|
超聲檢測技術(shù)是利用超聲波在媒質(zhì)中的傳播特性（聲速、衰減、反射、聲阻抗等）來實現(xiàn)對非聲學(xué)量（如密度、濃度、強度、彈性、硬度、粘度、溫度、流速、流量、液位、厚度、缺陷等）的測定。它的基本原理是基于超聲波在介質(zhì)中傳播時遇到不同的介面，將產(chǎn)生反射，折射，繞射，衰減等現(xiàn)象，從而使傳播的聲時，振幅，波形，頻率等發(fā)生相應(yīng)變化，測定這些規(guī)律的變化，便可得到材料的某些性質(zhì)與內(nèi)部構(gòu)造情況。與傳統(tǒng)超聲技術(shù)完全不同，新的超聲技術(shù)具有以下特點：在不破壞媒質(zhì)特性的情況下實現(xiàn)非接觸性測量，環(huán)境適應(yīng)能力強，可實現(xiàn)在線測量。 近二、三十年，特別是近十年來，由于電子技術(shù)及壓電陶瓷材料的發(fā)展，使超聲檢測技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。在無損探傷，測溫，測距，流量測量，液體成分測量，巖體檢測等方面，新的超聲檢測儀表不斷出現(xiàn)，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴大。本文正是基于這一應(yīng)用背景，介紹了集成濾波器MAX275在超聲檢測中的一個應(yīng)用。 MAX275的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用 在工程應(yīng)用領(lǐng)域，常常需要從具有復(fù)雜頻譜的信號中提取出特定頻率的信號，或者對一些信號進行變換處理。在中低頻場合，一般是采用有源濾波器或者由分立元件組成的調(diào)諧電路來實現(xiàn)。后者盡管具有較高的選擇性和性價比，但是由于集成電路趨于小型化集成化而使用的并不普遍。普通的有源濾波器由運算放大器和R、C組成，實現(xiàn)容易。但是參數(shù)調(diào)整困難，而且應(yīng)用在頻率較高的場合時，由于元件周圍的分布電容將嚴(yán)重影響濾波器的特性，使其偏離預(yù)定的工作狀態(tài)。 MAX275是MAXIM公司推出的一款連續(xù)時間模擬集成有源濾波器，片內(nèi)硬件由四個運算放大器及若干電阻電容組成。每兩個運算放大器構(gòu)成一個二階節(jié),每個二階節(jié)的中心頻率Fo，轉(zhuǎn)折頻率，品質(zhì)因數(shù)Q，放大倍數(shù)都由四個外部電阻確定，不需外接電容。通過外接電阻的不同組合形式可以實現(xiàn)巴特沃思，切比雪夫，貝賽爾型的低通，帶通濾波器。濾波器的中心頻率從100Hz-300KHz；增益帶寬積為16MHz，即對于40KHz的信號可放大1-400倍；可以根據(jù)設(shè)計者的要求實現(xiàn)高至一百的品質(zhì)因數(shù)Q，與運算放大器和R、C組成的二階節(jié)相比，MAX275組成的濾波器具有外接元件少，結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)調(diào)整方便和不受運算放大器本身頻率特性影響等優(yōu)點；由于沒有外接電容，而且是單片結(jié)構(gòu)，因而高頻場合時受分布電容的影響較小。 MAX275使用 5V電源，電源電流最大不超過30mA，引腳見圖1。其中，后綴字母A、B表示所屬第幾組濾波單元，A為第一組，B為第二組（MAX275內(nèi)只有兩組濾波單元）；IN表示輸入端；BPI為帶通輸入；BPO為帶通輸出；LPO為低通輸出；FC為工作方式及頻率選擇。 由于內(nèi)部運算放大器有限的增益帶寬積和驅(qū)動能力，MAX275對中心頻率Fo和品質(zhì)因數(shù)Q的比值Fo/Q有限制，在設(shè)計濾波器之前，應(yīng)先計算該參數(shù)并查閱產(chǎn)品手冊判斷其是否在濾波器的可實現(xiàn)范圍內(nèi)。 其內(nèi)部的一個二階節(jié)單元如圖2所示。當(dāng)用于低通濾波時用LPO作為輸出，當(dāng)用于帶通濾波時用BPO作為輸出。二階節(jié)的中心頻率Fo、Q值及放大倍數(shù)由外接電阻R1、R2、R3、R4決定。當(dāng)中心頻率Fo、Q值及增益確定后，R1、R2、R3、R4可由下列等式得到（所得電阻值單位均為 ）： R2=2 109/Fo R4=R2-5K R3=(2Q 109 RX)/(Fo RY) 對于低通濾波：R1=(2 109 RX)/(Fo Holp RY) 對于帶通濾波：R1=R3/Hobp 式中，RX/RY因子中RX和RY是濾波器內(nèi)部的電阻，這個因子的值由引腳FC的接法決定。