超声波(收集5篇)

超声波篇1

【关键词】超声波测距；LCD12864；发射器；接收器；单片机

1.引言

随着科学技术的发展，超声波测距也越来越起到很大的作用。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如车辆上安装了超声波，给停车、避障提高了准确性，减少了交通事故的发生；如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。也可用于液位、井深、管道长度的测量等场合。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制并且在测量精度方面也能达到工业实用的要求

2.模块介绍

2.1超声波测距模块介绍

超声波测距模块可以直接购买如图1所示的模块，其模块有4个引脚输出，Vcc供5V电源，TRIG为触发控制输入端，ECHO为回响信号输出端，GND为地线。

该超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，模块内部包含了超声波发射器，接收器与控制电路。使用时，只要根据时序图，用程序来实现数据采集及显示。

2.2LCD12864显示模块介绍

液晶显示模块是128*64点阵的汉字图形型液晶显示模块，课显示汉字及图形，内置国标GB2312码简体中文字库（16*16点阵）、128个字符（8*16点阵）及64*256点阵显示（GDRAM）。可与CPU直接接口，提供并行与串行两种连接方式，但我们一般采用并行传输方式，和单片机的连接图如图3所示，具体使用可参考LCD12864的使用说明书，按照指令的要求去编写程序来实现实时显示。特别强调的是：

（1）当模块在接受指令前，先检查内部是否处于非忙碌状态，即读取BF标志，标志为0时，方可接受新的指令，可以专门用一个判断是否忙的函数来检测。程序模块如下：

（2）欲在某一个位置显示中文字符时，应先设定显示字符位置，即先设定显示地址，再写入中文字符编码。

（3）显示ASCII字符过程与显示中文字符过程相同。不过在显示连续字符时，只须设定一次显示地址，由模块自动对地址加1指向下一个字符位置，否则，显示的字符中将会有一个空ASCII字符位置。

（4）当字符编码为2字节时，应先写入高位字节，再写入低位字节。

汉字的显示坐标如表1所示，定义显示值时，在程序编写时要设置好。

具体实施时，只要给出两个参数，即可在相应位置显示，程序代码如下：其中y表示第几行，x表示起始行位置。

有了以上这些基本的简介后，我们就可以很容易根据LCD12864的说明书，分别写出写指令写函数等，然后把超声波测出的距离值实时代入给液晶显示函数，从而实时显示出超声波测出的前方障碍物的距离值。

3.超声波测距并显示的硬件设计

3.1系统框架图（如图2所示）

3.2单片机与超声波模块连接并显示的原理图

其原理图很简单，就是单片机的最小系统模块加常用的LCD12864显示模块，还有就是超声波测距模块的4个引脚，具体原理图如图3所示。

3.3超声波测距的工作时序图

有了系统框图及原理图和超声波的工作时序图（如图4），我们就很容易利用单片机来实时测距并实时显示。以上时序图表明单片机在控制时只需要提供一个10uS以上的脉冲触发信号，该模块内部讲发出8个40Kz周期电平并检测回波。一旦检测到有回波信号则输出回波信号。回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。由此通过发射信号到收到的回响信号的时间间隔可以计算得到距离。对于12864的显示原理及显示时序在此不再详述。

4.超声波测距原理及软件设计

超声波测距的基本原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。首先给TRIG端触发测距，给至少10uS的高电平信号，以此来触发内部的发射器产生40KHz的超声波，同时单片机不断检测是否有回波，当一检测到回波信号是高电平，马上启动定时，开始计时，同时开中断，通过ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。所以测量距离为：

测量距离=（时间*声速（340M/S））/2具体流程图如图5。

建议测量周期在60ms以上。计算是取出的值如何转换，首先把定时器的值取出合并，然后根据晶振值换算出距离公式，具体程序模块如下：

注意事项：

（1）在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。

（2）此模块不宜带电连接，若要带电连接，则先让模块的接地端接地。

（3）测距时，被测物体的面积不少于0.5平方米且平面尽量要求平整，否则影响测量结果。

（4）由于超声波有测量盲区的固有特性，因此，如果近距离测量时，当测量位置发生变化而接收到的数据不变时，说明进入了测量盲区。

（5）模块在测量远处物体时，如果没有测量数据返回，可能是超出测量范围，或是测量角度不对。可以适当调整测量角度。

5.结语

本设计软件采用模块化设计，硬件设计简单实用利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，所以超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现，在移动机器人小车上经常加个舵机，利用超声波测距就可以很容易实现超声波避障小车。超声波测距将会应用在越来越多的领域，也会带来更多的便利。

参考文献

[1]郭天祥.新概念51单片机C语言教程：入门、提高、开发、拓展全攻略[M].北京电子工业出版社，2009.

