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1、 检测装置 賢电路设 计论 文. 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 T X 7 3 4 激 励 电 路 、 M A X 2 0 3 8 回 波 放 大 处 理 电 路 等 专 用 I C 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

2、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 昭 八、 I C 生 产 厂 商 的 D E M O 方 案 采 用 贴 片 元 件 的 双 面 P C B 设 计 制 作 以 提 高 样 机 研 发 的 一一一 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 一一一 路 + 2 4 V 直 流 电 源 各 单 元 电 路 的 工 作 电 源 需 要 依 靠 D C

3、/ D C 变 换 电 路 获 得 控 制 系 统 和 信 号 处 理 系 统 使 用 的 + 5 V 和 1 2 V 电 源 由 L M 2 5 9 6 一 5 0 承 担 其 /、 主 路 输 出 + 5 V / 2 A 电 源 供 单 片 机 等 数 字 系 统 使 用一 将 其一 储一 匕匕 厶冃 电 感一 改一 用 丄 丄 2 6 一 二 4 丄 丄 H 环 形. 功 率 电. 感 ，- 并 在. 其 上 增 加 两 辅 助 绕 组 , 经- 整 流 滤 波. 和 L 丄 OO 丄 二 丄 丄 2- 三. 端. 稳. 压. 丄 丄 旦 产. 生- 丄 2- X 3 - 丄 丄 直一

4、流. 电一 源一 供. 信一 号 处一 理. 系一 统一 使一 用. 超一 声一 波- 发. 射一 采 用一 丄 高 压 脉一 冲一 激 励 方- 式 亠 2 一 二 3 2 激 励 电 压 由- 二 2 丄 供一 电 电 压一 经一 简 单 的一 B 丄 S 一 丄 升 压一 电一 路一 获一 得一 ，一 旦 用 单一 片一 机 送一 来一 的 丄 S 周 期 5 亠 S 脉 宽 脉- 冲一 信 号 控一 制 S F E 工 丄 关一 管一 实一 现_ 对一 超一 声一 波一 发- 射一 探一 头一 的一 激- 励- ，- 储一 能一 电一 感一 选一 用一 D K 二 N 丄 5 一 6

5、5 一 丄 5 一 丄 8 一 2 一 2 丄 二 P F 丄 丄 - 2 H ) 贴 片一 电一 感 亠 N 旦 S- 开一 关一 管一 选一 用一 2- N_ 6- 丄 即- 可一 超一 声一 波一 激一 励- 及- 电一 源一 变一 换一 电一 路一 如一 图一 2 一 所一 示一 经一 实一 测一 亠 激一 励一 脉一 冲一 会一 在 接 收一 探 头 中一 产 生一 个 较一 大一 的 谐 振一 频 率 为一 5 且 H 丄 、 大 约一 丄 个_ 周一 期一 的一 串一 扰 信一 号- ，一 为 此 亠 接一 收 电 路 设一 计 丄 一 个 对一 发 射 激 励 脉 冲一 延一

6、迟 6 一 丄 S 持一 续- 丄 丄 亠 丄 的一 使一 能- 控一 制一 信- 号- ，- 控一 制一 接- 收一 放一 大一 处一 理一 电- 路- 仅一 在 使一 能- 信- 号- 有- 效一 期- 间一 实一 现 回一 波一 信- 号一 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 信一 号 到 来 之 前一 有 效一 地一 消 除 激一 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 丄 用. 于- 时 间 差 测- 量

7、 的 D. 二 O- P- 2- 的. 鉴 型. 应- 用一 是. 作. 为- 超一 声. 蓝 流- 量. 计. 激一 光- 测- 距. 仪- 的一 时- 间一 间. 隔一 测- 量一 、 频一 率. 和一 盘 位一 信一 号. 分一 析 等 高 精 度 测一 试 领 域 1 在 这 些 应一 用 中 输 信 号 一 般一 都 较 强 ，- 经 简 单 处- 理一 后 即 可- 作- 为 D- 丄 G P 一 2 一 的一 s A 一 R 丄 S 一 T p 控一 制一 信一 号一 使一 U 用 ，- 而一 该 检 测 装 置 的 超一 声 波 回 波 信 号 尤一 其 是 多 次一 反 射一

