本發(fā)明涉及超聲波測(cè)量領(lǐng)域，尤其涉及一種超聲波泥水界面測(cè)量裝置及方法。

背景技術(shù)：

水處理過(guò)程中的沉淀池其泥層厚度是重要的過(guò)程控制參數(shù)，一般采用泥水界面計(jì)進(jìn)行測(cè)量。常見(jiàn)的泥水界面計(jì)有兩種，一種是光電式測(cè)量方式，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，使用維護(hù)工作量大，實(shí)際中很少采用；一種是超聲波泥水界面計(jì)，實(shí)際中部分場(chǎng)合使用效果不佳，主要是由于泥層情況復(fù)雜，有些泥水明顯分層，界面清晰；有些泥層從低濃度逐漸過(guò)度到高濃度，界面不清晰；還有些浮泥超聲反射信號(hào)很微弱，導(dǎo)致測(cè)量的超聲波信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍大，信噪比差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種超聲波泥水界面測(cè)量裝置及方法，本發(fā)明采用發(fā)射增益控制技術(shù)，在優(yōu)先提高信噪比的前提下大大提高了信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍和泥層分辨能力，從而能夠適應(yīng)更多的工況。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案如下：一種超聲波泥水界面測(cè)量裝置，包括中央處理單元、換能器驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)電路連接，用于控制所述換能器驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)所述換能器發(fā)射超聲波信號(hào)；所述第一限幅電路，與所述換能器連接，用于對(duì)所述換能器輸出的回波信號(hào)進(jìn)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(duì)所述第一限幅電路的輸出信號(hào)進(jìn)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(duì)所述第一差分放大電路的反饋信號(hào)進(jìn)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(duì)所述第一差分放大電路的輸出信號(hào)進(jìn)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(duì)所述第二差分放大電路的輸出信號(hào)進(jìn)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(duì)所述第二差分放大電路的輸出信號(hào)進(jìn)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(jù)檢波電路的輸出信號(hào)獲得泥水界面狀況。

本發(fā)明的有益效果是：

1、第一限幅電路能夠?qū)^大的回波信號(hào)進(jìn)行限幅，為第一差分放大電路提供過(guò)壓保護(hù)，而對(duì)于較小的回波信號(hào)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(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行限幅的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)回波信號(hào)的非線性放大，有利于正確分析泥水界面。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。

進(jìn)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(duì)所述第二差分放大電路的輸出信號(hào)進(jìn)行濾波；所述檢波電路，與所述濾波電路連接，用于對(duì)所述濾波電路的輸出信號(hào)進(jìn)行檢波。

采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是，阻止特定頻率的噪音信號(hào)，提高信噪比。

進(jìn)一步，所述換能器驅(qū)動(dòng)電路包括場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路、直流放大電路、變壓器和場(chǎng)效應(yīng)管；所述場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路，與所述場(chǎng)效應(yīng)管的柵極連接，用于根據(jù)中央處理單元輸入的方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)所述場(chǎng)效應(yīng)管的通斷；所述場(chǎng)效應(yīng)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(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)將所述直流放大電路的輸入信號(hào)的電壓放大后輸出至所述換能器。

采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是，通過(guò)變壓器原邊直流電壓的變化實(shí)現(xiàn)了發(fā)射功率的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單可靠性高，避免采用固定功率的發(fā)射容易導(dǎo)致小范圍測(cè)量時(shí)多次回波的誤判和飽和的問(wèn)題，另外采用變壓器實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)弱電隔離。

進(jìn)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(yáng)極和二極管D2的陰極，二極管D1的陰極和二極管D2的陽(yáng)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(fù)輸入端。

采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是，當(dāng)二極管D1和二極管D2的分壓大于其導(dǎo)通電壓時(shí)，能夠?qū)^大的發(fā)射信號(hào)和池底等回波信號(hào)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(nèi)，起到過(guò)壓保護(hù)的作用，當(dāng)二極管D1和二極管D2的分壓小于其導(dǎo)通電壓時(shí)，從而完整保留很小的泥面回波信號(hào)，提高了信噪比。

