[發明專利]基于相鄰峰值最大差值的氣體超聲流量計間歇式激勵和信號處理方法和系統

有效

• 申請號: 201710076315.8
• 申請日: 2017-02-13
• 公開（公告）號: CN106871980B
• 公開（公告）日: 2019-03-26
• 發明（設計）人: 徐科軍;田雷;穆立彬;劉博;沈子文;李劍波
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: G01F1/66
• 分類號: G01F1/66
• 代理公司: 合肥金安專利事務所(普通合伙企業) 34114
• 代理人: 劉文軍

1.基于相鄰峰值最大差值的氣體超聲流量計間歇式激勵和信號處理系統，包括換能器單元、發射/接收信號通道切換電路、激勵信號產生與放大電路、回波信號調理與采樣電路、DSP最小系統、FPGA最小系統和電源管理模塊、間歇式激勵方法和基于相鄰峰值最大差值的信號處理方法軟件；通過間歇式激勵信號激勵超聲波發射換能器，產生超聲波信號；當接收換能器接收到超聲波信號后，將其轉化為回波信號；再對回波信號進行放大、濾波，用5MHz的ADC(模數轉換器)對其進行采樣；通過FPGA轉存到DSP中；DSP對其進行零相位濾波，再找回波信號中相鄰峰值最大差值對應的特征波，將特征波后的過零點作為特征點，確定超聲波信號順流、逆流的傳播時間，并計算氣體流量；其特征在于：

采用間歇式激勵方法激勵超聲波換能器，得到相鄰峰值差值較大且穩定的回波信號，配合基于相鄰峰值最大差值的信號處理方法，得到更佳的測量效果；

當采用非編碼激勵信號激勵發射換能器時，產生的超聲波信號由接收換能器接收，輸出的回波信號呈紡錘體形；激勵信號采用正弦波作為基本波形，進行周期延拓，得到5個連續的正弦波信號，作為一次非編碼激勵信號；由于超聲波換能器存在阻尼特性，當采用激勵信號激勵發射換能器時，接收換能器接收到的回波信號將經過一段時間后才會衰減到零；若緊接著對發射換能器再次進行激勵，接收換能器輸出的回波信號就會與之前的回波信號疊加在一起，形成疊加波形；所述的間歇式激勵方法(即發射一次連續非編碼激勵信號，間歇一定時間后，再發送一次連續非編碼激勵信號)，結合了非編碼激勵方式簡單、編碼激勵包含波形組合的優點，在一次完整激勵中，發射前后兩次非編碼激勵信號；若前后兩次激勵都采用長度相同、頻率與換能器中心頻率相同的信號，那么，前后兩次回波信號的頻率和輪廓勢必也相同；而通過改變兩次激勵的間歇寬度，會使前后兩次回波信號產生不同位置的疊加；由于回波信號是周期振蕩的，如果能調節兩次激勵信號間歇，恰好使前后兩次的回波信號部分反相抵消、部分正相疊加，就能得到相鄰峰值差值較大且穩定的回波信號；

間歇式激勵信號也可以發送5個連續正弦波信號，間歇一定時間后，再發送5個連續正弦波信號，其基本波形為正弦波；另外，基本波形也可以采用方波、鋸齒波、三角波等波形；基本波形的頻率以換能器的中心頻率為最優，這樣能保證最有效地傳遞激勵信號的能量；而采用5個正弦波是為了保證回波信號具有較高的信噪比；

間歇式激勵信號產生過程包括激勵信號產生與放大；以發送5個連續正弦波信號的間歇式激勵信號為例，首先將一個周期的基本正弦波波形數據存入FPGA的ROM數據輸出模塊中；當接收到DSP發送的激勵起始信號后，FPGA連續調用5次ROM數據輸出模塊中存儲的正弦波數據，等待一定間歇時間后，FPGA再次連續調用5次ROM數據輸出模塊中存儲的正弦波數據；調用的數據輸出至激勵信號產生與放大電路，由該電路中的DAC(數模轉換器)電路將數字信號轉化為模擬信號，再經功率放大電路、電壓放大電路后，通過發射/接收信號通道切換電路加載到選通的發射換能器上。

2.如權利要求1所述的基于相鄰峰值最大差值的氣體超聲流量計間歇式激勵和信號處理系統，其特征在于：

基于相鄰峰值最大差值的信號處理方法是通過相鄰峰值最大差值的位置找到對應的特征波，將特征波后的過零點作為特征點，確定順流、逆流的傳播時間，進而計算氣體流量；

具體的步驟為：

(1)對回波信號進行濾波、歸一化處理

采用四階巴特沃斯帶通濾波器構成零相位濾波器，對采集的一組回波信號數據進行實時的帶通濾波處理，通帶范圍為120KHz～280KHz；所述的零相位濾波器，是將回波信號數據順序、反序通過四階巴特沃斯帶通濾波器，得到濾波前后無相位差的回波信號，再找出回波信號的最大峰值A_max，對所有采樣值除以最大峰值A_max，即可得到歸一化的回波信號；

(2)設置尋找各峰值點的起始位置并尋找各峰值點

為了降低運算量，去掉前面幅值較小的采樣點，預先設定一個閾值M(M可取0.2～0.6之間的任意值)；從起始采樣點開始，往后尋找，找到最近的歸一化后采樣值大于M的采樣點，將找到的采樣點作為尋找各峰值點的起始位置；從起始位置開始，比較三個連續采樣點的中間點是否為三個采樣點的最大值；若為最大值，則作為一個峰值點；若不為最大值，則不作處理；按照上述步驟找出回波信號中的各峰值；

(3)比較得出第二次上升階段的各峰值點

通過比較找到各峰值點的大小，找出回波信號中第二次上升階段各峰值點；

(4)計算相鄰峰值的差值，并找出最大值

對第二次上升階段的所有峰值點，用后一個峰值減前一個峰值的方法，得到各相鄰兩峰值的差值ΔA；最后，比較各相鄰兩峰值的差值大小，得到相鄰峰值最大差值ΔA_max；

(5)找出特征點，并確定傳播時間

通過相鄰兩峰值之間差值的最大值ΔA_max的位置，找出該最大差值對應的特征波，并找出特征波后的8個過零點，將特征波后的8個過零點的平均值作為特征點，通過特征點位置，確定順流、逆流的傳播時間，進而計算氣體流量。