專利名稱：一種精密測量超聲波傳輸時間的方法及裝置的制作方法
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。傳播時間的終點，也就是回波信號特征波中過零點所對應的時刻通過細分插補算 法來確定。細分插補算法根據FPGA中存儲的超聲波回波的A/D采樣信號首先確定回波信 號中峰值幅值最大的那個周期內的波形；然后確定過零點前后兩個采樣點(一個比零大， 一個比零小)所對應的時刻；最后以過零點前后兩個采樣點為基準，用擬合的方法對采樣 點進行細分，確定回波信號過零點所對應的時刻，即超聲波傳播時間終點所對應的時刻，其 精度主要取決于A/D采樣的分辨率。綜上所述，本發明提出的超聲波傳輸時間的精密測量方法是將超聲波換能器A與 超聲波換能器B間隔一定距離相對設置，采用中央處理單元CPU控制現場可編程門陣列 FPGA輸出正弦波驅動信號，讓信號依次通過D/A轉換電路和功率放大電路輸入至所述超聲 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，并輸出超聲波 回波信號，由濾波電路對超聲波換能器B發出的超聲波回波信號進行濾波，再由放大電路 進行放大后，由A/D轉換電路對回波信號進行采樣，采樣數據先存儲在構造于FPGA內的存 儲區內。采樣完成后，中央處理單元CPU首先根據FPGA發射超聲波的數據確定超聲波傳播 時間起點所對應的時刻，然后從FPGA內讀取超聲波回波信號的A/D采樣數據，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，進而精確確定超聲波在兩個換 能器A、B之間的傳輸時間。由此，本發明提出的實現上述方法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。本發明由于采用了基于FPGA的硬件電路和特殊的軟件細分算法，可以實現納秒 級精度的超聲波傳輸時間的測量，并保證很好的實時性。本發明可廣泛的用于采用超聲波 技術實現流量、距離精密測量等領域。
圖1是一種精密測量超聲波傳輸時間方法的硬件結構框圖；圖2是加在換能器A上的驅動信號示意圖；圖3是換能器B上接受到的超聲波回波信號示意圖；圖4是一種精密測量超聲波傳輸時間方法的硬件工作原理示意圖；圖5a_5b是確定超聲波傳播時間終點所對應時刻的示意圖。
具體實施例方式下面結合說明書附圖對本發明的技術方案作進一步詳細說明。參見圖1，本方法的硬件電路主要由超聲波換能器A 11、換能器B 12，中央處理單 元CPU 19，現場可編程門列陣FPGA 18，A/D轉換電路17，濾波電路16，放大電路15，功率放 大電路14、和D/A轉換電路構成。超聲波換能器A 11、換能器B 12相隔一定距離置于同一 條直線上，兩個換能器之間存在可以傳播超聲波的介質，比如空氣，水，鋼材等。超聲波換能 器是壓電式傳感器。參見圖2，是超聲波換能器A上的驅動信號，它是在FPGA中產生的數字正弦信號經 D/A轉換電路轉換成模擬正弦信號，然后再經功率放大電路放大而成，圖中的V代表信號的電壓，t代表時間。該信號的頻率為1MHz，最大電壓約10V，最大電流約1. 5A，具有約15瓦 的電能，足以驅動超聲波換能器A將電能轉換為機械能，發出超聲波信號。參見圖3，是在換能器B上輸出的超聲波回波信號，圖中的V代表信號的電壓，t代 表時間。換能器A發出的超聲波信號經過一定的傳播時間后傳播到換能器B上時，換能器B 將超聲波信號的機械能轉換為電能，輸出超聲波回波信號。換能器B輸出的電信號在超聲 波沒有傳播到換能器B上以前，幅值為零，換能器B接收到超聲波信號后，輸出的電信號幅 值逐漸增加，然后逐漸減小衰減至零，是一個變幅周期信號，幅值最大的那個波對應于超聲 波信號的最后一個波。超聲波回波信號的頻率取決于超聲波信號的頻率，也是1MHz。