[2]孙贤安，等.基于51单片机的小车蔽障电路实现[J].电气技术与自动化，2006.

超声波篇2

关键词：超声波辅助钎焊；液态钎料；固态母材；填充金属

中图分类号：TG457.11

Abstract：Thedevelopmentoftwokindsofultrasonicassistedsolderingtechniqueissummarizedathomeandbroad，includingultrasonicontheliquidsolderandultrasoniconthesolidbasemethod.Themethodandfeatureofultrasonicassistedironsoldering/ultrasonicassistedprecoatedbrazing/ultrasonicassistedsaltbathbrazing/highfrequencylasermodulationultrasonicassistedsolderingareintroduced.Thecaseaboutdifferentmaterialsbrazedwithfillermetalbyultrasonicassistedonsolidbasemetalisanalyzedemphatically.Thecharacteristicandperformanceofdifferentultrasonicassistedsolderingmethodareanalyzed，finallytheprospectofultrasonicassistedsolderingtechniqueisforecast.

Keywords：ultrasonicassistedsoldering；liquidsolder；solidbasemetal；fillermetal

0前言

超声波为频率大于20kHz的声波。当超声波强度超过一定数值时，作为一种能量形式，它可以与传播介质相互作用，改变传播介质的状态、性质及结构，超声波的主要作用形式是声空化和声流效应[1]，利用超声波在液体钎料中的振荡，在液态钎料中产生空化现象，空化泡崩溃后所形成的冲击波，能够破坏母材表面的氧化膜，从而实现钎料与母材的润湿结合，即超声波辅助钎焊。

从上世纪70年代至今，超声波辅助钎焊因其具有可以在非真空的条件下不采用钎剂就可实现钎焊的优点，一直被广泛应用于各种结构件和电子元器件的连接中[2-6]。超声波钎焊最早应用于铝合金的钎焊，发明目的是为了实现在大气条件下无钎剂的钎焊。根据超声波的加载方式可以将其分为超声波激励液态钎料钎焊和超声波激励固态母材钎焊[7]。

本文主要概述了超声波激励液态钎料钎焊和超声波激励固态母材钎焊两种形式的研究进展，并对后续超声波钎焊的研究发展方向进行了展望。

1超声波激励液态钎料钎焊

1.1超声波电烙铁钎焊

超声波电烙铁是最早借助超声波的物理效应进行焊接的形式。在20世纪30年代就开始有学者对其进行研究。EdisonWeldingInstitute（EWI）[8]对超声波电烙铁钎焊进行了研究，认为其钎焊原理是当超声波工具头插入液态钎料中时，在超声工具头前端会产生大量的空化气泡，而空化气泡向固液界面运动，其近固液界面处发生崩溃对材料的表面产生破坏作用，使得钎料与母材发生作用从而实现界面的结合。Noltingk等[9]研制出了超声烙铁设备，用于铝合金及其它轻合金金属表面镀锡，如图1所示。

1.2超声波预涂覆钎焊

1976年Wendt[10]申请了一项关于便携式超声波辅助钎焊设备的美国专利，其主要内容是将待焊管件表面超声镀覆上一层钎料金属，超声作用于管件上，管件另一侧浸入熔融的钎料之中，超声通过管件传入钎料产生空化效应从而破除管件表面的氧化膜。日本的Naka等[11-13]将SiC、A12O3陶瓷浸入超声波作用下的液态钎料池中，预涂覆一层金属钎料，所用钎料以Zn-Al、Zn-Al-Cu和Zn-Sn为主。然后在超声波辅助作用下实现了铜合金与SiC、A12O3陶瓷材料的钎焊连接，如图2所示。超声波对整个焊接过程的影响主要有：液态钎料与陶瓷界面处的气体借助超声波空化效应移除；液体束流冲击陶瓷表面；陶瓷表面与液体钎料之间存在一定的摩擦作用。正是上述这些影响才使得陶瓷与钎料在超声波的作用下实现有效结合。超声波作用时间对接头强度影响较大。图2超声波预涂覆A12O3/Cu钎焊

过程及钎焊接头示意图[13]

1.3超声波盐浴钎焊

1970～1980年间，在空调热交换器生产过程中为了节省成本，常常采用铝管代替铜管，但是常规钎焊时，不可避免地要使用钎剂，焊接后残留的钎剂难于清理，因此采用超声盐浴钎焊来代替常规钎焊，提高了生产效率和焊接接头的可靠性。焊接时将超声工具头作用于钎料池上，通过钎料池传递到熔融钎料中，同时在熔融钎料中产生空化效应，达到去除铝合金基体表面氧化膜的目的。Graff[14]将热交换器中U形弯管浸入超声池中进行超声波盐浴钎焊，Gunkel[5]指出，接头浸入钎料池中的深度、超声波时间、预热温度和钎料化学成分等对润湿结合均有影响。

