專利名稱：檢測超聲波渡越時(shí)間的方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超聲波應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種高精度檢測較遠(yuǎn)距離超聲波渡越時(shí)間
的檢測超聲波渡越時(shí)間的方法及其裝置。
背景技術(shù)：
所謂超聲波渡越時(shí)間(time-of-flight簡稱T0F)是指超聲波從發(fā)射器發(fā)出到超 聲波接收器接收到聲波所經(jīng)歷的時(shí)間間隔。超聲波發(fā)射器或稱超聲波發(fā)射頭與超聲波接收 器或稱超聲波接收頭統(tǒng)稱為超聲波換能器。準(zhǔn)確測量超聲波渡越時(shí)間對超聲波測溫、測距、 測流速流量等具有非常重要的意義。由于超聲波所具有的獨(dú)特優(yōu)勢應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)大，超 聲波測溫異軍突起，下面就以超聲波測量環(huán)境溫度為例說明現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和不足，用超 聲波渡越時(shí)間測量環(huán)境溫度方法的原理是
聲波在空氣中的傳播速度(H)
A/ 式中Y是空氣定壓比熱容和定容比熱容比(Y = CP/CV) ;R是氣體普適常數(shù)；M是 氣體分子量；T是絕對溫度。
由式(1-1)可見，溫度是影響空氣中聲速的主要因素。
在0°C (T。 = 273. 15K)時(shí)的聲速 、'n ——二 7」L^L = 33.45A/ / S ( 1 — 2 ) 在tt:時(shí)的聲速(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，聲速是聲波傳輸媒介空氣平均溫度的函數(shù)，在聲波在空氣 中的傳輸距離已知的情況下，只要檢測出聲波渡越時(shí)間就可以計(jì)算出聲速，進(jìn)而計(jì)算出聲 波傳輸媒介空氣的平均溫度。 該方法測量環(huán)境溫度已經(jīng)獲得實(shí)際應(yīng)用。例如美國SEI公司的F祖LERWATC鵬 _聲波氣體溫度場測量系統(tǒng)就成功的用于測量爐溫；臺灣高苑技術(shù)學(xué)院等已研究用該方法
測量轎車內(nèi)的環(huán)境溫度用于車內(nèi)空調(diào)等等。 超聲波測量環(huán)境溫度的精度主要取決于準(zhǔn)確檢測超聲波渡越時(shí)間，準(zhǔn)確檢測超聲
波渡越時(shí)間取決于準(zhǔn)確地判斷超聲波到達(dá)的時(shí)間點(diǎn)。如圖l所示，在超聲波換能器能量轉(zhuǎn) 換和聲波空氣傳輸過程中，由于機(jī)械彈性(超聲波換能器壓電陶瓷片和空氣的彈性)的存 在，在接收到的超聲波脈沖串的頭部和尾部會產(chǎn)生超聲波波形振幅衰減。超聲波到達(dá)時(shí)的
強(qiáng)度(振幅)存在隨機(jī)變化的成分，采用常規(guī)的強(qiáng)度門限(threshold也稱為門檻或閾值) 方法判斷超聲波到達(dá)的時(shí)間點(diǎn)是不準(zhǔn)確的，不能準(zhǔn)確地檢測超聲波渡越時(shí)間。 一般僅用于 機(jī)器人避障、倒車防撞裝置等要求不高的場合。
4
為了準(zhǔn)確地判斷超聲波到達(dá)的時(shí)間點(diǎn)，準(zhǔn)確檢測超聲波渡越時(shí)間，人們進(jìn)行了很 多改進(jìn)，應(yīng)用較多的有以下3種。 1、相位差法。該方法短距離應(yīng)用非常準(zhǔn)確，已應(yīng)用于超聲波風(fēng)速儀，自動氣象站的 大氣測溫等。測溫精度高達(dá)±0. 05°C。但該方法只能用于超聲波(機(jī)械能波)傳輸距離很 短的場合，例如10cm。 2、調(diào)制波形標(biāo)記法。對聲波進(jìn)行調(diào)制、編碼、擴(kuò)頻等均屬于此類。應(yīng)用較多的是雙 頻頻移鍵控(binary frequency shift-keyed簡稱BFSK)法，已用于轎車空調(diào)測溫和超聲 波測距儀。測溫精度±0.4°C。臺灣高苑科技大學(xué)蔡文元將該方法和相位差法結(jié)合起來，使
測溫精度提高到±0. 3t:，但測溫精度仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于相位差法測溫精度。 3、脈沖串包絡(luò)線峰值法。與此類似的還有脈沖串包絡(luò)線重心橫坐標(biāo)法。測溫精度 ±0. 39t:，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于相位差法測溫精度。 上述超聲波渡越時(shí)間檢測方法以相位差法最為準(zhǔn)確，但僅適合超聲波(機(jī)械能 波)傳輸距離很短的少數(shù)場合，不適合測量爐溫等超聲波(機(jī)械能波)傳輸距離較遠(yuǎn)的大 多數(shù)場合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足而提供一種精度與相位差法媲美