參見圖4，CPU 19向FPGA18中的同步電路432發出開始采樣命令后，FPGA18同時 啟動對超聲波換能器All的驅動和對超聲波換能器B12輸出信號的采樣。構建于FPGA內的數字正弦信號發生器431發送頻率為1MHz的8個周期的正弦信 號，該信號經過D/A轉換電路13轉換為模擬信號，再經功率放大電路14放大后，加載在換 能器All上，發出超聲波信號。換能器B12輸出的電信號經過運算放大電路15放大后，經 過濾波電路16濾波后連接到A/D轉換電路17。FPGA內部的采樣電路433控制A/D轉換電 路443將模擬信號轉換為數字信號，并把采樣值逐一存入構建于FPGA內的RAM存儲區434 中。采樣完成后，FPGA430向CPU 19發送采樣結束狀態信息，CPU19接收到采樣結束狀態信 息后，結束一次采樣。采樣結束后，CPU19首先根據FPGA內的數字正弦信號發生器431的數據精確確定 超聲波信號中起點所對應的時刻Tqd。然后CPU19發出讀數據命令，讀取暫存于RAM存儲區434中的數據，精確計算超聲 波傳播時間終點所對應的時刻。超聲波傳輸時間終點所對應的時刻是通過對回波信號所有采樣數據用細分插補 算法進行分析和計算而實現的。參見圖5a，分析超聲波換能器B輸出的超聲波回波信號可 知，為保證測量的重復性，應該在峰值幅值最大的波形中提取超聲波傳輸時間的終點。在這 個波形的整周期內，最明顯的兩個特征點是峰值點和過零點，把過零點確定為回波信號的 時間參考點更容易獲得高精度。參見圖5a，本發明的超聲波傳輸時間終點所對應的時刻的計算方法是首先逐點比較A/D采樣點，找出采樣點的最大值就可以很容易的確定幅值最大的 波形，可以把這一波形稱之為特征值波形；其次，參加圖5b，確定超聲波傳輸時間終點所對應的過零點仏前面一個采樣點P 和后面一個采樣點P+1，顯然在特征波內采樣點P的采樣值大于零，采樣點P+1的采樣值小
于零；最后，以采樣點P和P+1兩點對應的時刻作為基準，用細分插補算法可以準確計算 出過零點&所對應的時刻，具體計算方法如下設A/D的采樣頻率為FA/D，相鄰兩個采樣點之間的時間即采樣周期為Ta/d ；從第一 個采樣點到采樣點P之間的采樣數為N，采樣點P對應的采樣值為VI，采樣點P所對應的時 刻為T1 ；采樣點P+1對應的采樣值為V2 ；采樣點P所對應的時刻為T1，采樣點P與過零點 Po之間的時間為T2，過零點&對應的時刻為TZD，超聲波的傳輸時間為T，則
TA/D=1/FA/DT1=N*1/FA/D在過零點附近較小的區域內，正弦波的波形接近于直線，可以根據直線插補的方 法確定T2 t2 = j~~^xv1xtaid則過零點所對應的時刻，即超聲波傳輸時間終點所對應的時刻為TZD=T1+T2=N*1/FA/D+1/V2-V1*TAD*V1從上式可知，超聲波傳輸時間終點所對應時刻的分辨率為R=1/V2-V1*TAD參加圖5b，假設超聲波回波信號的頻率為1M，則周期為lus ；A/D的分辨率是12
位，那么可以將信號的幅值分為4096份，設A/D的采樣頻率為32MHz，則在正弦波正的最大
值到負的最大值的半個周期內，可以最多采16個點，如果把正弦波正的最大值到負的最大
值的半個周期內的波形看作是直線，則顯然可知 4096V2-V1=4096/16=256觀察正弦波正的最大值到負的最大值的半個周期內的波形可以看出，過零點附近 曲線的斜率遠大于峰值附近曲線的斜率，則V2-V1 > 256R=1/V2-V1*TAD<1/256*TAD=1/256*1/32*1us=0.122ns參見圖5，超聲波的傳輸時間為T=TZD-TQD=N*1/FA/D+1/V2-V1*TAD*V1-TQD
由于超聲波傳輸時間起點所對應的時刻可以精確確定，則超聲波傳輸時間測量的 分辨率取決于超聲波傳輸時間終點所對應時刻的分辨率。則超聲波傳輸時間測量的分辨率 小于0. 122納秒，如果采用更高分辨率的A/D轉換電路，還可以實現更高分辨率的測量。