進(jìn)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(yáng)極和二極管D4的陰極分別與反饋電阻R_f的一端連接，二極管D3的陰極和二極管D4的陽(yáng)極分別與反饋電阻R_f的另一端連接。

采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是，在反饋電阻R_f上的電壓小于D3，D4的導(dǎo)通電壓時(shí)，D3,D4處于關(guān)斷狀態(tài)，其等效電阻R_D可認(rèn)為是無(wú)窮大，該放大電路對(duì)輸入信號(hào)的放大倍數(shù)為R_f/R_a，當(dāng)反饋電阻R_f上的電壓大于D3，D4的導(dǎo)通電壓時(shí)，D3和D4的等效電阻R_D和反饋電阻R_f并聯(lián)后共同組成新的的反饋電阻，其放大倍數(shù)顯然小于R_f/R_a，并且R_D在電壓進(jìn)一步增大時(shí)會(huì)顯著下降，甚至低于R_a，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的非線性放大。

進(jìn)一步，所述第二限幅電路包括二極管bav99；所述二極管bav99的陽(yáng)極和陰極連接后與反饋電阻R_f的一端連接，二極管bav99的公共端與反饋電阻R_f的另一端連接。

采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是，在反饋電阻R_f上的電壓小于bav99的導(dǎo)通電壓時(shí)，bav99處于關(guān)斷狀態(tài)，其等效電阻R_D可認(rèn)為是無(wú)窮大，該放大電路對(duì)輸入信號(hào)的放大倍數(shù)為R_f/R_a，當(dāng)反饋電阻R_f上的電壓大于bav99的導(dǎo)通電壓時(shí)，bav99的等效電阻R_D和反饋電阻R_f并聯(lián)后共同組成新的的反饋電阻，其放大倍數(shù)顯然小于R_f/R_a，并且R_D在電壓進(jìn)一步增大時(shí)會(huì)顯著下降，甚至低于R_a，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的非線性放大。

進(jìn)一步，所述換能器為200KHz～1000KHz的收發(fā)一體式超聲波換能器。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明還提供一種基于超聲波的泥水界面測(cè)量方法，所述方法包括：向待測(cè)量沉淀池發(fā)射超聲波信號(hào)并接收回波信號(hào)，對(duì)所述回波信號(hào)進(jìn)行限幅后進(jìn)行兩級(jí)差分放大，對(duì)第一級(jí)差分放大后的反饋信號(hào)進(jìn)行限幅，對(duì)第二級(jí)差分放大后的信號(hào)進(jìn)行檢波后獲得泥水界面狀況。

本發(fā)明的有益效果是：

1、能夠?qū)^大的回波信號(hào)進(jìn)行限幅，提供過(guò)壓保護(hù)，而對(duì)于較小的回波信號(hào)則完整保留，提高了信噪比；

2、對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行限幅的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)回波信號(hào)的非線性放大，有利于正確分析泥水界面。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。

進(jìn)一步，對(duì)第二級(jí)差分放大后的信號(hào)進(jìn)行濾波后再進(jìn)行檢波。

進(jìn)一步，所述超聲波信號(hào)通過(guò)換能器發(fā)射，且所述換能器通過(guò)換能器驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)發(fā)射超聲波信號(hào)，所述換能器驅(qū)動(dòng)電路包括場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路、直流放大電路、變壓器和場(chǎng)效應(yīng)管；所述場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)中央處理單元輸入的方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)所述場(chǎng)效應(yīng)管的通斷；所述變壓器在所述場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)將所述直流放大電路的輸入信號(hào)的電壓放大后輸出至所述換能器。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例一提供的一種超聲波泥水界面測(cè)量裝置的連接結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例二提供的一種超聲波泥水界面測(cè)量裝置的連接結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的換能器驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)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(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)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(jié)構(gòu)示意圖。

附圖中，各標(biāo)號(hào)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(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。

