超聲波瓶體厚度檢測(cè)及其材料分類的研究，保障公共安全

二．項(xiàng)目擬定初步方案介紹

1.項(xiàng)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(cè)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(hào)。脈沖發(fā)生器的輸入信號(hào)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(shí)，電容C放電，產(chǎn)生一短脈沖，激勵(lì)探頭中的壓電陶瓷鏡片使其發(fā)射超聲脈沖。在設(shè)計(jì)中，需要考慮脈沖信號(hào)的厚度，即一次連續(xù)發(fā)射脈沖的數(shù)量，對(duì)測(cè)量?jī)x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(hào)越大，相應(yīng)的測(cè)量盲區(qū)越大。反之測(cè)量盲區(qū)越小。但是發(fā)射功率小時(shí)，回波信號(hào)不明顯，同樣影響檢測(cè)結(jié)果。

• 接收電路

超聲波探頭接收到的回波信號(hào)幅值非常小，背景噪聲較為嚴(yán)重時(shí)，可能出現(xiàn)號(hào)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(hào)提取技術(shù)去抑制干擾的影響，測(cè)量就無法進(jìn)行。要保證測(cè)量的成功，就必須合適的手段來增強(qiáng)信號(hào)和消除噪聲的影響。該接收電路由放大電路（三級(jí)），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(cè)后時(shí)，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(hào)。在運(yùn)放前端加兩個(gè)二極管D1,D2組成鉗位電路，使傳感器激發(fā)時(shí)的瞬變信號(hào)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(hào)得到鉗位，對(duì)于微小信號(hào)，因?yàn)閍點(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(hào)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(cè)部分，如圖2所示：

• 信號(hào)去噪功能塊，它主要用于收發(fā)信號(hào)的去噪處理。主要包括兩個(gè)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(duì)于接收探頭信號(hào)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(shí)測(cè)定功能塊，它主要利用信號(hào)的自相關(guān)去測(cè)定收發(fā)信號(hào)的延時(shí)情況。引用自相關(guān)算法較利用MCU提取延時(shí)信息相比，具有提取延時(shí)準(zhǔn)確的特點(diǎn)。主要包括卷積模塊，門限比較模塊。
• 衰減測(cè)定功能塊，它主要測(cè)定了收發(fā)信號(hào)的幅度衰減狀況。主要包括幅度提取模塊，定時(shí)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(jì)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(yàn)條件，然后利用厚度計(jì)算的相關(guān)公式計(jì)算出瓶體的厚度。主要包括厚度計(jì)算模塊。
• 系統(tǒng)主控功能塊，它完成整個(gè)系統(tǒng)對(duì)于外設(shè)的時(shí)序控制工作。主要包括2個(gè)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。