專利名稱：一種精密測量超聲波傳輸時(shí)間的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于精密傳感器和檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種超聲波傳輸時(shí)間的精密測量技術(shù)。
背景技術(shù)：
超聲波的顯著特征是頻率高，因而波長短，繞射現(xiàn)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(qiáng)，遇到雜質(zhì)或分界面就會(huì)有顯著的反射。隨著電子技術(shù) 的發(fā)展，超聲波技術(shù)越來越多的應(yīng)用于距離、流量等的精密測量。超聲波在流體中傳播時(shí)，在順流方向和逆流方向傳輸時(shí)間的不同，順、逆流時(shí)間差 和流速有關(guān)，因此可以通過測量超聲波在流體中傳播時(shí)的順、逆流時(shí)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(shí)間差約為1微秒，要保證測量達(dá)到0. 5%的測量精度，要求測量的時(shí)間 差的分辨率要達(dá)到1 2納秒才能實(shí)現(xiàn)，順、逆流傳播時(shí)間的測量分辨率也應(yīng)該在納秒，乃 至皮秒級。如果用常規(guī)的定時(shí)計(jì)數(shù)電路，時(shí)鐘電路的頻率至少要達(dá)到1G，這對于儀器開發(fā)來 講顯然很難實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述問題，公開了一種精密測量超聲波傳輸時(shí)間的方法及裝置，采用 FPGA電路和軟件細(xì)分插補(bǔ)算法，可以在保證測量實(shí)時(shí)性的前提下實(shí)現(xiàn)納秒級，乃至皮秒級測量。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種超聲波傳輸時(shí)間的精密測量方法，用于超聲波兩個(gè)超聲波換能器之間傳輸時(shí) 間的精密測量。所述方法采用A、B兩個(gè)超聲波換能器、硬件電路和軟件細(xì)分插補(bǔ)算法三部 分。硬件電路主要包括超聲波換能器驅(qū)動(dòng)電路、超聲波回波信號(hào)濾波電路、放大電路和信號(hào) 處理電路。信號(hào)處理電路主要有模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)、現(xiàn)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(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)， 當(dāng)信號(hào)的頻率在超聲波的頻率范圍內(nèi)時(shí)，換能器A把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲波信號(hào)。換能器B 也是壓電式傳感器，把機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，當(dāng)超聲波信號(hào)作用到超聲波換能器B上時(shí)， 它把超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，該信號(hào)可以稱之為超聲波回波信號(hào)。所述超聲波換能器驅(qū)動(dòng)電路包括數(shù)模轉(zhuǎn)換(D/A)和功率放大電路。D/A轉(zhuǎn)換器用 于把FPGA發(fā)出的數(shù)字正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬正弦信號(hào)，功率放大電路用于放大該正弦信號(hào) 的功率，使之有足夠的能量驅(qū)動(dòng)超聲波換能器A。所述A/D轉(zhuǎn)換器主要用于把超聲波回波模 擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)和采樣頻率是影響超聲波傳輸時(shí)間測量精度的 重要因素。所述FPGA電路主要功能有兩個(gè)，第一個(gè)功能是在CPU的控制下產(chǎn)生數(shù)字正弦信號(hào)，第二個(gè)功能是完成超聲波回波信號(hào)的采樣，并把數(shù)據(jù)存在構(gòu)造于FPGA內(nèi)部的存儲(chǔ)區(qū) 內(nèi)。超聲波換能器A發(fā)射一定數(shù)量的周期性正弦超聲波信號(hào)，該信號(hào)在介質(zhì)中傳播到 達(dá)換能器B后，激勵(lì)換能器B產(chǎn)生超聲波回波信號(hào)，回波信號(hào)的幅值隨著換能器接收到的超 聲波信號(hào)的連續(xù)激勵(lì)而逐漸增大，當(dāng)激勵(lì)信號(hào)停止時(shí)，換能器的機(jī)械振動(dòng)在慣性的作用下 仍然會(huì)持續(xù)并逐漸衰減，回波信號(hào)的幅值也逐漸減小，因此超聲波回波信號(hào)是一個(gè)變幅周 期性信號(hào)，其周期對應(yīng)于超聲波信號(hào)的周期。回波信號(hào)幅值最大的那個(gè)周期對應(yīng)于換能器 A最后發(fā)出的那個(gè)超聲波信號(hào)的周期。