超聲波回波衰減理論濃度計設計

　超聲波在懸浮液中傳播時，與懸浮粒子相遇的超聲波在界面被散射衰減，其余部分入射到粒子內被吸收衰減，接觸界面的超聲波又受到粘滯衰減，最后到達接收端。各種衰減的機理是很復雜的，但都是由懸濁粒子所引起，并與懸濁粒子的數目成比例，故在一定條件下衰減是和濃度成比例的，測知懸浮液的聲衰減系數，就能求出濃度。設液體中有懸浮粒子時的衰減率和接收電壓分別為(a0+ax)和E。，液體中沒有懸濁粒子時的衰減率和接收電壓分別為a0和E0，發射、接收端之間的距離為L，發射電壓為Er，則：

　　
 

　　根據上述兩個公式，懸濁粒子引起的衰減率可由ax=(lnE0-lnEx)/L求得。

　　由接收探頭接收到的聲波幅度將隨懸浮液濃度的增加而衰減，聲波幅度轉換成的電壓值也隨濃度的增加而衰減，該濃度一電壓衰減曲線經過標定后，即可從測量電壓得到濃度值。

　　2 硬件設計

　　如圖1所示，整個系統以超聲波發射和接收電路為核心，采用直接數字頻率合成芯片AD9833產生脈沖串，經過功率放大電路驅動超聲波換能器，超聲波經過懸濁液到達接收換能器，利用92 dB對數放大器AD8307對回波衰減信號進行對數放大，最后由微控制器對數據進行處理得出濃度值。系統還包括鍵盤、顯示、參數存儲、開關量輸出、繼電器輸出、電流輸出、UART通信等部分。

　　
 

　　2.1 主控芯片電路

　　本系統以美國Silab的高速混合信號ISP Flash微控制器C8051F021為核心。衰減法超聲波濃度計在超聲波發射和接收的時序上需要精確的控制，這不僅需要處理器的速度快，而且需要多個定時器;由接收單元返回的是低于2.5 V的電壓信號，需要經過精確的A/D采集轉換成數字信號傳遞給CPU處理。C8051F021的特點如下;

　?、俑咚?、流水線結構的8051兼容的CIP-51內核(可達25 MIPS)。

　　②12位的片上SAR ADC，可編程轉換速率，最大100 kbps，可編程放大器增益。

　?、? 352字節內部數據RAM，64 KB Flash存儲器;可以在系統編程。

　?、?個通用16位計數器、定時器陣列，硬件SMBus、SPI及2個UART串口。

　?、莨牡?10 mA@20 MHz)，多種節電休眠和停機方式。