超声波液位传感器功能电路设计与实现

高琬佳,康建洲,薛伟钊

(1.中北大学,仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原 030051;2.省部共建动态测试技术国家重点实验室,山西太原 030051)

0 引言

超声波检测是目前应用最广泛的无损检测方法之一[1]。利用超声波能够实现液位的非接触式测量,已被广泛研究和使用[2]。

超声波的产生需要一个电信号加在换能器上,激励换能器发射超声波。一般有3种激励方式:脉冲波激励[3]、连续波激励[4]和调频波激励[5]。本文根据超声波在传播过程中能量的变化来区分液位高度,因此,更适合选用连续且频率不变的连续波激励换能器。超声波发射后在被测容器壁内传播,到达接收端时发生衰减[6]。为了更加清楚直观地分析实验结果,需要进行放大检波处理。因此,使用少量器件实现超声波发射及信号接收处理的电路设计以及功能验证是一项重要的挑战。

综上,本文利用分立元器件设计了振荡电路来代替传统单片机发射连续的正弦波信号激励换能器产生超声波。设计了开关电路用来实现换能器作为发射或接收端的选择功能。此外,给出了接收端放大检波原理图。最后,在铝合金桶上进行了实验测试,验证了本文设计的电路系统的功能完整性及可靠性。

1 电路原理及设计

1.1 整体功能电路

本文提出的系统用于超声波液位监测。该硬件系统主要由发射模块、开关模块和接收模块组成。其中,发射模块为LC振荡电路。开关模块实现发射和接收的二选一功能。接收模块包括放大电路和整流电路。整体电路的工作流程为:振荡电路输出连续的正弦波作为超声波的激励信号;超声换能器贴在被测容器外壁上,发射的超声波透射入容器内,并传播至接收端。接收到超声波后经过信号的放大和检波,并由跟随电路进行阻抗匹配,最终由数字采集卡传至上位机显示数值。系统的整体功能电路示意图如图1所示。

图1 整体功能电路示意图

本文进行液位监测的原理是基于超声阻抗法。超声波在不同声阻抗的交界面处会发生波的反射和透射。透射的声波越多,反射的越少。容器内部介质不同,其声阻抗不同,其反射超声波的能力就不同。因此可根据接收的剩余声波能量来判断内部介质类型。本文提出的液位监测方法同样适用于测量油、盐水等其他应用。实验中被测容器为壁厚3 mm的铝合金容器,内部介质为空气和水。超声波换能器为压电陶瓷片。直径为15 mm,固有频率为1 MHz。楔块材质为有机玻璃,倾角为30°。具体的液位监测原理以及其余实验条件设置等可参考本团队已经发表的文章[7]。

1.2 超声波激励电路

超声波的激励方式包括脉冲波、连续波和调频波等。本文检测液位的方法是超声阻抗法,通过检测接收到超声波的能量来判断液位。而能量体现在信号峰峰值上[8]。因此,更适合采用连续波激励超声换能器。

传统的超声波液位监测系统采用单片机作为中央控制[9]。但其外围电路体积庞大,走线设计复杂,且需要利用石英晶振来产生时钟信号。而石英晶振易碎,无法应用在高温环境下,其金属壳容易被氧化,导致频率偏差大。分立元器件相比单片机,不仅体积减小,成本降低,能够实现小型化封装。同时,它具有能够抗过载的优点,能够避免上述不足。因此为了简化电路,降低外部控制难度,提高稳定性,本文舍弃单片机,仅采用电容、电阻等分立元器件搭建振荡电路,产生频率1 MHz的高幅值正弦波来驱动压电陶瓷片。

常用的正弦波振荡器为LC、RC振荡器和石英晶体振荡器[10]。LC振荡器多用于产生高频信号,RC振荡器多用来产生低频信号。因此本文选用LC振荡电路。选用三极管2N2923,它是NPN型低噪声三极管,其fT为160 MHz,满足设计需求。振荡电路的原理图如图2所示。

