超声波换能器动态性能测试装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种超声波换能器动态性能测试装置。当前针对换能器动态性能测试分析回波信号整体波形，成本较高且存在大量冗余数据，整体测试效率较低的问题。本发明专利技术包括密闭管道、超声波换能器A、超声波换能器B、切换接收单元、前置差分放大单元、带通滤波单元、比较单元、时间测量单元、增益控制单元、峰值保持单元、回波信号采样单元。本发明专利技术通过测试容器内部充入不同组份、温度和压力的气体，模拟超声换能器的工作环境，采样超声波换能器回波特征信号、测量回波到达时间和当前装置内的工作温度、压力等参数，获得换能器的动态性能，实现对换能器不同工况下全面的性能测试。

【技术实现步骤摘要】
超声波换能器动态性能测试装置
本专利技术属于超声波换能器检测领域，涉及一种超声波换能器动态性能测试装置。
技术介绍
超声波流量计通常采用时差法进行流量测量，即分别用上下游两个超声波换能器发射超声波信号，测量另一个换能器所接收到超声波信号的到达时间。超声换能器作为超声流量计中的重要传感部件，其性能影响流量计的测量精度。当前对于超声换能器动态性能的研究侧重于灵敏度以及回波信号一致性，该方法通过比较回波信号整体波形相似度实现换能器动态性能差异的比较，对采样频率和计算成本的要求较高。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，提出了一种气体超声波换能器动态性能测试装置，该装置模拟气体超声换能器的不同工况环境并测试其动态性能，减少了采样数据，降低了硬件成本和换能器动态性能分析的计算复杂性，提高了气体超声波换能器动态性能测试效率。本专利技术方法是通过向测试容器内部充入不同组份、温度和压力的气体，模拟超声波换能器的工作环境，采样超声波换能器回波特征信号、测量回波到达时间和当前装置内的工作温度、压力等参数，获得超声波换能器的动态性能，实现对换能器不同工况下全面的性能测试。本专利技术实现上述方法的装置包括一个可承受一定内部压力的密闭管道、超声波换能器A、超声波换能器B、切换接收单元、前置差分放大单元、带通滤波单元、比较单元、驱动单元、时间测量单元、增益控制单元、峰值保持单元、回波信号采样单元、压力检测单元、温度检测单元、LCD显示单元、485通讯单元及上位机单元。超声波换能器A、B分别安装在管道两侧，管道一侧可通气并增大管道内气压，另一侧通过阀门控制可实现气体的泄放。超声波换能器A的输入端与模拟开关第一通道输入端连接；换能器B的输入端与模拟开关第二通道输入端连接，模拟开关输出端与前置差分放大单元输入端连接。前置差分放大单元输出端与带通滤波单元的负输入端连接，带通滤波单元正输入端为1.5V的基准电压；带通滤波单元的输出端与增益控制单元的负输入端连接，增益控制单元正输入端为1.5V的基准电压；增益控制单元的输出端与比较单元的正输入端连接；比较单元的负输入端与阈值信号连接；比较单元的输出端与时间检测单元的计时停止脚连接。峰值保持单元输入端与增益控制单元的输出端连接；峰值保持单元输出端与单片机模拟输入引脚和回波特征信号采样电路连接；峰值保持单元控制端与单片机的I/O口连接。回波特征信号采样单元输入端与增益控制单元的输出端连接；回波特征信号采样单元输出端与单片机串行输入端连接。驱动单元的输入端与时间检测单元的脉冲发射脚连接；驱动单元的输出端与换能器连接。时间检测单元的使能脚、数据输入脚、数据输出脚与单片机的I/O口连接。LCD显示单元与单片机的I/O口连接。温度检测单元的输出端与单片机的I/O口连接；压力检测单元的输出端与单片机的I/O口连接。所述模拟开关选型芯片MAX4762；所述仪表放大器选型芯片AD8226；所述带通滤波单元选型芯片OPA837；所述比较单元选型芯片OPA837；所述峰值保持单元选型芯片MAX998EUT；所述回波特征信号采样电路选型芯片为EPM240T100C5,AD9237,CY7C1021DV33；所述时间测量单元芯片选型为TDC-GP22；所述单片机选型芯片为MSP430F449。本专利技术的测试原理：通过时间测量电路得到回波信号到达时间和回波信号频率，自适应地确定回波特征信号采样窗口时间，保证在回波即将到达前开启特征信号采样，而当时间测量单元芯片GP22接收到STOP信号产生回波信号接收中断后停止采样，在得到完整回波特征信号的前提下既减少了不必要的采样又避免了噪声信号的串扰；通过增益控制电路可以调整回波信号峰峰值电压达到目标值并由数字电位器阻值确定回波信号增益。