1.4高频激光调制超声波钎焊

哈尔滨工业大学李明雨等[4]采用超声波频率的脉冲激光对钎料进行加热使其熔化，熔化后的液体钎料球受到高频的间断性加热时，其表面温度场发生交变震荡，而由于热胀冷缩的作用，钎料液滴表面温度的高频震荡影响产生高频的往复机械振动，该机械振动会以疏密波的形式传递进入钎料内部，并可在液滴内部产生空化效应，从而促进钎料与母材基板的润湿结合。该方法比较适用于电子行业中电路板封装的焊接。

2超声波激励固态母材钎焊

超声波激励固态母材钎焊是将超声波振动工具头直接作用待焊位置附近的工件表面，而不与液态钎料形成直接接触，超声波振动通过工件传递进入液态钎料，利用超声波效应使液态钎料在工件的表面上发生铺展润湿并与母材工件形成结合。

2.1大气环境下超声波激励固态母材钎焊

在大气环境下，利用超声波的去膜效应，国内外不少专家学者利用Sn基、Al基、Sn-Al、Sn-Zn等固态钎料实现了铝合金、铝基复合材料、钛合金、陶瓷、钛合金与铝合金、陶瓷与钛合金等材料的超声波钎焊。

Wielage等[15]采用超声波钎焊的方法连接了A12O3颗粒增强的铝基复合材料，选用Sn作为钎料，如图3所示，将钎料箔放置于母材间的水平缝隙中并加热至熔化，垂直于该缝隙面将超声波振动施加于母材上板，并在一定的压力下完成钎焊连接，作者认为空化效应和摩擦作用使得母材表面氧化膜去除，实现了钎料与母材的润湿结合。

Nagaoka等[16]采用如图4所示的超声波辅助钎焊装置，并采用Al基钎料实现了大气条件下Ti/Ti以及Ti/SS（不锈钢）的钎焊连接。Al基钎料为Al-2.5Mg-0.3Cr（质量分数，%），钎焊温度为670℃，超声波作用6s即可实现完整无缺陷的接头。

在许志武[17]研究的复合材料表面氧化膜的去除机制（潜流辅助破除机制和直接破除机制）的基础上，赵维巍等[18]采用如图5方式进行了Al18B4O33/Al基复合材料的超声波辅助钎焊。发现在超声波作用下液态Zn-Al钎料能够快速地填充整个钎缝间隙，这是一种非润湿填缝行为，并认为间隙内外的声压差是导致液态钎料毛细填缝的主要驱动力；采用甘油-水混合物代替钎料时，铝合金表面被空化效应所破坏，深度可达300nm，远超过氧化膜厚度，因此提出空化破膜为液态钎料溶解母材表层提供通道。

张洋等[19]采用超声波辅助毛细填缝和预置中间层两种钎焊方法实现了高体积分数55vol.%SiCp/A356复合材料的钎焊连接。发现与复合材料基体合金相比，液态Zn-A1钎料润湿复合材料表面SiC颗粒所需超声波作用时间相对较长，且Zn-Al与SiC陶瓷形成电子型结合界面。当适当提高焊接温度并施加超声波作用足够长时，钎料能够对复合材料基体形成大量溶解，使得SiC颗粒进入焊缝，从而形成了SiC颗粒增强的复合焊缝。

李远星等[20]采用Sn-Zn钎料实现了2024铝合金的超声波钎焊连接。发现与纯Sn相比，采用Sn-4Zn钎料的接头强度可提高4倍以上。采用纯Sn的接头断裂发生于界面处，而采用Sn-4Zn的接头断裂发生于钎缝内部。在Sn-4Zn/2024A1界面处存在一层非晶过渡层，强化了界面结合，而非晶层的形成被认为是超声波空化效应造成的。

马志鹏[21]采用直接超声波钎焊工艺和超声波预涂覆钎焊工艺实现了TC4钛合金和2A12铝合金以及55%SiCp/ZL101A铝基复合材料的非真空钎焊。钎焊前780℃TC4浸纯铝4min后又在超声波作用下420℃浸钎料2min。研究发现浸ZnAl钎料时界面处形成块状的TiAl3化合物；而当浸ZnA10.8Si时，界面处的TiAl3化合物转变为条状的Ti7A15Si12化合物。研究发现超声作用除了能够去除母材氧化膜，还提高了液态原子的扩散速率，并降低了化合物的反应温度和时间。

