基于超声的水中异物探测装置硬件电路设计.pdfVIP

vd 第22卷增刊 成都信息工程学院学报 22su— OFa正NGDUUNIVEI玛nYOFlnfFoR!岖ATl(州11堑HNOL肪YAug．20昕 2007年8月 JoURNAL 06 文章编号：J67J，1742(2007)增．呻51 基于超声的水中异物探测装置硬件电路设计 张伟。，姚振东 (成都信息工程学院电子工程系，四川成都610225) 摘要：超声波在传播中遇到不同介质或障碍物等会发生反射或散射。利用这种特性可以探测水中异物。考虑 到被测物的R寸和声特性，采用lM卜k(水中波长为1．5mm)的高频超声波比较合适。基于和雷达类似的回波脉冲 测距、相位测速和强度测幅原理，设计了一个2m6脉宽、2ms周期的发射脉冲产生、超声换能驱动和收发开关电 路．以及接收回波处理电路．井由相参时钟以欠采样方式进行模数转换。系统由TTL电路、小信号低噪声模拟电 路、M瞄30F149单片机等部分构成。实验结果表明．装置对固体障碍物具有稳定、强回波反应，对于不同尺寸的活 动气泡仍能产生正常回波信号；这些结果可通过单片机以串行方式送入微机中，以便进一步处理和显示a 美t词：超声棵潮：信号调理；欠采样；接口 中圈分类号：丁P391 文献标识码：A 引言 油井中的流体主要由油滴、气泡和水构成，油井含水率是评价油井及其油田开采能力的重要指标。利用超声 波探测装置可以有效的测量出油井的含水率．描述油藏的非均质特征，进而可以指导油井的开发和生产，满足勘 探开发的实际需要。 课题以探测油井含水率为背景，利用超声波在不同介质的声阻抗率的不同，通过对回波信号的接收，比较回 波信号的时问、幅度大小、多普勒频移及其相位变化等参数，来探测水中油滴的体积和油滴的运动等情况，该装置 在实际的生产、生活中将具有较为广泛的应用前景和实用价值。 2超声波探测原理 超声波的显著特征是频率高(大于20k}iz)、波长短、衍射现象小、方向性好、在液体和固体中衰减小、穿透本 领大、遇到杂质或分界面有显著的反射。超声波水中异物探测装置具有反应迅速．携带方便，安装简单，测量精度 高等优点，在工业现场各种流体的测量中得到了广泛的应用，有很大的发展潜力。课题背景中，油滴、气泡和水的 声阻抗率差别很大，超声波会在界面处发生强烈的反射．探测装置通过接收回波信号进而得到传播介质的特性。 2．1超声波测距原理和脉冲多普勒法测速 超声波测距的基本原理是利用其反射特性。超声波发生器发射超声波遇到障碍物后产生反射波，超声波接 收器接收到反射波信号，并将其转换成电信号，测量发射波与回波之间的时问间隔△丁．并根据公式 R=△T·y／2 (1) 计算得出距离R(其中V为超声波传播速度)。 ’ 当发射抉能器以一定的角度日向流体发射频率为^的连续超声波时，流体中的悬浮颗粒体将声波反射到接 收换能器，因为悬浮颗粒的运动，反射的超声波将产生多普勒频移△，，设频移后接收换能器收到的超声波频率为 ，2，超声波在流体中速度为c．悬浮颗粒的速度为“，得到多普勒频移公式 4厂=，2一^=(2“，lo∞口)／f (2) 则悬浮颗粒速度 。=彳≠—叠r。 (3) *成都信息工程学院电子工程系电于工程专业2∞3级4班 万方数据 52 成都信息工程学院学报 第22卷 2．2超声波换能器 装置所用的传感器是压电式超声波换能器。考虑到油滴和气泡的尺寸约为