由回波特征信号采样值可得回波特征信号的台阶电压。通过485通讯实现回波信号增益、频率和特征信号台阶电压。本专利技术以回波信号增益、频率和回波特征信号台阶电压在实现换能器之间动态性能差异比较的前提下降低了计算量，为换能器动态性能分析和一致性评价带来巨大的便利。本专利技术有益效果在于：本专利技术可以模拟气体超声换能器在不同温度、压力和气体组分等工况环境，并测量其在不同工况环境下的动态性能；通过精确测量回波信号到达时间可以自适应地确定回波特征信号采样开启的窗口时间，保证回波特征信号采样电路在回波信号即将到达前开启信号采样，在保证采样得到完整回波特征信号的前提下既减少了不必要的采样数据，又避免噪声串扰影响换能器动态性能的分析；提取回波信号频率和回波特征信号台阶电压作为回波信号特征，和回波信号增益值一同作为换能器动态性能指标，可高效直观地比较不同换能器动态性能的差异。附图说明图1是超声波换能器动态性能测试装置示意图；图2是超声波换能器动态性能测试系统原理框图；图3是回波信号和回波特征信号；图4是单片机单元和LCD显示单元；图5是模拟开关切换电路与驱动电路；图6是前置放大电路与带通滤波电路；图7是增益控制电路；图8是峰值保持与阈值比较电路；图9是时间测量电路；图10是回波特征信号采样电路单元。具体实施方式以下结合附图进一步说明本专利技术。参照图1，将被测换能器与标准换能器正对安装在密闭管道中，管道长度为80mm，直径为30mm，内部为空气，前后端分别安装有法兰、阀门，可加压，待测的超声波换能器与标准超声波换能器对应引脚T+和T-接入到电路中。参照图2，整个系统的工作流程为：时间测量电路产生脉冲信号，通过升压激励后产生电压T+和T-驱动换能器，对射换能器接收原始回波信号Signal+和Signal-。通过模拟开关芯片使两个换能器轮流作为发射和接收使用。Signal+和Signal-两路信号经过前置放大与带通滤波输出信号V1，V1通过增益控制电路输出为V2。一方面V2通过峰值保持电路得到回波特征信号V3，V3通过单片机内部AD读取，并反馈调整增益控制电路的增益值，使V2的峰值控制在设定值；一方面V2经过时间测量电路后得到回波信号到达时间t1，t2，t3；另一方面，在回波到达前打开信号采样电路，通过CPLD控制AD芯片对回波特征信号V3信号进行采样，采样数据临时存放在硬件存储电路中，采样完成后将采样数据通过串口传输给单片机MSP430。单片机由回波到达时间t1，t2，t3得到回波信号频率，由回波特征信号采样数据可得其台阶电压，最后单片机通过RS485传输回波信号频率、增益值和特征信号台阶电压数据到上位机。参照图3，回波信号经过峰值保持电路实现了对回波信号峰值电压的保持，最终得到其特征信号，特征信号表征了回波信号各个峰值电压，体现了回波信号上升沿部分的电压变化情况。参照图4，单片机单元采用MSP430F449，LCD显示单元采用定制的液晶显示器。单片机的第1、60和100脚接3V，第10、11、56、61、98和99脚接地。晶振Y1的频率为4MHz,单片机第88本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.超声波换能器动态性能测试装置，包括密闭管道、超声波换能器A、超声波换能器B、模拟开关、前置差分放大单元、带通滤波单元、比较单元、驱动单元、时间测量单元、增益控制单元、峰值保持单元、回波信号采样单元、压力检测单元、温度检测单元、485通讯单元及上位机，其特征在于：/n超声波换能器A、换能器B对称安装在密闭管道上，管道一侧可通气并可增大管道内气压，另一侧通过阀门控制可实现气体的泄放；/n超声波换能器A的输入端与模拟开关第一通道输入端连接；换能器B的输入端与模拟开关第二通道输入端连接；模拟开关输出端与前置差分放大单元输入端连接；/n前置差分放大单元输出端与带通滤波单元的负输入端连接，带通滤波单元正输入端为1.5V的基准电压；带通滤波单元的输出端与增益控制单元的负输入端连接，增益控制单元正输入端为1.5V的基准电压；增益控制单元的输出端与比较单元的正输入端连接；比较单元的负输入端与阈值信号连接；比较单元的输出端与时间检测单元的计时停止