陈晓光[7]采用超声波钎焊工艺实现了SiC陶瓷和Ti-6A1-4V钛合金的钎焊，采用Al-12Si作为钎料，界面结合良好，但由于接头残余应力较大，SiC陶瓷内部发生开裂。通过将Sn、Zn、Mg等元素加入A1-12Si钎料中制备了A1-15.5Sn-9.5Si-4.5Zn-0.5Mg钎料，该钎料的凝固温度降低至186℃，但熔化温度仍高达561℃。采用该钎料超声波钎焊连接SiC和Ti-6A1-4V，界面均实现了良好结合，且未发生SiC陶瓷开裂现象。

魏晶慧[22]采用超声波钎焊工艺实现了Fe36Ni合金与55%SiCp/A356复合材料异种材料的钎焊。当采用ZnA1Si作为钎料，合适工艺为Fe36Ni在下，铝基复合材料在上，超声加载在下板，最高接头剪切强度可达到114MPa，断裂位置位于Fe36Ni合金侧界面。当采用Sn20Zn钎料时，Fe36Ni合金侧界面由自身连接时的FeZn化合物转变为Fe3A12（SiO4）3，并且在焊接温度300～360℃，超声作用1～3s，保温时间0～60min时，厚度和形貌不随工艺参数的变化而变化。剪切强度稳定在75MPa，断裂位置位于Fe36Ni侧界面的SnZn钎料中。

2.2超声波辅助真空钎焊

以上的研究都是针对大气环境下超声波钎焊的研究，目前国内外对于真空环境下超声波辅助钎焊的研究较少，这主要是由于大气环境下利用超声空化作用就可以代替钎剂去除氧化膜，即可实现接头性能优良的超声波钎焊，通常无需抽真空，大大降低了制造成本。但大气环境下的超声波钎焊不能在钎焊之前保护已经清洁的表面，也不能降低钎料本身的表面张力，对于一些抗高温氧化能力较差的被焊母材和活性钎料，还有一些对性能要求较高的钎焊产品，在真空环境下进行超声波钎焊还是有必要的。宋晓国[23]等人采用了超声波辅助真空钎焊分别对2014铝合金和55%SiCp/A356复合材料进行搭接焊接，均实现了良好的界面结合，获得良好的接头强度。

3结束语

超声波钎焊由于其无需钎剂的性能，被广泛应用于电子元器件的焊接中。目前超声波钎焊的研究主要集中在对各种材料的焊接接头力学性能和微观组织的研究、氧化膜的破碎机理的研究，而在超声波对于钎料润湿影响、超声波钎焊机理的研究还不多，建议今后对于超声波钎焊研究的重点在于：①继续新型材料以及新型连接材料的超声波钎焊焊接工艺研究；②超声波钎焊机理研究：钎料的润湿及铺展动力学、超声波在焊件以及钎料中的传播机制。

参考文献

[1]冯若，李化茂.声化学及其应用「M.合肥：安徽科技出版社，1999：45.

[2]张旭，方洪渊，范富华，等.铝合金超声波镀覆钎料的试验研究[J].电子工艺技术，1995（2）：9-12.

[3]Anon.Ultrasonicsolderinggivesaluminumaboost[J].ModernMetals，1974，30（7）：97-102.

[4]李明雨.钎料液滴激光强迫超声振动及对钎料润湿的影响[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2001：1-48.

[5]GunkelRW.Solderaluminumjointsultrasonically[J].Wel

dingDesignandFabrication.1979，52（9）：90-92.

[6]IkamiH，KatoS.Thetechniquesforjoiningofaluminiumtodissimilarmetalsbyultrasonicsoldering[J].Hinku/JournaloftheVacuumSocietyofJapan，1996，39（6）：284-287

[7]陈晓光.SiC陶瓷与Ti-6A1-4V合金超声波辅助钎焊的润湿结合机制及工艺研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013：1-134.

[8]FrechT.UltrasonicdieattachmentatEWI[J/OL].Insights，2007，20.3.6：4-6[2011-06-20].http：//

[9]NoltingkB，NeppirasE.Ultrasonicsolderingirons[J].JournalofScientificInstruments，1951，28：50.

[10]WendtME.Portableultrasonicsolderingpot：American，US3995584[P].1976-02-07.

[11]NakaM，HafeK.ApplyingofultrasonicwavesonbrazingofaluminatocopperusingZn-A1filleralloy[J].J.Mater.Sci.，2003，38（16）：3491-3494.

[12]NakaM，MaedaM.Applicationofultrasoundonjoiningofceramicstometals[J].Eng.Fract.Mech.，1991，40（4-5）：951-956.