為了提高中心頻率Fo和品質(zhì)因數(shù)Q值的精度，F(xiàn)C腳應(yīng)盡可能接地。Holp是用于低通濾波時,頻率為0時引腳LPO處的增益；Hobp是用于帶通濾波時，頻率為Fo時引腳BOP處的增益。 或者，更為方便的設(shè)計方法是使用MAXIM274/275有源濾波器設(shè)計軟件（在MAXIM網(wǎng)站上可免費下載），其主要功能是： （1）根據(jù)濾波器的性能指標(biāo)，如通帶內(nèi)的最大衰減，阻帶內(nèi)的最小衰減，截至頻率，帶寬，Q值等，能迅速算出巴特沃思，切比雪夫，貝賽爾和橢圓濾波器的極點、零點、階數(shù)和Q值等。 當(dāng)選定由濾波器指標(biāo)決定經(jīng)典濾波函數(shù)后，可以在對話窗口中輸入有關(guān)參數(shù)，通帶內(nèi)最大衰減，阻帶內(nèi)最小衰減，截止頻率，通帶寬度，阻帶寬度等。之后，軟件就會給出計算結(jié)果，說明要達到預(yù)定輸入指標(biāo)應(yīng)選用各經(jīng)典濾波函數(shù)的階數(shù)。可以執(zhí)行有關(guān)命令來改變?yōu)V波器的類型，查看響應(yīng)曲線，列出極點清單，記錄幅頻、相頻和延時傳輸特性并打印輸出，并且給出濾波器的濾波方程。 （2）針對MAX275完成濾波電路設(shè)計，即計算出每個二階節(jié)外接電阻的數(shù)值，然后進行仿真獲得傳輸特性曲線，包括增益，相位和群延遲等，并打印出結(jié)果。 當(dāng)選定用MAX275設(shè)計濾波電路時，只能選擇偶數(shù)階的巴特沃思，切比雪夫，貝賽爾型的低通，帶通濾波器。執(zhí)行相關(guān)命令后，程序會分析結(jié)果，自動裝入數(shù)據(jù)，并顯示各級的實際連接框圖和外接電阻的阻值。需要說明一點，MAXIM有源濾波器設(shè)計軟件的應(yīng)用是建立在每個二階節(jié)基礎(chǔ)上的，即每片MAX275內(nèi)有兩個二階節(jié)，就把這片MAX275分成兩個級聯(lián)單元來處理，給出外接電阻連接圖也是兩級分別給出。因為每一級的輸出響應(yīng)是相對于該級輸入而言的，所以最后一級的輸出也就是總輸出，該軟件最多可以分析12級級聯(lián)單元。應(yīng)該注意的是，在選中單元的電路圖中若有大于4M 的外接電阻，根據(jù)MAX275器件的要求應(yīng)作T-網(wǎng)絡(luò)變換，把它換成3個小于4M 的等效電阻，這個過程可由程序計算完成。完成設(shè)計以后，可以將電路各級的指標(biāo)與外接電阻數(shù)值全部打印出來。 需要補充的是外接電阻最大不應(yīng)超過4M ，因為這時寄生電容的影響會比較明顯，造成過大的Fo/Q誤差。外接電阻最小也不應(yīng)小于5K ，這是由運放的驅(qū)動能力所決定的。當(dāng)計算出的外接電阻值大于4M 或小于5K 時，可以通過改變FC的接線位置來調(diào)整或者用這個電阻的等效電阻T-網(wǎng)絡(luò)來代替。 另外，MAX275外接一個運放和外接電阻組合就可以實現(xiàn)陷波器，具體實現(xiàn)方式及器件選擇參見產(chǎn)品手冊。 超聲檢測系統(tǒng)組成 超聲波是一種頻率超過20kHz的機械波。壓電傳感器中的壓電晶片受發(fā)射電脈沖激勵后產(chǎn)生振動。當(dāng)超聲波作用于晶片時，晶片受迫振動引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號。前者用于超聲波的發(fā)射，后者即為超聲波的接收。而且每一種壓電傳感器有固定的工作頻率，這里選用的壓電傳感器的工作頻率是40KHz，包括一個發(fā)射傳感器和一個接收傳感器。 超聲測距從原理上可分為共振式、脈沖反射式兩種。由于共振法的應(yīng)用要求復(fù)雜，在這里使用脈沖反射式。如圖3所示，超聲波測距原理是通過超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為C=340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離(S)，即：S=C t/2 。這就是所謂的渡越時間測量法。本文超聲波測距系統(tǒng)的應(yīng)用是以Motorola 68HC908GP32單片機為基礎(chǔ)進行的。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖4所示。 發(fā)射電路 超聲檢測中常用的發(fā)射電路可分為三類，即單脈沖發(fā)射電路，方波調(diào)制的脈沖發(fā)射電路和連續(xù)波發(fā)射電路。