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.項目開發整體方案框圖介紹

圖1 超聲波發射與接收電路

圖2 瓶體材質分類與瓶厚檢測部分

1.1 超聲波發射與接收電路，如圖1所示：

• 發射電路

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

> 圖3 發射電路

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

• 接收電路

超聲波探頭接收到的回波信號幅值非常小，背景噪聲較為嚴重時，可能出現號的幅度幾乎與噪聲的幅度相當，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去抑制干擾的影響，測量就無法進行。要保證測量的成功，就必須合適的手段來增強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，發射接收探頭集成在一起，很高的發射電壓直接加到接收電路的輸入端，為了保證運放的正常工作，并且，較高電壓使鏡片產生穿透力更強的超聲信號。在運放前端加兩個二極管D1,D2組成鉗位電路，使傳感器激發時的瞬變信號經過D1，D2的組成的鉗位電路被限制在±0.7V,是輸入到預案算放大器的高壓信號得到鉗位，對于微小信號，因為a點電位與b點電位間差值很小，開關二極管被截止微信號直接輸入到運算放大器中，使運算放大器的輸入被限幅，起到保護運放的作用。

1.2 瓶體材質分類與瓶厚檢測部分，如圖2所示：

• 信號去噪功能塊，它主要用于收發信號的去噪處理。主要包括兩個64階低通濾波器模塊，其實現我們采用改進的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，其實現方式我們調用FFT IP Core。
• 延時測定功能塊，它主要利用信號的自相關去測定收發信號的延時情況。引用自相關算法較利用MCU提取延時信息相比，具有提取延時準確的特點。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，它的應用目的是通過離線式學習，建立一種可以分辨三種瓶體材質（陶瓷，玻璃，塑料）的分類系統。主要包括人工神經網絡模塊，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分類的結果作為先驗條件，然后利用厚度計算的相關公式計算出瓶體的厚度。主要包括厚度計算模塊。
• 系統主控功能塊，它完成整個系統對于外設的時序控制工作。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。