的檢測較遠(yuǎn)距離超聲波渡越時(shí)間的檢測超聲波渡越時(shí)間的方法及其裝置。 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的 —種檢測超聲波渡越時(shí)間的方法，其特征在于由超聲波發(fā)生器產(chǎn)生占空比為 50 %的方形波超聲波脈沖串激勵信號，該超聲波脈沖串激勵信號所含方形脈沖個(gè)數(shù)以接收 到的超聲波脈沖串波形仍呈"菱形"為上限，在該超聲波脈沖串激勵信號的最后一個(gè)方形脈 沖的下降沿啟動一個(gè)計(jì)時(shí)器，該超聲波脈沖串激勵信號經(jīng)超聲波發(fā)射頭高電壓差分驅(qū)動模 塊的功率放大后驅(qū)動超聲波發(fā)射頭發(fā)射超聲波，將超聲波接收頭接收到的超聲波脈沖串， 送入差分放大器，經(jīng)差分放大后，送入增益控制放大器，經(jīng)增益控制放大后，送入高Q值帶 通濾波器，經(jīng)高Q值帶通濾波后，送入半波整流器進(jìn)行半波整流，去掉負(fù)半周后，送入變指 數(shù)放大器，作為一個(gè)固定電壓的指數(shù)對該固定電壓進(jìn)行變指數(shù)放大，在不改變剩下的正半 周各脈沖峰值點(diǎn)相對時(shí)間位置的情況下，拉開各脈沖峰值點(diǎn)的振幅差距，同時(shí)使各脈沖峰 值點(diǎn)兩側(cè)更加陡峭，經(jīng)變指數(shù)放大后，送入門限比較模塊進(jìn)行門限檢測，找出振幅最大的脈 沖后，送入微分和過零檢測模塊進(jìn)行微分和過零檢測，找出振幅最大脈沖的峰值點(diǎn)，在該峰 值點(diǎn)上關(guān)閉上述計(jì)時(shí)器，該計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間值即為超聲波渡越時(shí)間值。 —種檢測超聲波渡越時(shí)間的裝置，其特征在于檢測裝置包括以下各部分超聲 波發(fā)射間隔控制模塊，計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊，計(jì)數(shù)用振蕩器，計(jì)數(shù)、顯示模塊，超聲波脈沖個(gè) 數(shù)控制設(shè)置模塊，超聲波發(fā)生器，超聲波發(fā)射頭高電壓差分驅(qū)動模塊，超聲波發(fā)射頭，超聲 波接收頭，差分放大器，增益控制放大器，高Q值帶通濾波器，半波整流器，變指數(shù)放大器， 門限比較模塊，微分和過零檢測模塊， 檢測裝置各部分連接關(guān)系如下超聲波發(fā)射間隔控制模塊的輸出端分別與計(jì)數(shù) 啟、閉控制模塊和超聲波脈沖個(gè)數(shù)控制設(shè)置模塊相連接，計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊的輸出端和計(jì) 數(shù)、顯示模塊相連接，計(jì)數(shù)用振蕩器的輸出端和計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊相連接，超聲波脈沖個(gè)
5數(shù)控制設(shè)置模塊的輸出端分別與計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊和超聲波發(fā)生器相連接，超聲波發(fā)生 器的輸出端和超聲波發(fā)射頭高電壓差分驅(qū)動模塊相連接，超聲波發(fā)射頭高電壓差分驅(qū)動模 塊的輸出端和超聲波發(fā)射頭相連接，超聲波接收頭的輸出端和差分放大器相連接，差分放 大器的輸出端和增益控制放大器相連接，增益控制放大器的輸出端和高Q值帶通濾波器相
連接，高Q值帶通濾波器的輸出端和半波整流器相連接，半波整流器的輸出端和變指數(shù)放
大器相連接，變指數(shù)放大器的輸出端和門限比較模塊相連接，門限比較模塊的輸出端與微 分和過零檢測模塊相連接，微分和過零檢測模塊的輸出端與計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊相連接。 在檢測裝置中，超聲波發(fā)射間隔控制模塊按時(shí)間間隔發(fā)出啟動信號，該啟動信號 分為兩路，該啟動信號的一路啟動超聲波脈沖個(gè)數(shù)控制設(shè)置模塊控制超聲波發(fā)生器產(chǎn)生占 空比為50%方形波的一組超聲波脈沖串激勵信號，該組超聲波脈沖串激勵信號包含的脈沖 個(gè)數(shù)由超聲波脈沖個(gè)數(shù)控制設(shè)置模塊預(yù)先設(shè)定，設(shè)定個(gè)數(shù)以接收到的超聲波脈沖串波形呈 "菱形"為原則；該啟動信號的另一路送入計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊，啟動信號直接解除計(jì)數(shù)啟、 閉控制模塊的計(jì)數(shù)啟動控制部分的復(fù)位狀態(tài)進(jìn)入工作狀態(tài)，等待該組超聲波脈沖串激勵信 號最后一個(gè)方形脈沖的下降沿通過計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊的計(jì)數(shù)啟動控制部分啟動計(jì)數(shù)、顯 示模塊的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，在計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊的內(nèi)部由該啟動信號的上升沿觸發(fā)產(chǎn)生一個(gè) 被展寬了的復(fù)位信號，使計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊的計(jì)數(shù)關(guān)閉控制部分復(fù)位，超聲波脈沖個(gè)數(shù)控 制設(shè)置模塊在控制超聲波發(fā)生器產(chǎn)生上述一組超聲波脈沖串激勵信號的同時(shí)，在該組超聲 波脈沖串激勵信號最后一個(gè)方形脈沖的下降沿通過計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊的計(jì)數(shù)啟動控制部 分啟動計(jì)數(shù)、顯示模塊的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，該組超聲波脈沖串激勵信號經(jīng)超聲波發(fā)射頭高電壓 