[13]HafezKM，NakaM.Effectofultrasonicwaveonthemorphologyoffracturesurfaceofalumina/copperbrazing[J].NovelMater.Process.，2005：451-453.

[14]GraffK.Macrosonicsinindustry：ultrasonicsoldering[J].Ultrason.，1977，15（2）：75-81.

[15]WielageB，HoyerI，WeisS.Solderingaluminummatrixcomposites[J].Weld.J.，2007，86（3）：67-70.

[16]NagaokaT，MorisadaY，FukusumiM，etal.JointstrengthofaluminumultrasonicsolderedunderliquidstemperatureofSnZnhypereutecticsolder[J].J.Mater.Process.Tech.，2009，209（11）：5054-5059.

[17]许志武.铝基复合材料超声辅助钎焊的润湿及钎缝复合化机理[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008：73-98.

[18]赵维巍.超声波钎焊物理机制及应用工艺研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008：37-57.

[19]张洋.超声波作用下SiC与Zn-Al连接界面行为及焊缝强化机理[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009：33-90.

[20]李远星.2024A1超声波辅助软钎焊工艺及连接界面接合机制[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012：57-109.

[21]马志鹏.钛合金与铝基复合材料连接界面化合物形成机制及超声钎焊工艺研究.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011：19-21.

[22]魏晶慧.Fe36Ni合金与SiC/Al复合材料超声波钎焊的界面结构形成机理及接头性能研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013：120-125.

[23]宋晓国.超声波辅助真空钎焊设备[P].中国，CN10339

4783A.2013-11-20.

超声波篇3

陈雄生

(上海中核维思仪器仪表有限公司上海201614)

摘要：本文介绍了气体超声波流量计中采用的一种中心频率可变的带通滤波电路设计方法，通过软件控制改变中心频率以适应不同频率的换能器，提高流量计抗干扰能力同时方便调试、生产。

关键字：气体超声波流量计超声换能器可编程滤波器频率

近年来，随着天然气能源的快速发展，对燃气计量仪表的需求越来越多，气体超声波流量计以其自身的优势在我国天然气计量领域得到了广泛认可，国产气体超声流量计性能不断提升，正逐步替代国外品牌及传统流量计。

气体超声波流量计计量系统主要由表体（超声换能器、测量管段）、信号处理单元、及其配套的温度和压力变送器等部分组成。其中负责超声波信号发射和接收的超声换能器以及超声波信号处理单元正是决定流量计性能指标的关键部件，本文重点介绍一种超声波信号处理单元采用的以开关电容滤波器LTC1264为主，通过处理器以PWM方式控制滤波器中心频率的电路设计方法。

1、信号处理单元组成

信号处理单元包括超声换能器驱动、信号放大、滤波、检波、增益控制、信号识别、计时、处理器等电路。现场测量环境中不可避免地存在噪声干扰。为提高气体超声波流量计的抗干扰能力、增强超声波信号识别的可靠性，对超声波信号进行滤波处理是非常必要的。滤波电路的种类很多，其主要目的都是实现超声波信号通过滤波电路能有效的衰减低频或高频干扰信号，提取有用的信号，增强实际检测的信噪比。

2、滤波器参数分析

设计滤波器时主要考虑的参数有品质因数Q值、中心频率、增益值，Q值和中心频率决定滤波器带宽[1]。目前大多数超声波流量计使用超声换能器的频率一般在60～200KHz之间，根据LTC1264原理及时钟与中心频率之间的关系，通过改变输给LTC1264的时钟而改变滤波器的中心频率，以匹配不同换能器信号[2]。

滤波器品质因数高，会衰减接收信号前部分波形幅值，不利于信号识别，特别是对采用电平比较方法来识别信号的流量计，所以本文介绍的滤波器设计的Q值等于1。这样有利于区别信号与噪声，即使管道内气体流速比较大时，也不易出现丢波或误触发现象，保证声时测量准确。

接收到换能器信号是十分微弱的，一般只有几毫伏，每一路接收换能器有一级倍数固定的前置放大器，前置放大后，有一级增益自动控制电路，实现在不同的气体压力和流速下，信号幅度输出保持一致。有专门的增益调整电路，所以滤波器增益一般设置成H＝1。

3、主要元器件介绍

3.1开关电容滤波器LTC1264

LTC1264是凌力尔特公司推出的一款高速时钟输入开关电容滤波器，由4个二阶滤波模块组成，模块之间可级联形成八阶滤波器，每个模块通过几个电阻能实现低通、高通、带通及带阻等功能，其时钟与中心频率比内部固定20：1或通过电阻改变。具有多种工作模式，可设计成巴特沃兹、贝塞尔、切比雪夫等滤波器[3]。当Q值小于2，电源电压工作在正负7V时，最高中心频率达250KHZ。本电路中采用4个二阶滤波器级联的方式组成八阶带通滤波器，以衰减信号中的低频和高频部分。

