超聲波流量計的抗干擾研究

【摘要】超聲波流量計的流量測量準確性很大程度上依賴于系統對超聲波信號的正確識別，當電路耦合有噪聲時，很有可能破壞信號的波形，降低測量的準確性，甚至造成整個儀器不能正常工作。因而如何有效的減小噪聲與噪聲拾取是設計中必須考慮的問題。本次設計中主要采取了信號濾波、屏蔽、采用平衡電路等措施，改善了超聲波流量計適應環境的能力。

【關鍵詞】超聲波流量計;噪聲;抗干擾

1.超聲波流量計概述

超聲波流量計是通過檢測流體流動對超聲束（或超聲脈沖）的作用以測量流量的儀表，目的是解決一些測量困難的問題。超聲波流量計，集計算機和傳感器技術于一身，將聲學的研究成果與現代電子技術結合在一起，可以用于多種液體的測量。

2.噪聲來源

在超聲波流量計測量系統中，構成噪聲源物質的類型很多。如：

（1）流量計安裝環境中可能存在的較大的電場和磁場干擾;

（2）靠近水泵安裝時的水泵帶來的接近于超聲波信號的噪音;

（3）操作人員隨身攜帶的通信系統;

（4）電源中的高次諧波;

（5）電路板上高頻晶體振蕩器所帶來的噪聲干擾。對于從外界來的噪聲干擾源，主要采用降低電路對噪聲的敏感度、減少噪聲拾取、切斷噪聲耦合路徑的辦法解決，而對于來自于系統內部，如電路板上的噪聲源，則采取信號地、數字地分離、多點接地、合理布線的方法解決。

典型的噪聲路徑框圖如圖1所示。可以看出，一個噪聲問題的產生必須具備三個要素，首先，必須有噪聲源;其次，必須有對噪聲敏感的接收器;第三，必須有一個將噪聲從源頭傳送到接收器的耦合路徑。因而要解決噪聲問題就必須從這三個方面著手解決。

圖1 噪聲產生的三要素

3.改良措施

3.1 濾波

因為超聲波信號的頻率大致為1Mhz，由運放和電容等器件構成的有源濾波器的帶寬較小，最大在幾百千赫茲，在這個頻率附近不易采用，而若采用專用集成的濾波電路造價又偏高，因此這里采用了簡單易行的由電感和電容組成的LC 濾波器。

如圖2所示，由L和C組成并聯諧振，將諧振頻率設在1.5MHz，由L1、C1 以及 L2、C2組成串聯諧振，整個形成T型網路，實現了帶通濾波。

圖2 濾波電路

除了設計信號處理中的濾波電路外，對所有進出屏蔽盒的導線都實施了濾波措施。在導線穿透屏蔽體的地方，使用了饋通電容，并且在導線和電路端的地之間又連接了一個短引腳的云母電容。

3.2 屏蔽

在本次設計中采用了以鋁為材料的殼體，對處于內部的儀器形成電場和磁場的保護層。眾所周知，理想的屏蔽體應是一個封閉的、連續的導電殼體，沒有開孔和接縫。然而實際使用中卻因為要布線，很難達到真正的屏蔽。通過對屏蔽的不連續性對磁場感應電流影響的分析，這里沒有采用矩形縫隙走線，而采用了在屏蔽盒多個面上開小孔的策略，并且使進出屏蔽體的導線的屏蔽層都360°連接到屏蔽盒上。這樣做的好處是直接改善了系統對于電場和磁場的忍耐能力，增強了性能。

3.3 平衡電路

平衡電路是用于產生相同和相反信號的電路，將這些信號送入兩個導線;電路的平衡特性越好，信號的散射就越小;它的噪聲抑制特性也越好。

平衡電路抵消干擾信號的能力，是建立在信號波形和幅值嚴格對稱，同、反相端電路增益嚴格一致的基礎上的，理論上，理想的平衡放大器對感應噪聲具有無窮大的抑制比，可以將干擾信號完全抵消，但在實際應用中，平衡電路由于增益誤差等原因，抗干擾能力不可能達到理想值，甚至會產生一些新的失真和噪音。

但即使這樣，相對于單端電路只能采用加強屏蔽和進行電源濾波來降低干擾來講，平衡電路仍不失為一種主動式、積極有效的抗干擾措施，在惡劣電磁環境、長距離傳輸時優勢非常明顯。

4.結論

超聲波流量計的設計和使用過程中，各種噪聲對其測量精度有較大影響，本文通過采用濾波、屏蔽、平衡電路等方式對流量計電路進行了改良，產品已經在現場得到使用，取得了明顯的效果。

參考文獻

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基金項目：天地（常州）自動化股份有限公司科研項目（13SY014-01）。

作者簡介：蔣偉（1982—），男，江蘇常州人，碩士，主要研究方向：自動化控制。