兰州理工大学电信学院毕业设计说明书
声波，如此重复上述的超声波发射、接收过程，就形成了自激的顺流超声波声循环。在完成N次声循环后循环停止，假设这N次顺流声循环所需的时间为t s，它包含N次固有延迟时间?(i)，（i＝1，2，3?N）之和以及N个超声波在水中单次顺流传播时间t 1之和，即： ts???(i)?Nt1i?1N （3—10）
图
13 超声波多脉冲法示意图
接着使超声波换能器T 2作发射探头，T 1作接收探头，如图13b)所示，将触发信号施加在发射探头 T 2 上使之开始发射超声波，接收探头T 1接收到超声波后，经放大、整形处理，触发T 2第二次发射超声波，这样就形成了逆流超声波声循环，同样可知超声波完成N次逆流声循环后所需的时间tn包含N次固有延迟?,(i)之和以及N个超声波在水中单次逆流传播时间t2之和，即：
tn???,(i)?Nt2 （3—11）
i?1N 当图(a)和图(b)中的发射电路、放大电路等采用完全相同的电路而且超声波换能器的发射接收性能稳定一致时，只要N足够大，由于统计效应的出现，上述两次声循环的延时总和是相等的，即： 于是：
NN??(i)???(i),i?1i?1 （3—12）
?t?(t2?t1)?tn?ts （3—13） N、tn。
由式（3-13）可看出时间差?t
不用再去测量难以准确计量的微小时间t1
tn进行的侧
、t2
，
而是改测相对足够大的时间 ts
的准确测量就变得容易。
对微小时间进行累积后，现有的电子线路可以非常容易的对ts、量，时间差?t 21
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下面从数理统计上对单脉冲和多脉冲方法进行分析比较，说明多脉冲的优越性。如图13所示，设脉冲周期为 T，电路延迟时间为ε，计数器引起的时间误差为?，随机噪声引起的误差为?（满足正态分布）；理想情况下一个脉冲由发射到接收的时间为 t
真
；而实际中单脉冲由发射到接收的时间为t，多脉冲由发射
，
到接收的时间为t,，对于多脉冲每个脉冲到达的时刻为t i接收的时间为t,i（i=1,2,3,?，n），那么： 对于单脉冲：
t?t真?????? 对于多脉冲：
t1?t真??1??1??1 t2?t真??2??2??2?T t3?t真??3??3??3?2T M
tn?t真??n??n??n?(n?1) 由波形可知，t,2则每个脉冲由发射到
（3—14）
（3—15）
与t之间只差一个脉冲周期的时间（这么假设超声波在传
播过程中波形不变），同理，t,i与ti只差（i-1）T的时间，则可得到下式
, t1?t真??1??1??1 t,2?t真??2??2??2
t,3?t真??3??3??3 （3—16） M
,t n?t真??n??n??n
上式表示脉冲串中每个脉冲激励换能器发射超声波到接收的时间，那么对于脉冲串送给单片机做数据处理的传播时间可用这 n 个脉冲的传播时间的平均值表示：
t,1?t,2?t,3?A?t,nt?nnt?????A??n??1??2?A??n??1??2?A??n?真12n, ?m真???i???i???ii?1i?1i?1nnnn1n1n1n?n???i???i???ini?1ni?1ni?1，
而对于任意一个单脉冲：t?t真??????，t与t
相比，只是误差项不
，
同，多脉冲误差为n项求和取平均值，从数理统计的理论可知，测量值t要明
显优越于t，所以多脉冲法相对其他方法有其优越性，能减小误差从而保证传播
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时间的精度。
图14 多
脉冲法超声波接收原理图
3.3 系统硬件框图
根据时差法测量的基本原理和时差信号小的特点，本课题研究的时差法超声
波流量计主要由两部分组成：时差信号采集部分和信号处理及人机接口部分。两部分均是以89C51为核心，根据键盘发来的命令，进行相应的操作，主要完成超声波的发射和接收以及传播时间的测量，这部分主要由超声波发射电路、接收放大电路、顺逆流切换电路、电压比较电路、计数控制电路等组成；信号处理及人机接口部分也是一单片机89C51为核心，主要负责对整个系统的控制、流量的计算还有人机接口服务，包括键盘、LED显示、数据存储等。其系统框图如图15所示： V 图15 系统硬件结构框图
发射电路 主单片 LED 键盘 时钟 切换开关 信号接收电路 调理 计数电路 机 数据存储器 具体电路将在下一章详细介绍。这里大致介绍一下系统的工作过程：单片机