差分驅(qū)動模塊的功率放大后，送入超聲波發(fā)射頭，驅(qū)動超聲波發(fā)射頭發(fā)射超聲波，將超聲波 接收頭接收到的超聲波脈沖串，送入差分放大器，經(jīng)差分放大后，送入增益控制放大器，經(jīng) 增益控制放大后，送入高Q值帶通濾波器，經(jīng)高Q值帶通濾波后，送入半波整流器進(jìn)行半波 整流，去掉負(fù)半周后，送入變指數(shù)放大器，作為一個(gè)固定電壓的指數(shù)對該固定電壓進(jìn)行變指 數(shù)放大，在不改變剩下的正半周各脈沖峰值點(diǎn)相對時(shí)間位置的情況下，拉開各脈沖峰值點(diǎn) 的振幅差距，同時(shí)使各脈沖峰值點(diǎn)兩側(cè)更加陡峭，經(jīng)變指數(shù)放大后，送入門限比較模塊進(jìn)行 門限檢測，找出振幅最大的脈沖后，送入微分和過零檢測模塊進(jìn)行微分和過零檢測，找出振 幅最大脈沖的峰值點(diǎn)，在該峰值點(diǎn)上，通過計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊的計(jì)數(shù)關(guān)閉控制部分關(guān)閉計(jì) 數(shù)、顯示模塊的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)、顯示模塊的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值乘以計(jì)數(shù)用振蕩器的振蕩周期 就是超聲波渡越時(shí)間值。 為了更好地說明本發(fā)明的原理，對調(diào)制波形標(biāo)記法和脈沖串包絡(luò)線峰值法的誤差 原因進(jìn)行了分析。調(diào)制波形標(biāo)記法，例如，利用雙頻轉(zhuǎn)換進(jìn)行波形標(biāo)記的BFSK法，相當(dāng)于 對固有的機(jī)械彈性進(jìn)行了額外的人為干預(yù)，而干預(yù)的結(jié)果又很難預(yù)測，在超聲波波形標(biāo)記 點(diǎn)附近不可避免的存在隨機(jī)畸變的成分。在調(diào)制波形標(biāo)記法的數(shù)據(jù)處理過程，必須進(jìn)行過 "零"檢測，轉(zhuǎn)換成方形波后才能進(jìn)行后續(xù)處理，而過"零"檢測仍屬于門限(threshold)檢測 方法，在超聲波波形標(biāo)記點(diǎn)附近的隨機(jī)畸變成分仍會被保留，標(biāo)記點(diǎn)會因此產(chǎn)生隨機(jī)漂移。 在換能器進(jìn)行電能 機(jī)械能轉(zhuǎn)換、機(jī)械能波在空氣中傳播以及換能器機(jī)械能 電能恢復(fù)過 程中，由于機(jī)械彈性的存在，導(dǎo)致了接收到的超聲波脈沖串的頭部和尾部超聲波波形振幅 減少，呈"菱形"，如圖l所示。脈沖串包絡(luò)線峰值法，是在超聲波脈沖串發(fā)射后，啟動一個(gè)計(jì) 時(shí)器，對收到的超聲波脈沖串進(jìn)行全波整流，將圖1所示波形的負(fù)半周全部翻轉(zhuǎn)到正半周以提高波形密度，再用電容進(jìn)行積分形成平滑的包絡(luò)線，包絡(luò)線的峰值點(diǎn)作為檢測時(shí)間點(diǎn)， 用先微分后過零檢測的方法識別包絡(luò)線的峰值點(diǎn)，在包絡(luò)線的峰值點(diǎn)關(guān)閉這個(gè)計(jì)時(shí)器，該 方法的依據(jù)是接收的超聲波脈沖串包絡(luò)線峰值對振幅不存在依存性。該方法雖然可以提高 檢測精度，但與相位差法相比還有相當(dāng)大的差距。經(jīng)過分析認(rèn)為首先，接收的超聲波脈沖 串包絡(luò)線峰值對振幅不存在依存性缺乏理論依據(jù)和令人信服的解釋，計(jì)時(shí)器的啟動時(shí)間點(diǎn) 與計(jì)時(shí)器的關(guān)閉時(shí)間點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系也不明確。其次，用電容進(jìn)行積分形成平滑的包絡(luò)線過 程造成了波形隨機(jī)畸變誤差的累加，積分過程雖然可以相互抵消一部分(對稱部分)畸變， 但未抵消的部分(非對稱部分)使峰值點(diǎn)發(fā)生了漂移。第三，峰值點(diǎn)兩側(cè)過于平緩，即使微 分后的過零檢測環(huán)節(jié)有輕微的漂移也會嚴(yán)重影響識別峰值點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。脈沖串包絡(luò)線重 心橫坐標(biāo)法與此類似。 在本發(fā)明的技術(shù)方案，沒有對固有機(jī)械彈性進(jìn)行額外的人為干預(yù)，技術(shù)方案是建 立在對固有的機(jī)械彈性產(chǎn)生的結(jié)果可以準(zhǔn)確預(yù)見的基礎(chǔ)之上的。機(jī)械彈性存在于超聲波換 能器(超聲波發(fā)射頭)進(jìn)行電能 機(jī)械能轉(zhuǎn)換、機(jī)械能波在空氣中傳播以及超聲波換能器 (超聲波接收頭)進(jìn)行機(jī)械能 電能恢復(fù)的過程中，且符合胡克彈性定律，振幅(彈性體位 移)與機(jī)械彈性強(qiáng)度(回彈力)成正比。當(dāng)加在超聲波發(fā)射頭的超聲波脈沖串所包含的脈 沖個(gè)數(shù)足夠多時(shí)，所接收到的超聲波脈沖串，可以分成振幅擴(kuò)大、平衡、衰減三個(gè)不同的時(shí) 間段，即在加在超聲波發(fā)射頭的超聲波脈沖串的激勵下，當(dāng)激勵信號強(qiáng)度大于機(jī)械彈性強(qiáng) 度時(shí)，接收到的超聲波脈沖串波形振幅迅速擴(kuò)大，形成了接收到的超聲波脈沖串振幅迅速 擴(kuò)大的首部。