检测超声波渡越时间的方法及其装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种检测超声波渡越时间的方法及其装置，由超声波发生器产生占空比为５０％的方形波超声波脉冲串激励信号，该激励信号所含方形脉冲个数以接收到的超声波脉冲串波形仍呈“菱形”为上限，在该激励信号的最后一个方形脉冲的下降沿启动计时器，接收到的超声波脉冲串经差分放大、增益控制、高“Ｑ”值带通滤波、半波整流、变指数放大、门限比较、微分和过零检测，找出振幅最大脉冲的峰值点，在该峰值点上关闭计时器，该方法既达到了相位差法的高精度，又克服了相位差法只能短距离应用的缺陷，突破传统，应用广阔。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于超声波应用
，涉及一种高精度检测较远距离超声波渡越时间的检测超声波渡越时间的方法及其装置。
技术介绍
所谓超声波渡越时间(time-of-flight简称T0F)是指超声波从发射器发出到超 声波接收器接收到声波所经历的时间间隔。超声波发射器或称超声波发射头与超声波接收 器或称超声波接收头统称为超声波换能器。准确测量超声波渡越时间对超声波测温、测距、 测流速流量等具有非常重要的意义。由于超声波所具有的独特优势应用领域迅速扩大，超 声波测温异军突起，下面就以超声波测量环境温度为例说明现有技术的缺陷和不足，用超 声波渡越时间测量环境温度方法的原理是 声波在空气中的传播速度(H) A/ 式中Y是空气定压比热容和定容比热容比(Y = CP/CV) ;R是气体普适常数；M是 气体分子量；T是绝对温度。由式(1-1)可见，温度是影响空气中声速的主要因素。 在0°C (T。 = 273. 15K)时的声速 、'n ——二 7」L^L = 33.45A/ / S ( 1 — 2 ) 在tt:时的声速(M/s)i 丁——\v, = v,, |1 1 4——^~—- a 331.4 + 0.607/ ( 1 — 3 )卞273.15」 由式(1-3)可以看出，声速是声波传输媒介空气平均温度的函数，在声波在空气 中的传输距离已知的情况下，只要检测出声波渡越时间就可以计算出声速，进而计算出声 波传输媒介空气的平均温度。 该方法测量环境温度已经获得实际应用。例如美国SEI公司的F祖LERWATC鹏 _声波气体温度场测量系统就成功的用于测量炉温；台湾高苑技術學院等已研究用该方法测量轿车内的环境温度用于车内空调等等。 超声波测量环境温度的精度主要取决于准确检测超声波渡越时间，准确检测超声波渡越时间取决于准确地判断超声波到达的时间点。如图l所示，在超声波换能器能量转 换和声波空气传输过程中，由于机械弹性(超声波换能器压电陶瓷片和空气的弹性)的存 在，在接收到的超声波脉冲串的头部和尾部会产生超声波波形振幅衰减。超声波到达时的强度(振幅)存在随机变化的成分，采用常规的强度门限(threshold也称为门槛或阈值) 方法判断超声波到达的时间点是不准确的，不能准确地检测超声波渡越时间。 一般仅用于 机器人避障、倒车防撞装置等要求不高的场合。4 为了准确地判断超声波到达的时间点，准确检测超声波渡越时间，人们进行了很 多改进，应用较多的有以下3种。 1、相位差法。该方法短距离应用非常准确，已应用于超声波风速仪，自动气象站的 大气测温等。测温精度高达±0. 05°C。但该方法只能用于超声波(机械能波)传输距离很 短的场合，例如10cm。 2、调制波形标记法。对声波进行调制、编码、扩频等均属于此类。应用较多的是双 频频移键控(binary frequency shift-keyed简称BFSK)法，已用于轿车空调测温和超声 波测距仪。测温精度±0.4°C。台湾高苑科技大学蔡文元将该方法和相位差法结合起来，使测温精度提高到±0. 3t:，但测温精度仍远远小于相位差法测温精度。 3、脉冲串包络线峰值法。与此类似的还有脉冲串包络线重心横坐标法。测温精度 ±0. 39t:，远远小于相位差法测温精度。 上述超声波渡越时间检测方法以相位差法最为准确，但仅适合超声波(机械能 波)传输距离很短的少数场合，不适合测量炉温等超声波(机械能波)传输距离较远的大 多数场合。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中存在的不足而提供一种精度与相位差法媲美的检测较远距离超声波渡越时间的检测超声波渡越时间的方法及其装置。 