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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(lái)實(shí)現對非聲學(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(shí)遇到不同的介面，將產(chǎn)生反射，折射，繞射，衰減等現象，從而使傳播的聲時(shí)，振幅，波形，頻率等發(fā)生相應變化，測定這些規律的變化，便可得到材料的某些性質(zhì)與內部構造情況。與傳統超聲技術(shù)完全不同，新的超聲技術(shù)具有以下特點(diǎn)：在不破壞媒質(zhì)特性的情況下實(shí)現非接觸性測量，環(huán)境適應能力強，可實(shí)現在線(xiàn)測量。 近二、三十年，特別是近十年來(lái)，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(wú)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，應用領(lǐng)域也不斷擴大。本文正是基于這一應用背景，介紹了集成濾波器MAX275在超聲檢測中的一個(gè)應用。 MAX275的結構及應用 在工程應用領(lǐng)域，常常需要從具有復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(jìn)行變換處理。在中低頻場(chǎng)合，一般是采用有源濾波器或者由分立元件組成的調諧電路來(lái)實(shí)現。后者盡管具有較高的選擇性和性?xún)r(jià)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(shí)現容易。但是參數調整困難，而且應用在頻率較高的場(chǎng)合時(shí)，由于元件周?chē)姆植?a href="http://selenalain.com/keyword/電容" target="_blank" class="relatedlink">電容將嚴重影響濾波器的特性，使其偏離預定的工作狀態(tài)。 MAX275是MAXIM公司推出的一款連續時(shí)間模擬集成有源濾波器，片內硬件由四個(gè)運算放大器及若干電阻電容組成。每?jì)蓚�(gè)運算放大器構成一個(gè)二階節,每個(gè)二階節的中心頻率Fo，轉折頻率，品質(zhì)因數Q，放大倍數都由四個(gè)外部電阻確定，不需外接電容。通過(guò)外接電阻的不同組合形式可以實(shí)現巴特沃思，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；可以根據設計者的要求實(shí)現高至一百的品質(zhì)因數Q，與運算放大器和R、C組成的二階節相比，MAX275組成的濾波器具有外接元件少，結構簡(jiǎn)單，參數調整方便和不受運算放大器本身頻率特性影響等優(yōu)點(diǎn)；由于沒(méi)有外接電容，而且是單片結構，因而高頻場(chǎng)合時(shí)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(guò)30mA，引腳見(jiàn)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。 由于內部運算放大器有限的增益帶寬積和驅動(dòng)能力，MAX275對中心頻率Fo和品質(zhì)因數Q的比值Fo/Q有限制，在設計濾波器之前，應先計算該參數并查閱產(chǎn)品手冊判斷其是否在濾波器的可實(shí)現范圍內。 其內部的一個(gè)二階節單元如圖2所示。當用于低通濾波時(shí)用LPO作為輸出，當用于帶通濾波時(shí)用BPO作為輸出。二階節的中心頻率Fo、Q值及放大倍數由外接電阻R1、R2、R3、R4決定。當中心頻率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是濾波器內部的電阻，這個(gè)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Q值的精度，FC腳應盡可能接地。Holp是用于低通濾波時(shí),頻率為0時(shí)引腳LPO處的增益；Hobp是用于帶通濾波時(shí)，頻率為Fo時(shí)引腳BOP處的增益。 或者，更為方便的設計方法是使用MAXIM274/275有源濾波器設計軟件（在MAXIM網(wǎng)站上可免費下載），其主要功能是： （1）根據濾波器的性能指標，如通帶內的最大衰減，阻帶內的最小衰減，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(diǎn)、零點(diǎn)、階數和Q值等。 當選定由濾波器指標決定經(jīng)典濾波函數后，可以在對話(huà)窗口中輸入有關(guān)參數，通帶內最大衰減，阻帶內最小衰減，截止頻率，通帶寬度，阻帶寬度等。之后，軟件就會(huì )給出計算結果，說(shuō)明要達到預定輸入指標應選用各經(jīng)典濾波函數的階數�？梢詧绦杏嘘P(guān)命令來(lái)改變?yōu)V波器的類(lèi)型，查看響應曲線(xiàn)，列出極點(diǎn)清單，記錄幅頻、相頻和延時(shí)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完成濾波電路設計，即計算出每個(gè)二階節外接電阻的數值，然后進(jìn)行仿真獲得傳輸特性曲線(xiàn)，包括增益，相位和群延遲等，并打印出結果。 當選定用MAX275設計濾波電路時(shí)，只能選擇偶數階的巴特沃思，切比雪夫，貝賽爾型的低通，帶通濾波器。執行相關(guān)命令后，程序會(huì )分析結果，自動(dòng)裝入數據，并顯示各級的實(shí)際連接框圖和外接電阻的阻值。需要說(shuō)明一點(diǎn)，MAXIM有源濾波器設計軟件的應用是建立在每個(gè)二階節基礎上的，即每片MAX275內有兩個(gè)二階節，就把這片MAX275分成兩個(gè)級聯(lián)單元來(lái)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MAX275器件的要求應作T-網(wǎng)絡(luò )變換，把它換成3個(gè)小于4M 的等效電阻，這個(gè)過(guò)程可由程序計算完成。完成設計以后，可以將電路各級的指標與外接電阻數值全部打印出來(lái)。 需要補充的是外接電阻最大不應超過(guò)4M ，因為這時(shí)寄生電容的影響會(huì )比較明顯，造成過(guò)大的Fo/Q誤差。外接電阻最小也不應小于5K ，這是由運放的驅動(dòng)能力所決定的。當計算出的外接電阻值大于4M 或小于5K 時(shí)，可以通過(guò)改變FC的接線(xiàn)位置來(lái)調整或者用這個(gè)電阻的等效電阻T-網(wǎng)絡(luò )來(lái)代替。 