超聲波的傳播時(shí)間就是換能器A發(fā)出的超聲波信號(hào)上的任意一點(diǎn)與換能器B接收 到的回波信號(hào)上相對應(yīng)的那一點(diǎn)之間的時(shí)間間隔。超聲波傳輸時(shí)間測量的關(guān)鍵是確定傳播 時(shí)間的起點(diǎn)和終點(diǎn)。傳播時(shí)間的起點(diǎn)可以是換能器A發(fā)出的超聲波信號(hào)上特定所對應(yīng)的時(shí) 刻，時(shí)間的終點(diǎn)是回波信號(hào)上與超聲波信號(hào)特征點(diǎn)相對應(yīng)的那一點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)刻?；夭ㄐ盘?hào)是一個(gè)變幅值周期性信號(hào)，其波形中最有特征的波是幅值最大的那個(gè) 波，可以稱之為特征波，特征波對應(yīng)于超聲波信號(hào)的最后一個(gè)波。在特征波中，最有特征的 點(diǎn)是過零點(diǎn)和峰值點(diǎn)，可以選擇過零點(diǎn)作為回波信號(hào)的特征點(diǎn)。特征點(diǎn)對應(yīng)的時(shí)刻就是傳 播時(shí)間的終點(diǎn)，與之相對應(yīng)，超聲波信號(hào)波形中最后那個(gè)波的過零點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)刻可以確 定為傳播時(shí)間的起點(diǎn)。由于超聲波信號(hào)是FPGA在CPU的控制下產(chǎn)生的，傳播時(shí)間的起點(diǎn)，也就是超聲波 信號(hào)最后那個(gè)波的過零點(diǎn)對應(yīng)的時(shí)刻很容易由CPU精確確定，其精度取決于FPGA的運(yùn)行頻率。傳播時(shí)間的終點(diǎn)，也就是回波信號(hào)特征波中過零點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)刻通過細(xì)分插補(bǔ)算 法來確定。細(xì)分插補(bǔ)算法根據(jù)FPGA中存儲(chǔ)的超聲波回波的A/D采樣信號(hào)首先確定回波信 號(hào)中峰值幅值最大的那個(gè)周期內(nèi)的波形；然后確定過零點(diǎn)前后兩個(gè)采樣點(diǎn)(一個(gè)比零大， 一個(gè)比零小)所對應(yīng)的時(shí)刻；最后以過零點(diǎn)前后兩個(gè)采樣點(diǎn)為基準(zhǔn)，用擬合的方法對采樣 點(diǎn)進(jìn)行細(xì)分，確定回波信號(hào)過零點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)刻，即超聲波傳播時(shí)間終點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)刻，其 精度主要取決于A/D采樣的分辨率。綜上所述，本發(fā)明提出的超聲波傳輸時(shí)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(shè)置，采用中央處理單元CPU控制現(xiàn)場可編程門陣列 FPGA輸出正弦波驅(qū)動(dòng)信號(hào)，讓信號(hào)依次通過D/A轉(zhuǎn)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(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生超聲波信號(hào)。所述超聲波換能器B接收所述超聲波換能器A發(fā)出的超聲波信號(hào)，并輸出超聲波 回波信號(hào)，由濾波電路對超聲波換能器B發(fā)出的超聲波回波信號(hào)進(jìn)行濾波，再由放大電路 進(jìn)行放大后，由A/D轉(zhuǎn)換電路對回波信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣數(shù)據(jù)先存儲(chǔ)在構(gòu)造于FPGA內(nèi)的存 儲(chǔ)區(qū)內(nèi)。采樣完成后，中央處理單元CPU首先根據(jù)FPGA發(fā)射超聲波的數(shù)據(jù)確定超聲波傳播 時(shí)間起點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)刻，然后從FPGA內(nèi)讀取超聲波回波信號(hào)的A/D采樣數(shù)據(jù)，采用通過細(xì) 分插補(bǔ)算法精確計(jì)算出超聲波傳播時(shí)間終點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)刻，進(jìn)而精確確定超聲波在兩個(gè)換 能器A、B之間的傳輸時(shí)間。