检测装置电路设计论文范文

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1电路设计与选型

电路设计尤其是超声波信号的收发处理采用诸如TX734激励电路、MAX2038回波放大处理电路等专用IC效果固然理想，但考虑到研发专用设备仅需小批量试制的因素，故在电路方案选型设计时遵循简单实用、器件易于采购的原则，尽量选用通用元器件实现，系统电路主要由超声波发射激励和电源变换单元、超声波回波信号处理单元、时间差测量单元、单片机控制和数据处理单元组成。排版布线亦尽量参照IC生产厂商的DEMO方案，采用贴片元件的双面PCB设计制作，以提高样机研发的一次性成功率。

1.1超声波收发电路由于检测装置工作于井下，井口只为其提供了一路＋24V直流电源，各单元电路的工作电源需要依靠DC／DC变换电路获得。控制系统和信号处理系统使用的＋5V和±12V电源由LM2596－5．0承担，其主路输出＋5V／2A电源供单片机等数字系统使用，将其储能电感改用5026－47μH环形功率电感，并在其上增加两个辅助绕组，经整流、滤波和LM78（79）L12三端稳压IC后产生±12V／0．1A直流电源供信号处理系统使用；超声波发射采用了高压脉冲激励方式，＋200～300V激励电压由＋24V供电电压经简单的Boost升压电路获得，利用单片机送来的1ms周期、5μs脉宽脉冲信号控制MOSFET开关管实现对超声波发射探头的激励，储能电感选用TDK－NL565050T－822J－PF（8．2mH）贴片电感，NMOS开关管选用2N60即可。超声波激励及电源变换电路如图2所示。经实测，激励脉冲会在接收探头中产生一个较大的谐振频率为5MHz、大约5个周期的串扰信号，为此，接收电路设计了一个对发射激励脉冲延迟6μs、持续30μs的使能控制信号，控制接收放大处理电路仅在使能信号有效期间实现回波信号的放大和输出，使之能够在钢管内壁和外壁反射的一次、二次回波信号到来之前有效地消除激励脉冲串扰的影响，使能控制信号时序关系见图3。检测装置中用于时间差测量的TDC－GP2的典型应用是作为超声波流量计、激光测距仪的时间间隔测量、频率和相位信号分析等高精度测试领域。在这些应用中输入信号一般都较强，经简单处理后即可作为TDC－GP2的START、STOP控制信号使用，而该检测装置的超声波回波信号尤其是多次反射回波信号非常微弱且杂波较大（实测回波信号大约在mV数量级），必须经高增益宽带放大器放大和滤波、检波、整形处理后才能胜任。宽带放大器由AD604承担，可获得6～54dB的增益并可由VGN端电压连续控制，可较好地满足超声波回波信号高速高增益放大的要求［2］。考虑到仅需将回波信号放大处理后形成STOP控制脉冲即可，故电路仅利用可调电阻对2．5V基准电压（由TL431产生）分压获得的VGN电压进行增益设定，但设计电路亦有预留接口可用于接受经单片机和DAC输出的AGC控制电压，实现增益的闭环控制。AD604前级放大电路如图4所示。带通滤波器选用由MAX4104构成，设计中心频率为5MHz，带宽约为1MHz；钳位和检波由AD8036完成，具有卓越的钳位性能和精度高、恢复时间短、非线性范围小、频带宽的特点；检波输出信号的整形处理由MAX9141负责，这是一款具有锁存使能和器件关断功能的高速比较器，具有高速、低功耗、高抗共模能力和满摆幅输入特性等，回波信号经其整形处理后可获得理想的脉冲前沿，并便于与TTL逻辑电平接口，还可以方便地实现回波信号输出的使能控制。信号调理电路如图5所示。

