[發明專利]一種精密測量超聲波傳輸時間的方法及裝置

無效

• 申請號: 201010162394.2
• 申請日: 2010-04-30
• 公開（公告）號: CN101813515A
• 公開（公告）日: 2010-08-25
• 發明（設計）人: 張興紅;王先全;陳錫侯;馮濟琴;楊繼森;萬文略;高忠華;劉小康
• 申請（專利權）人: 重慶理工大學
• 主分類號: G01H17/00
• 分類號: G01H17/00;G01S7/52
• 代理公司: 重慶華科專利事務所 50123
• 代理人: 康海燕

技術領域

本發明屬于精密傳感器和檢測技術領域，具體涉及一種超聲波傳輸時間的精密測 量技術。

背景技術

超聲波的顯著特征是頻率高，因而波長短，繞射現象小，方向性好，能夠定向傳 播。在液體，固體中衰減小、穿透能力強，遇到雜質或分界面就會有顯著的反射。隨 著電子技術的發展，超聲波技術越來越多的應用于距離、流量等的精密測量。

超聲波在流體中傳播時，在順流方向和逆流方向傳輸時間的不同，順、逆流時間 差和流速有關，因此可以通過測量超聲波在流體中傳播時的順、逆流時間差來測量流 量。例如，超聲波在潔凈水中的傳播速度約為1450m/s，在管徑D＝300mm，流體流速 v＝1.33m/s的條件下，順逆流時間差約為1微秒，要保證測量達到0.5％的測量精度， 要求測量的時間差的分辨率要達到1～2納秒才能實現，順、逆流傳播時間的測量分辨 率也應該在納秒，乃至皮秒級。如果用常規的定時計數電路，時鐘電路的頻率至少要 達到1G，這對于儀器開發來講顯然很難實現。

發明內容

本發明針對上述問題，公開了一種精密測量超聲波傳輸時間的方法及裝置，采用 FPGA電路和軟件細分插補算法，可以在保證測量實時性的前提下實現納秒級，乃至皮 秒級測量。

本發明采用的技術方案是：

一種超聲波傳輸時間的精密測量方法，用于超聲波兩個超聲波換能器之間傳輸時 間的精密測量。所述方法采用A、B兩個超聲波換能器、硬件電路和軟件細分插補算 法三部分。硬件電路主要包括超聲波換能器驅動電路、超聲波回波信號濾波電路、放 大電路和信號處理電路。信號處理電路主要有模數轉換器(A/D)、現場可編程門列陣 (FPGA)和中央處理單元(CPU)組成。

所述換能器A是壓電式傳感器，可以把具有一定能量的電信號轉換為機械振動， 當信號的頻率在超聲波的頻率范圍內時，換能器A把電信號轉換為超聲波信號。換能 器B也是壓電式傳感器，把機械振動轉換為電信號，當超聲波信號作用到超聲波換能 器B上時，它把超聲波信號轉換為電信號，該信號可以稱之為超聲波回波信號。

所述超聲波換能器驅動電路包括數模轉換(D/A)和功率放大電路。D/A轉換器 用于把FPGA發出的數字正弦信號轉換為模擬正弦信號，功率放大電路用于放大該正 弦信號的功率，使之有足夠的能量驅動超聲波換能器A。所述A/D轉換器主要用于把 超聲波回波模擬信號轉換為數字信號，A/D轉換器的位數和采樣頻率是影響超聲波傳 輸時間測量精度的重要因素。

所述FPGA電路主要功能有兩個，第一個功能是在CPU的控制下產生數字正弦 信號，第二個功能是完成超聲波回波信號的采樣，并把數據存在構造于FPGA內部的 存儲區內。

超聲波換能器A發射一定數量的周期性正弦超聲波信號，該信號在介質中傳播到 達換能器B后，激勵換能器B產生超聲波回波信號，回波信號的幅值隨著換能器接收 到的超聲波信號的連續激勵而逐漸增大，當激勵信號停止時，換能器的機械振動在慣 性的作用下仍然會持續并逐漸衰減，回波信號的幅值也逐漸減小，因此超聲波回波信 號是一個變幅周期性信號，其周期對應于超聲波信號的周期。回波信號幅值最大的那 個周期對應于換能器A最后發出的那個超聲波信號的周期。

超聲波的傳播時間就是換能器A發出的超聲波信號上的任意一點與換能器B接收 到的回波信號上相對應的那一點之間的時間間隔。超聲波傳輸時間測量的關鍵是確定 傳播時間的起點和終點。傳播時間的起點可以是換能器A發出的超聲波信號上特定所 對應的時刻，時間的終點是回波信號上與超聲波信號特征點相對應的那一點所對應的 時刻。

回波信號是一個變幅值周期性信號，其波形中最有特征的波是幅值最大的那個波， 可以稱之為特征波，特征波對應于超聲波信號的最后一個波。在特征波中，最有特征 的點是過零點和峰值點，可以選擇過零點作為回波信號的特征點。特征點對應的時刻 就是傳播時間的終點，與之相對應，超聲波信號波形中最后那個波的過零點所對應的 時刻可以確定為傳播時間的起點。

由于超聲波信號是FPGA在CPU的控制下產生的，傳播時間的起點，也就是超 聲波信號最后那個波的過零點對應的時刻很容易由CPU精確確定，其精度取決于 FPGA的運行頻率。