[實用新型]一種精密測量超聲波傳輸時間的裝置

無效

• 申請號: 201020177787.6
• 申請日: 2010-04-30
• 公開（公告）號: CN201837420U
• 公開（公告）日: 2011-05-18
• 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: G01F1/66
• 分類號: G01F1/66;G01S15/08
• 代理公司: 重慶華科專利事務所 50123
• 代理人: 康海燕

技術領域

本實用新型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

本實用新型針對上述問題，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。

本實用新型采用的技術方案是：

本實用新型提出的裝置包括超聲波換能器A、超聲波換能器B、功率放大電路、放大電路、濾波電路、A/D轉換電路、D/A轉換電路、現場可編程門陣列FPGA和中央處理單元CPU；

所述超聲波換能器A與超聲波換能器B間隔一定距離相對設置，兩個換能器之間存在可以傳播超聲波的介質；

所述中央處理單元CPU連接現場可編程門陣列FPGA，控制現場可編程門陣列FPGA輸出正弦波驅動信號，現場可編程門陣列FPGA的一路輸出連接D/A轉換電路，由過D/A轉換電路對所述正弦波驅動信號進行轉換，D/A轉換電路再連接功率放大電路，對信號進行放大，功率放大電路與超聲波換能器A連接，將信號輸入至所述超聲波換能器A，該超聲波換能器A將所述該輸入信號轉換成機械振動產生超聲波信號；

所述超聲波換能器B接收所述超聲波換能器A發出的超聲波信號，把機械振動轉換為電信號，輸出超聲波回波信號，并通過與其依次連接的放大電路、濾波電路和A/D轉換電路，使所述超聲波回波信號依次經放大、濾波和A/D轉換后輸入至現場可編程門陣列FPGA；

所述現場可編程門陣列FPGA同時采樣輸出的正弦波驅動信號和輸入的超聲波回波信號，并將采樣數據存放在內存中；

所述中央處理單元CPU從現場可編程門陣列FPGA內存中讀取采樣數據，根據輸出的正弦波驅動信號確定超聲波傳播時間起點所對應的時刻，根據輸入的超聲波回波信號，采用通過細分插補算法精確計算出超聲波傳播時間終點所對應的時刻，進而精確計算超聲波在超聲波換能器A與超聲波換能器B之間的傳輸時間。

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。