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(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,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(guān),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(dá)到0. 5%的測量精度,要求測量的時間 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)的定時計(jì)數(shù)電路,時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(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(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轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動, 當(dāng)信號的頻率在超聲波的頻率范圍內(nèi)時,換能器A把電信號轉(zhuǎn)換為超聲波信號。換能器B 也是壓電式傳感器,把機(jī)械振動轉(zhuǎn)換為電信號,當(dāng)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(zhuǎn)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(qū)動電路包括數(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)字正弦信號轉(zhuǎn)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(qū)動超聲波換能器A。所述A/D轉(zhuǎn)換器主要用于把超聲波回波模 擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)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(chǎn)生數(shù)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(shù)據(jù)存在構(gòu)造于FPGA內(nèi)部的存儲區(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,該信號在介質(zhì)中傳播到 達(dá)換能器B后,激勵換能器B產(chǎn)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(xù)激勵而逐漸增大,當(dāng)激勵信號停止時,換能器的機(jī)械振動在慣性的作用下 仍然會持續(xù)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(yīng)于超聲波信號的周期?;夭ㄐ盘柗底畲蟮哪莻€周期對應(yīng)于換能器 A最后發(fā)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(fā)出的超聲波信號上的任意一點(diǎn)與換能器B接收 到的回波信號上相對應(yīng)的那一點(diǎn)之間的時間間隔。超聲波傳輸時間測量的關(guān)鍵是確定傳播 時間的起點(diǎn)和終點(diǎn)。傳播時間的起點(diǎn)可以是換能器A發(fā)出的超聲波信號上特定所對應(yīng)的時 刻,時間的終點(diǎn)是回波信號上與超聲波信號特征點(diǎn)相對應(yīng)的那一點(diǎn)所對應(yīng)的時刻?;夭ㄐ盘柺且粋€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(yīng)于超聲波信號的最后一個波。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)作為回波信號的特征點(diǎn)。特征點(diǎn)對應(yīng)的時刻就是傳 播時間的終點(diǎn),與之相對應(yīng),超聲波信號波形中最后那個波的過零點(diǎn)所對應(yīng)的時刻可以確 定為傳播時間的起點(diǎn)。由于超聲波信號是FPGA在CPU的控制下產(chǎn)生的,傳播時間的起點(diǎn),也就是超聲波 信號最后那個波的過零點(diǎn)對應(yīng)的時刻很容易由CPU精確確定,其精度取決于FPGA的運(yùn)行頻率。傳播時間的終點(diǎn),也就是回波信號特征波中過零點(diǎn)所對應(yīng)的時刻通過細(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(nèi)的波形;然后確定過零點(diǎn)前后兩個采樣點(diǎn)(一個比零大, 一個比零小)所對應(yīng)的時刻;最后以過零點(diǎn)前后兩個采樣點(diǎn)為基準(zhǔn),用擬合的方法對采樣 點(diǎn)進(jìn)行細(xì)分,確定回波信號過零點(diǎn)所對應(yīng)的時刻,即超聲波傳播時間終點(diǎn)所對應(yīng)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(fā)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(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)動信號,讓信號依次通過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將所述該輸入信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動產(chǎn)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(fā)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(fā)出的超聲波回波信號進(jìn)行濾波,再由放大電路 進(jìn)行放大后,由A/D轉(zhuǎn)換電路對回波信號進(jìn)行采樣,采樣數(shù)據(jù)先存儲在構(gòu)造于FPGA內(nèi)的存 儲區(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 時間起點(diǎn)所對應(yīng)的時刻,然后從FPGA內(nèi)讀取超聲波回波信號的A/D采樣數(shù)據(jù),采用通過細(xì) 分插補(bǔ)算法精確計(jì)算出超聲波傳播時間終點(diǎn)所對應(yīng)的時刻,進(jìn)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(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)動信號,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)動信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換,D/A轉(zhuǎn)換電路再連接功率放大電路,對信號進(jìn)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(zhuǎn)換成機(jī)械振動產(chǎn)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(fā)出的超聲波信號,把機(jī)械振動轉(zhuǎn) 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(zhuǎn) 換電路,使所述超聲波回波信號依次經(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同時采樣輸出的正弦波驅(qū)動信號和輸入的超聲波回 波信號,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)動信號確定超聲波傳播時間起點(diǎn)所對應(yīng)的時刻,根據(jù)輸入的超聲波回波信號, 采用通過細(xì)分插補(bǔ)算法精確計(jì)算出超聲波傳播時間終點(diǎn)所對應(yīng)的時刻,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間的測量,并保證很好的實(shí)時性。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(diǎn)所對應(yīng)時刻的示意圖。