3.2、核心处理器

本电路采用了ST公司的STM32F103系列32位处理器作为主控器，主频最高72M，存储器空间大，资源丰富[4]，有多达4个能配置成PWM输出的定时器，而且每个定时器可同时输出周期的、占空比可调的4路PWM信号输出，不占用CPU任何时间。理论上PWM信号频率能达36MHz，完全满足滤波器所需的时钟要求。通过串口上位机把超声换能器频率等仪表参数传输给处理器，处理器计算出滤波器时钟信号输出LTC1264，从而控制滤波器中心频率。

4、软件分析

STM32系列处理器软件开发不同于51单片机等的开发，STM32功能强大，不仅接口资源丰富，而且需操作的寄存器数量多，如果直接操作寄存器工作量大、容易出错、移植比较困难，所以一般在ST公司提供的库函数基础上进行开发。

这里主要介绍一下根据超声换能器频率计算时钟CLK频率的方法，假设处理器接收到的频率参数放在变量SignalFreqValue中，根据滤波器时钟与中心频率比20：1，可得时钟频率CLKFreqValue=SignalFreqValue*20；

处理器主频为72M时，那么定时器的计数寄存器值CNTValue=72000/CLKFreqValue，定时器是从0开始计数的，所以CNTValue还应该加1，考虑到PWM输出占空比能50％时滤波效果最佳，当CNTValue是偶数是不加1，是奇数时加1；这时定时器的比较寄存器值CCR1Value=(CNTValue+1)/2。

5、实测结果

对实际电路进行测试，本试验中设置的滤波器中心频率为100KHz，采用信号发生器作为滤波器输入信号，通过示波器观察滤波器的信号变化，其增益与输入信号频率关系如图1所示。从图中可看出，滤波器对低频段噪声信号的衰减比高频段快。由于在实际燃气计量应用现场中，出现低频段噪声的概率远大于出现高频段噪声的概率，所以该滤波电路适用于气体超声流量计的信号处理单元。

图1滤波器增益与信号频率关系

6、结论

通过对电路的测试，滤波器功能符合设计要求，能有效的滤除低频或高频信号的干扰，保证燃气计量的准确性、可靠性。在PCB布局布线时要注意，LTC1264电源引脚旁尽可能靠近的放置滤波电容，在CLK引脚串联一个几十欧姆的电阻，防止时钟信号过冲影响信号，时钟信号与滤波器采用单点接地技术。

参考文献

[1]康华光主编电子技术基础模拟部分(第四版）高等教育出版社。

[2]单财良，鲁千红，罗玉文，祁炜。基于LTC1064的多功能程控滤波器，《空军雷达学院学报》2010年第01期

[3]赵保祥，刘东升。基于LTC1068-200的低频带通滤波器设计，《电子设计工程》2011年第21期

[4]刘火良，杨森。STM32库开发实战指南。机械工业出版社。

作者简介

超声波篇4

关键词:超声波新型信号调理

中图分类号:TM1文献标识码:A文章编号:1007-3973(2010)02-097-02

1引言

超声波技术的发展越来越快,使用范围越来越广,但是有时候却面临着因为检测回波的电路精度不高,检测技术不够好,导致回波中的信息无法提取出来的尴尬。因此研制精确度高,检测效果好的调理电路确实很有必要。本系统采用的方案信息的保存度较好,引入的不必要噪声要小,结果的可信度较高。

2信号调理电路的构成

一般来说超声波的回波信号都很微弱通常为毫伏级几毫伏~几十毫伏不等,有的甚至还会有几十上百伏的干扰电压,所以调理电路的第一级为限幅电路,将电压限制在20毫伏以下,以确保回波信号经过放大后不会对后面的电路产生影响;第二级为前置放大电路,进行阻抗变换和固定增益放大;第三级为带通滤波器,滤除干扰信号,留下有用的信号段;第四级为可变增益放大,根据信号的大小将信号放大至可被AD采样的范围。回波信号经过这些处理后就能被AD采样进而变为数字信号,方便后面做进一步的处理。

3阻尼限幅电路

限幅电路的作用去除过高或过低的电压信号,保护电路不因为太高或太低的电压,造成电路工作不正常。当输入电压超过或低于某一参考值后,输出电压将被限制在某一电平(称作限幅电平),且再不随输入电压变化。回波信号的电压段经过相同增益的放大后,大电压值部分可能会对后续电路有不利影响,所以应选用上限幅或上下同时限幅的结构。