脚连接；/n峰值保持单元输入端与增益控制单元的输出端连接；峰值保持单元输出端与单片机模拟输入引脚、回波特征信号采样电路连接；峰值保持单元控制端与单片机的I/O口连接；/n回波特征信号采样单元输入端与增益控制单元的输出端连接；回波特征信号采样单元输出端与单片机串行输入端连接；/n驱动单元的输入端与时间检测单元的脉冲发射脚连接；驱动单元的输出端与换能器连接；/n时间测量单元的使能脚、数据输入脚、数据输出脚与单片机的I/O口连接；/n温度检测单元的输出端与单片机的I/O口连接；压力检测单元的输出端与单片机的I/O口连接；/n通过向密闭管道内部充入不同组份、温度和压力的气体，模拟超声波换能器的工作环境，采样超声波换能器回波特征信号、测量回波到达时间和当前密闭管道内的工作温度、压力参数，获得超声波换能器的动态性能，实现对超声波换能器不同工况下全面的性能测试，具体是：/n时间测量电路产生脉冲信号，通过升压激励后产生电压T+和T-驱动超声波换能器，通过模拟开关使两个超声波换能器轮流作为发射和接收使用；原始回波信号Signal+和Signal-经过前置差分放大单元、带通滤波单元输出信号V1，信号V1通过增益控制单元输出为V2；/n一方面V2通过峰值保持单元得到回波特征信号V3，回波特征信号V3通过单片机内部AD读取，并反馈调整增益控制单元的增益值，使V2的峰值控制在设定值；另一方面V2经过时间测量单元后得到回波信号到达时间t1，t2，t3，其中t1，t2，t3分别表示回波信号的第3、4、5个周期信号的到达时间；/n在回波特征信号V3到达前开启回波信号采样单元，通过CPLD控制AD芯片对回波特征信号V3进行采样，采样数据临时存放在硬件存储电路中，采样完成后将采样数据通过串口传输给单片机；单片机由回波信号到达时间t1，t2，t3得到回波信号频率，由回波特征信号采样数据可得其台阶电压，最后单片机通过RS485通讯单元传输回波信号频率、增益值、特征信号台阶电压、管道内温度和压力到上位机。/n...

【技术特征摘要】
1.超声波换能器动态性能测试装置，包括密闭管道、超声波换能器A、超声波换能器B、模拟开关、前置差分放大单元、带通滤波单元、比较单元、驱动单元、时间测量单元、增益控制单元、峰值保持单元、回波信号采样单元、压力检测单元、温度检测单元、485通讯单元及上位机，其特征在于：
超声波换能器A、换能器B对称安装在密闭管道上，管道一侧可通气并可增大管道内气压，另一侧通过阀门控制可实现气体的泄放；
超声波换能器A的输入端与模拟开关第一通道输入端连接；换能器B的输入端与模拟开关第二通道输入端连接；模拟开关输出端与前置差分放大单元输入端连接；
前置差分放大单元输出端与带通滤波单元的负输入端连接，带通滤波单元正输入端为1.5V的基准电压；带通滤波单元的输出端与增益控制单元的负输入端连接，增益控制单元正输入端为1.5V的基准电压；增益控制单元的输出端与比较单元的正输入端连接；比较单元的负输入端与阈值信号连接；比较单元的输出端与时间检测单元的计时停止脚连接；
峰值保持单元输入端与增益控制单元的输出端连接；峰值保持单元输出端与单片机模拟输入引脚、回波特征信号采样电路连接；峰值保持单元控制端与单片机的I/O口连接；
回波特征信号采样单元输入端与增益控制单元的输出端连接；回波特征信号采样单元输出端与单片机串行输入端连接；
驱动单元的输入端与时间检测单元的脉冲发射脚连接；驱动单元的输出端与换能器连接；
时间测量单元的使能脚、数据输入脚、数据输出脚与单片机的I/O口连接；
温度检测单元的输出端与单片机的I/O口连接；压力检测单元的输出端与单片机的I/O口连接；
通过向密闭管道内部充入不同组份、温度和压力的气体，模拟超声波换能器的工作环境，采样超声波换能器回波特征信号、测量回波到达时间和当前密闭管道内的工作温度、压力参数，获得超声波换能器的动态性能，实现对超声波换能器不同工况下全面的性能测试，具体是：
时间测量电路产生脉冲信号，通过升压激励后产生电压T+和T-驱动超声波换能器，通过模拟开关使两个超声波换能器轮流作为发射和接收使用；原始回波信号Signal+和S...

【专利技术属性】
技术研发人员：章圣意，林景殿，姚海滨，林恒，卜勤超，赵伟国，
申请(专利权)人：浙江苍南仪表集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33