一種超聲波泥水界面測量裝置的制作方法
本實用新型涉及超聲波測量領域，尤其涉及一種超聲波泥水界面測量裝置。
背景技術：
水處理過程中的沉淀池其泥層厚度是重要的過程控制參數，一般采用泥水界面計進行測量。常見的泥水界面計有兩種，一種是光電式測量方式，其結構比較復雜，使用維護工作量大，實際中很少采用；一種是超聲波泥水界面計，實際中部分場合使用效果不佳，主要是由于泥層情況復雜，有些泥水明顯分層，界面清晰；有些泥層從低濃度逐漸過度到高濃度，界面不清晰；還有些浮泥超聲反射信號很微弱，導致測量的超聲波信號動態范圍大，信噪比差。
技術實現要素：
本實用新型所要解決的技術問題是提供一種超聲波泥水界面測量裝置，本實用新型采用發射增益控制技術，在優先提高信噪比的前提下大大提高了信號的動態范圍和泥層分辨能力，從而能夠適應更多的工況。
本實用新型解決上述技術問題的技術方案如下：一種超聲波泥水界面測量裝置，包括中央處理單元、換能器驅動電路、換能器、第一限幅電路、第二限幅電路、第一差分放大電路、第二差分放大電路和檢波電路；所述中央處理單元，與所述換能器驅動電路連接，用于控制所述換能器驅動電路驅動所述換能器發射超聲波信號；所述第一限幅電路，與所述換能器連接，用于對所述換能器輸出的回波信號進行限幅；所述第一差分放大電路，與所述第一限幅電路連接，用于對所述第一限幅電路的輸出信號進行差分放大；所述第二限幅電路，與所述第一差分放大電路連接，用于對所述第一差分放大電路的反饋信號進行限幅；所述第二差分放大電路，與所述第一差分放大電路連接，用于對所述第一差分放大電路的輸出信號進行差分放大；所述濾波電路，與所述第二差分放大電路連接，用于對所述第二差分放大電路的輸出信號進行濾波；所述檢波電路，與所述第二差分放大電路連接，用于對所述第二差分放大電路的輸出信號進行檢波；所述中央處理單元，還與所述檢波電路連接，用于根據檢波電路的輸出信號獲得泥水界面狀況。
本實用新型的有益效果是：
1、第一限幅電路能夠對較大的回波信號進行限幅，為第一差分放大電路提供過壓保護，而對于較小的回波信號則完整保留，提高了信噪比；
2、第一差分放大電路的反饋部分采用限幅電路對反饋信號進行限幅的方式，能夠實現對回波信號的非線性放大，有利于正確分析泥水界面。
在上述技術方案的基礎上，本實用新型還可以做如下改進。
進一步，還包括濾波電路；所述濾波電路，與所述第二差分放大電路連接，用于對所述第二差分放大電路的輸出信號進行濾波；所述檢波電路，與所述濾波電路連接，用于對所述濾波電路的輸出信號進行檢波。
采用上述進一步方案的有益效果是，阻止特定頻率的噪音信號，提高信噪比。
進一步，所述換能器驅動電路包括場效應管驅動電路、直流放大電路、變壓器和場效應管；所述場效應管驅動電路，與所述場效應管的柵極連接，用于根據中央處理單元輸入的方波信號驅動所述場效應管的通斷；所述場效應管的漏極和所述直流放大電路的輸出端分別與所述變壓器的原邊連接，所述變壓器的副邊分別與所述換能器連接，所述變壓器用于在所述場效應管導通時將所述直流放大電路的輸入信號的電壓放大后輸出至所述換能器。
采用上述進一步方案的有益效果是，通過變壓器原邊直流電壓的變化實現了發射功率的調整，實現方法簡單可靠性高，避免采用固定功率的發射容易導致小范圍測量時多次回波的誤判和飽和的問題，另外采用變壓器實現了強弱電隔離。
進一步，所述第一限幅電路包括電阻R1、電阻R2、二極管D1和二極管D2；所述電阻R1的一端連接換能器的接收端的正輸入端，另一端分別連接二極管D1的陽極和二極管D2的陰極，二極管D1的陰極和二極管D2的陽極分別連接電阻R2的一端，電阻R2的另一端連接換能器的接收端的負輸入端。
采用上述進一步方案的有益效果是，當二極管D1和二極管D2的分壓大于其導通電壓時，能夠對較大的發射信號和池底等回波信號起到雙向限幅的作用，從而將第一差分放大電路的輸入電壓限制在一定范圍內，起到過壓保護的作用，當二極管D1和二極管D2的分壓小于其導通電壓時，從而完整保留很小的泥面回波信號，提高了信噪比。
進一步，所述第二限幅電路包括二極管D3和二極管D4；所述二極管D3的陽極和二極管D4的陰極分別與反饋電阻Rf的一端連接，二極管D3的陰極和二極管D4的陽極分別與反饋電阻Rf的另一端連接。