由此，本發(fā)明提出的實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、現(xiàn)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(shè)置，兩個(gè)換能器之間 存在可以傳播超聲波的介質(zhì)；所述中央處理單元CPU連接現(xiàn)場可編程門陣列FPGA，控制現(xiàn)場可編程門陣列FPGA 輸出正弦波驅(qū)動(dòng)信號(hào)，現(xiàn)場可編程門陣列FPGA的一路輸出連接D/A轉(zhuǎn)換電路，由過D/A轉(zhuǎn) 換電路對所述正弦波驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，D/A轉(zhuǎn)換電路再連接功率放大電路，對信號(hào)進(jìn)行放 大，功率放大電路與超聲波換能器A連接，將信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生超聲波信號(hào)；所述超聲波換能器B接收所述超聲波換能器A發(fā)出的超聲波信號(hào)，把機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn) 換為電信號(hào)，輸出超聲波回波信號(hào)，并通過與其依次連接的放大電路、濾波電路和A/D轉(zhuǎn) 換電路，使所述超聲波回波信號(hào)依次經(jīng)放大、濾波和A/D轉(zhuǎn)換后輸入至現(xiàn)場可編程門陣列 FPGA ；所述現(xiàn)場可編程門陣列FPGA同時(shí)采樣輸出的正弦波驅(qū)動(dòng)信號(hào)和輸入的超聲波回 波信號(hào)，并將采樣數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存中；所述中央處理單元CPU從現(xiàn)場可編程門陣列FPGA內(nèi)存中讀取采樣數(shù)據(jù)，根據(jù)輸出 的正弦波驅(qū)動(dòng)信號(hào)確定超聲波傳播時(shí)間起點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)刻，根據(jù)輸入的超聲波回波信號(hào)， 采用通過細(xì)分插補(bǔ)算法精確計(jì)算出超聲波傳播時(shí)間終點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)刻，進(jìn)而精確計(jì)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(shí)間。本發(fā)明由于采用了基于FPGA的硬件電路和特殊的軟件細(xì)分算法，可以實(shí)現(xiàn)納秒 級精度的超聲波傳輸時(shí)間的測量，并保證很好的實(shí)時(shí)性。本發(fā)明可廣泛的用于采用超聲波 技術(shù)實(shí)現(xiàn)流量、距離精密測量等領(lǐng)域。


圖1是一種精密測量超聲波傳輸時(shí)間方法的硬件結(jié)構(gòu)框圖；圖2是加在換能器A上的驅(qū)動(dòng)信號(hào)示意圖；圖3是換能器B上接受到的超聲波回波信號(hào)示意圖；圖4是一種精密測量超聲波傳輸時(shí)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(shí)間終點(diǎn)所對應(yīng)時(shí)刻的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)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(xiàn)場可編程門列陣FPGA 18，A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路構(gòu)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(gè)換能器之間存在可以傳播超聲波的介質(zhì)，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(qū)動(dòng)信號(hào)，它是在FPGA中產(chǎn)生的數(shù)字正弦信號(hào)經(jīng) D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成模擬正弦信號(hào)，然后再經(jīng)功率放大電路放大而成，圖中的V代表信號(hào)的電壓，t代表時(shí)間。該信號(hào)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(qū)動(dòng)超聲波換能器A將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，發(fā)出超聲波信號(hào)。參見圖3，是在換能器B上輸出的超聲波回波信號(hào)，圖中的V代表信號(hào)的電壓，t代 表時(shí)間。換能器A發(fā)出的超聲波信號(hào)經(jīng)過一定的傳播時(shí)間后傳播到換能器B上時(shí)，換能器B 將超聲波信號(hào)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，輸出超聲波回波信號(hào)。換能器B輸出的電信號(hào)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(hào)后，輸出的電信號(hào)幅 值逐漸增加，然后逐漸減小衰減至零，是一個(gè)變幅周期信號(hào)，幅值最大的那個(gè)波對應(yīng)于超聲 波信號(hào)的最后一個(gè)波。超聲波回波信號(hào)的頻率取決于超聲波信號(hào)的頻率，也是1MHz。參見圖4，CPU 19向FPGA18中的同步電路432發(fā)出開始采樣命令后，F(xiàn)PGA18同時(shí) 啟動(dòng)對超聲波換能器All的驅(qū)動(dòng)和對超聲波換能器B12輸出信號(hào)的采樣。