基於電壓調整機制之超音波濃度量測動態範圍自動校正系統

Abstract

"台灣位處太平洋，四面環海，每年都遭受數個颱風侵襲，這樣的情形造成水庫淤積率逐年攀升。擁有非侵入、即時性等特點的超音波檢測技術是監測泥沙濃度的主要方法之一，以壓電片製成的超音波換能器更是這個系統裡的核心元件。本論文即是為了提高可量測的泥沙濃度動態範圍所設計之一發一收電路系統。 系統接收電路以AD8310對數放大器為主體，將接收換能器接收到之1MHz弦波訊號轉換包絡線再經由ADC輸出數位訊號給ARM微處理器分析。然而，由於AD8310有其動態範圍的限制，過強的發射電壓會造成低濃度變化無法準確地被偵測，為了提高整體量測的動態範圍，本研究設計出了一套能夠自動在三種發射電壓中選擇最適宜待測濃度之發射電壓的系統。 透過ARM微處理器控制功率放大器、電壓調整電路，以達成利用不同大小的發射訊號供給超音波換能器。其中功率放大器採用切換式功率放大器，利用電晶體使開關達到ZVS提高輸出效率。電壓選擇電路則是利用三個LDO直流穩壓器分別連接電晶體，利用GPIO接口控制開關，供給發射電壓給功率放大器，達成自動掃瞄不同發射電壓。 驗證方面，利用高嶺土製作不同濃度的懸浮液體，而電壓調整電路選用了三種穩壓器，分別為0.8V, 1.5V, 2.5V，以各個電壓分別進行測量，搭配理論校正後之率定曲線，對量測後的實驗數據進行比對。對照後發現，單一發射電壓之動態範圍會受到雜訊或者過高濃度干擾，量測時會有所受限。改以多發射電壓進行量測，搭配動態偵測，自動切換適合量測環境之發射電壓，量測時大約可提高5dB左右之動態範圍，且在低濃度量測時也比單一發射電壓表現來的好，此結果將有助於提供超音波濃度量測系統一個可行的發展方向。 "