3.1直接截去幅值的限幅电路

假设二极管的导通电压为U0,则该电路可以有效的将通过电容虑直后的信号限制在(-U0-U2,U0+U1)输出,以保证后续电路的稳定工作。该限幅电路引入了电压源进行限幅电压的选择,所以可以通过控制电压源来选择限幅电压的电压值。

图1

3.2不失真压缩的限幅电路

有的超声波检测仪采用的是单发单收的模式,所以在接收的信号中难免会夹杂发射时残留的高压,这种电路则可以有效的限制高压,保护后续电路。下图限幅电路采用的是两极限幅,B点左边的限幅电路可以将信号电压限制在小于“限幅电压”的范围内,后一级限幅电路则将电压限制在(-U0,+U0)(U0为二极管导通电压)。而且电容C1、C2可以有效的防止直流“限幅电压”被耦合到接收端和信号输出端。

图2

上述两种电路进行系统仿真后的结果如下:

图3

图4

采用同样的输入信号后,为了保护后续的电路不受影响,第一种方案直接将部分信号直接截去,这样就会造成信号的失真;而第二种方案则是通过电压变换将幅值缩小到那但是信却保证了信号的完整性。而且可以合理设定限幅电压的电压值和电阻的比例来限制通过的最大幅值。

4前置放大电路

接收回波的探头相对于接收电路可以看成是“电源”,探头内阻相当于电源内阻,而前置放大部分就相当于电源的负载。由于负载效应,实际进入接收电路的信号电压为。因为超声波回波电压本来就很微弱,所以应该尽量减少信号电压因为负载效应而产生的损失,因此前置放大电路采用两级组成,作用有两个方面:一是能尽可能完全接受回波信号的电压,二是对回波信号进行线性放大。前一级为电压跟随器,后一级为普通放大电路。

因为回波信号多为毫伏级的电压信号,因此对前置放大器的后一级也有很高的要求。如果运放的失调电压过大则会因为噪声过大影响输出电压的有效性,使输出信号变成无用信号。而且因为超声信号是突变信号,电压瞬时的变化会很大,如果运放的摆率不够大,则当电压信号突变时,放大器就无法捕捉到回波信号。而且运放的带宽越大则信号畸变越小。运算放大器TL082是以整理的J-FET栓运算放大器,其特点有:较低的输入偏置电压和便宜电流:输入级具有较高的输入阻抗,内见频率补偿电路,较高的压摆率。所以选择TL082,电路图如下:

图5

5滤波电路

滤波电路有低通、高通、带通和带阻四类,而对我们有用的信号的频率则是与发射信号频率范围相当的频率,所以我们应该让频率段以外的信号迅速衰减,以保留有用频率。

5.1无源滤波器

无源滤波器的电路简单,具有非常低的噪声,不需要能源,具有宽广的动态范围。但其所需能量均来自输入,因而带负载的能力差。不是特别适合。

5.2单一带通滤波电路

用一个单独的带通滤波器进行滤波,结构较为简单,可以通过改变相应电阻的阻值可以实现中心频率可变的带通滤波器。滤波器的中心截止频率为

5.3由两个滤波器组成的带通

用一个低通和一个高通滤波器进行滤波,通过两个滤波器的重合部分来选择有用的信号。但是若要设计成滤波频率可变的带通滤波器,相对于前一种结构则有点复杂。所以相比之下在可变频率的带通滤波器结构中又一片芯片够成的带通滤波器更合适一些。

低通截止频率:

高通截止频率:

将上述三个滤波器进行实验后可依次得出相应波特图,对比上述三个滤波器的幅频特性曲线的中心截止频率、带宽及衰减特性可以看出同等条件下第二个滤波器的滤波效果更好。所以选择第二种滤波器。

6可变增益放大电路

可变增益放大电路的目标是使运算放大器的放大倍数变化,从而使放大后的信号能有效的被后续电路使用。通过改变放大器的电压值来调节放大倍数,通过改变电压差来实现增益可变,原理简单,容易实现。所采用的运放为AD603,很适合构成程控增益放大器。

7结束语

通过以上几项进行试验,由各系统的实验结果可以看出我们所选的系统各部分的组成能更好的完成超声波的检测,能更有效的完成数据的前期采集对后续数据的分析提供更可靠的数据。

参考文献:

[1]廖强.数字化超声波探伤仪的设计与实现[D].重庆大学,2009年4月.

