用于双模系统响应的超声波换能器系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了用于双模系统响应的超声波换能器系统和方法，提供了一种换能器系统(10)。所述系统包括换能器(TR1)和用于在激励期内施加激励波形来激励所述换能器的电路(14)。所述用于施加的电路具有：(i)施加处于第一频率(64)的第一波形的电路；以及(ii)用于施加处于不同于该第一频率的第二频率(66)的第二波形的电路。

【技术实现步骤摘要】
相关申请的交叉引用本申请要求保护2015年10月21日提交的、标题为“TWOTONEEXCITATIONOFULTRASONICTRANSDUCERSACROSSWIDETEMPERATURERANGEUNDERHEAVILYATTENUATEDPROPAGATIONMEDIUMINULTRASONICBASEDFLOWMETROLOGY”的美国临时专利申请62/244,422的优先权、其提交日期的权益，并且由此通过引用并入本文。关于由联邦政府赞助的研究或开发的声明不适用
技术介绍
优选实施例涉及超声波换能器并且更具体地涉及针对这样的换能器使用两个音调激励脉冲频率的一种系统和方法。超声波换能器在本领域中已知用于传输超声波和检测所传输的波的反射或回波。这样的设备有时又被称为超声或超声波换能器或收发器。超声波换能器具有许多用途，包括水和气体流量计、消费设备、车辆安全、和医疗诊断。在这些和其他领域，换能器检测到的信号可以经过处理来确定距离，这可以进一步与定向处理或区域处理组合以结合二维和三维处理(包括图像处理)来确定流量、体积、形状以及多个方面。在现有技术中，以不同的方案实施流量计(例如，水或气体)，包括机械、电磁、和超声波。这样的计量器的现有技术包括具有被定向为在彼此之间传递信号(信号在管道内的通道中移动)的两个超声波换能器的系统。通常，所施加的脉冲(或一系列脉冲)激励两个换能器中的第一换能器，该第一换能器生成由这些换能器中的第二换能器在被测量为第一飞行时间(TOF)的一定时间量之后接收的波形。然后反向该过程，由此，对第二换能器施加一个或更多个脉冲，从而在这个颠倒过程中测量的第二TOF后，引起第一换能器接收波形。第一和第二TOF、以及微分TOF确定换能器之间(并且因此，沿着换能器所位于的介质)的传播介质的流速。为了精确目的，然而，确定TOF的准确度可能至关重要，而同时在实现期望的准确度时平衡效率考虑因素通常也是非常重要的考虑因素。准确测量TOF取决于许多因素，包括TOF测量过程中充分激励和检测到两个方向中的每个方向中的波形。为此，本领域中已知的是，换能器系统具有谐振频率，并且通过在这个谐振频率附近或这个谐振频率处激励换能器来提高准确度，该谐振频率通常在相当窄的带宽内。然而，关键困难在于谐振频率可能是未知的或不断变化的。例如，系统谐振频率可以基于传播介质温度、杂质或组合物、沉淀、沉积或换能器老化、以及不同制造商之间或甚至同一制造商的换能器的可变性而变化成为可变的。而且，在本领域中一旦采用了流量计，不断监测这些变化并调整激励脉冲频率就变得越来越困难。进一步地，在初始制造过程中设置每个单独系统的静态激励频率可能成本高昂并且一旦在本领域采用该系统不一定可靠，之后，系统谐振频率可能临时或永久变化，其中在这种情况下，静态工厂设置可能不再以最佳方式生成谐振回波和准确的TOF测定。鉴于以上讨论内容，本专利技术人寻求改进现有技术，如以下进一步详述的。
技术实现思路