8、 回一 波- 信一 号- 非_ 常一 微一 弱一 且一 杂一 波一 较一 大_ 丄 实一 测一 回一 波一 信一 号一 大一 约一 在 v 数一 量一 级一 必一 须 经一 高一 增一 益一 宽一 带一 放 大一 器 放 大 和一 滤 波 检 波一 整 形一 处一 理 后一 才一 能 胜 任一 宽一 带一 放一 大一 器一 由一 A_ D_ 6- 。一 4- 承- 担一 ，一 可一 获一 得一 丄 二 5 一 4- d 的一 增- 益一 并一 可一 由一 v G N 端一 电一 压一 连一 续一 控 制一 ，- 可 较 好一 地一 满 足 超一 声 波 回 波一 信 号 高 速 高 增 益一

9、放一 大 的一 要一 求 丄 丄 考- 虑- 到- 仅一 需- 将- 回一 波一 信一 号一 放 大 处一 理一 后 形 成一 s 丄 o 旦 控一 制 脉 冲一 即一 可 ，- 故一 电 路 仅- 利_ 用一 可- 调- 电- 阻- 对_ 丄 亠 丄 v_ 基- 准一 电一 压_ (- 由一 丄 丄 丄 3- 丄 产一 生一 ) 分- 压 获一 得- 的一 v G N 电一 压 进一 行 增- 益一 设 定 , 但 设 计 电 路 亦 有 预 留 接 口 可 用 于 接 受 经 单 片 机 和一 D 丄 c 输 出 的一 A G c 控一 制一 电 压一 亠 实 现一 增. 益. 的. 闭.

10、 环. 控. 制. 1 A- D- 6- 丄 前. 级. 放. 大. 电. 路. 如. 图 丄 所 示 带 通 滤 波 器 选 用 由 丄 X 丄 2 丄 构一 成. ，- 设. 计 中. 心- 频. 率一 为. 5- M- H- 丄 ，- X 宽. 约. 为. 丄 H一 丄 钳一 位. 和 检- 波一 A一 D 丄 丄 3一 6 完一 成一 ，- 具. 有 卓 越 的 钳 位 性 匕匕 厶冃 和 精 度 高 恢 复 时一 间 短 非 线 性一 范 围 2 频 带 宽 的. 特 点 检一 波 输 出- 信 号 的 整一 形一 处一 理一 由一 A 一 X- 9 一 丄 丄 丄 负一 责一 ，一

11、 这一 是一 一 款一 具一 有 锁 存 使 能 和一 器 件 关 断一 功 能 的 高 速 比 较 器 ，- 具 有- 高一 速一 低一 功一 耗一 高一 抗一 共一 模- 能一 力一 和_ 满- 摆一 幅一 输一 入_ 特一 性一 等一 ，一 回一 波一 信一 号一 经一 其一 整一 形一 处一 理一 后一 可一 获一 得一 理一 想一 的 脉一 冲 前 沿 ，一 并 便 于 与一 二 - 丄 逻 辑 电 丄 接 口 亠 还一 可- 以一 方- 便一 地一 实一 现一 回一 波一 信一 号一 输一 出一 的一 使一 能一 控一 制一 信一 号一 调一 理一 电一 路一 如一 图一 丄 所一

12、 示一 时一 间一 差- 测- 量一 电一 路- 回一 波一 信- 号一 时一 差- 测一 量一 选一 用一 丄 德- 国- A c A 公一 司一 的 高- 精- 度- 时 间一 间一 隔- 测一 量- 芯 片一 T D c 二 G 旦 2 T D c 二 G 丄 丄 采 用 丄 4- 脚 丄 Q- F- P- 封- 装- ，- 内- 含- 丄 D_ c_ 测一 量- 单- 元一 丄 6- 位一 算- 术一 逻- 辑- 单一 元一 R 丄 丄 测一 量- 单一 元 及- 与一 丄 位一 处一 理一 器- 的 接 口 单 元 和 温 度 补 偿 单 元 等 主 要 功 能 模 块 , 利 用