構(gòu)建于FPGA內(nèi)的數(shù)字正弦信號(hào)發(fā)生器431發(fā)送頻率為1MHz的8個(gè)周期的正弦信 號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換電路13轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，再經(jīng)功率放大電路14放大后，加載在換 能器All上，發(fā)出超聲波信號(hào)。換能器B12輸出的電信號(hào)經(jīng)過運(yùn)算放大電路15放大后，經(jīng) 過濾波電路16濾波后連接到A/D轉(zhuǎn)換電路17。FPGA內(nèi)部的采樣電路433控制A/D轉(zhuǎn)換電 路443將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并把采樣值逐一存入構(gòu)建于FPGA內(nèi)的RAM存儲(chǔ)區(qū)434 中。采樣完成后，F(xiàn)PGA430向CPU 19發(fā)送采樣結(jié)束狀態(tài)信息，CPU19接收到采樣結(jié)束狀態(tài)信 息后，結(jié)束一次采樣。采樣結(jié)束后，CPU19首先根據(jù)FPGA內(nèi)的數(shù)字正弦信號(hào)發(fā)生器431的數(shù)據(jù)精確確定 超聲波信號(hào)中起點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)刻Tqd。然后CPU19發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令，讀取暫存于RAM存儲(chǔ)區(qū)434中的數(shù)據(jù)，精確計(jì)算超聲 波傳播時(shí)間終點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)刻。超聲波傳輸時(shí)間終點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)刻是通過對回波信號(hào)所有采樣數(shù)據(jù)用細(xì)分插補(bǔ) 算法進(jìn)行分析和計(jì)算而實(shí)現(xiàn)的。參見圖5a，分析超聲波換能器B輸出的超聲波回波信號(hào)可 知，為保證測量的重復(fù)性，應(yīng)該在峰值幅值最大的波形中提取超聲波傳輸時(shí)間的終點(diǎn)。在這 個(gè)波形的整周期內(nèi)，最明顯的兩個(gè)特征點(diǎn)是峰值點(diǎn)和過零點(diǎn)，把過零點(diǎn)確定為回波信號(hào)的 時(shí)間參考點(diǎn)更容易獲得高精度。參見圖5a，本發(fā)明的超聲波傳輸時(shí)間終點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)刻的計(jì)算方法是首先逐點(diǎn)比較A/D采樣點(diǎn)，找出采樣點(diǎn)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(shí)間終點(diǎn)所對應(yīng)的過零點(diǎn)仏前面一個(gè)采樣點(diǎn)P 和后面一個(gè)采樣點(diǎn)P+1，顯然在特征波內(nèi)采樣點(diǎn)P的采樣值大于零，采樣點(diǎn)P+1的采樣值小
于零；最后，以采樣點(diǎn)P和P+1兩點(diǎn)對應(yīng)的時(shí)刻作為基準(zhǔn)，用細(xì)分插補(bǔ)算法可以準(zhǔn)確計(jì)算 出過零點(diǎn)&所對應(yīng)的時(shí)刻，具體計(jì)算方法如下設(shè)A/D的采樣頻率為FA/D，相鄰兩個(gè)采樣點(diǎn)之間的時(shí)間即采樣周期為Ta/d ；從第一 個(gè)采樣點(diǎn)到采樣點(diǎn)P之間的采樣數(shù)為N，采樣點(diǎn)P對應(yīng)的采樣值為VI，采樣點(diǎn)P所對應(yīng)的時(shí) 刻為T1 ；采樣點(diǎn)P+1對應(yīng)的采樣值為V2 ；采樣點(diǎn)P所對應(yīng)的時(shí)刻為T1，采樣點(diǎn)P與過零點(diǎn) Po之間的時(shí)間為T2，過零點(diǎn)&對應(yīng)的時(shí)刻為TZD，超聲波的傳輸時(shí)間為T，則
TA/D=1/FA/DT1=N*1/FA/D在過零點(diǎn)附近較小的區(qū)域內(nèi)，正弦波的波形接近于直線，可以根據(jù)直線插補(bǔ)的方 法確定T2 t2 = j~~^xv1xtaid則過零點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)刻，即超聲波傳輸時(shí)間終點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)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(shí)間終點(diǎn)所對應(yīng)時(shí)刻的分辨率為R=1/V2-V1*TAD參加圖5b，假設(shè)超聲波回波信號(hào)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(hào)的幅值分為4096份，設(shè)A/D的采樣頻率為32MHz，則在正弦波正的最大