當(dāng)激勵信號強(qiáng)度等于機(jī)械彈性強(qiáng)度時(shí)，接收到的超聲波脈沖串波形振幅不變， 形成了接收到的超聲波脈沖串振幅不變處于平衡狀態(tài)的中部。在取消了加在超聲波發(fā)射頭 的超聲波脈沖串激勵的條件下，在機(jī)械彈性的作用下，接收到的超聲波脈沖串波形振幅迅 速減小，形成了接收到的超聲波脈沖串振幅迅速減小的尾部，最終接收到的完整的超聲波 脈沖串波形呈"紡錘形"。當(dāng)加在超聲波發(fā)射頭的超聲波脈沖串所包含的脈沖個(gè)數(shù)不多時(shí)， 造成了在接收到的超聲波脈沖串波形振幅迅速擴(kuò)大的過程中，取消了加在超聲波發(fā)射頭的 超聲波脈沖串激勵，所接收到的超聲波脈沖串可以分成振幅擴(kuò)大、衰減兩個(gè)不同的時(shí)間段， 即在加在超聲波發(fā)射頭的超聲波脈沖串的激勵下，激勵信號強(qiáng)度大于機(jī)械彈性強(qiáng)度，接收 到的超聲波脈沖串波形振幅迅速擴(kuò)大，形成了接收到的超聲波脈沖串波形振幅迅速擴(kuò)大的 前半部。在接收到的超聲波脈沖串波形振幅迅速擴(kuò)大的過程中，取消了加在超聲波發(fā)射頭 的超聲波脈沖串激勵，在機(jī)械彈性的作用下，接收到的超聲波脈沖串波形振幅將迅速減小， 形成了接收到的超聲波脈沖串波形振幅迅速減小的后半部，所接收到的完整的超聲波脈沖 串波形呈圖1所示的"菱形"，而組成這個(gè)"菱形"接收脈沖串的若干脈沖中振幅最大的脈沖 的峰值點(diǎn)是可以準(zhǔn)確預(yù)見和定位的。即當(dāng)超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲波脈沖串激勵信號為 占空比50%的方形波時(shí)，該超聲波脈沖串激勵信號的最后一個(gè)方形脈沖的下降沿準(zhǔn)確對應(yīng) 于接收到的組成"菱形"超聲波接收脈沖串的若干個(gè)脈沖中與超聲波脈沖串激勵信號的最 后一個(gè)方形脈沖激勵方向相同的振幅最大的脈沖的峰值點(diǎn)，而且不會漂移。如果在超聲波 發(fā)生器產(chǎn)生的超聲波脈沖串激勵信號的最后一個(gè)方形脈沖的下降沿啟動一個(gè)計(jì)時(shí)器，在接 收到的組成"菱形"超聲波接收脈沖串的若干個(gè)脈沖中與超聲波脈沖串激勵信號的最后一 個(gè)方形脈沖激勵方向相同的振幅最大的脈沖的峰值點(diǎn)上關(guān)閉這個(gè)計(jì)時(shí)器，在準(zhǔn)確識別接收 到的組成"菱形"超聲波接收脈沖串的若干個(gè)脈沖中與超聲波脈沖串激勵信號的最后一個(gè)
7方形脈沖激勵方向相同的振幅最大的脈沖的峰值點(diǎn)的情況下，這個(gè)計(jì)時(shí)器就可以準(zhǔn)確記錄 超聲波渡越時(shí)間值。 為了準(zhǔn)確識別接收到的組成"菱形"超聲波接收脈沖串的若干個(gè)脈沖中與超聲波 脈沖串激勵信號的最后一個(gè)方形脈沖激勵方向相同的振幅最大的脈沖的峰值點(diǎn)，本發(fā)明提 供了以下技術(shù)方案 將超聲波接收頭接收到的超聲波脈沖串，送入差分放大器進(jìn)行初步放大，采用差 分放大的形式是為了更好的抑制共模噪聲提高信噪比，經(jīng)差分放大后，送入增益控制放大 器進(jìn)一步放大到所要求的幅度，經(jīng)增益控制放大后，送入高Q值帶通濾波器進(jìn)行帶通濾波， 濾除帶外噪音，同時(shí)降低偏離主頻的信號幅度，經(jīng)帶通濾波后，送入半波整流器進(jìn)行半波整 流，去掉負(fù)半周后，送入變指數(shù)放大器，作為一個(gè)固定電壓的指數(shù)對該固定電壓進(jìn)行變指數(shù) 放大，變指數(shù)放大的目的，是在不改變剩下的正半周各脈沖峰值點(diǎn)相對時(shí)間位置的情況下， 拉開各脈沖峰值點(diǎn)的振幅差距，同時(shí)使各脈沖峰值點(diǎn)兩側(cè)更加陡峭，方便識別振幅最大的 脈沖及其峰值點(diǎn)的準(zhǔn)確位置，經(jīng)變指數(shù)放大后，送入門限比較模塊進(jìn)行門限檢測，找出振幅 最大的脈沖，送入微分和過零檢測模塊進(jìn)行微分和過零檢測，找出振幅最大脈沖的峰值點(diǎn)， 該峰值點(diǎn)就是接收到的組成"菱形"超聲波接收脈沖串的若干個(gè)脈沖中與超聲波脈沖串激 勵信號的最后一個(gè)方形脈沖激勵方向相同的振幅最大的脈沖的峰值點(diǎn)。 本發(fā)明的技術(shù)方案既達(dá)到了相位差法的高精度，又克服了相位差法只能短距離應(yīng) 用的缺陷，突破傳統(tǒng)，應(yīng)用廣闊。


圖1為接收的超聲波脈沖串波形示意圖。
圖2為本發(fā)明檢測裝置組成與工作流程圖。
圖3、4、5、6、7、8為本發(fā)明實(shí)施例電路圖。
具體實(shí)施例方式
—種檢測超聲波渡越時(shí)間的方法，如圖2所示，由超聲波發(fā)生器6產(chǎn)生占空比為 50%的方形波超聲波脈沖串激勵信號，該超聲波脈沖串激勵信號所含方形脈沖個(gè)數(shù)以接收 到的超聲波脈沖串波形仍呈圖1所示的"菱形"為上限，因?yàn)?