本专利技术的目的是这样实现的 —种检测超声波渡越时间的方法，其特征在于由超声波发生器产生占空比为 50 %的方形波超声波脉冲串激励信号，该超声波脉冲串激励信号所含方形脉冲个数以接收 到的超声波脉冲串波形仍呈"菱形"为上限，在该超声波脉冲串激励信号的最后一个方形脉 冲的下降沿启动一个计时器，该超声波脉冲串激励信号经超声波发射头高电压差分驱动模 块的功率放大后驱动超声波发射头发射超声波，将超声波接收头接收到的超声波脉冲串， 送入差分放大器，经差分放大后，送入增益控制放大器，经增益控制放大后，送入高Q值带 通滤波器，经高Q值带通滤波后，送入半波整流器进行半波整流，去掉负半周后，送入变指 数放大器，作为一个固定电压的指数对该固定电压进行变指数放大，在不改变剩下的正半 周各脉冲峰值点相对时间位置的情况下，拉开各脉冲峰值点的振幅差距，同时使各脉冲峰 值点两侧更加陡峭，经变指数放大后，送入门限比较模块进行门限检测，找出振幅最大的脉 冲后，送入微分和过零检测模块进行微分和过零检测，找出振幅最大脉冲的峰值点，在该峰 值点上关闭上述计时器，该计时器记录的时间值即为超声波渡越时间值。 —种检测超声波渡越时间的装置，其特征在于检测装置包括以下各部分超声 波发射间隔控制模块，计数启、闭控制模块，计数用振荡器，计数、显示模块，超声波脉冲个 数控制设置模块，超声波发生器，超声波发射头高电压差分驱动模块，超声波发射头，超声 波接收头，差分放大器，增益控制放大器，高Q值带通滤波器，半波整流器，变指数放大器， 门限比较模块，微分和过零检测模块， 检测装置各部分连接关系如下超声波发射间隔控制模块的输出端分别与计数 启、闭控制模块和超声波脉冲个数控制设置模块相连接，计数启、闭控制模块的输出端和计 数、显示模块相连接，计数用振荡器的输出端和计数启、闭控制模块相连接，超声波脉冲个5数控制设置模块的输出端分别与计数启、闭控制模块和超声波发生器相连接，超声波发生 器的输出端和超声波发射头高电压差分驱动模块相连接，超声波发射头高电压差分驱动模 块的输出端和超声波发射头相连接，超声波接收头的输出端和差分放大器相连接，差分放 大器的输出端和增益控制放大器相连接，增益控制放大器的输出端和高Q值带通滤波器相连接，高Q值带通滤波器的输出端和半波整流器相连接，半波整流器的输出端和变指数放大器相连接，变指数放大器的输出端和门限比较模块相连接，门限比较模块的输出端与微 分和过零检测模块相连接，微分和过零检测模块的输出端与计数启、闭控制模块相连接。 在检测装置中，超声波发射间隔控制模块按时间间隔发出启动信号，该启动信号 分为两路，该启动信号的一路启动超声波脉冲个数控制设置模块控制超声波发生器产生占 空比为50%方形波的一组超声波脉冲串激励信号，该组超声波脉冲串激励信号包含的脉冲 个数由超声波脉冲个数控制设置模块预先设定，设定个数以接收到的超声波脉冲串波形呈 "菱形"为原则；该启动信号的另一路送入计数启、闭控制模块，启动信号直接解除计数启、 闭控制模块的计数启动控制部分的复位状态进入工作状态，等待该组超声波脉冲串激励信 号最后一个方形脉冲的下降沿通过计数启、闭控制模块的计数启动控制部分启动计数、显 示模块的计数器计数，在计数启、闭控制模块的内部由该启动信号的上升沿触发产生一个 被展宽了的复位信号，使计数启、闭控制模块的计数关闭控制部分复位，超声波脉冲个数控 制设置模块在控制超声波发生器产生上述一组超声波脉冲串激励信号的同时，在该组超声 波脉冲串激励信号最后一个方形脉冲的下降沿通过计本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种检测超声波渡越时间的方法，其特征在于：由超声波发生器（６）产生占空比为５０％的方形波超声波脉冲串激励信号，该超声波脉冲串激励信号所含方形脉冲个数以接收到的超声波脉冲串波形仍呈“菱形”为上限，在该超声波脉冲串激励信号的最后一个方形脉冲的下降沿启动一个计时器，该超声波脉冲串激励信号经超声波发射头高电压差分驱动模块（７）的功率放大后驱动超声波发射头（８）发射超声波，将超声波接收头（９）接收到的超声波脉冲串，送入差分放大器（１０），经差分放大后，送入增益控制放大器（１１），经增益控制放大后，送入高Ｑ值带通滤波器（１２），经高Ｑ值带通滤波后，送入半波整流器（１３）进行半波整流，去掉负半周后，送入变指数放大器（１４），作为一个固定电压的指数对该固定电压进行变指数放大，在不改变剩下的正半周各脉冲峰值点相对时间位置的情况下，拉开各脉冲峰值点的振幅差距，同时使各脉冲峰值点两侧更加陡峭，经变指数放大后，送入门限比较模块（１５）进行门限检测，找出振幅最大的脉冲后，送入微分和过零检测模块（１６）进行微分和过零检测，找出振幅最大脉冲的峰值点，在该峰值点上关闭上述计时器，该计时器记录的时间值即为超声波渡越时间值。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：高胜国，黄修桥，高任翔，李发贵，
申请(专利权)人：中国农业科学院农田灌溉研究所，
类型：发明
国别省市：41[中国|河南]