一种快速计算超声波换能器频率的方法技术

本发明专利技术提供了一种快速计算超声波换能器频率的方法，包括：步骤1：FPGA控制中心开启计时单元，同时启动脉冲激励单元；步骤2：FPGA控制中心在计时满X1后开启模数转换器ADC，同时打开相邻脉冲峰值比例检测逻辑单元；步骤3：计算风速和风向；步骤4：FPGA控制中心在完成定时测量后等待X2，打开正向过零间隔检测单元；步骤5：FPGA控制中心在得到4次过零间隔测量值后，把过零间隔测量值存下来，并关闭模数转换器ADC；步骤6：FPGA通知计算单元计算发射端换能器的固有频率。与传统扫频测量脉冲幅值的方式相比，本方法抗干扰能力强，因为实际使用环境中，风会对接收信号幅值有很大干扰，但对过零点干扰不大。零点干扰不大。零点干扰不大。

【技术实现步骤摘要】
一种快速计算超声波换能器频率的方法


[0001]本专利技术涉及一种快速计算超声波换能器频率的方法。

技术介绍

[0002]很多采用超声波换能器的设备需要准确知道超声波换能器固有频率(由换能器本身的属性决定)才能精准稳定地工作，但换能器的固有频率经常受到温度、压力等外界因素的影响，进而发生变化，这就需要设备能够对当前所用换能器的固有频率进行实时测量。针对风速风向传感器来说，传统的做法是当风速风向测量失败时(多数情况是温度变化影响到了换能器的固有频率)，设备会自动调用校准程序来完成固有频率校准，然后才能继续工作，即在调用校准程序时，会暂时打断风速风向的测量。