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)動信號,它是在FPGA中產(chǎn)生的數(shù)字正弦信號經(jīng) D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成模擬正弦信號,然后再經(jīng)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(qū)動超聲波換能器A將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,發(fā)出超聲波信號。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(fā)出的超聲波信號經(jīng)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(jī)械能轉(zhuǎn)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(yīng)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(fā)出開始采樣命令后,F(xiàn)PGA18同時 啟動對超聲波換能器All的驅(qū)動和對超聲波換能器B12輸出信號的采樣。構(gòu)建于FPGA內(nèi)的數(shù)字正弦信號發(fā)生器431發(fā)送頻率為1MHz的8個周期的正弦信 號,該信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換電路13轉(zhuǎn)換為模擬信號,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。換能器B12輸出的電信號經(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將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,并把采樣值逐一存入構(gòu)建于FPGA內(nèi)的RAM存儲區(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)字正弦信號發(fā)生器431的數(shù)據(jù)精確確定 超聲波信號中起點(diǎn)所對應(yīng)的時刻Tqd。然后CPU19發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令,讀取暫存于RAM存儲區(qū)434中的數(shù)據(jù),精確計(jì)算超聲 波傳播時間終點(diǎn)所對應(yīng)的時刻。超聲波傳輸時間終點(diǎn)所對應(yīng)的時刻是通過對回波信號所有采樣數(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間的終點(diǎn)。在這 個波形的整周期內(nèi),最明顯的兩個特征點(diǎn)是峰值點(diǎn)和過零點(diǎn),把過零點(diǎn)確定為回波信號的 時間參考點(diǎn)更容易獲得高精度。參見圖5a,本發(fā)明的超聲波傳輸時間終點(diǎn)所對應(yīng)的時刻的計(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,確定超聲波傳輸時間終點(diǎn)所對應(yīng)的過零點(diǎn)仏前面一個采樣點(diǎn)P 和后面一個采樣點(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,相鄰兩個采樣點(diǎn)之間的時間即采樣周期為Ta/d ;從第一 個采樣點(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 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)的時刻為T1,采樣點(diǎn)P與過零點(diǎn) Po之間的時間為T2,過零點(diǎn)&對應(yīng)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(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)的時刻,即超聲波傳輸時間終點(diǎn)所對應(yīng)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(diǎn)所對應(yīng)時刻的分辨率為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(shè)A/D的采樣頻率為32MHz,則在正弦波正的最大
值到負(fù)的最大值的半個周期內(nèi),可以最多采16個點(diǎn),如果把正弦波正的最大值到負(fù)的最大
值的半個周期內(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(diǎn)所對應(yīng)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(diǎn)所對應(yīng)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(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(shè)置,兩個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)動信號,讓信號依次通過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將所述輸入信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動產(chǎn)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(fā)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(fā)出的超聲波回波信號進(jìn)行濾波,再由放大電路進(jìn)行放大后,由A/D轉(zhuǎn)換電路對回波信號進(jìn)行采樣,采樣數(shù)據(jù)先存儲在構(gòu)造于FPGA內(nèi)的存儲區(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)確定超聲波傳播時間起點(diǎn)所對應(yīng)的時刻,然后從FPGA內(nèi)讀取超聲波回波信號的A/D采樣數(shù)據(jù),通過細(xì)分插補(bǔ)算法精確計(jì)算出超聲波傳播時間終點(diǎn)所對應(yīng)的時刻,進(jìn)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(diǎn)所對應(yīng)的時刻取FPGA發(fā)射超聲波信號最后那個波的過零點(diǎn)對應(yīng)的時刻;所述計(jì)算傳播時間的終點(diǎn)的細(xì)分插補(bǔ)算法是根據(jù)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(nèi)的波形;然后確定過零點(diǎn)前后兩個采樣點(diǎn)所對應(yīng)的時刻;最后以過零點(diǎn)前后兩個采樣點(diǎn)為基準(zhǔn),用擬合的方法對采樣點(diǎn)進(jìn)行細(xì)分,確定回波信號過零點(diǎn)所對應(yīng)的時刻,即超聲波傳播時間終點(diǎn)所對應(yīng)的時刻。
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)動信號,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)動信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換,D/A轉(zhuǎn)換電路再連接功率放大電路,對信號進(jìn)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(zhuǎn)換成機(jī)械振動產(chǎn)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(fā)出的超聲波信號,把機(jī)械振動轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換電 路,使所述超聲波回波信號依次經(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同時采樣輸出的正弦波驅(qū)動信號和輸入的超聲波回波信 號,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)動信號確定超聲波傳播時間起點(diǎn)所對應(yīng)的時刻,根據(jù)輸入的超聲波回波信號,采用 通過細(xì)分插補(bǔ)算法精確計(jì)算出超聲波傳播時間終點(diǎn)所對應(yīng)的時刻,進(jìn)而精確確定超聲波在 兩個換能器A、B之間的傳輸時間。計(jì)算超聲波在超聲波換能器A與超聲波換能器B之間的傳輸時間;所述聲波傳播時間起點(diǎn)所對應(yīng)的時刻取FPGA發(fā)射超聲波信號最后那個波的過零點(diǎn)對 應(yīng)的時刻;所述計(jì)算傳播時間的終點(diǎn)的細(xì)分插補(bǔ)算法是根據(jù)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(nèi)的波形;然后確定過零點(diǎn)前后兩 個采樣點(diǎn)所對應(yīng)的時刻;最后以過零點(diǎn)前后兩個采樣點(diǎn)為基準(zhǔn),用擬合的方法對采樣點(diǎn)進(jìn) 行細(xì)分,確定回波信號過零點(diǎn)所對應(yīng)的時刻,即超聲波傳播時間終點(diǎn)所對應(yīng)的時刻。
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(xì)分算法。硬件電路主要包括超聲波換能器驅(qū)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(shù)轉(zhuǎn)換器、FPGA和CPU。CPU控制FPGA啟動超聲波換能器驅(qū)動電路驅(qū)動換能器A發(fā)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(jìn)行濾波,再放大后,A/D對回波信號進(jìn)行采樣,采樣數(shù)據(jù)先存儲在構(gòu)造于FPGA內(nèi)的存儲區(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)算出超聲波在兩個換能器A、B之間的傳輸時間。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間的測量,并保證很好的實(shí)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(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)