值到負(fù)的最大值的半個(gè)周期內(nèi)，可以最多采16個(gè)點(diǎn)，如果把正弦波正的最大值到負(fù)的最大
值的半個(gè)周期內(nèi)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(fù)的最大值的半個(gè)周期內(nèi)的波形可以看出，過零點(diǎn)附近 曲線的斜率遠(yuǎn)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(shí)間為T=TZD-TQD=N*1/FA/D+1/V2-V1*TAD*V1-TQD
由于超聲波傳輸時(shí)間起點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)刻可以精確確定，則超聲波傳輸時(shí)間測量的 分辨率取決于超聲波傳輸時(shí)間終點(diǎn)所對應(yīng)時(shí)刻的分辨率。則超聲波傳輸時(shí)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(zhuǎn)換電路，還可以實(shí)現(xiàn)更高分辨率的測量。
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權(quán)利要求
一種精密測量超聲波傳輸時(shí)間的方法，用于超聲波兩個(gè)超聲波換能器之間傳輸時(shí)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(shè)置，兩個(gè)換能器之間存在可以傳播超聲波的介質(zhì)，采用中央處理單元CPU控制現(xiàn)場可編程門陣列FPGA輸出正弦波驅(qū)動(dòng)信號(hào)，讓信號(hào)依次通過D/A轉(zhuǎn)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(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生超聲波信號(hào)；所述超聲波換能器B接收所述超聲波換能器A發(fā)出的超聲波信號(hào)，并輸出超聲波回波信號(hào)，由濾波電路對超聲波換能器B發(fā)出的超聲波回波信號(hào)進(jìn)行濾波，再由放大電路進(jìn)行放大后，由A/D轉(zhuǎn)換電路對回波信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣數(shù)據(jù)先存儲(chǔ)在構(gòu)造于FPGA內(nèi)的存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)；采樣完成后，中央處理單元CPU首先根據(jù)FPGA發(fā)射超聲波的數(shù)據(jù)確定超聲波傳播時(shí)間起點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)刻，然后從FPGA內(nèi)讀取超聲波回波信號(hào)的A/D采樣數(shù)據(jù)，通過細(xì)分插補(bǔ)算法精確計(jì)算出超聲波傳播時(shí)間終點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)刻，進(jìn)而精確確定超聲波在兩個(gè)換能器A、B之間的傳輸時(shí)間；所述聲波傳播時(shí)間起點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)刻取FPGA發(fā)射超聲波信號(hào)最后那個(gè)波的過零點(diǎn)對應(yīng)的時(shí)刻；所述計(jì)算傳播時(shí)間的終點(diǎn)的細(xì)分插補(bǔ)算法是根據(jù)FPGA中存儲(chǔ)的超聲波回波的A/D采樣信號(hào)，首先確定回波信號(hào)中峰值幅值最大的那個(gè)周期內(nèi)的波形；然后確定過零點(diǎn)前后兩個(gè)采樣點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)刻；最后以過零點(diǎn)前后兩個(gè)采樣點(diǎn)為基準(zhǔn)，用擬合的方法對采樣點(diǎn)進(jìn)行細(xì)分，確定回波信號(hào)過零點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)刻，即超聲波傳播時(shí)間終點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)刻。
