超聲波在懸浮液中傳播時,，與懸浮粒子相遇的超聲波在界面被散射衰減，其余部分入射到粒子內(nèi)被吸收衰減,，接觸界面的超聲波又受到粘滯衰減,，最后到達接收端。各種衰減的機理是很復雜的,，但都是由懸濁粒子所引起,，并與懸濁粒子的數(shù)目成比例，故在一定條件下衰減是和濃度成比例的,，測知懸浮液的聲衰減系數(shù),，就能求出濃度。設液體中有懸浮粒子時的衰減率和接收電壓分別為(a0+ax)和E,。,，液體中沒有懸濁粒子時的衰減率和接收電壓分別為a0和E0，發(fā)射,、接收端之間的距離為L,，發(fā)射電壓為Er，則：
根據(jù)上述兩個公式,，懸濁粒子引起的衰減率可由ax=(lnE0-lnEx)／L求得,。
由接收探頭接收到的聲波幅度將隨懸浮液濃度的增加而衰減,，聲波幅度轉換成的電壓值也隨濃度的增加而衰減，該濃度一電壓衰減曲線經(jīng)過標定后,，即可從測量電壓得到濃度值,。
2 硬件設計
如圖1所示，整個系統(tǒng)以超聲波發(fā)射和接收電路為核心,，采用直接數(shù)字頻率合成芯片AD9833產(chǎn)生脈沖串,，經(jīng)過功率放大電路驅(qū)動超聲波換能器，超聲波經(jīng)過懸濁液到達接收換能器,，利用92 dB對數(shù)放大器AD8307對回波衰減信號進行對數(shù)放大,，最后由微控制器對數(shù)據(jù)進行處理得出濃度值。系統(tǒng)還包括鍵盤,、顯示,、參數(shù)存儲、開關量輸出,、繼電器輸出,、電流輸出、UART通信等部分,。
2．1 主控芯片電路
本系統(tǒng)以美國Silab的高速混合信號ISP Flash微控制器C8051F021為核心,。衰減法超聲波濃度計在超聲波發(fā)射和接收的時序上需要精確的控制，這不僅需要處理器的速度快,，而且需要多個定時器,；由接收單元返回的是低于2．5 V的電壓信號，需要經(jīng)過精確的A／D采集轉換成數(shù)字信號傳遞給CPU處理,。C8051F021的特點如下,；
①高速、流水線結構的8051兼容的CIP-51內(nèi)核(可達25 MIPS),。
②12位的片上SAR ADC,，可編程轉換速率，最大100 kbps,，可編程放大器增益,。
③4 352字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM，64 KB Flash存儲器,；可以在系統(tǒng)編程。
④5個通用16位計數(shù)器,、定時器陣列,，硬件SMBus、SPI及2個UART串口,。
⑤功耗低(10 mA@20 MHz),，多種節(jié)電休眠和停機方式,。
2．2 DDS產(chǎn)生超聲波發(fā)射單元的脈沖串
直接數(shù)字頻率合成器(DDS)以“相位”的概念進行頻率合成，不僅可以產(chǎn)生不同頻率的正弦波,，而且可以控制波形的初始相位,，還可以產(chǎn)生三角波和方波。本系統(tǒng)采用DDS AD9833作為超聲波發(fā)射單元的脈沖生成器,。AD9833是可編程的,，通過高速串口外圍接口(SPI)，只需要一個外部時鐘去產(chǎn)生簡單正弦波就可工作,。AD9833可以在基于25 MHz的時鐘下產(chǎn)生0 Hz～12．5 MHz的波形,。
超聲波發(fā)射單元的脈沖生成電路如圖2所示。DDS的時鐘來源于25 MHz有源晶振,。AD9833的SPI總線CLK,、DATA、CS與微處理器的I／O口通過一片74HC244相連接,。74HC244是八同相三態(tài)緩沖器,，用于增強信號帶負載能力。通過微處理的控制,，AD9833在VOUT引腳輸出需要頻率的方波,。AD9833的輸出與微控制器的選通信號EN在與非門的作用下，在與非門的輸出端產(chǎn)生脈沖串,，這個脈沖串經(jīng)過功率放大電路就可以對超聲波換能器進行驅(qū)動,。