，該超聲波脈沖串激勵信號的 最后一個(gè)方形脈沖的下降沿準(zhǔn)確對應(yīng)于接收到的組成"菱形"超聲波接收脈沖串的若干個(gè) 脈沖中與該超聲波脈沖串激勵信號的最后一個(gè)方形脈沖激勵方向相同的振幅最大的脈沖 的峰值點(diǎn)，而且不會漂移，所以，在該超聲波脈沖串激勵信號的最后一個(gè)方形脈沖的下降沿 啟動一個(gè)計(jì)時(shí)器，該超聲波脈沖串激勵信號經(jīng)超聲波發(fā)射頭高電壓差分驅(qū)動模塊7的功率 放大后驅(qū)動超聲波發(fā)射頭8發(fā)射超聲波，將超聲波接收頭9接收到的超聲波脈沖串，送入差 分放大器10進(jìn)行初步放大，采用差分放大的形式是為了更好的抑制共模噪聲提高信噪比， 經(jīng)差分放大后，送入增益控制放大器11進(jìn)一步放大到所要求的幅度，經(jīng)增益控制放大后， 送入高Q值帶通濾波器12進(jìn)行高Q值帶通濾波，濾除帶外噪音，同時(shí)降低偏離主頻的信號 幅度，經(jīng)高Q值帶通濾波后，送入半波整流器13進(jìn)行半波整流，去掉負(fù)半周后，送入變指數(shù) 放大器14，作為一個(gè)固定電壓的指數(shù)對該固定電壓進(jìn)行變指數(shù)放大，變指數(shù)放大的目的，是 在不改變剩下的正半周各脈沖峰值點(diǎn)相對時(shí)間位置的情況下，拉開各脈沖峰值點(diǎn)的振幅差距，同時(shí)使各脈沖峰值點(diǎn)兩側(cè)更加陡峭，方便識別振幅最大的脈沖及其峰值點(diǎn)的準(zhǔn)確位置，
經(jīng)變指數(shù)放大后，送入門限比較模塊15進(jìn)行門限檢測，找出振幅最大的脈沖后，送入微分
和過零檢測模塊16進(jìn)行微分和過零檢測，找出振幅最大脈沖的峰值點(diǎn)，該峰值點(diǎn)就是接收
到的組成"菱形"超聲波接收脈沖串的若干個(gè)脈沖中與上述超聲波發(fā)生器6產(chǎn)生的超聲波
脈沖串激勵信號的最后一個(gè)方形脈沖激勵方向相同的振幅最大的脈沖的峰值點(diǎn)，在該峰值
點(diǎn)上關(guān)閉上述計(jì)時(shí)器，該計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間值就是準(zhǔn)確的超聲波渡越時(shí)間值。 —種檢測超聲波渡越時(shí)間的裝置，如圖2所示，檢測裝置由以下各部分組成超聲
波發(fā)射間隔控制模塊1，計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊2，計(jì)數(shù)用振蕩器3，計(jì)數(shù)、顯示模塊4，超聲波脈
沖個(gè)數(shù)控制設(shè)置模塊5，超聲波發(fā)生器6，超聲波發(fā)射頭高電壓差分驅(qū)動模塊7，超聲波發(fā)射
頭8，超聲波接收頭9，差分放大器IO，增益控制放大器ll，高Q值帶通濾波器12，半波整流
器13，變指數(shù)放大器14，門限比較模塊15，微分和過零檢測模塊16。 如圖2所示，檢測裝置各部分連接關(guān)系如下超聲波發(fā)射間隔控制模塊1的輸出端 分別與計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊2和超聲波脈沖個(gè)數(shù)控制設(shè)置模塊5相連接，計(jì)數(shù)啟、閉控制模 塊2的輸出端和計(jì)數(shù)、顯示模塊4相連接，計(jì)數(shù)用振蕩器3的輸出端和計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊2 相連接，超聲波脈沖個(gè)數(shù)控制設(shè)置模塊5的輸出端分別與計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊2和超聲波發(fā) 生器6相連接，超聲波發(fā)生器6的輸出端和超聲波發(fā)射頭高電壓差分驅(qū)動模塊7相連接，超 聲波發(fā)射頭高電壓差分驅(qū)動模塊7的輸出端和超聲波發(fā)射頭8相連接，超聲波接收頭9的 輸出端和差分放大器IO相連接，差分放大器10的輸出端和增益控制放大器11相連接，增 益控制放大器11的輸出端和高Q值帶通濾波器12相連接，高Q值帶通濾波器12的輸出端 和半波整流器13相連接，半波整流器13的輸出端和變指數(shù)放大器14相連接，變指數(shù)放大 器14的輸出端和門限比較模塊15相連接，門限比較模塊15的輸出端與微分和過零檢測模 塊16相連接，微分和過零檢測模塊16的輸出端與計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊2相連接，
如圖2所示，檢測裝置工作流程如下超聲波發(fā)射間隔控制模塊1按一定的時(shí)間間 隔發(fā)出啟動信號，該啟動信號分為兩路，該啟動信號的一路啟動超聲波脈沖個(gè)數(shù)控制設(shè)置 模塊5控制超聲波發(fā)生器6產(chǎn)生占空比為50%方形波的一組超聲波脈沖串激勵信號，該組 超聲波脈沖串激勵信號包含的脈沖個(gè)數(shù)由超聲波脈沖個(gè)數(shù)控制設(shè)置模塊5預(yù)先設(shè)定，設(shè)定 個(gè)數(shù)以接收到的超聲波脈沖串波形呈圖l所示的"菱形"為原則；該啟動信號的另一路送入 計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊2，啟動信號直接解除計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊2的計(jì)數(shù)啟動控制部分的復(fù) 位狀態(tài)進(jìn)入工作狀態(tài)，等待該組超聲波脈沖串激勵信號最后一個(gè)方形脈沖的下降沿通過計(jì) 數(shù)啟、閉控制模塊2的計(jì)數(shù)啟動控制部分啟動計(jì)數(shù)、顯示模塊4的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，在計(jì)數(shù)啟、閉 控制模塊2的內(nèi)部由該啟動信號的上升沿觸發(fā)產(chǎn)生一個(gè)被展寬了的復(fù)位信號，使計(jì)數(shù)啟、 閉控制模塊2的計(jì)數(shù)關(guān)閉控制部分復(fù)位，展寬復(fù)位時(shí)間，僅允許反射回來的超聲波脈沖串 