图2 振荡电路原理图

图2中,由电感L2,电容C2、C3并联构成振荡回路,其余部分构成了带有正反馈的放大电路,使电路获得一定幅值的输出量。反馈信号从C3两端取得,送回放大器输入端。C5的作用是隔去直流电压,使得输出信号为正负对称的双极性正弦波。电路图中三极管的发射极与两个同性质电抗相连,集电极与基极之间连接一个异性质电抗,满足了相位平衡条件。LC振荡电路的频率可由式(1)和式(2)得出[11]。

(1)

(2)

将L=L2=15 μH,C2=C3=3 300 pF代入式(1)和式(2)中可得,该振荡电路发射的正弦波频率为f0≈1.012 MHz。可以驱动固有频率为1 MHz的压电陶瓷片产生超声波。放大电路的静态工作点设置正确,使三极管工作在放大区。

1.3 开关电路

本文设计的电路系统只连接一个超声换能器,该换能器为双晶探头,即可作为发射端,又可作为接收端。因此,设计一个开关电路作为收发选择的控制部分。

光电耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用[12]。器件用绝缘材质封装,可以很好地隔绝外部光线,免受环境中光源的影响。当输入端加电信号时发光器发出光线,受光器接收光线之后使得输出端输出信号,两个输出端口接通。否则输出端无信号输出。光耦具有体积小、寿命长、无触点、抗干扰能力强、输出和输入之间绝缘、单向传输信号等优点,因此选用AQY210设计开关模块,其原理图如图3所示。

图3 开关电路原理图

由图3可看出,本设计包括2个AQY210光耦器件。外接5 V的直流信号作为控制输入。当输入为5 V高电平时,U1光耦导通,而U2光耦不导通。输出端PZT与OUT_TX相连。此时压电陶瓷片与振荡电路相接,作为发射端,产生超声波。当输入为低电平时,U1光耦不导通,而U2光耦导通。输出端PZT与IN_RX相连。此时压电陶瓷片与后端接收电路相接,作为接收端,接收超声波回波信号。此模块实现了超声波发射和接收的二选一功能。

外部的START信号是通过电线传输的,会产生一些干扰,导致驱动能力不足。为此,设计了一个在选择模块前面加上另一个三极管的发射极跟随器来放大信号的驱动能力。

1.4 超声波接收电路

接收电路包括滤波、放大、整流和跟随模块。换能器接收的超声波信号,先经过RC滤波器,滤掉杂波及噪声信号。然后经过放大器将信号放大10倍,再经过二极管半波整流电路,输出直流信号,便于读数和记录。若此时直接将信号输出至数字采集卡(DAC),由于输出信号阻抗很高,无法与DAC进行阻抗匹配,使得由上位机显示的信号幅值与实际信号幅值存在压差,导致测量不准确。因此需要在输出信号与DAC之间加电压跟随器。电压跟随器可以实现高输入阻抗,低输出阻抗,使前端电路与后端仪器实现阻抗匹配。

放大电路和跟随电路都可以用运算放大器来实现,因此需选用一个含有多路运放的芯片。除此之外,还需考虑运放的增益带宽积是否满足本文1 MHz信号放大10倍的要求。本文选用LM6172双路、高速、低功耗、低失真电压反馈放大器,内含2个运放,增益带宽积达到100 MHz,可以很好地实现放大和跟随功能。接收模块的原理图设计如图4所示。

图4 接收模块原理图

综上,整个电路设计包括超声波发射模块、开关模块和接收模块。使用一个电路板实现了超声波的激励、接收及信号处理功能,实现了硬件功能电路的小型化设计。

2 结果及讨论

2.1 PCB板及实物设计

根据本文对各模块的原理图设计,进行PCB板的布板和绘制。在不影响走线间的电磁干扰的前提下,尽量减小布板面积。最终设计的电路板尺寸为:长2.4 cm、宽2 cm、厚0.2 cm,是使用的原超声波检测硬件电路体积的4%,实现了硬件的小型化。同时,它具有能够抗过载的优点,避免了原电路中使用单片机及晶振时的缺陷。设计的PCB板3D视图如图5(a)所示,焊接后的电路板实物图如图5(b)所示,原超声波检测电路实物图如图5(c)所示。