技术实现思路

[0003]专利技术目的：为解决
技术介绍
中存在的技术问题，本专利技术提出一种快速计算超声波换能器频率的方法，包括以下步骤：
[0004]步骤1：FPGA控制中心开启计时单元，并同时启动脉冲激励单元，脉冲激励单元产生一组脉冲；
[0005]步骤2：FPGA控制中心在计时满X1后开启模数转换器ADC，同时打开相邻脉冲峰值比例检测逻辑单元，相邻脉冲峰值比例检测逻辑单元能够完成三个功能：正向峰值检测、峰值存储和峰值幅度比值计算，相邻脉冲峰值比例检测逻辑单元每完成一次峰值比例计算后会通知FPGA控制中心；
[0006]步骤3：FPGA控制中心等待相邻脉冲峰值比例检测逻辑单元给出的比值，当比值与预先设定的接近时，则完成定时，把当前计时器数值保存下来，在完成四次时间测量后，计算单元根据这四次测量时间t
cd
、t
dc
、t
ab
、t
ba
计算风速和风向；
[0007]步骤4：FPGA控制中心在完成定时测量后等待X2，然后打开正向过零间隔检测单元，正向过零间隔检测单元完成正向过零点检测、过零时间存储和相邻过零点时间间隔计算，正向过零间隔检测单元每完成一次过零间隔测量，即向控制中心汇报一次；
[0008]步骤5：FPGA控制中心在得到4次过零间隔测量值n1、n2、n3、n4后，把过零间隔测量值存下来，并关闭模数转换器ADC；
[0009]步骤6：FPGA通知计算单元计算发射端换能器的固有频率。
[0010]步骤2中，X1取值为280us。
[0011]本专利技术一实施方式中，步骤3中，所述当比值与预先设定的接近时，是指在预设值正负0.1误差范围内。
[0012]本专利技术一实施方式中，步骤3中，所述计算单元根据这四次测量时间t
cd
、t
dc
、t
ab
、t
ba
计算风速和风向，具体包括：
[0013]设定A、B、C、D分别为相互垂直正交排列的超声波换能器且分布方向分别为北、南、西、东，设定在CD方向上的风速为V
x
，C与D间距为L，则超声波信号传播路径长度为L，在无风
环境下超声波在空气中的传播速度为V0，测得超声波信号从换能器C发射到换能器D接收之间的时间为t
cd
，从换能器D发射到换能器C接收之间的时间为t
dc
，以CD方向为正方向，则：
[0014]顺风情况下：
[0015]L＝(V0‑
V
X
)*t
cd
ꢀꢀꢀ
(1)
[0016]逆风情况下：
[0017]L＝(V0‑
V
x
)*t
dc
ꢀꢀꢀ
(2)
[0018]将(1)与(2)两公式结合计算得到CD方向上风速计算公式(3)：
[0019][0020]则BA方向上风速V
y
计算公式如(4)所示：
[0021][0022]将两方向上的风速进行合成得到实际风速V1如式(5)所示：
[0023][0024]最终风向角θ计算如公式(6)所示：
[0025][0026]步骤4中，X2取值为15us。
[0027]步骤6中，发射端换能器的固有频率为
[0028]本专利技术具有如下有益效果：
[0029](1)利用自有振荡波形的过零点间隔计算固有频率。
[0030](2)在不打断风速风向测量的情况下，完成对超声波换能器固有频率的测量。然后根据当前换能器固有频率来调整下一次激励换能器所用电脉冲串的频率，这样不会出现打断风速风向测量的问题。
[0031](3)与传统扫频测量脉冲幅值的方式相比，本方法抗干扰能力强，因为实际使用环境中，风会对接收信号幅值有很大干扰，但对过零点干扰不大。
[0032](4)测试速度快，传统扫频方式需要扫很多频点，最后可能还要通过插值计算获得结果，本专利技术提出的方法仅需要一次，而且是在正常的测量过程中完成的。
附图说明
[0033]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做更进一步的具体说明，本专利技术的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。
[0034]图1是超声波测量风速风向原理框图
[0035]图2是接收到的信号示意图
[0036]图3是超声波风速风向传感器示意图
[0037]图4是接收到的包络信号示意图
[0038]图5是接收到的脉冲串波峰幅值关系示意图。
[0039]图6是接收到的包络信号振荡种类示意图。
具体实施方式
[0040]本专利技术以超声波风速风向传感器为案例，以此更好阐述一种快速计算超声波换能器频率的方法，图3是超声波风速风向传感器。该传感器有四颗超声波换能器，测量原理是测量超声波的度越时间，根据度越时间计算出分量风速，再通过分量风速计算出风速、风向。因此，度越时间的精确测量是该类传感器的核心技术。测量某一方向度越时间的方法是发射方发射一组脉冲串后，开始计时，接收方收到脉冲串后，停止计时，这样就得到了这一个方向的度越时间，因此关键问题是如何确定接收到的脉冲串与发射的脉冲串之间的对应关系，因为接收信号波形不是脉冲，而是一个包络信号，如图4所示。由图4可知，包络信号中的脉冲个数通常远远大于激励发射换能器的高压电脉冲个数，这是因为发射换能器被激发后，它可以储存很多能量，这些能量需要慢慢释放，就像是敲钟一样，余音会持续很长时间。观察接收到的包络信号的前半部分，这里的脉冲幅度逐渐变大，是因为发射换能器在激励电脉冲的作用下，能量越来越大。测量超声波度越时间的关键问题是要确定包络信号前半部分中哪一个脉冲与发射的激励电信号中的哪一个脉冲相对应起来，通常采用的方法是看相邻两个脉冲波峰幅值之间的比值，如图5所示。假如通过脉冲波峰幅值peak3来计算度越时间，只要接收方检测到当前脉冲波峰幅值与前一个脉冲波峰幅值的比值为1.7，即可停止计时。但是现在又面临一个新的棘手问题，当温度、压力等外界因素发生变化时，超声波换能器的固有频率会发生变化，进一步导致相邻脉冲波峰幅值的比值发生改变，从而导致计时错误，为解决这个问题，就需要实时测量换能器的固有频率，然后根据测量值实时本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种快速计算超声波换能器频率的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：FPGA控制中心开启计时单元，并同时启动脉冲激励单元，脉冲激励单元产生一组脉冲；步骤2：FPGA控制中心在计时满X1后开启模数转换器ADC，同时打开相邻脉冲峰值比例检测逻辑单元，相邻脉冲峰值比例检测逻辑单元能够完成三个功能：正向峰值检测、峰值存储和峰值幅度比值计算，相邻脉冲峰值比例检测逻辑单元每完成一次峰值比例计算后会通知FPGA控制中心；步骤3：FPGA控制中心等待相邻脉冲峰值比例检测逻辑单元给出的比值，当比值与预先设定的接近时，则完成定时，把当前计时器数值保存下来，在完成四次时间测量后，计算单元根据这四次测量时间t
cd
、t
dc
、t
ab

【专利技术属性】
技术研发人员：严伟，杨勇，樊璞，于群宁，徐长生，平凡，任衍鹏，孙达松，李世斌，刁继宽，赵青，李佑武，
申请(专利权)人：江苏无线电厂有限公司，
类型：发明
国别省市：