通過計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊2的計(jì)數(shù)關(guān)閉控制部分關(guān)閉計(jì)數(shù)、顯示模塊4的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，避免 了超聲波發(fā)射頭8泄露的超聲波脈沖串直接進(jìn)入超聲波接收頭9非正常關(guān)閉計(jì)數(shù)、顯示模 塊4的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，超聲波脈沖個(gè)數(shù)控制設(shè)置模塊5在控制超聲波發(fā)生器6產(chǎn)生上述一組 超聲波脈沖串激勵信號的同時(shí)，在該組超聲波脈沖串激勵信號最后一個(gè)方形脈沖的下降沿 通過計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊2的計(jì)數(shù)啟動控制部分啟動計(jì)數(shù)、顯示模塊4的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，該組 超聲波脈沖串激勵信號經(jīng)超聲波發(fā)射頭高電壓差分驅(qū)動模塊7的功率放大后，送入超聲波 發(fā)射頭8，驅(qū)動超聲波發(fā)射頭8發(fā)射超聲波，將超聲波接收頭9接收到的超聲波脈沖串，送入
9差分放大器10進(jìn)行初步放大，采用差分放大的形式是為了更好的抑制共模噪聲提高信噪 比，經(jīng)差分放大后，送入增益控制放大器11進(jìn)一步放大到所要求的幅度，經(jīng)增益控制放大 后，送入高Q值帶通濾波器12進(jìn)行高Q值帶通濾波，濾除帶外噪音，同時(shí)降低偏離主頻的信 號幅度，經(jīng)高Q值帶通濾波后，送入半波整流器13進(jìn)行半波整流，去掉負(fù)半周后，送入變指 數(shù)放大器14，作為一個(gè)固定電壓的指數(shù)對該固定電壓進(jìn)行變指數(shù)放大，變指數(shù)放大的目的， 是在不改變剩下的正半周各脈沖峰值點(diǎn)相對時(shí)間位置的情況下，拉開各脈沖峰值點(diǎn)的振幅 差距，同時(shí)使各脈沖峰值點(diǎn)兩側(cè)更加陡峭，方便識別振幅最大的脈沖及其峰值點(diǎn)的準(zhǔn)確位 置，經(jīng)變指數(shù)放大后，送入門限比較模塊15進(jìn)行門限檢測，找出振幅最大的脈沖后，送入微 分和過零檢測模塊進(jìn)行微分和過零檢測，找出振幅最大脈沖的峰值點(diǎn)，在該峰值點(diǎn)上，通過 計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊2的計(jì)數(shù)關(guān)閉控制部分關(guān)閉計(jì)數(shù)、顯示模塊4的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)、顯示 模塊4的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值乘以計(jì)數(shù)用振蕩器3的振蕩周期就是準(zhǔn)確的超聲波渡越時(shí)間值。
實(shí)施例圖3、4、6、7、8為本發(fā)明的實(shí)施例電路圖，與圖2的對應(yīng)關(guān)系如下圖3中 的集成電路U1D、U1C、電容C2、電阻R2、R3組成了圖2的超聲波發(fā)射間隔控制模塊l，其中， 電容C2、電阻R3的值決定了超聲波發(fā)射間隔時(shí)間的長短。圖3中的集成電路U2、U3的左半 部份、撥碼開關(guān)Sl、二極管Dl、 D2、電阻R6組成了圖2的超聲波脈沖個(gè)數(shù)控制設(shè)置模塊5， 其中，撥碼開關(guān)S1用于調(diào)整每一組超聲波脈沖串激勵信號的脈沖個(gè)數(shù)，二極管D1、D2、電阻 R6用于保證超聲波發(fā)生器6產(chǎn)生的每組超聲波脈沖串激勵信號的最后一個(gè)方形脈沖的完 整性。圖3中的集成電路U4A、U4B、電容C8、電阻R7、R8、可調(diào)電阻RV1、二極管D4、D5組成 了圖2的超聲波發(fā)生器6，其中，RV1用于調(diào)整超聲波頻率，二極管D4、D5用于保證超聲波發(fā) 生器6的振蕩器第一個(gè)周期與隨后周期的一致性，圖3中的集成電路U4C、 U4D和圖4中的 集成電路U5、電容C9、 C10、 C12、 C13、 C14、 C15組成了圖2的超聲波發(fā)射頭高電壓差分驅(qū)動 模塊7。圖3中的集成電路U3的右半部份、U1A、電阻R5、二極管D3、電容C6和圖5中的集 成電路U6、U7、三極管Q2、電阻R9、 R10、R11組成了圖2的計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊2，調(diào)整其中 的R5、 C6的值可以調(diào)整計(jì)數(shù)關(guān)閉控制展寬復(fù)位時(shí)間。圖5中的集成振蕩器模塊0SC1組成 了圖2的計(jì)數(shù)用振蕩器3。圖5中的集成電路U8、 U9、 UIO、 Ull和圖6中的集成電路U12、 U13、U14、U15、數(shù)碼管SM1、 SM2、 SM3、 SM4組成了圖2的計(jì)數(shù)、顯示模塊4，為節(jié)省版面，圖中 僅畫了4位計(jì)數(shù)顯示，讀者可仿造圖中的連結(jié)(聯(lián)級)方法擴(kuò)展到所需位數(shù)。另外，圖3中 的集成電路U1B、電阻R1、 R4和三極管Q1為數(shù)碼管顯示省電設(shè)計(jì)，可省去。