本系統(tǒng)采用方波調(diào)制的脈沖發(fā)射電路，即采用單片機的PORTB4口作為IO口,同時外接一個驅(qū)動芯片來提高其輸出電流的驅(qū)動能力，保證40kHz的脈沖信號有一定的功率。單片機產(chǎn)生以5個40kHz為一組的脈沖群，加到壓電晶片上能使晶片發(fā)出超聲波，當(dāng)信號為高電平時，發(fā)射換能器兩端就加上了高電壓，內(nèi)部的壓電晶片開始震動，此時接收換能器的兩端可以檢測到有40kHz信號；當(dāng)信號為低電平時，發(fā)射換能器通過回路放電，此時接收換能器可以接收到回波信號。 接收電路 盡管發(fā)射部分的脈沖電壓比較高，但是由回波引起的接收壓電晶片產(chǎn)生的射頻電壓幅度近距離有1V，遠距離只有幾毫伏，要對這樣小的信號進行檢測使其達到相當(dāng)?shù)姆染捅仨毤右苑糯蟆? 接收電路由前置放大，帶通濾波放大，程控放大，門限檢測電路等組成。 前置放大電路用同相放大器實現(xiàn)了小信號的線性放大，采用同相放大器的原因是其具有很高的輸入阻抗和較低的輸出阻抗，因此提高了整個放大電路的輸入阻抗，有效的接收換能器中的信號。 帶通濾波放大器是由一片MAX275完成的，包含了A，B兩個二階節(jié)，在硬件上級聯(lián)的A與B分別構(gòu)成了中心頻率為40kHz，增益為40dB，Q為40的四階帶通濾波器。高頻質(zhì)因數(shù)的帶通濾波對于整個系統(tǒng)十分重要，因為前置放大只是將信號和噪聲同時放大了幾倍，并沒有提高輸入信號的信噪比。經(jīng)過帶通濾波后，40kHz 0.5kHz以內(nèi)的超聲回波信號被保留，之外的無用噪聲被削弱，并且為下一級的程控放大也提供了更高信噪比的輸入信號。硬件電路如圖5，同相放大器輸出的信號經(jīng)R1到8腳INA，A級帶通濾波的輸出信號從4腳BPOA經(jīng)R5到B級的輸入14腳INB，B級帶通濾波的信號從18腳BPOB輸出到下級的程控放大器。由于實際的電阻與計算出的電阻阻值間有教大的差異，得到的Fo，Q值也與設(shè)定值存在一定距離，但較之相同階數(shù)的運算放大器和R、C組成的有源濾波器，MAX275可以得到更高的品質(zhì)因數(shù)Q和理想的增益。本文中的硬件電路實測中心頻率為39.6kHz，品質(zhì)因數(shù)為50。 針對遠近幅值動態(tài)范圍大于50dB的回波信號，用普通的放大器很難得到這樣大的動態(tài)范圍，因此選用了一片美國BB公司的集成數(shù)控增益放大器PGA202。其數(shù)控增益倍數(shù)G為：1，10，100，1000，可由TTL電平或CMOS電平控制，易與單片機接口，由于采用激光修正技術(shù)，使增益及失調(diào)無需外部調(diào)整。而且，其頻率響應(yīng)范圍很寬：G=1,10,100，為1MHz；G＝1000，為250KHz。這樣，可以根據(jù)回波信號的不同幅度來選擇不同的增益，使回波幅度放大到能夠被檢測到的程度。 根據(jù)系統(tǒng)功能和理論分析，包絡(luò)檢波器加上雙門限比較檢測是最佳接收的結(jié)構(gòu)。由于換能器余振的影響，實際實現(xiàn)時不能采用固定門限進行比較，而采用檢測噪聲作為自適應(yīng)第一門限的時間檢測方法。門限形成電路在包絡(luò)檢波器后對噪聲進行采樣，然后讓這點采樣電平經(jīng)適量放大后按噪聲拖尾的規(guī)律下降，當(dāng)?shù)陀谶h距噪聲門限電平后就不再下降，變成完全由接收機系統(tǒng)噪聲決定的固定門限。脈沖干擾由于頻譜較寬，在進入有一定通頻帶的接收機后被放大，第二門限取得較大就是為了抑止這種干擾。因此接收機的通頻帶不能太窄，當(dāng)超過第一門限的信號達到一定寬度時才判為回波。 顯示電路 MC68HC908GP32單片機是Motorola公司的第2代8位微控制器，由于其很高的性價比。這類MCU的指令集非常精簡，容易被用戶掌握。在單片機實現(xiàn)超聲波測距中，充分利用了其PORT B 端口的雙向輸入/輸出功能，進行信號的發(fā)送，接受等控制。當(dāng)PORT B 端口的引腳電平檢測到為低電平時，表示有外來回波信號。微控制器內(nèi)部的一個定時器用來記錄發(fā)射到收到回波間的計數(shù)器脈沖個數(shù)。 利用微控制器的PORT A端口作為顯示電路的輸出口，考慮乘法運算實現(xiàn)較復(fù)雜，在編程時使用查表的方法來得到實際的距離值。即預(yù)先在微控制器的ROM中存儲30個時間測量結(jié)果和對應(yīng)的顯示值，采用查表的方法，將與測量值最接近的顯示距離找到并送顯示。 小結(jié) MAX275集成度高，參數(shù)調(diào)整方便。給工程項目人員帶來了極大得方便。通過外接的不同器件組合，MAX275可構(gòu)成多種濾波器，如中心頻率可調(diào)的帶通濾波器。 |