另外，MAX275外接一個(gè)運放和外接電阻組合就可以實(shí)現陷波器，具體實(shí)現方式及器件選擇參見(jiàn)產(chǎn)品手冊。 超聲檢測系統組成 超聲波是一種頻率超過(guò)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(dòng)。當超聲波作用于晶片時(shí)，晶片受迫振動(dòng)引起的形變可轉換成相應的電信號。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(gè)發(fā)射傳感器和一個(gè)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。由于共振法的應用要求復雜，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(guò)超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)始計時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為C=340m/s，根據計時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(S)，即：S=C t/2 。這就是所謂的渡越時(shí)間測量法。本文超聲波測距系統的應用是以Motorola 68HC908GP32單片機為基礎進(jìn)行的。系統結構組成如圖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(lèi)，即單脈沖發(fā)射電路，方波調制的脈沖發(fā)射電路和連續波發(fā)射電路。本系統采用方波調制的脈沖發(fā)射電路，即采用單片機的PORTB4口作為IO口,同時(shí)外接一個(gè)驅動(dòng)芯片來(lái)提高其輸出電流的驅動(dòng)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(gè)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，當信號為高電平時(shí)，發(fā)射換能器兩端就加上了高電壓，內部的壓電晶片開(kāi)始震動(dòng)，此時(shí)接收換能器的兩端可以檢測到有40kHz信號；當信號為低電平時(shí)，發(fā)射換能器通過(guò)回路放電，此時(shí)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(jìn)行檢測使其達到相當的幅度就必須加以放大。 接收電路由前置放大，帶通濾波放大，程控放大，門(mén)限檢測電路等組成。 前置放大電路用同相放大器實(shí)現了小信號的線(xiàn)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(gè)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(gè)二階節，在硬件上級聯(lián)的A與B分別構成了中心頻率為40kHz，增益為40dB，Q為40的四階帶通濾波器。高頻質(zhì)因數的帶通濾波對于整個(gè)系統十分重要，因為前置放大只是將信號和噪聲同時(shí)放大了幾倍，并沒(méi)有提高輸入信號的信噪比。經(jīng)過(guò)帶通濾波后，40kHz 0.5kHz以?xún)鹊某暬夭ㄐ盘柋槐Ａ�，之外的無(wú)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(shí)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值也與設定值存在一定距離，但較之相同階數的運算放大器和R、C組成的有源濾波器，MAX275可以得到更高的品質(zhì)因數Q和理想的增益。本文中的硬件電路實(shí)測中心頻率為39.6kHz，品質(zhì)因數為50。 針對遠近幅值動(dòng)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(dòng)態(tài)范圍，因此選用了一片美國B(niǎo)B公司的集成數控增益放大器PGA202。其數控增益倍數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)，使增益及失調無(wú)需外部調整。而且，其頻率響應范圍很寬：G=1,10,100，為1MHz；G＝1000，為250KHz。這樣，可以根據回波信號的不同幅度來(lái)選擇不同的增益，使回波幅度放大到能夠被檢測到的程度。 根據系統功能和理論分析，包絡(luò )檢波器加上雙門(mén)限比較檢測是最佳接收的結構。由于換能器余振的影響，實(shí)際實(shí)現時(shí)不能采用固定門(mén)限進(jìn)行比較，而采用檢測噪聲作為自適應第一門(mén)限的時(shí)間檢測方法。門(mén)限形成電路在包絡(luò )檢波器后對噪聲進(jìn)行采樣，然后讓這點(diǎn)采樣電平經(jīng)適量放大后按噪聲拖尾的規律下降，當低于遠距噪聲門(mén)限電平后就不再下降，變成完全由接收機系統噪聲決定的固定門(mén)限。脈沖干擾由于頻譜較寬，在進(jìn)入有一定通頻帶的接收機后被放大，第二門(mén)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，當超過(guò)第一門(mén)限的信號達到一定寬度時(shí)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?xún)r(jià)比。這類(lèi)MCU的指令集非常精簡(jiǎn)，容易被用戶(hù)掌握。在單片機實(shí)現超聲波測距中，充分利用了其PORT B 端口的雙向輸入/輸出功能，進(jìn)行信號的發(fā)送，接受等控制。當PORT B 端口的引腳電平檢測到為低電平時(shí)，表示有外來(lái)回波信號。微控制器內部的一個(gè)定時(shí)器用來(lái)記錄發(fā)射到收到回波間的計數器脈沖個(gè)數。 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(shí)現較復雜，在編程時(shí)使用查表的方法來(lái)得到實(shí)際的距離值。即預先在微控制器的ROM中存儲30個(gè)時(shí)間測量結果和對應的顯示值，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 MAX275集成度高，參數調整方便。給工程項目人員帶來(lái)了極大得方便。通過(guò)外接的不同器件組合，MAX275可構成多種濾波器，如中心頻率可調的帶通濾波器。 |
