高精度多声道超声波密度计
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２０１５钲 第２期 仪表技术与传感器
Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ ２０１５
Ｎｏ．２
高精度多声道超声波密度计 张兴红，邱磊，陈 鑫，何涛 （重庆理工大学，时栅传感及先进检测技术重庆市重点实验室，４０００５４重庆）
摘要：当超声波在介质中传播时，其传播速度受介质密度的影响。基于此种特性，设计了一种高精度的超声波密度 计。通过测量超声波在介质中的传播速度来间接实现被测介质密度的高精度测量。由于采用了高分辨率和高速度的信 号采集电路以及数字细分算法，使超声波传播时间的测量达到ｎｓ级，为超声波密度计实现测量分辨率优于ｌ０ ｇ／ｍ 的高 精度密度测量提供了保障。设计中采用分布式测头，将多对测头均匀布置在装有被测介质的容器外壁，使测得容器中被 测介质的密度更加准确可靠。 关键词：超声波；分布式；密度测量；数字细分；高精度 中图分类号：ＴＰ２１６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２—１８４１（２０１５）０２－００２０—０３
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｈｉｇｈ・－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉ－－ｃｈａｎｎｅｌ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｄｅｎｓｉｍｅｔｅｒ
ＺＨＡＮＧ Ｘｉｎｇ—ｈａｎｇ，ＱＩＵ Ｌｅｉ，ＣＨＥＮ Ｘｉｎ，ＨＥ Ｔａｏ （Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｔｉｍｅ－ｇｒａｔｉｎｇ Ｓｅｎｓｉｎｇ ａｎｄ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００５４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｗａｖｅ ｉｓ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｍｅｄｉｕｍ’Ｓ ｄｅｎｓｉｔｙ ｗｈｅｎ ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｍｅｄｉｕｍ．Ａ ｈｉｇｈ ａｃｃｕｒａｃｙ ｍｕｌｔｉ—ｃｈａｎｎｅｌ ｄｅｎｓｉｍｅｔｅｒ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｉｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ．Ｔｈｅ ｈｉＩｇｈ ａｃｃｕｒａｃｙ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｍｅｄｉｕｍ’Ｓ ｄｅｎｓｉｔｙ ｗａｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｉｎｄｉｒｅｃｔｌｙ ｂｙ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｗａｖｅ．Ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｆａｓｔ ｓｉｇｎａｌ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｕｂｄｉｖｉｓｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ｍａｄｅ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｗａｖｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｔｉｍｅ ｒｅａｃｈ ｎａｎｏｓｅｃｏｎｄｓ，ｍａｋｉｎｇ ｓｕｒｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｄｅｎｓｉｍｅｔｅｒ ｃａｎ ｒｅａｌｉｚｅ ｈｉｇｈ—ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｄｅｎｓｉｔｙ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｂｅｔｔｅｒ ｔｈａｎ １０ ｇ／Ｉｎ ．Ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ，ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｐｒｏｂｅｓ ｗｅｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ．Ｓｅｖｅｒａｌ ｃｏｕｐｌｅｓ ｏｆ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｐｒｏｂｅｓ ｗｅｒｅ ｕｎｉｆｏｒｍｌｙ ｐｌａｃｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｏｕｔｅｒ ｗａｌｌ ｏｆ ｖｅｓｓｅｌ ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｃｏｎｔａｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｍｅｄｉｕｍ，ａｎｄ ｔｈｉｓ ｄｅｓｉｇｎ ｗａｓ ｃｏｎｄｕｃｉｖｅ ｔｏ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｍｏｒｅ ａｃｃｕｒａｔｅ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｗａｖｅ；ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ；ｄｅｎｓｉｔｙ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ；ｄｉｇｉｔａｌ ｓｕｂｄｉｖｉｓｉｏｎ；ｈｉｇｈ ａｃｃｕｒａｃｙ
０引言 密度是表征物质特性的物理量之一，密度测量广泛地应用于 现代国防、科技、工业、农业和日常生活等领域，是体现一个国家计 量水平的重要方面 。由于密度不能直接转换成电信号，必须先转 换成浮力、压力、声速、相位、振动频率等，然后才能转换成电信号进 行处理。这势必给密度的测量增加了很大的难度 。 工业上常用的液体密度计种类很多，有振动式液体密度 计、电容式液体密度计、射线式液体密度计等。这些液体密度 计在使用过程中都存在着一些不足之处，如：振动式和电容式 成本低，在测量中应用较多，但测量准确度不高，维护较为麻 烦；射线式可进行非接触的测量，但存在射线的辐射危害而较 少被使用 。 近年来，随着高新技术的飞跃发展，提出了利用超声法测 量液体密度的新思路 。用超声波来测量液体密度，其优点为 实现了测量的非接触性和连续性，如果与控制系统连接，就可 以随时控制液体的密度，使其保持一定的均匀性 。超声波式 密度传感器可以实现非接触高精度密度动态测量，是一种有很 基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１２７５５５１）；重庆市自然科学基 金资助项目（ｃｓｔｃ２０１２ｊｊＡ７０００４，ｃｓｔｃ２０１２ｊｊＡ４００６２） 收稿日期：２０１４—０１—０８收修改稿日期：２０１４—１０—２１ 好应用前景的密度传感器。。 。 １超声波密度计的工作原理 利用超声波技术实现密度的测量是根据超声波在介质中 传播时，其传播速度与介质的密度有关，当介质密度发生变化 时，超声波传播速度也会发生改变。因此，可以通过测量超声 波在介质中的传播速度来间接测量介质密度。式（１）为超声波 的传播介质为液体时，传播速度与介质密度的关系式 ： １ Ｃ：—— √
式中：ｃ为超声波在介质中的传播速度；ｐ为介质的密度； 为介 质的弹性模量。 超声波传播速度与传播时间的关系式为
： （２） ｔ
