发送两种工作模式中切换。

本文采用高速模拟开关，让超声波换能器根据工作流程，在发送传感器和接收传感器之间不停切换，以满足信号测量要求。

【关键词】超声波流量计;MOS场效应管驱动器;高速模拟切换开关超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息。

因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。

超声波用于测量流体的流速有许多优点。

和传统的机械式流量仪表、电磁式流量仪表相比它的计量精度高、对管径的适应性强、非接触流体、使用方便、易于数字化管理等等。

超声波流量计的测量方法有时差法、多普勒效应法、波束偏移法等、其中时差法的电路最为简单、使用也最为广泛。

1.时差法超声波流量计的原理时差法超声波流量计其工作原理如图1所示。

它是利用一对超声波换能器相向交替收发超声波、通过观测超声波在介质中的顺流和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，其关系符合下面表达式：（1）其中：θ为声束与液体流动方向的夹角，M为声束在液体的直线传播次数，D为管道内径，Tup为声束在正方向上的传播时间，Tdown为声束在逆方向上的传播时间，ΔT=Tup-Tdown。

图1 超声波流量计测量原理由此可见，流体的流速与超声波顺流和逆流传播的时间差成正比。

流量Q 可以表示为：（2）2.超声波脉冲信号激励电路超声波信号发射的驱动方式一般有高压单脉冲信号和低压多脉冲信号两种。

高压单脉冲信号用升压变压器升压到小于600Vpp的单脉冲信号，主要用于气体流速的测量。

低压多脉冲信号，用驱动电路将电压转换为20～30Vpp的5～10个脉冲信号，主要用于液体流速的测量。