在一个优选实施例中，存在一种换能器系统。该系统包括换能器和用于在激励期内施加激励波形来激励该换能器的电路。用于施加的所述电路包括：(i)用于施加处于第一频率的第一波形的电路；以及(ii)用于施加处于不同于该第一频率的第二频率的第二波形的电路。还公开和要求保护许多其他创造性方面。附图说明图1展示了一种流量计换能器系统的图解。图2展示了图1中的流量计换能器系统的激励和响应波形的序列图。图3展示了图1中的处理器的第一操作方法的流程图。图4描绘了根据一个优选实施例的检测回波波形中几个周期的多个样本。图5展示了换能器流量计系统(诸如图1中的系统10)的频率响应图。图6展示了第一流量计系统(诸如图1中的系统10)的四个频率响应图，其中每个图对应于不同的温度。图7展示了图1中的处理器的第二操作方法的流程图。图8描绘了根据一个优选实施例的具有两个音调频率的脉冲的序列。图9A至图9G展示了所传输的脉冲串PT的数字样本集和所接收到的回波波形EVM的数字样本集，其中，针对这些集合的不同时间偏移位置进行了不同的时间偏移相关性测量。图10展示了总体上正弦曲线，作为对UPS波形与DNS波形之间的模拟相关性的描绘。图11展示了来自UPS波形与DNS波形的相关性的三个周期的局部图。具体实施方式图1展示了一种流量计换能器系统10的图解。在该初始段描述的系统10在本领域中是已知的，但该系统还包括在以下详述的优选实施例中并且结合其进行了改进。系统10包括管道12，诸如水或气体等材料可以流过该管道，并且在图1中为了参考目的，显示流向从右到左。第一换能器TR1和第二换能器TR2位于管道12内。邻近换能器TR1的是反射器R1，而邻近换能器TR2的是反射器R2。每个反射器Rx被定向成与其相应的邻近换能器TRx传递信号并且还将信号传递至另一个反射器。因此，如图1中的管道12内的虚线所示，换能器TR1将信号传递至反射器R1，该反射器R1将该信号反射到反射器R2，该反射器R2将该信号反射到换能器TR2。同样，换能器TR2将信号传递至反射器R2，该反射器R2将该信号反射到反射器R1，该反射器R1将该信号反射到换能器TR1。最后，诸如数字信号处理器、微处理器、微控制器或某种其他电子电路等的处理器14接收来自时钟16的时钟信号，并且处理器14联接至换能器TR1和换能器TR2二者以便激励任一换能器TRx传输信号和处理相应接收的另一个换能器的信号，如以下进一步探讨的。时钟16通常是具有1-24MHz的范围内的速度的低功率(例如，功耗～140μA/MHz)晶体振荡器。图2展示了图1中的流量计换能器系统10的序列图，其中，所展示和首先描述的序列在本领域中也是已知的，但其还包括在以下详述的优选实施例中并且结合其进行改进。总体上，图2表示在从第一换能器TR1到第二换能器TR2的第一方向上的第一传输，然后在从第二换能器TR2到第一换能器TR1、与第一方向相反的第二方向上的第二传输。为了参考目的，示出了第一方向并且在图1中的管道12的背景下被称为下游(DNS)，并且示出了第二方向，并且在图1中的管道12的背景下被称为上游(UPS)。请看DNS时间线，在时间t0处，处理器14或者直接或者经由额外电路(未示出)来对换能器TR1施加激励脉冲串，作为响应，该换能器TR1传输相应的超声波脉冲串信号，其中，所施加的和所传输的脉冲串均由诸如10到40个这样的脉冲的多个脉冲组成，因此显示在时间t0开始而在时间t1结束。所传输的脉冲定向于反射器R1，该反射器R1将这些脉冲反射到反射器R2，朝向换能器TR2反射。时间随着这些信号沿着通道传递而流逝，该通道包括管道12内部的部分和那个管道内的任何材料，即，总体上沿着图1中所示的虚线。这个时间在本领域中被称为飞行时间(TOF)。因此，DNSTOF发生在时间t0与t2之间，或者其可以相对于来自那些时间中任一时间的一定的已知偏差来测量。在时间t2处，第二换能器TR2开始对第一换能器TR1传输的脉冲作出响应，如在时间t2开始的所接收信号所示。联接到第二换能器TR2的处理器14可运行用于对这个接收到的信号采样。为此，处理器14通常被编程为在时间t2处的预期响应稍稍靠前的时间处开始捕获来自第二换能器TR2的信号。虽本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种换能器系统，所述换能器系统包括：换能器；以及用于在激励期内施加激励波形来激励所述换能器的电路，所述用于施加的电路包括：施加处于第一频率的第一波形的电路；以及用于施加处于不同于所述第一频率的第二频率的第二波形的电路。

【技术特征摘要】