圖7中的集成 電路U16、電阻R12、 R13、 R14、 R15、 R16、 R17、 R18、電容C29、 C30、 C31、 C32、 C33組成了圖2 的差分放大器10，其中的電阻R12、 R13、 R14、 R15、電容C29、 C30、 C31、 C32、 C33組成了無源 濾波器用于抑制帶外噪聲，R14、R15同時(shí)為U16輸入偏置電流提供一個(gè)DC返回路徑。圖7 中的集成電路U17、電阻R19、 R20、 R21、電位器RV2、電容C38、 C39、 C40、 C41、 C42、 C43、 C44 組成了圖2的增益控制放大器ll，其中，RV2用于調(diào)整放大增益。圖8中的集成電路U18、 電阻R22、R23、R24、R25、R26、R27、R28、R29、電容C47、C48組成了圖2的高Q值帶通濾波器 12。圖8中的二極管D6、電阻R30組成了圖2的半波整流器13。圖8中的集成電路U19、 電阻R31、R32、R33、電容C53、精密電壓基準(zhǔn)DV1組成了圖2的變指數(shù)放大器14。圖8中的 集成電路U20、電阻R34、R35、電容C58組成了圖2的門限比較模塊15。圖8中的集成電路 U21、電阻R36、 R37、 R38、 R39、電容C60、三極管Q3組成了圖2的微分和過零檢測模塊16。
未說明的電容均為電源旁路電容，集成電路U1型號為CD4093，U2型號為CD4017，
10U3型號為CD4013, U4型號為CD4011， U5型號為MAX232， U6型號為6N137, U7型號為74HC74, U8、 U9、 UIO、 Ull型號為74LS160, U12、 U13、 U14、 U15型號為74LS248, U16型號為AD830， U17型號為AD605, U18型號為恵275， U19型號為VCA810， U20型號為LM360, U21型號為 LM361。
權(quán)利要求
一種檢測超聲波渡越時(shí)間的方法，其特征在于由超聲波發(fā)生器(6)產(chǎn)生占空比為50％的方形波超聲波脈沖串激勵信號，該超聲波脈沖串激勵信號所含方形脈沖個(gè)數(shù)以接收到的超聲波脈沖串波形仍呈“菱形”為上限，在該超聲波脈沖串激勵信號的最后一個(gè)方形脈沖的下降沿啟動一個(gè)計(jì)時(shí)器，該超聲波脈沖串激勵信號經(jīng)超聲波發(fā)射頭高電壓差分驅(qū)動模塊(7)的功率放大后驅(qū)動超聲波發(fā)射頭(8)發(fā)射超聲波，將超聲波接收頭(9)接收到的超聲波脈沖串，送入差分放大器(10)，經(jīng)差分放大后，送入增益控制放大器(11)，經(jīng)增益控制放大后，送入高Q值帶通濾波器(12)，經(jīng)高Q值帶通濾波后，送入半波整流器(13)進(jìn)行半波整流，去掉負(fù)半周后，送入變指數(shù)放大器(14)，作為一個(gè)固定電壓的指數(shù)對該固定電壓進(jìn)行變指數(shù)放大，在不改變剩下的正半周各脈沖峰值點(diǎn)相對時(shí)間位置的情況下，拉開各脈沖峰值點(diǎn)的振幅差距，同時(shí)使各脈沖峰值點(diǎn)兩側(cè)更加陡峭，經(jīng)變指數(shù)放大后，送入門限比較模塊(15)進(jìn)行門限檢測，找出振幅最大的脈沖后，送入微分和過零檢測模塊(16)進(jìn)行微分和過零檢測，找出振幅最大脈沖的峰值點(diǎn)，在該峰值點(diǎn)上關(guān)閉上述計(jì)時(shí)器，該計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間值即為超聲波渡越時(shí)間值。
2. —種檢測超聲波渡越時(shí)間的裝置，其特征在于檢測裝置包括以下各部分超聲波 發(fā)射間隔控制模塊(1)，計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊(2)，計(jì)數(shù)用振蕩器(3)，計(jì)數(shù)、顯示模塊(4)， 超聲波脈沖個(gè)數(shù)控制設(shè)置模塊(5)，超聲波發(fā)生器(6)，超聲波發(fā)射頭高電壓差分驅(qū)動模塊 (7)，超聲波發(fā)射頭(8)，超聲波接收頭(9)，差分放大器(IO)，增益控制放大器(ll)，高Q值 帶通濾波器(12)，半波整流器(13)，變指數(shù)放大器(14)，門限比較模塊(15)，微分和過零檢 測模塊(16)，檢測裝置各部分連接關(guān)系如下超聲波發(fā)射間隔控制模塊(1)的輸出端分別與計(jì)數(shù) 啟、閉控制模塊(2)和超聲波脈沖個(gè)數(shù)控制設(shè)置模塊(5)相連接，計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊(2) 的輸出端和計(jì)數(shù)、顯示模塊(4)相連接，計(jì)數(shù)用振蕩器(3)的輸出端和計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊 (2)相連接，超聲波脈沖個(gè)數(shù)控制設(shè)置模塊(5)的輸出端分別與計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊(2)和 超聲波發(fā)生器(6)相連接，超聲波發(fā)生器(6)的輸出端和超聲波發(fā)射頭高電壓差分驅(qū)動模 塊(7)相連接，超聲波發(fā)射頭高電壓差分驅(qū)動模塊(7)的輸出端和超聲波發(fā)射頭(8)相連 接，超聲波接收頭(9)的輸出端和差分放大器(10)相連接，差分放大器(10)的輸出端和增 益控制放大器(11)相連接，增益控制放大器(11)的輸出端和高Q值帶通濾波器(12)相連 接，高Q值帶通濾波器(12)的輸出端和半波整流器(13)相連接，半波整流器(13)的輸出 端和變指數(shù)放大器(14)相連接，變指數(shù)放大器(14)的輸出端和門限比較模塊(15)相連 