13、内 部 A L U 单 元 计 算 出 时 间 间 隔 并 送 入 结 果 寄 存 器 保 存 。 T D C 一 G P 2 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 P S 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 T D C G P 2 提 供 S T A R T 信 号 指 令 使 之 开 始 计 时 工 作 超 声 波

14、接 收 头 接 收 到 的 反 射 回 波 信 号 经 放 大 、 处 理 后 作 为 S T O P 指 令 信 号 由 T D C 一 G P 2 宀 完 成 两 次 反 射 波 时 间 间 隔 的 测 量 。 由 刖 述 可 知 S T O P 与 S T A R T 信 号 的 时 间 差 大 约 在 6 4 0 1 S 之 间 时 差 测 量 分 辨 率 约 为 0 - 0 7 1 S 为 此 设 疋 T D C 一 G P 2 工 作 于 测 量 模 式 2 在 该 模 式 下 -H- 心 片 仅 使 用 通 道 1 可 允 许 4 个 脉 冲 输 入 实 现 S T O P 1

15、与 S T A R T 信 号 之 间 的 时 间 差 测 量 测 量 范 围 在 6 0 n S 2 0 0 m S 然 后 由 T D C 一 G P 2 计 算 出 各 回 波 信 号 间 的 时 间 差 A t = t B 一 t S = t n 一 t n 一 1 。 测 量 原 理 如 下 : 在一 输 入 s A R 信 号 指 令一 后一 芯 片 内 K 立口 测. 量. 出. 该. 信. 号. 前. 沿. 与- 丄 时- 钟. 丄 升. 沿- 的. 时. 差. ，- 标 记- 为 C 厶 之 后 ，- 计- 数 器 开- 始 工 作- ，- 得 到 P- 丄 d- 丄 丄 丄

16、 的. 丄 作一 周. 期. 数一 ，- 并. 标. 记. 为一 亠 这一 时. ，- 二g一 新一 激一 活一 芯- 片一 内. 部一 测一 量一 单一 元. ，- 测 量 出一 输 的 s T P- 丄 信 号 的 第 一 丄 脉 冲一 U 丄 一 次- 反 射 回一 波 前 沿- 与 丄 一 时- 钟 上 升- 沿- 的 时- 差一 ，一 标一 记 为一 F 一 厶 2 一 ，一 将一 S 一 T P 一 丄 信一 号一 的一 第一 二 个 脉 冲 丄 二 次 反 射 回 波一 前 沿 与 丄 时一 钟一 上 升 沿- 的一 时一 差一 标- 记一 为- F_ 丄 3 一 ，一 二 c_

17、 丄 丄 丄 和一 c_ 丄 丄 2 一 分一 别一 表一 示一 个 和一 两一 个一 时一 钟一 周一 期一 单一 片 机 接 口 电 路 实 现一 系 统 控 制一 和 数 据 处一 理 的 单- 片- 机一 选一 择一 余一 地一 较一 大一 ，一 项一 目一 结一 合- 丄 公一 司一 中一 国一 大一 学一 计一 划一 选一 用一 丄 美一 国一 德一 州一 仪一 器一 公一 司一 生一 产一 的一 s P- 4- 3- 丄 丄 6- 位一 单一 片一 机- ，- 具一 有一 丄 6 一 位一 总一 线一 带一 F 丄 A s 旦 的一 微 处 理一 器- 和一 功 耗 低 可 靠一