采用上述進一步方案的有益效果是，在反饋電阻Rf上的電壓小于D3，D4的導通電壓時，D3,D4處于關斷狀態，其等效電阻RD可認為是無窮大，該放大電路對輸入信號的放大倍數為Rf/Ra，當反饋電阻Rf上的電壓大于D3，D4的導通電壓時，D3和D4的等效電阻RD和反饋電阻Rf并聯后共同組成新的的反饋電阻，其放大倍數顯然小于Rf/Ra，并且RD在電壓進一步增大時會顯著下降，甚至低于Ra，由此實現對輸入信號的非線性放大。
進一步，所述第二限幅電路包括二極管bav99；所述二極管bav99的陽極和陰極連接后與反饋電阻Rf的一端連接，二極管bav99的公共端與反饋電阻Rf的另一端連接。
采用上述進一步方案的有益效果是，在反饋電阻Rf上的電壓小于bav99的導通電壓時，bav99處于關斷狀態，其等效電阻RD可認為是無窮大，該放大電路對輸入信號的放大倍數為Rf/Ra，當反饋電阻Rf上的電壓大于bav99的導通電壓時，bav99的等效電阻RD和反饋電阻Rf并聯后共同組成新的的反饋電阻，其放大倍數顯然小于Rf/Ra，并且RD在電壓進一步增大時會顯著下降，甚至低于Ra，由此實現對輸入信號的非線性放大。
進一步，所述換能器為200KHz～1000KHz的收發一體式超聲波換能器。
附圖說明
圖1為本實用新型實施例一提供的一種超聲波泥水界面測量裝置的連接結構示意圖；
圖2為本實用新型實施例二提供的一種超聲波泥水界面測量裝置的連接結構示意圖；
圖3為本實用新型實施例提供的換能器驅動電路的結構示意圖；
圖4為本實用新型實施例提供的第一限幅電路、第一差分放大電路和第二限幅電路的連接結構示意圖；
圖5為本實用新型實施例提供的第一限幅電路、第一差分放大電路和另一種第二限幅電路的連接結構示意圖。
附圖中，各標號所代表的部件列表如下：
1、第一限幅電路，2、第一差分放大電路，3、第二限幅電路。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本實用新型，并非用于限定本實用新型的范圍。
如圖1所示，一種超聲波泥水界面測量裝置，包括中央處理單元、換能器驅動電路、換能器、第一限幅電路、第二限幅電路、第一差分放大電路、第二差分放大電路和檢波電路；所述中央處理單元，與所述換能器驅動電路連接，用于控制所述換能器驅動電路驅動所述換能器發射超聲波信號；所述第一限幅電路，與所述換能器連接，用于對所述換能器輸出的回波信號進行限幅；所述第一差分放大電路，與所述第一限幅電路連接，用于對所述第一限幅電路的輸出信號進行差分放大；所述第二限幅電路，與所述第一差分放大電路連接，用于對所述第一差分放大電路的反饋信號進行限幅；所述第二差分放大電路，與所述第一差分放大電路連接，用于對所述第一差分放大電路的輸出信號進行差分放大；所述濾波電路，與所述第二差分放大電路連接，用于對所述第二差分放大電路的輸出信號進行濾波；所述檢波電路，與所述第二差分放大電路連接，用于對所述第二差分放大電路的輸出信號進行檢波；所述中央處理單元，還與所述檢波電路連接，用于根據檢波電路的輸出信號獲得泥水界面狀況。
具體的，第一限幅電路能夠為第一差分放大電路提供過壓保護；第一差分放大電路的反饋部分采用限幅電路對反饋信號進行限幅的方式，實現小信號放大倍數由反饋電阻決定，大信號的放大倍數由限幅電路的電阻決定。由于超聲波發射后的余震信號和沉淀池底面的回波信號相比泥面信號幅值相差大，該電路既保證了泥面信號的正常放大，又不失真的保留了其他大的回波信號，相當于對回波信號進行了非線性壓縮；檢波電路能夠提取超聲波信號的包絡線。
此外，本裝置的接收放大部分可增加可編程運放，進一步提高動態范圍和靈活性。還可利用開關切換實現雙通道(兩個超聲波傳感器)采集。
可選地，作為本實用新型的一個實施例中，如圖2所示，本裝置還包括濾波電路；所述濾波電路，與所述第二差分放大電路連接，用于對所述第二差分放大電路的輸出信號進行濾波；所述檢波電路，與所述濾波電路連接，用于對所述濾波電路的輸出信號進行檢波。
具體的，濾波電路能夠阻止特定頻率的噪音信號，提高信噪比。