式中：ｄ为超声波的传播距离；￡为传播时间。 由式（２）可得：当超声波传播距离一定时，只要测得超声波 的传播时问就可以得出传播速度。 综合式（１）、式（２）可知，在传播距离一定时，只要测出超声 波在介质中的传播时间就可以得出介质密度。 在设计中采用分布式测头，即将多对测头均匀安装在装有 第２期 张兴红等：高精度多声道超声波密度计 ２１ 被测介质的容器外侧，让超声波穿过容器中的被测介质传播， 实现超声波在每对测头之间的发射和接收。图１为３对测头 的安装示意图。
Ｅ Ｅ ２
图１换能器安装示意图 测头的核心部分是压电超声换能器，它可以把具有一定能 量的模拟电压信号转换为机械振动从而发出超声波，也可以将 由超声波产生的机械振动转换为模拟电压信号 。图中３对 换能器（Ｅ 。与Ｅ：。、Ｅ 与Ｅ：：、Ｅ。 与Ｅ：。）分别相对安装在装有被 测介质的容器外壁上，其位置要低于被测介质的高度，以便于 超声波穿过被测介质。 超声波驱动信号激励换能器Ｅ 、Ｅ 、Ｅ 。发射超声波，对应 的换能器Ｅ 。、Ｅ 、Ｅ：。将接收到的超声波信号转换成电信号，再 利用数字细分插补算法进行数据的分析处理，得到多个密度 值，最后对这几个密度值求平均得到最终的密度值。 ２超声波密度计的结构组成 超声波密度计原理框图如图２所示。该密度计主要由超 声波发射换能器组（Ｅ 。、Ｅ。：、Ｅ。，）、超声波接收换能器组（Ｅ 、 Ｅ ：、Ｅ２３）、中央处理单元ＣＰＵ、现场可编程门阵列ＦＰＧＡ、Ａ／Ｄ 转换电路、放大电路、滤波电路、功率放大电路、Ｄ／Ａ转换电路、 通道切换电路、显示电路和键盘电路等构成。３对超声波换能 器（Ｅ 。与Ｅ 。、Ｅ。：与Ｅ 、Ｅ ，与Ｅ：，）两两相对安装在装有被测介 质的容器外壁上。
图２超声波密度计原理框图 中央处理单元ＣＰＵ向ＦＰＧＡ发出开始采样命令后，ＦＰＧＡ 启动对超声波发射换能器的驱动和对超声波接收换能器输出 信号的采样。由ＦＰＧＡ产生的数字信号经过Ｄ／Ａ转换电路转 换为模拟信号，再经功率放大电路放大后，通过通道切换电路 的通道切换后逐个轮流加载在超声波发射换能器组中的一个 换能器上，使其发出超声波信号。超声波接收换能器组中的换 能器输出的电信号经过滤波电路滤波后，经过运算放大电路放 大后连接到Ａ／Ｄ转换电路。 Ａ／Ｄ转换电路将接收到的信号转换成数字信号，并把数据
逐一存入构建于ＦＰＧＡ内的ＲＡＭ存储区中。ＣＰＵ根据对存储 在ＦＰＧＡ中的数据进行处理，计算出超声波在两两相对安装的 换能器之间的传输时间，进而就可确定一个密度值。 通道切换电路进行通道切换使得超声波驱动电路得以驱 动超声波发射换能器组中的其他换能器，并完成超声波信号的 发射和接收，得到新的密度值。最后ＣＰＵ对这几个密度值求平 均就能得出最后的密度值。 ３超声波驱动信号及回波信号 超声波驱动电路主要包括中央处理单元ＣＰＵ、现场可编程 门阵列ＦＰＧＡ、数模转换器Ｄ／Ａ和功率放大电路。超声波驱动 电路的主要功能是产生超声波驱动信号激励超声波换能器发 射超声波。超声波驱动信号是由中央处理器ＣＰＵ控制下的现 场可编程门阵列ＦＰＧＡ产生的数字正弦波经过Ｄ／Ａ转换，再经 过放大滤波电路而成的模拟正弦波。超声波驱动信号为连续 的８个频率为１ ＭＨｚ的正弦波构成。其中超声波驱动信号的 频率及周期数是通过综合分析得出的。超声波驱动信号与换 能器发射的超声波信号的频率相同。当超声波信号的频率越 高时，超声波传播时间的测量分辨率越高，但是超声波的传播 距离越短，因此对驱动信号的选择应合理。超声波驱动信号的 示意图如图３所示。
厂、厂、厂、厂、厂＼厂、厂、 一 Ｖ Ｖ Ｖ Ｖ Ｖ Ｖ Ｖ Ｖ ，
图３超声波驱动信号示意图 超声波回波信号处理电路包括滤波电路、放大电路、Ａ／Ｄ 转换电路、现场可编程门阵列ＦＰＧＡ、中央处理单元ＣＰＵ．其功 能是对换能器接收的回波信号进行处理，并算出超声波的传播 时间。超声波回波信号与超声波驱动信号相对应，其频率也为 １ ＭＨｚ。超声波回波信号的幅值会随着驱动信号的连续增加而 不断增大，但是其幅值增大到足够大时不再增大。为保证对传 播时间的精密测量，将驱动信号的周期数设为８个。当驱动信 号停止时换能器依然会产生回波信号，但是其幅值逐渐减小， 直到最后幅值为零。因此超声波回波信号会随着驱动信号的 发射和停止呈现出幅值先增大后减小的周期性变化，如图４所 示。其中回波信号中幅值最大的波形为特征波，特征波的过零 点为特征点。
图４超声波回波信号示意图 ４传播时间的精密测量 利用超声波技术测量介质密度是通过测超声波在介质中 的传播速度来实现。当传播距离一定时，测出超声波的传播时 间就能得出传播速度，即只要测出超声波的传播时间就能测出