2.一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述方法的精密測量超聲波傳輸時(shí)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(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換 電路、現(xiàn)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(shè)置，兩個(gè)換能器之間存在 可以傳播超聲波的介質(zhì)；所述中央處理單元CPU連接現(xiàn)場可編程門陣列FPGA，控制現(xiàn)場可編程門陣列FPGA輸 出正弦波驅(qū)動(dòng)信號(hào)，現(xiàn)場可編程門陣列FPGA的一路輸出連接D/A轉(zhuǎn)換電路，由D/A轉(zhuǎn)換電 路對所述正弦波驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，D/A轉(zhuǎn)換電路再連接功率放大電路，對信號(hào)進(jìn)行放大， 功率放大電路與超聲波換能器A連接，將信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生超聲波信號(hào)；所述超聲波換能器B接收所述超聲波換能器A發(fā)出的超聲波信號(hào)，把機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換 為電信號(hào)，輸出超聲波回波信號(hào)，并通過與其依次連接的放大電路、濾波電路和A/D轉(zhuǎn)換電 路，使所述超聲波回波信號(hào)依次經(jīng)放大、濾波和A/D轉(zhuǎn)換后輸入至現(xiàn)場可編程門陣列FPGA ；所述現(xiàn)場可編程門陣列FPGA同時(shí)采樣輸出的正弦波驅(qū)動(dòng)信號(hào)和輸入的超聲波回波信 號(hào)，并將采樣數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存中；所述中央處理單元CPU從現(xiàn)場可編程門陣列FPGA內(nèi)存中讀取采樣數(shù)據(jù)，根據(jù)輸出的正 弦波驅(qū)動(dòng)信號(hào)確定超聲波傳播時(shí)間起點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)刻，根據(jù)輸入的超聲波回波信號(hào)，采用 通過細(xì)分插補(bǔ)算法精確計(jì)算出超聲波傳播時(shí)間終點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)刻，進(jìn)而精確確定超聲波在 兩個(gè)換能器A、B之間的傳輸時(shí)間。計(jì)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(shí)間；所述聲波傳播時(shí)間起點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)刻取FPGA發(fā)射超聲波信號(hào)最后那個(gè)波的過零點(diǎn)對 應(yīng)的時(shí)刻；所述計(jì)算傳播時(shí)間的終點(diǎn)的細(xì)分插補(bǔ)算法是根據(jù)FPGA中存儲(chǔ)的超聲波回波的A/D采樣信號(hào)，首先確定回波信號(hào)中峰值幅值最大的那個(gè)周期內(nèi)的波形；然后確定過零點(diǎn)前后兩 個(gè)采樣點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)刻；最后以過零點(diǎn)前后兩個(gè)采樣點(diǎn)為基準(zhǔn)，用擬合的方法對采樣點(diǎn)進(jìn) 行細(xì)分，確定回波信號(hào)過零點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)刻，即超聲波傳播時(shí)間終點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)刻。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于精密測量超聲波傳輸時(shí)間的方法及裝置，采用A、B兩個(gè)超聲波換能器、硬件電路和軟件細(xì)分算法。硬件電路主要包括超聲波換能器驅(qū)動(dòng)電路、超聲波回波信號(hào)濾波電路、放大電路和信號(hào)處理電路。信號(hào)處理電路有模數(shù)轉(zhuǎn)換器、FPGA和CPU。CPU控制FPGA啟動(dòng)超聲波換能器驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)換能器A發(fā)出超聲波信號(hào)，濾波電路對超聲波換能器B接收到的超聲波回波信號(hào)進(jìn)行濾波，再放大后，A/D對回波信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣數(shù)據(jù)先存儲(chǔ)在構(gòu)造于FPGA內(nèi)的存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)，采樣完成后CPU從FPGA內(nèi)讀取采樣數(shù)據(jù)，采用軟件細(xì)分算法精確計(jì)算出超聲波在兩個(gè)換能器A、B之間的傳輸時(shí)間。本發(fā)明由于采用了基于FPGA的硬件電路和特殊的軟件細(xì)分算法，可以實(shí)現(xiàn)納秒級精度的超聲波傳輸時(shí)間的測量，并保證很好的實(shí)時(shí)性。
文檔編號(hào)G01H17/00GK101813515SQ20101016239
公開日2010年8月25日 申請日期2010年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月30日
發(fā)明者萬文略, 馮濟(jì)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(xué)