超声波篇5

一、受检设备基本情况

压力容器名称：油水分离器容器类别：Ⅱ设计压力：2.4Mpa

材质：16MnR容器规格：φ1200×3400×16

二、容器对接焊缝检测比例、检测部位、技术要求及其他

1.检验比例：在容器检验方案中规定A、B类焊缝≥20%超声波抽查。

2.焊缝坡口型式：X+V（封头和筒体最后一道环焊缝）。

3.检测焊缝部位示意图如下：

4.焊接方法：埋弧自动焊+焊条电弧焊+氩气保护焊（最后一道环焊缝打底焊）。

5.未开设人孔，从外部做超声波检测。

6.焊缝单面双侧锯齿形扫查，用一次波及二次波检测。

7.执行标准：JB/T4730.3-2005，合格级别：2级。

三、检测仪器装备准备情况

1.超声波探伤仪：CTS-26一台

2.探头：2.5P9×9K2一个

3.试块：CSK-ⅠA、CSK-ⅢA各一块

4.耦合剂：机油一桶

5.其他：不锈钢直尺一把、纱布若干

四、其他检验情况

该容器其他检验项目如资料审查、外观检验、壁厚测定、磁粉探伤均已完成，未发现严重超标缺陷。实测最小壁厚为16.0mm，封头直边长度50mm。

五、仪器及探头调节及绘制距离波幅曲线

1.用CSK-ⅠA试块测探头前沿和K值。前沿l0=9mm,K=2.0。

2.用CSK-ⅠA和CSK-ⅢA试块调节扫描比例和绘制距离波幅曲线。

扫描比例：深度1：1

各深度φ1×6的反射波高均达到基准波高（80%满屏）的dB值。耦合补偿为4dB。

六、检验检测过程

以二次波最大声程处的评定线dB值作为扫查灵敏度即26.5dB，作锯齿形扫查。A1、A2、A3、B1、B2、B3焊缝均未见异常回波，但从封头处扫查B4焊缝时，当探头靠近焊缝边缘附近时发现在示波屏水平距离30mm处有一发射波很高，在Ⅲ区，超过判废线10dB以上，经水平定位反射波所在位置在焊缝外侧筒体母材上，左右移动探头长度，长度约300mm。该容器的检验员怀疑此反射波为母材分层缺陷回波，由于现场没有测厚仪和直探头，检验员无法确定，特把本人叫到现场帮助分析判断。

七、对反射波的分析与判断

1.核对检测技术参数

本人到现场后，首先用试块校核探头前沿、K值，接着校核扫描比例和距离波幅曲线，均无问题。

2.观察容器外观情况和查询容器出厂资料

观察发现B4焊缝两侧母材有一些错边。查阅质量证明书，该焊缝为V形坡口，氩弧焊打底，焊条电弧焊填充、自动焊盖面。

3.确定几个重要参数

①探头前沿l0=9mm;②K=2.0;③扫描比例：深度1∶1;④错边2mm；⑤V形坡口；⑥反射波为2次波⑦焊缝外表面宽度为20mm

4.作图并重新扫查怀疑部位

首先确定探头所在位置。

当探头入射点在A点时，在示波屏30mm处产生一反射波，波高超过判废线，经测量其水平位置应在C点处，向后移动探头，当入射点超过B点，则反射波高迅速降低至消失。探头在A、B之间移动时，在示波屏反射波的位置和波高基本保持不变。测量得AB两点距离为5mm。因封头直边为50mm，探头在A、B点之间移动区域均在封头直边区域，排除了在封头弯曲部位产生反射回波的可能性。

5.分析

一次波反射点E的位置：由于封头母材与筒体母材之间存在2mm的错边，一次波到达底面的最小声程所对应深度应为16-2=14mm，即AE深度距离为14mm,所对应水平距离为14×2=28mm，AE水平距离为28mm，根据水平计算，28-10-9=9mm,即E点到焊缝中心距离9mm,又由于是V形坡口，焊缝内表面半宽应小于9mm，超声波在A点入射处的一次波的反射点应在筒体母材底面。如果一次波到达底面的最小声程所对应深度大于14mm，经计算这种情况不存在。

二次波反射点C的位置：EC的深度距离=30-14=16mm，因壁厚δ=16mm,所以C点应在筒体外表面，反射波是外表面的反射回波。EC水平距离为32mm。

同理推得：当入射点在B点时，其一次波反射点F应为内表面焊缝边缘部位，其二次波反射点D点也应在筒体外表面，且AB=EF=CD=5mm。F点距焊缝中心为4mm，即焊缝内表面半宽为4mm。

6.判断

本人认真进行检测操作，其检测操作状况与画图计算几乎完全吻合，本人断定此反射波为筒体上表面反射回波，而不是分层缺陷回波。