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收到键盘发出的测量命令后产生一定的波形，先对计数器清零，接着同步启动发射电路触发超声波换能器发射超声波脉冲，同时使计数电路开始对高频方波进行计数，在接收端接收到脉冲信号后一部分返回发射端代替同步信号触发发射电路再次发射超声波，另一部分进入分频电路进行分频，如此反复形成顺流发射的多脉冲声循环。当完成所定的多脉冲个数后，分频器产生一个信号，关断高频方波，使计数器停止计数。这个过程可以得到顺流传播的传播时间，用同样的方法可以得到逆流方向传播的时间，并通过并行口送到单片机上。单片机收到顺逆流的传播时间计数值后，采用数字滤波技术对这些时间信号进行滤波处理，并根据实际情况计算出相应的流速和流量，保存到存储器中，并送到LED上显示出来。
第四章时差法超声波流量计的硬件设计
4.1 超声波换能器的选择
超声波换能器（以下简称探头）是超声波流量计的重要组成部分，是利用超 声波技术进行流量测量的关键，它的性能直接影响到整个检测系统的性能和可靠 度。探头的种类很多，性能各异，因此需要根据实际情况，合理的选择： 1. 频率：超声波的频率在很大程度上影响着超声波的传播，用于水流量测量 时，超声波频率范围一般为0.5MHz～2MHz。超声波的频率越高，声束扩散角小，能量越集中，方向性越好，分辨率也越好。按理说为提高计时精度，应当选高频率的探头；但是对于同一材料来说，超声波在传播过程中的散射衰减系数和吸收衰减系数分别与频率的4次方和2次方成正比，所以频率越高，超声波衰减越大，而且也会增加电路设计的困难。
2. 入射角：这个角度决定了超声波换能器的安装位置。由于超声波入射时在
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管壁及流体界面处都会发生折射，会转换成两束纵波在流体中传播，为提高探头接收信号的选择性，一般选择入射角大于第一临界面角而小于第二临界角，以保证仅一束超声波被探头接收。若管道为钢管，探头用有机玻璃作为声导，一般入射角选取28.70到600之间。
3. 发射强度：由于噪声的影响，接收换能器接收到的信号一般要求在几十毫伏以上，超声波发射的强度越大，相同距离内接收探头收到的强度也越大，削弱声吸收的影响，所以，要使接收换能器能够可靠地工作，发射探头必须要能发射出足够的能量，以便接收探头分辨处理超声波首波，提高测量精度。
综合以上因素，在本设计中，我们选用中心频率为1MHz的探头，入射角为450。
4.2 超声波发射和接收电路
在本设计中，我们设计的发射和接收电路都是分别只有一个，通过继电器进
行顺、逆流方向收发电路的切换，这样做既降低了成本，又消除了非对称性电路误差，且发射脉冲通过使用单独的继电器分别对发射和接收换能器进行控制，使换能器的发射和接收电路完全隔离，消除了发射信号对接收的影响。
4.2.1超声波发射电路
接收信号的大小和好坏直接取决于发射传感器的发射信号,由于使用收发共 用型超声换能器，所以除了选用性能优良的超声波传感器外，发射电路和前级信 号接收电路至关重要，它决定着整个系统的灵敏度和精度。
超声波测量最常用的换能器发射电路大体可分为三种类型：窄脉冲触发的宽带激励电路、调制脉冲谐振电路和单脉冲发射电路。从早先国内进口的日本超声波流量计来看，基本都采用的是窄脉冲驱动电路。这种电路在设计上一般是用一个极快速的电子开关通过对储能元件的放电来实现，这些开关器件通常为晶闸管或大功率场效应管（MOSFET）。由于需要输出激励信号的瞬时功率大，因此开关器件必须由直流高压供电，一般要达到几十到一百伏以上，这在电池供电的系统中无法实现；此外，开关瞬间会产生高压脉冲，对整个电路的抗干扰设计不利。而脉冲谐振电路设计起来比较简单，其基本方法是用振荡电路产生一个高频振荡，经过幅值和功率放大后接至换能器，使换能器发出超声波，确保高频振荡的频率与换能器固有频率一致，则可获得超声发射的最佳效果。谐振电路能够使用较低的电压产生较强的超声波发射，适合使用电池供电的系统，而且它能精确地控制发射信号，效率高。
在本设计中，超声发射电路采用了连续脉冲发射电路，它由脉冲发生、放大电路构成，具体电路连接如图17所示。单片机发出的方波信号经三极管放大和变压器升压，达到足够功率后推动换能器超声超声波，这里变压器的主要用途是升
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