2．3 超聲回波接收單元的對數(shù)放大器
在信號處理領域中，一些信號往往具有很寬的動態(tài)范圍,。比如在雷達,、聲納等系統(tǒng)中，需要處理的信號動態(tài)范圍可達120 dB以上,；超聲波回波接收器前端的電壓也可以從“μV”級到“V”級,。寬動態(tài)范圍往往給應用設計帶來很多問題。
在實際應用中,，一般會對所要處理的信號進行非線性壓縮,。應用最多的就是對數(shù)放大器。它使輸出信號和輸入信號的包絡成對數(shù)比例,。它對信號動態(tài)范圍的壓縮不需要像AGC系統(tǒng)那樣提取輸入信號的電平來控制增益,，其增益與信號的大小成反比，在通信,、雷達,、超聲、電子對抗中有著廣泛的應用,。
如圖3所示,，該方案采用單端輸入,，有對數(shù)零點和斜率調(diào)節(jié)電路，將對數(shù)零點設在-84 dBm,，斜率定為大約20 mV／dB,。對數(shù)放大器后加一級緩沖(AD8031)，主要作用有二：一是使接收模塊最終輸出是低阻抗的,，提高抗干擾能力,；二是通過這一級的電壓增益將對數(shù)斜率恢復到25 mV／dB 。設計的對數(shù)放大器信號輸入范圍定為－72 dBm(在50 Ω源阻抗時,，－72 dBm相當于振幅為±80 μV的正弦波)到+10 dBm(振幅為±1 V的正弦波),，相應的對數(shù)輸出電壓為0．3～2．35 V，對數(shù)動態(tài)范圍82 dB ,。該電路做成模塊形式,，封裝在屏蔽罩中。所有引線(地線和輸出信號線除外)均通過穿心電容引出,，穿心電容的外極接地,，以提高屏蔽效果。
3 軟件設計
超聲波濃度計軟件由信號處理程序,、界面程序,、控制信號輸出程序、通信程序四部分組成,，軟件總流程如圖4所示,。信號處理程序?qū)崿F(xiàn)DDS控制、超聲波發(fā)射,、回波信號A／D采集,、信號綜合處理等功能，是軟件程序的重點,。界面程序包括界面顯示,、參數(shù)設置、鍵盤處理等功能,，實現(xiàn)與用戶良好的溝通,。控制信號輸出程序?qū)崿F(xiàn)了電流信號,、繼電器信號,、開關量的輸出，完成了工業(yè)現(xiàn)場控制的需要,。通信程序按一定的協(xié)議送出儀表存儲的單次A／D值和綜合處理的顯示值,，供儀器的性能校驗使用。
軟件程序的核心由超聲波發(fā)射(包含DDS脈沖合成),、超聲波回波A／D采集程序,、信號濾波程序、濃度計算程序構成,。
3．1 超聲波發(fā)射程序,、回波A／D采集程序
本系統(tǒng)選用的DDS是SPI總線的，在串口時鐘SCLK的作用下,，數(shù)據(jù)以16位的方式加載到設備上,。FSYNC引腳是使能引腳，電平觸發(fā)方式,，低電平有效,。進行串行數(shù)據(jù)傳輸時，F(xiàn)SYNC引腳必須置低,，要注意FSYNC有效到SCLK下降沿的建立時間的最小值。FSYNC置低后，在16個SCLK的下降沿數(shù)據(jù)被送到DDS的輸入移位寄存器,，在第16個SCLK的下降沿FSYNC可以被置高,，但要注意在SCLK下降沿到FSYNC上升沿的數(shù)據(jù)保持時間的最小和最大值。當然,，也可以在FSYNC為低電平的時候,，連續(xù)加載多個16位數(shù)據(jù)，僅在最后一個數(shù)據(jù)的第16個SCLK的下降沿時將FSYNC置高,。最后要注意的是,，寫數(shù)據(jù)時SCLK時鐘為高低電平脈沖，但是,，在FSYNC剛開始變?yōu)榈蜁r(即將開始寫數(shù)據(jù)時),，SCLK必須為高電平。
