基于超声波回波衰减理论的超声波浓度计设计

1 理论分析

超声波在悬浮液中传播时，与悬浮粒子相遇的超声波在界面被散射衰减，其余部分入射到粒子内被吸收衰减，接触界面的超声波又受到粘滞衰减，最后到达接收端。各种衰减的机理是很复杂的，但都是由悬浊粒子所引起，并与悬浊粒子的数目成比例，故在一定条件下衰减是和浓度成比例的，测知悬浮液的声衰减系数，就能求出浓度。设液体中有悬浮粒子时的衰减率和接收电压分别为(a0+ax)和E。，液体中没有悬浊粒子时的衰减率和接收电压分别为a0和E0，发射、接收端之间的距离为L，发射电压为Er，则：

根据上述两个公式，悬浊粒子引起的衰减率可由ax=(lnE0-lnEx)／L求得。

由接收探头接收到的声波幅度将随悬浮液浓度的增加而衰减，声波幅度转换成的电压值也随浓度的增加而衰减，该浓度一电压衰减曲线经过标定后，即可从测量电压得到浓度值。

2 硬件设计

如图1所示，整个系统以超声波发射和接收电路为核心，采用直接数字频率合成芯片AD9833产生脉冲串，经过功率放大电路驱动超声波换能器，超声波经过悬浊液到达接收换能器，利用92 dB对数放大器AD8307对回波衰减信号进行对数放大，最后由微控制器对数据进行处理得出浓度值。系统还包括键盘、显示、参数存储、开关量输出、继电器输出、电流输出、UART通信等部分。

2．1 主控芯片电路

本系统以美国Silab的高速混合信号ISP Flash微控制器C8051F021为核心。衰减法超声波浓度计在超声波发射和接收的时序上需要精确的控制，这不仅需要处理器的速度快，而且需要多个定时器；由接收单元返回的是低于2．5 V的电压信号，需要经过精确的A／D采集转换成数字信号传递给CPU处理。C8051F021的特点如下；

①高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核(可达25 MIPS)。

②12位的片上SAR ADC，可编程转换速率，最大100 kbps，可编程放大器增益。

③4 352字节内部数据RAM，64 KB Flash存储器；可以在系统编程。

④5个通用16位计数器、定时器阵列，硬件SMBus、SPI及2个UART串口。

⑤功耗低(10 mA@20 MHz)，多种节电休眠和停机方式。

2．2 DDS产生超声波发射单元的脉冲串

直接数字频率合成器(DDS)以“相位”的概念进行频率合成，不仅可以产生不同频率的正弦波，而且可以控制波形的初始相位，还可以产生三角波和方波。本系统采用DDS AD9833作为超声波发射单元的脉冲生成器。AD9833是可编程的，通过高速串口外围接口(SPI)，只需要一个外部时钟去产生简单正弦波就可工作。 AD9833可以在基于25 MHz的时钟下产生0 Hz～12．5 MHz的波形。

超声波发射单元的脉冲生成电路如图2所示。DDS的时钟来源于25 MHz有源晶振。AD9833的SPI总线CLK、DATA、CS与微处理器的I／O口通过一片74HC244相连接。74HC244是八同相三态缓冲器，用于增强信号带负载能力。通过微处理的控制，AD9833在VOUT引脚输出需要频率的方波。AD9833的输出与微控制器的选通信号EN在与非门的作用下，在与非门的输出端产生脉冲串，这个脉冲串经过功率放大电路就可以对超声波换能器进行驱动。

2．3 超声回波接收单元的对数放大器

在信号处理领域中，一些信号往往具有很宽的动态范围。比如在雷达、声纳等系统中，需要处理的信号动态范围可达120 dB以上；超声波回波接收器前端的电压也可以从“μV”级到“V”级。宽动态范围往往给应用设计带来很多问题。

在实际应用中，一般会对所要处理的信号进行非线性压缩。应用最多的就是对数放大器。它使输出信号和输入信号的包络成对数比例。它对信号动态范围的压缩不需要像AGC系统那样提取输入信号的电平来控制增益，其增益与信号的大小成反比，在通信、雷达、超声、电子对抗中有着广泛的应用。

如图3所示，该方案采用单端输入，有对数零点和斜率调节电路，将对数零点设在-84 dBm，斜率定为大约20 mV／dB。对数放大器后加一级缓冲(AD8031)，主要作用有二：一是使接收模块最终输出是低阻抗的，提高抗干扰能力；二是通过这一级的电压增益将对数斜率恢复到25 mV／dB 。设计的对数放大器信号输入范围定为－72 dBm(在50 Ω源阻抗时，－72 dBm相当于振幅为±80 μV的正弦波)到+10 dBm(振幅为±1 V的正弦波)，相应的对数输出电压为0．3～2．35 V，对数动态范围82 dB 。该电路做成模块形式，封装在屏蔽罩中。所有引线(地线和输出信号线除外)均通过穿心电容引出，穿心电容的外极接地，以提高屏蔽效果。