超聲波瓶體厚度檢測及其材料分類的研究，保障公共安全

二．項目擬定初步方案介紹

1.項目開發(fā)整體方案框圖介紹

圖1 超聲波發(fā)射與接收電路

圖2 瓶體材質(zhì)分類與瓶厚檢測部分

1.1 超聲波發(fā)射與接收電路，如圖1所示：

• 發(fā)射電路

發(fā)射電路產(chǎn)生能激發(fā)超聲波超聲波傳感器的高壓（300伏以上）尖峰脈沖信號。脈沖發(fā)生器的輸入信號由FPGA產(chǎn)生。本方案采用的是非諧振式發(fā)射電路，如圖3所示：

> 圖3 發(fā)射電路

非諧振式發(fā)射電路的工作原理是：當(dāng)閘流管（或可控硅）導(dǎo)通時，電容C放電，產(chǎn)生一短脈沖，激勵探頭中的壓電陶瓷鏡片使其發(fā)射超聲脈沖。在設(shè)計中，需要考慮脈沖信號的厚度，即一次連續(xù)發(fā)射脈沖的數(shù)量，對測量儀的精度有著重要影響。厚度越大，發(fā)射功率越大，發(fā)射波的拖尾信號越大，相應(yīng)的測量盲區(qū)越大。反之測量盲區(qū)越小。但是發(fā)射功率小時，回波信號不明顯，同樣影響檢測結(jié)果。

• 接收電路

超聲波探頭接收到的回波信號幅值非常小，背景噪聲較為嚴(yán)重時，可能出現(xiàn)號的幅度幾乎與噪聲的幅度相當(dāng)，甚至淹沒在噪聲中的情形。如果不采取有效的信號提取技術(shù)去抑制干擾的影響，測量就無法進(jìn)行。要保證測量的成功，就必須合適的手段來增強(qiáng)信號和消除噪聲的影響。該接收電路由放大電路（三級），檢波電路，比較電路等組成，如圖4所示：

圖4 接收放大電路

在單探頭測后時，發(fā)射接收探頭集成在一起，很高的發(fā)射電壓直接加到接收電路的輸入端，為了保證運(yùn)放的正常工作，并且，較高電壓使鏡片產(chǎn)生穿透力更強(qiáng)的超聲信號。在運(yùn)放前端加兩個二極管D1,D2組成鉗位電路，使傳感器激發(fā)時的瞬變信號經(jīng)過D1，D2的組成的鉗位電路被限制在±0.7V,是輸入到預(yù)案算放大器的高壓信號得到鉗位，對于微小信號，因為a點(diǎn)電位與b點(diǎn)電位間差值很小，開關(guān)二極管被截止微信號直接輸入到運(yùn)算放大器中，使運(yùn)算放大器的輸入被限幅，起到保護(hù)運(yùn)放的作用。

1.2 瓶體材質(zhì)分類與瓶厚檢測部分，如圖2所示：

• 信號去噪功能塊，它主要用于收發(fā)信號的去噪處理。主要包括兩個64階低通濾波器模塊，其實(shí)現(xiàn)我們采用改進(jìn)的DA算法。
• 譜分析功能塊，它主要用于完成對于接收探頭信號的傅里葉譜分析。主要包括FFT模塊，其實(shí)現(xiàn)方式我們調(diào)用FFT IP Core。
• 延時測定功能塊，它主要利用信號的自相關(guān)去測定收發(fā)信號的延時情況。引用自相關(guān)算法較利用MCU提取延時信息相比，具有提取延時準(zhǔn)確的特點(diǎn)。主要包括卷積模塊，門限比較模塊。
• 衰減測定功能塊，它主要測定了收發(fā)信號的幅度衰減狀況。主要包括幅度提取模塊，定時信息控制模塊，除法器模塊。
• 瓶體分類功能塊，它的應(yīng)用目的是通過離線式學(xué)習(xí)，建立一種可以分辨三種瓶體材質(zhì)（陶瓷，玻璃，塑料）的分類系統(tǒng)。主要包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊，判決電路模塊。
• 瓶體厚度計算功能塊，它需要紅外溫度傳感器的溫度值和瓶體材質(zhì)分類的結(jié)果作為先驗條件，然后利用厚度計算的相關(guān)公式計算出瓶體的厚度。主要包括厚度計算模塊。
• 系統(tǒng)主控功能塊，它完成整個系統(tǒng)對于外設(shè)的時序控制工作。主要包括2個A/D控制，紅外溫度傳感器控制，LCD控制，超聲波主控邏輯控制。