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權利要求
一種精密測量超聲波傳輸時間的方法，用于超聲波兩個超聲波換能器之間傳輸時間的精密測量，其特征在于所述方法是將超聲波換能器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，采用中央處理單元CPU控制現場可編程門陣列FPGA輸出正弦波驅動信號，讓信號依次通過D/A轉換電路和功率放大電路輸入至所述超聲波換能器A，該超聲波換能器A將所述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，并輸出超聲波回波信號，由濾波電路對超聲波換能器B發出的超聲波回波信號進行濾波，再由放大電路進行放大后，由A/D轉換電路對回波信號進行采樣，采樣數據先存儲在構造于FPGA內的存儲區內；采樣完成后，中央處理單元CPU首先根據FPGA發射超聲波的數據確定超聲波傳播時間起點所對應的時刻，然后從FPGA內讀取超聲波回波信號的A/D采樣數據，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，進而精確確定超聲波在兩個換能器A、B之間的傳輸時間；所述聲波傳播時間起點所對應的時刻取FPGA發射超聲波信號最后那個波的過零點對應的時刻；所述計算傳播時間的終點的細分插補算法是根據FPGA中存儲的超聲波回波的A/D采樣信號，首先確定回波信號中峰值幅值最大的那個周期內的波形；然后確定過零點前后兩個采樣點所對應的時刻；最后以過零點前后兩個采樣點為基準，用擬合的方法對采樣點進行細分，確定回波信號過零點所對應的時刻，即超聲波傳播時間終點所對應的時刻。
2.一種實現權利要求1所述方法的精密測量超聲波傳輸時間的裝置，所述裝置包括超 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，其特征在于所述超聲波換能器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，進而精確確定超聲波在 兩個換能器A、B之間的傳輸時間。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；所述聲波傳播時間起點所對應的時刻取FPGA發射超聲波信號最后那個波的過零點對 應的時刻；所述計算傳播時間的終點的細分插補算法是根據FPGA中存儲的超聲波回波的A/D采樣信號，首先確定回波信號中峰值幅值最大的那個周期內的波形；然后確定過零點前后兩 個采樣點所對應的時刻；最后以過零點前后兩個采樣點為基準，用擬合的方法對采樣點進 行細分，確定回波信號過零點所對應的時刻，即超聲波傳播時間終點所對應的時刻。
全文摘要
本發明涉及一種用于精密測量超聲波傳輸時間的方法及裝置，采用A、B兩個超聲波換能器、硬件電路和軟件細分算法。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。信號處理電路有模數轉換器、FPGA和CPU。CPU控制FPGA啟動超聲波換能器驅動電路驅動換能器A發出超聲波信號，濾波電路對超聲波換能器B接收到的超聲波回波信號進行濾波，再放大后，A/D對回波信號進行采樣，采樣數據先存儲在構造于FPGA內的存儲區內，采樣完成后CPU從FPGA內讀取采樣數據，采用軟件細分算法精確計算出超聲波在兩個換能器A、B之間的傳輸時間。本發明由于采用了基于FPGA的硬件電路和特殊的軟件細分算法，可以實現納秒級精度的超聲波傳輸時間的測量，并保證很好的實時性。
文檔編號G01H17/00GK101813515SQ20101016239
公開日2010年8月25日 申請日期2010年4月30日 優先權日2010年4月30日
發明者萬文略, 馮濟琴, 劉小康, 張興紅, 楊繼森, 王先全, 陳錫侯, 高忠華 申請人:重慶理工大學