1.2时间差测量电路回波信号时差测量选用了德国ACAM公司的高精度时间间隔测量芯片TDC－GP2。TDC－GP2采用44脚TQFP封装，内含TDC测量单元、16位算术逻辑单元、RLC测量单元及与8位处理器的接口单元和温度补偿单元等主要功能模块，利用内部ALU单元计算出时间间隔，并送入结果寄存器保存。TDC－GP2基于内部的硬件电路测量“传输延时”，以信号通过内部门电路的传输延迟来实现高精度时间间隔测量，测量分辨率可达pS数量级，可以很好满足项目测量的要求。单片机在给超声波传感器提供发射激励脉冲的同时给TDC－GP2提供START信号指令使之开始计时工作，超声波接收头接收到的反射回波信号经放大、处理后作为STOP指令信号，由TDC－GP2完成两次反射波时间间隔的测量。由前述可知，STOP与START信号的时间差大约在6～40μS之间，时差测量分辨率约为0．07μs，为此，设定TDC－GP2工作于“测量模式2”，在该模式下芯片仅使用通道1，可允许4个脉冲输入，实现STOP1与START信号之间的时间差测量，测量范围在60ns～200ms，然后，由TDC－GP2计算出各回波信号间的时间差Δt＝tB－tS＝tn－tn－1。测量原理如下：在输入START信号指令后，芯片内部测量出该信号前沿与下一时钟上升沿的时差，标记为Fc1；之后，计数器开始工作，得到predivider的工作周期数，并标记为Cc；这时，重新激活芯片内部测量单元，测量出输入的STOP1信号的第一个脉冲（一次反射回波）前沿与下一时钟上升沿的时差，标记为Fc2，将STOP1信号的第二个脉冲（二次反射回波）前沿与下一时钟上升沿的时差标记为Fc3，……；Cal1和Cal2分别表示一个和两个时钟周期。

1.3单片机接口电路实现系统控制和数据处理的单片机选择余地较大，项目结合TI公司中国大学计划选用了美国德州仪器公司生产的MSP43016位单片机，具有16位总线、带FLASH的微处理器和功耗低、可靠性高、抗强电干扰性能好、适应工业级运行环境的特点，很适合于作现场测试设备的控制和数据处理使用［4］。TDC－GP2其与单片机的通信方式为四线串行通信（SPI），利用MSP430的4个P2．x和P4．2I／O口实现GP2的选通、中断和开始、结束使能以及复位等控制功能。MSP430除用来对GP2控制和数据处理外，还可以留出一些资源实现设备其他电路和动作机构的控制使用。单片机接口电路原理和程序流程分别如图8和图9所示。

2结束语

项目样机用一根长2m，φ275mm管径的废旧储气井钢管，在适当位置加工了10mm宽、20mm长，2mm、4mm、6mm、8mm、9mm深的5个凹槽进行试验检测。检测装置扫描采样频率1000Hz，探头转速120r／min，提升速度20mm／s，仅1．6min即完成了2m样管的扫描检测，并可对检测出的管壁凹槽深度9mm部位作出报警［5］。采用定速法（设定声速为5900m／s）的测量结果与采用某国产便携式测厚仪测得的结果对照比较见表1。采用上述定速法测量误差稍大，由测量原理可知，管壁厚度是在测量得到超声波传播时间差和设定声速v后由公式d＝0．5vΔt计算得到。资料和实测表明，在0～40℃时温度对声速的影响很小可忽略不计，而在不同材质钢管中超声波传播速度大概在5400～6200m／s，这将直接影响其传播时间差，从而对测量结果造成最大约10～15％的误差，所以有必要进行声速的精确标定。项目样机选取一段井管加工成10mm壁厚的样管，并设计以下程序进行测量前的井口声速标定，程序流程如图10所示。超声波入射角对测量结果也有较大影响，应严格将由于探头安装误差造成的入射角控制在14．5°之内，否则超声波将有可能由于折射而转变为横波，这将对测量结果产生极大影响，而较小入射角造成的误差实际上通过上述的井口标定可以基本消除，采取现场检测标定的方法可使检测误差减小到1％～2％左右，如采用计算机数值处理的方法还可使误差进一步减小［6－7］。以此为核心开发研制的CNG地下高压储气井专用检测装置设备样机具有体积小、重量轻、成本低、使用方便和可提供高质量、高精度，定点、定量检测结果的特点，可以方便地应用于现场维修检测工作中，大约仅需2．5h即可完成200m储气井的扫描检测，获得约250点／行的检测数据，经计算机处理后获取检测结果曲线或图像。

作者：姜涛单位：四川理工学院自动化与电子信息学院