2015.10.21 US 62/244,422;2016.08.15 US 15/236,6661.一种换能器系统，所述换能器系统包括：换能器；以及用于在激励期内施加激励波形来激励所述换能器的电路，所述用于施加的电路包括：施加处于第一频率的第一波形的电路；以及用于施加处于不同于所述第一频率的第二频率的第二波形的电路。2.如权利要求1所述的系统，其中，所述激励波形包括周期性的、具有已知振幅和变化的频率的信号。3.如权利要求1所述的系统，其中，所述激励波形包括连续的正弦信号。4.如权利要求1所述的系统，其中，所述用于施加激励波形的电路包括：用于施加第一脉冲集作为所述第一波形的电路，其中，所述第一集合中的每个脉冲处于所述第一频率；以及用于施加第二脉冲集作为所述第二波形的电路，其中，所述第二集合中的每个脉冲处于所述第二频率。5.如权利要求4所述的换能器系统，并且进一步包括用于确定所述第一频率和所述第二频率的电路。6.如权利要求5所述的换能器系统，其中，所述用于确定所述第一频率和所述第二频率的电路包括：用于估计处于所述换能器系统的相应频率的最大振幅响应的电路；用于确定低于所述换能器系统的所述相应频率的所述第一频率的电路；以及用于确定高于所述换能器系统的所述相应频率的所述第二频率的电路。7.如权利要求6所述的换能器系统，其中，所述用于估计所述换能器系统的最大振幅响应的电路包括：用于使用多个激励脉冲激励所述换能器的电路，其中，所述多个激励脉冲中的每个激励脉冲具有不同的各自的频率；用于响应于所述多个激励脉冲接收回波波形的电路；以及用于确定所述回波波形中的最大振幅的电路，其中，所述相应频率对应于所述最大振幅。8.如权利要求7所述的换能器系统，其中，所述第一频率和所述第二频率中的每个频率对应于处于所述最大振幅的预定减小值的振幅。9.如权利要求7所述的换能器系统，其中，所述第一频率和所述第二频率中的每个频率对应于从所述最大振幅大致减小3dB的振幅。10.如权利要求5所述的换能器系统，其中，所述用于确定所述第一频率和所述第二频率的电路包括：用于估计处于所述换能器系统的第一相应频率的第一最大振幅响应的电路；用于确定处于所述换能器系统的所述第一相应频率的所述第一频率的电路；用于估计处于所述换能器系统的第二相应频率的第二最大振幅响应的电路；以及用于确定处于所述换能器系统的所述第二相应频率的所述第二频率的电路。11.如权利要求1所述的换能器系统，并且所述换能器系统进一步包括：用于响应于激励所述换能器来接收回波波形的电路；以及用于确定所述激励波形与所述回波波形之间的绝对飞行时间的电路。12.如权利要求11所述的换能器系统，其中，所述用于确定的电路包括用于测量所述激励波形与所述回波波形之间的多个相关性测量值的电路。13.如权利要求11所述的系统，其中，所述用于确定的电路包括：用于测量激励波形的第一情形与相应第一回波波形之间的第一多个相关性测量值的电路；以及用于测量激励波形的第二情形与相应第二回波波形之间的第二多个相关性测量值的电路，其中，所述第二多个相关性测量值少于所述第一多个相关性测量值。14.如权利要求11所述的系统，其中，所述用于确定的电路包括：用于测量脉冲串的第一情形与相应第一回波波形之间的第一多个相关性测量值的电路；以及用于测量脉冲串的第二情形与相应第二回波波形之间的第二多个相关性测量值的电路，其中，所述第二多个相关性测量值至少比所述第一多个相关性测量值少90％。15.如权利要求1所述的换能器系统：其中，所述换能器包括响应于所述激励波形产生第一传输信号的第一换能器；并且进一步包括：用于响应于所述第一传输信号产生第一接收回波波形的第二换能器；以及用于确定所述激励波形与所述第一接收回波波形之间的绝对飞行时间的电路。16.如权利要求15所述的换能器系统，其中，所述激励波形包括第一激励波形，并且进一步包括：用于施加包括所述第一波形和所述第二波形的第二激励波形来激励所述第二换能...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·萨斯纳瑞亚娜，D·P·麦吉，A·G·达巴克，S·M·若马瓦米，
申请(专利权)人：德克萨斯仪器股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US