如圖1所示，一種超聲波泥水界面測(cè)量裝置，包括中央處理單元、換能器驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)電路連接，用于控制所述換能器驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)所述換能器發(fā)射超聲波信號(hào)；所述第一限幅電路，與所述換能器連接，用于對(duì)所述換能器輸出的回波信號(hào)進(jìn)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(duì)所述第一限幅電路的輸出信號(hào)進(jìn)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(duì)所述第一差分放大電路的反饋信號(hào)進(jìn)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(duì)所述第一差分放大電路的輸出信號(hào)進(jìn)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(duì)所述第二差分放大電路的輸出信號(hào)進(jìn)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(duì)所述第二差分放大電路的輸出信號(hào)進(jìn)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(jù)檢波電路的輸出信號(hào)獲得泥水界面狀況。

具體的，第一限幅電路能夠?yàn)榈谝徊罘址糯箅娐诽峁┻^(guò)壓保護(hù)；第一差分放大電路的反饋部分采用限幅電路對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行限幅的方式，實(shí)現(xiàn)小信號(hào)放大倍數(shù)由反饋電阻決定，大信號(hào)的放大倍數(shù)由限幅電路的電阻決定。由于超聲波發(fā)射后的余震信號(hào)和沉淀池底面的回波信號(hào)相比泥面信號(hào)幅值相差大，該電路既保證了泥面信號(hào)的正常放大，又不失真的保留了其他大的回波信號(hào)，相當(dāng)于對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行了非線性壓縮；檢波電路能夠提取超聲波信號(hào)的包絡(luò)線。

此外，本裝置的接收放大部分可增加可編程運(yùn)放，進(jìn)一步提高動(dòng)態(tài)范圍和靈活性。還可利用開(kāi)關(guān)切換實(shí)現(xiàn)雙通道(兩個(gè)超聲波傳感器)采集。

可選地，作為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)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(duì)所述第二差分放大電路的輸出信號(hào)進(jìn)行濾波；所述檢波電路，與所述濾波電路連接，用于對(duì)所述濾波電路的輸出信號(hào)進(jìn)行檢波。

具體的，濾波電路能夠阻止特定頻率的噪音信號(hào)，提高信噪比。

可選地，作為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，如圖3所示，所述換能器驅(qū)動(dòng)電路包括場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路、直流放大電路、變壓器T和場(chǎng)效應(yīng)管K1；所述場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路，與所述場(chǎng)效應(yīng)管K1的柵極連接，用于根據(jù)中央處理單元輸入的方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)所述場(chǎng)效應(yīng)管K1的通斷；所述場(chǎng)效應(yīng)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(chǎng)效應(yīng)管K1導(dǎo)通時(shí)將所述直流放大電路的輸入信號(hào)的電壓放大后輸出至所述換能器。

具體的，通過(guò)變壓器T原邊直流電壓的變化實(shí)現(xiàn)了發(fā)射功率的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單可靠，調(diào)整的動(dòng)態(tài)范圍大，另外實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)弱電隔離。

可選地，作為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)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(yáng)極和二極管D2的陰極，二極管D1的陰極和二極管D2的陽(yáng)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(fù)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(nèi)，起到過(guò)壓保護(hù)的作用。

可選地，在該實(shí)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(yáng)極和二極管D4的陰極分別與反饋電阻R_f的一端連接，二極管D3的陰極和二極管D4的陽(yáng)極分別與反饋電阻R_f的另一端連接。

具體的，在反饋電阻R_f上的電壓小于二極管D3，二極管D4的導(dǎo)通電壓時(shí)，二極管D3,二極管D4處于關(guān)斷狀態(tài)，其等效電阻R_D可認(rèn)為是無(wú)窮大，第一差分放大電路3對(duì)輸入信號(hào)的放大倍數(shù)為R_f/R_a，當(dāng)反饋電阻R_f上的電壓大于二極管D3，二極管D4的導(dǎo)通電壓時(shí)，二極管D3和二極管D4的等效電阻R_D和反饋電阻R_f并聯(lián)后共同組成新的的反饋電阻，其放大倍數(shù)顯然小于R_f/R_a，并且R_D在電壓進(jìn)一步增大時(shí)會(huì)顯著下降，甚至低于R_a，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的非線性放大。