通過微控制器的硬件SPI(使用微控制器的3個端口)可以控制DDS輸出0 Hz～12．5 MHz的方波,。另外使用一個端口和DDS的輸出共同作為與非門的輸入,，這樣就可以實現(xiàn)脈沖串的時長控制，開啟脈沖串輸出的同時對時長計數(shù),，依據(jù)超聲波在礦漿中的傳送速度和發(fā)射接收傳感器的間距就可以判斷何時接收超聲波回波,。利用片內(nèi)A／D采集超聲波回波，便可以對A／D采集到的數(shù)字信號進行處理,。
3．2 信號濾波程序
常用的軟件濾波方法很多,，包括限幅濾波法、中位值濾波法,、算數(shù)平均濾波法,、遞推平均濾波法、中位值平均濾波法,、限幅平均濾波法,、一階滯后濾波法,、加權遞推平均濾波法、消抖濾波法,。由于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境惡劣,，采集到的信號沒經(jīng)過處理往往不能直接用，這樣就需要對采集到的A／D值進行濾波處理,。由于現(xiàn)場的跳變是隨機的,，所以不能用常規(guī)的濾波程序，需要用到限幅濾波法和消抖濾波法的綜合方法——限幅消抖濾波法,。
限幅濾波法是根據(jù)經(jīng)驗判斷,，確定兩次采樣允許的最大偏差值(設為A)。每次檢測到新值時判斷：如果本次值與上次值之差小于等于A,，則本次值有效,；如果本次值與上次值之差大于A，則本次值無效,，放棄本次值,，繼續(xù)下一次A／D采樣。
消抖濾波法是設置一個濾波計數(shù)器,，將每次采樣值與當前有效值比較：如果采樣值等于當前有效值,，則計數(shù)器清零；如果采樣值大于或小于當前有效值,，則計數(shù)器加1,，并判斷計數(shù)器是否大于等于上限N(溢出)。如果計數(shù)器溢出,，則將本次值替換當前有效值,，并清零計數(shù)器。限幅消抖濾波程序能隨著現(xiàn)場的跳變做出相應的改變,，使信號處理更合理準確,。
3．3 濃度計算程序
濃度計算程序中包含濃度曲線擬合和溫度補償兩部分。
曲線擬合是用連續(xù)曲線近似地刻畫或比擬平面上離散點組所表示的坐標之間的函數(shù)關系的一種數(shù)據(jù)處理方法,。濃度曲線擬合經(jīng)過多次的試驗校正,，采用了2條一次曲線和1條二次曲線，確保濃度的最大程度擬合,。同時由于現(xiàn)場不同環(huán)境的需要,，設置了一些擬合參數(shù)，以便于隨時調(diào)整,。
溫度變化給超聲波傳感器實際測量帶來誤差,，表現(xiàn)在微控制器對超聲波回波A／D采集上產(chǎn)生非線性變化。為了解決這個問題，必須進行溫度補償,，找出它們之間的關系,，建立相應的數(shù)學模型。本系統(tǒng)用擬合法求出各溫度時的傳感器靜態(tài)輸出特性的擬合多項式,，將各個擬合參數(shù)b0,，b1，b2,，…，bk寫入程序,，對微控制器片上A／D采集到的超聲波回波數(shù)據(jù)進行溫度補償,，即由輸入溫度和A／D值查找和計算相應的補償后的正確值，確保濃度數(shù)據(jù)的正確性,。
結 語
本文討論了超聲波濃度計的實現(xiàn)方法及應用的主要技術,，發(fā)射電路采用DDS，接收電路采用對數(shù)放大器,，經(jīng)工程實踐證明,，這些方法都是可行的。但由于自身電路的局限和工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境干擾,，該產(chǎn)品的精度還有待提高,。