接，門限比較模塊(15)的輸出端與微分和過零檢測模塊(16)相連接，微分和過零檢測模塊(16) 的輸出端和計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊(2)相連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測超聲波渡越時(shí)間的裝置，其特征在于在檢測裝置中，超 聲波發(fā)射間隔控制模塊(1)按時(shí)間間隔發(fā)出啟動信號，該啟動信號分為兩路，該啟動信號 的一路啟動超聲波脈沖個(gè)數(shù)控制設(shè)置模塊(5)控制超聲波發(fā)生器(6)產(chǎn)生占空比為50% 方形波的一組超聲波脈沖串激勵信號，該組超聲波脈沖串激勵信號包含的脈沖個(gè)數(shù)由超聲 波脈沖個(gè)數(shù)控制設(shè)置模塊(5)預(yù)先設(shè)定，設(shè)定個(gè)數(shù)以接收到的超聲波脈沖串波形呈"菱形" 為原則該啟動信號的另一路送入計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊(2)，啟動信號直接解除計(jì)數(shù)啟、閉 控制模塊(2)的計(jì)數(shù)啟動控制部分的復(fù)位狀態(tài)進(jìn)入工作狀態(tài)，等待該組超聲波脈沖串激勵 信號最后一個(gè)方形脈沖的下降沿通過計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊(2)的計(jì)數(shù)啟動控制部分啟動計(jì)數(shù)、顯示模塊(4)的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，在計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊(2)的內(nèi)部由該啟動信號的上升沿 觸發(fā)產(chǎn)生一個(gè)被展寬了的復(fù)位信號，使計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊(2)的計(jì)數(shù)關(guān)閉控制部分復(fù)位， 超聲波脈沖個(gè)數(shù)控制設(shè)置模塊(5)在控制超聲波發(fā)生器(6)產(chǎn)生上述一組超聲波脈沖串 激勵信號的同時(shí)，在該組超聲波脈沖串激勵信號最后一個(gè)方形脈沖的下降沿通過計(jì)數(shù)啟、 閉控制模塊(2)的計(jì)數(shù)啟動控制部分啟動計(jì)數(shù)、顯示模塊(4)的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，該組超聲波 脈沖串激勵信號經(jīng)超聲波發(fā)射頭高電壓差分驅(qū)動模塊(7)的功率放大后，送入超聲波發(fā)射 頭(8)，驅(qū)動超聲波發(fā)射頭(8)發(fā)射超聲波，將超聲波接收頭(9)接收到的超聲波脈沖串， 送入差分放大器(IO)，經(jīng)差分放大后，送入增益控制放大器(ll)，經(jīng)增益控制放大后，送入 高Q值帶通濾波器(12)，經(jīng)高Q值帶通濾波后，送入半波整流器(13)進(jìn)行半波整流，去掉負(fù) 半周后，送入變指數(shù)放大器(14)，作為一個(gè)固定電壓的指數(shù)對該固定電壓進(jìn)行變指數(shù)放大， 在不改變剩下的正半周各脈沖峰值點(diǎn)相對時(shí)間位置的情況下，拉開各脈沖峰值點(diǎn)的振幅差 距，同時(shí)使各脈沖峰值點(diǎn)兩側(cè)更加陡峭，經(jīng)變指數(shù)放大后，送入門限比較模塊(15)進(jìn)行門 限檢測，找出振幅最大的脈沖后，送入微分和過零檢測模塊進(jìn)行微分和過零檢測，找出振幅 最大脈沖的峰值點(diǎn)，在該峰值點(diǎn)上，通過計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊(2)的計(jì)數(shù)關(guān)閉控制部分關(guān)閉 計(jì)數(shù)、顯示模塊(4)的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)、顯示模塊(4)的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值乘以計(jì)數(shù)用振蕩器 (3)的振蕩周期就是超聲波渡越時(shí)間值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種檢測超聲波渡越時(shí)間的方法及其裝置，由超聲波發(fā)生器產(chǎn)生占空比為50％的方形波超聲波脈沖串激勵信號，該激勵信號所含方形脈沖個(gè)數(shù)以接收到的超聲波脈沖串波形仍呈“菱形”為上限，在該激勵信號的最后一個(gè)方形脈沖的下降沿啟動計(jì)時(shí)器，接收到的超聲波脈沖串經(jīng)差分放大、增益控制、高“Q”值帶通濾波、半波整流、變指數(shù)放大、門限比較、微分和過零檢測，找出振幅最大脈沖的峰值點(diǎn)，在該峰值點(diǎn)上關(guān)閉計(jì)時(shí)器，該方法既達(dá)到了相位差法的高精度，又克服了相位差法只能短距離應(yīng)用的缺陷，突破傳統(tǒng)，應(yīng)用廣闊。
文檔編號G01H7/00GK101769782SQ201010102819
公開日2010年7月7日 申請日期2010年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月29日
發(fā)明者李發(fā)貴, 高任翔, 高勝國, 黃修橋 申請人:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所