可選地，在該實(shí)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(yáng)極和陰極連接后與反饋電阻R_f的一端連接，二極管bav99的公共端與反饋電阻R_f的另一端連接。

具體的，在反饋電阻R_f上的電壓小于bav99的導(dǎo)通電壓時(shí)，bav99處于關(guān)斷狀態(tài)，其等效電阻R_D可認(rèn)為是無(wú)窮大，該放大電路對(duì)輸入信號(hào)的放大倍數(shù)為R_f/R_a，當(dāng)反饋電阻R_f上的電壓大于bav99的導(dǎo)通電壓時(shí)，bav99的等效電阻R_D和反饋電阻R_f并聯(lián)后共同組成新的的反饋電阻，其放大倍數(shù)顯然小于R_f/R_a，并且R_D在電壓進(jìn)一步增大時(shí)會(huì)顯著下降，甚至低于R_a，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的非線性放大。

可選地，在該實(shí)施例中，所述換能器為200KHz～1000KHz的收發(fā)一體式超聲波換能器。

本發(fā)明還提供一種基于超聲波的泥水界面測(cè)量方法，所述方法包括：向待測(cè)量沉淀池發(fā)射超聲波信號(hào)并接收回波信號(hào)，對(duì)所述回波信號(hào)進(jìn)行限幅后進(jìn)行兩級(jí)差分放大，對(duì)第一級(jí)差分放大后的反饋信號(hào)進(jìn)行限幅，對(duì)第二級(jí)差分放大后的信號(hào)進(jìn)行檢波后獲得泥水界面狀況。

可選地，在該實(shí)施例中，對(duì)第二級(jí)差分放大后的信號(hào)進(jìn)行濾波后再進(jìn)行檢波。

可選地，所述超聲波信號(hào)通過(guò)換能器發(fā)射，且所述換能器通過(guò)換能器驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)發(fā)射超聲波信號(hào)，所述換能器驅(qū)動(dòng)電路包括場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路、直流放大電路、變壓器和場(chǎng)效應(yīng)管；所述場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)中央處理單元輸入的方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)所述場(chǎng)效應(yīng)管的通斷；所述變壓器在所述場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)將所述直流放大電路的輸入信號(hào)的電壓放大后輸出至所述換能器。

另外，由于單次采集的波形信噪比較低，有效信號(hào)甚至可能完全淹沒(méi)在噪聲中，并且泥位屬于緩慢變化的信號(hào)，本發(fā)明通過(guò)多次采樣后求平均的方法實(shí)現(xiàn)了高速和高分辨率的平衡，具體計(jì)算是在儀表分辨范圍內(nèi)采用了局部平滑濾波的方式進(jìn)一步提高信噪比。

采集到完整的回波信號(hào)后，可以根據(jù)預(yù)設(shè)的目標(biāo)信號(hào)范圍，逐步快速調(diào)整發(fā)射功率，而不是采用固定功率的發(fā)射，可以避免小范圍測(cè)量時(shí)多次回波的誤判和飽和。

在對(duì)回波信號(hào)進(jìn)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(gè)池子的泥層分布情況，并且可以清楚的看到池面盲區(qū)和池底盲區(qū)，在進(jìn)行泥水界面的識(shí)別前，用戶需要在顯示屏的界面上設(shè)置池面盲區(qū)設(shè)置線和池底盲區(qū)設(shè)置線來(lái)屏蔽池面盲區(qū)和池底盲區(qū)，從而去除掉發(fā)射后的余震信號(hào)，過(guò)大的池底反射信號(hào)和橋架等固定干擾信號(hào)，然后裝置開(kāi)始對(duì)泥水界面進(jìn)行識(shí)別測(cè)量，識(shí)別方式包括通過(guò)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(shí)別，后者適合清晰的泥水界面識(shí)別，具體的識(shí)別原理為根據(jù)發(fā)射超聲波和接收回波的時(shí)間差來(lái)進(jìn)行泥水界面分析，屬于現(xiàn)有技術(shù)。

可選地，本發(fā)明可通過(guò)定時(shí)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)清洗，保證換能器可靠工作。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。