(a)PCB图3D视图

(b)电路板实物图

(c)原电路板实物图

2.2 发射模块测试结果

单独对振荡电路进行无负载测试,得到的结果如图6(a)所示,对结果进行FFT分析后得到的频谱分析如图6(b)所示。

从图6(a)可看出,振荡电路输出振幅为±8.8 V的连续正弦波。从图6(b)可以看出,该正弦波的频率在1 MHz附近,由上位机可读出其频率为1.082 MHz。振荡电路在连接换能器后,发射波形不产生失真或变形,即加负载后电路正常工作。

(a)振荡电路输出信号(带负载)

(b)FFT频谱分析

2.3 接收模块测试结果

接收端采集到剩余的超声波,当容器内无水时,接收信号经过放大及检波后最终输出的结果如图7(a)所示,对结果进行FFT分析后得到的频谱分析如图7(b)所示。当容器内有水时,结果如图7(c)所示,对结果进行FFT分析后得到的频谱分析如图7(d)所示。

从实验结果可得,接收的信号仍然是一组连续的正弦波。无水时,放大10倍后峰峰值为10.9 V,检波后输出4.67 V的直流电压值。向容器内加水,使液位高度高于两个超声换能器时,放大10倍后峰峰值为5.38 V,检波后输出2.18 V的直流电压。设备读数偏差<16 mV。从图7(b)和图7(d)的接收波频谱分析图可看出,回波信号频率在1 MHz附近。回波信号稳定,干扰很小,基本没有其他频率的谐波干扰。

放大倍数不是精准的10倍是由于电阻和电容都有工艺上的精度偏差,采用高精度的器件其误差允许范围在±5%以内。后期完成整体设计及实验后,会在软件上进行标定,以纠正误差。

由图7的实验结果图可看出,由于水的声阻抗比空气的大,因此对于超声波,水有更高的透射率。容器内部为空气时比水接收到更大的剩余回波能量。根据这一不同,可以实现容器内部是否有液体的监测,以实现液位超范围警报的功能。之后会在此实验的基础上,进行不同液位高度时输出电压值的实验,以实现非接触式液位高度读取的功能。综上,本文设计的电路可以完整地实现超声波的激励和接收以及收发选择的功能。

(a)接收信号结果图(无水)

(b)接收信号FFT频谱分析(无水)

(c)接收信号结果图(有水)

(d)接收信号FFT频谱分析(有水)

3 结论

本文设计并实现了一种小型化、高性能的超声换能器外围功能电路。该电路主要包括发射模块、开关模块和接收模块3部分。本文利用三极管2N2923设计了LC振荡电路。用2个光耦AQY210设计了收发可选模块。用运放LM6172设计了放大及跟随电路。设计的电路板主要用于对密闭容器内液位的监测。根据设计的原理图绘制PCB板并焊接好元器件进行测试。结果表明:该振荡电路可以输出连续的、频率为1.082 MHz的正弦波,可实现换能器的激励。超声波进入容器壁后沿壁传播。当容器内为无水和有水状态时,最终读出的数值分别为4.67 V和2.18 V,设备读数偏差<16 mV。根据这一差别实现液位监测和报警的功能。相比常用的单片机等超声波激励电路,本文设计的电路实现了小型化封装设计。且具有抗过载能力强、设计简单、成本降低等优点。开关模块实现了只用一个压电陶瓷片,即可作为发射端又可作为接收端的功能,简化了电路,节省了资源,使得测量更为灵活。本文设计的电路可以用在任意基于超声波的测量及实验中,具有很好的工业应用价值。