18、 性 高- 亠 抗 强一 电 丄 扰 性一 匕匕 厶冃 好 、 适一 应 工 业 级 运 行一 环 境 的 特 点- ，- 很- 适一 合- 丄 作一 现_ 场- 测一 试一 设_ 备- 的一 控一 制一 和- 数- 据- 处一 理一 使一 用- 丄 丄 1 T D 丄 二 G 丄 2一 其- 与一 单一 片- 机- 的一 通- 信 方 式 为 四 线 串 行 通 信 S P 利 用 M S P 丄 丄 丄 的一 丄 个 p 2 丄 和 P 丄 亠 丄 I / 口 实 现 G- P- 2- 的. 选. 通. 1 中. 断 和 开- 始. 结. 束- 使. 能. 以. 及. 复 位 等 控 制

19、功. 匕匕 厶冃 O 二 4 3 丄 除 用 来 对- 2 P- 2一 控. 制. 和 数一 据. 处. 理. 外一 ，- 还. 可- 以一 留. 出. 些. 资. 源一 实. 现一 设一 备. 其一 他一 电. 路一 和 动一 作. 机一 构一 的一 控. 制一 使- 用- 单. 片- 机 接 丄 电 路 原 理 和一 程 序 流 程 分 别 如 图 OO 和一 图 所 示一 1 n n n n n n n n n n n n n 2- 结一 束一 语一 U U U U U U U U U U 项 目一 样 机 用 一 根 长 2 丄 ，- 2 丄 5 m 管 径 的 废一 旧- 储一 气一

20、 井一 钢一 管一 ，一 在一 适一 当- 位_ 置一 加一 丄 丄 丄 。一 丄 宽一 2 一 丄 长一 ，一 2 一 、 丄 、 6 一 、 8 、 9 深 的 5 一 个一 凹 槽 进一 行 试 验一 检 测 检一 测- 装- 置一 扫一 描一 采一 样一 频一 率一 丄 。一 丄 丄 H_ 丄 ，一 探一 头一 转一 速一 丄 2 一 丄 丄 厶 丄 丄 ，- 提一 升一 速一 度- 2 一 丄 丄 S- ，- 仅一 丄 6- 丄 丄 即- 完一 成一 丄 2- 样一 管一 的一 扫一 描一 检一 测一 ，- 并 可一 对一 检一 测一 出一 的一 管- 壁一 凹一 槽一 深 度- 丄

21、 旦 旦 部- 位 作一 出 报 警 丄 O nJ 采 用一 定 速 法 (- 设 定 声 速 为 丄 9- 丄 丄 旦 /_ S- )_ 的_ 测一 量- 结- 果- 与一 采_ 用一 某- 国- 产一 便- 携- 式一 测一 厚- 仪一 测一 得- 的一 结一 果一 对- 照一 比 较 见- 表- 丄 采一 用一 丄 述 定 速 法 测 量 误 差 稍 大 , 由 测 量 原 m 二 理 可 知 , 管 壁 厚 度 是 在一 测 量 得 到 超一 声 波 传 播 时 间 差一 和一 设 定 声. 速. 后. 公. 式. 二 A 丄 计- 算一 得. 到. 资 料. 和- 实 测 表 明 在

22、 丄 二 4 时- 温 度 对- 声 速 的一 影一 很一 可. 忽. 略. 不- 计. ，- 而- 在一 不- 同. 材- 质. 钢. 管一 中. 超一 声一 波. 传一 播一 速. 度一 大 概一 在. 5一 4 丄 二 6 丄 厶 丄 ，一 这 将 直 接 影 响 其 传 播 时 间一 差 , 从 而 对 测 量 结一 果 造 成 最 大- 约 丄 %- 的一 误 差 ，- 所 以- 有一 必一 要一 进一 行 声一 速一 的 精一 确一 标一 定一 项一 目一 样一 机 选一 取一 一 段 井 管 加 工 成 丄 丄 丄 壁 厚 的 样 管 , 并一 设 计 以 下一 程一 序一 进一 行- 测一 量一 前一 的一 井一 口_ 声一 速一 标一 定一 ，一 程一 序一 流一 程一 如一 图一 丄 丄 所一