可選地，作為本實用新型的一個實施例中，如圖3所示，所述換能器驅動電路包括場效應管驅動電路、直流放大電路、變壓器T和場效應管K1；所述場效應管驅動電路，與所述場效應管K1的柵極連接，用于根據中央處理單元輸入的方波信號驅動所述場效應管K1的通斷；所述場效應管K1的漏極和所述直流放大電路的輸出端分別與所述變壓器T的原邊連接，所述變壓器T的副邊分別與所述換能器連接，所述變壓器T用于在所述場效應管K1導通時將所述直流放大電路的輸入信號的電壓放大后輸出至所述換能器。
具體的，通過變壓器T原邊直流電壓的變化實現了發射功率的調整，實現方法簡單可靠，調整的動態范圍大，另外實現了強弱電隔離。
可選地，作為本實用新型的一個實施例中，如圖4所示，所述第一限幅電路1包括電阻R1、電阻R2、二極管D1和二極管D2；所述電阻R1的一端連接換能器的接收端的正輸入端，另一端分別連接二極管D1的陽極和二極管D2的陰極，二極管D1的陰極和二極管D2的陽極分別連接電阻R2的一端，電阻R2的另一端連接換能器的接收端的負輸入端。
具體的，二極管D1和二極管D2能夠起到雙向限幅的作用，從而將第一差分放大電路3的輸入電壓限制在一定范圍內，起到過壓保護的作用。
可選地，在該實施例中，如圖4所示，所述第二限幅電路2包括二極管D3和二極管D4；所述二極管D3的陽極和二極管D4的陰極分別與反饋電阻Rf的一端連接，二極管D3的陰極和二極管D4的陽極分別與反饋電阻Rf的另一端連接。
具體的，在反饋電阻Rf上的電壓小于二極管D3，二極管D4的導通電壓時，二極管D3,二極管D4處于關斷狀態，其等效電阻RD可認為是無窮大，第一差分放大電路3對輸入信號的放大倍數為Rf/Ra，當反饋電阻Rf上的電壓大于二極管D3，二極管D4的導通電壓時，二極管D3和二極管D4的等效電阻RD和反饋電阻Rf并聯后共同組成新的的反饋電阻，其放大倍數顯然小于Rf/Ra，并且RD在電壓進一步增大時會顯著下降，甚至低于Ra，由此實現對輸入信號的非線性放大。
可選地，在該實施例中，如圖5所示，所述第二限幅電路2包括二極管bav99；所述二極管bav99的陽極和陰極連接后與反饋電阻Rf的一端連接，二極管bav99的公共端與反饋電阻Rf的另一端連接。
具體的，在反饋電阻Rf上的電壓小于bav99的導通電壓時，bav99處于關斷狀態，其等效電阻RD可認為是無窮大，該放大電路對輸入信號的放大倍數為Rf/Ra，當反饋電阻Rf上的電壓大于bav99的導通電壓時，bav99的等效電阻RD和反饋電阻Rf并聯后共同組成新的的反饋電阻，其放大倍數顯然小于Rf/Ra，并且RD在電壓進一步增大時會顯著下降，甚至低于Ra，由此實現對輸入信號的非線性放大。
可選地，在該實施例中，所述換能器為200KHz～1000KHz的收發一體式超聲波換能器。
另外，由于單次采集的波形信噪比較低，有效信號甚至可能完全淹沒在噪聲中，并且泥位屬于緩慢變化的信號，本實用新型通過多次采樣后求平均的方法實現了高速和高分辨率的平衡，具體計算是在儀表分辨范圍內采用了局部平滑濾波的方式進一步提高信噪比。
采集到完整的回波信號后，該裝置可以根據預設的目標信號范圍，逐步快速調整發射功率，而不是采用固定功率的發射，可以避免小范圍測量時多次回波的誤判和飽和。
在對回波信號進行處理后可在顯示屏上顯示，使得用戶可以更清楚、直觀的觀察整個池子的泥層分布情況，并且可以清楚的看到池面盲區和池底盲區，在進行泥水界面的識別前，用戶需要在顯示屏的界面上設置池面盲區設置線和池底盲區設置線來屏蔽池面盲區和池底盲區，從而去除掉發射后的余震信號，過大的池底反射信號和橋架等固定干擾信號，然后裝置開始對泥水界面進行識別測量，識別方式包括通過上升沿和峰值兩種方式，其中前者適合緩慢變化的泥水界面識別，后者適合清晰的泥水界面識別，具體的識別原理為根據發射超聲波和接收回波的時間差來進行泥水界面分析，屬于現有技術。
可選地，本實用新型可通過定時控制小型潛水泵，從地面45度方向沖洗換能器底面的方式，實現自動清洗，保證換能器可靠工作。
以上所述僅為本實用新型的較佳實施例，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
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