超声波声速自动测定仪的研制

　　1　前言

　　超声波声速测定仪采用压电陶瓷超声换能器来实现声压和电压之间的转换,压电换能器做波源具有平面性、单色性好以及方向性强的特点.同时,由于频率在超声范围内,一般的音频对它没有干扰.频率提高,波长短,在较短距离内可以快速多次测定其值,同时微机处理,数字显示,极大地提高了测定的准确性、稳定性与可靠性.更换传感器,改变功能开关,还可以对其它气体、液体中的声速及浓度、密度等物理量进行测量,从而使该仪器具有更广泛的实用价值.

　　2　超声波声速测定仪的基本结构及原理

　　超声波声速自动测定仪结构如图1所示.图中S1和S2为压电陶瓷超声换能器,S1作为超声源(发射头),低频信号发生器发出的正弦电压信号送至超声换能器后,即能发出一平面声波.S2作为超声波的接收头(接收头由微电机带动),接收的声压转换成电压信号被输入到前置放大与A/D变换电路,S2在接收超声波的同时还反射一部分超声波.这样,由S1发出的超声波在S2反射的超声波在S1和S2之间的区域干涉而形成驻波.改变S1、S2之间的距离,在一系列特定的位置上,接收面S2上的声压达到极大值.可以证明,相邻两极值之间的距离为半波长的λ/2.为了测出驻波相邻波腹之间的半波长距离,可改变S1和S2之间距离,此时,可以看到数字显示器上显示的信号幅度发生周期性大小变化,即由一个极大到一个极小,再变到极大,其幅度每一次周期性的变化,就相当于S1、S2之间的距离改变了λ/2,S1、S2之间距离的改变由微机软件程序进行定时定标测出,之后将采集的数据进行处理,并显示出测量结果值U,U=fλ.

　　3　系统的硬件设计

　　硬件设计围绕着MCS-51系列单片机8031进行,系统由8031、5G14433A/D模数积分变换器,2732ROM程序存贮器,8225接口电路及键盘,显示控制和LS164串行输入、并行输出移位寄存器,164作为6位7段显示器输出器(字形),整机面板控制键等组成,电路图如图2所示.

　　当来自换能器接收头S2的电压信号经A/D转换,输入到8031的P0口时,由软件程序不断查询其变化状态,并用内部两定时器T0和T1计数.8031使用3Mz晶振,计数分辨达0.1ms,只读存贮ROM为4k容量,用于存贮控制、分析、计算程序.8031内部RAM存贮器用于存贮测量过程中检测和计算所得数据.面板主要由3部分组成:数据显示、控制按键和检测类型选择开关.

　　面板上按键开关和键盘:“RESET”用于开机或启动;“K1”接地时测量与显示K值,接+5V时,测量与显示U值;“K2”接地时,单次测量(手动),接+5V时,多次测量求平均值;“MOVE”键:用于打开标尺定时电机;“PREP”键:用于一次测量前的准备键;“DELE”键:用于删除无用数据;“SHUT”键:用于关断定时标尺;8031的P3口:P3.2、P3.3预置修正系数的脉冲个数,它们均与8255PA口和PC口相连,通过8255键盘和开关控制与检测.