一種基於TOF技術的聲速剖面儀的製作方法

2023-10-23 01:25:27 1

本實用新型涉及一種聲速剖面儀，尤其是一種基於TOF技術的聲速剖面儀。

背景技術：

聲速剖面儀是一種測量水中不同深度聲波傳播速度的精密測量儀器，通過內部的溫度、壓力傳感器等器件可以快速準確的測得當前水層的聲速、溫度、深度等數據，其中所測得的聲速數據更是聲納設備所需的一個重要參數，被廣泛應用於水深測量等工作。然而，隨著各種聲納設備的升級，其對聲速的精度要求也越來越高，因此傳統的基於「環鳴法」測量聲速的儀器已經無法滿足高精度聲速測量的要求。

為了提高聲速剖面儀的測量精度，基於「時間飛躍」技術的聲速剖面儀不再採用傳統的「環鳴法」進行聲速測量，而是採用目前國際上最先進的「時間飛躍(Time Of Flight)」技術進行聲速測量，TOF(Time of Flight)測量原理又稱回波測距原理，是非接觸測距的一種方法，當前廣泛應用於物位測量中。其原理是：安裝在聲速剖面儀基座上的換能器向反射面發射超聲波，當超聲波傳播到反射面上時，反射並返回到換能器上被接收。

技術實現要素：

本實用新型要解決的技術問題是克服現有的缺陷，提供一種基於TOF技術的聲速剖面儀，可以提高聲速測量精度。

為了解決上述技術問題，本實用新型提供了如下的技術方案：

本實用新型一種基於TOF技術的聲速剖面儀，該聲速剖面儀包括以TDC_GP22晶片為核心的時間、溫度測量模塊，外接換能器、溫度傳感器，TDC_GP22晶片發射脈衝信號至換能器，換能器發射出超聲波並接收回波信號，返回給TDC_GP22晶片，通過TDC_GP22晶片的第一波檢測功能檢測到所需的回波信號，得出回波的往返時間，完成時間測量；TDC_GP22晶片通過放電時間測量得出溫度傳感器的電阻變化量，完成溫度測量。

進一步地，該聲速剖面儀還包括以單片機為核心的數據處理模塊，用於控制TDC_GP22晶片工作，將時間測量結果傳回給單片機進行聲速值的精確計算。

進一步地，時間測量過程中超聲波的發射和接收採用共用一個換能器。

進一步地，TDC_GP22晶片有一個PICOSTRAIN基礎的溫度測量單元。

進一步地，溫度值的計算公式如下：

其中，A和B是鉑電阻的已知參數，其量級分別為10-3和10-7，R0是0℃時鉑電阻的阻抗值，RRTD是當前溫度下鉑電阻的阻抗值，T是要測的溫度。

本實用新型的有益效果：該聲速剖面儀採用TOF技術，該技術具體通過TDC_GP22晶片來實現，通過檢測超聲波往返時間，就可計算出聲速值；由於TDC_GP22晶片具有極高的時間檢測解析度「ps級」，因此，僅單次測量的數據精度，就比換「環鳴法」多次測量平均所得到的數據精度高。

附圖說明

圖1為本實用新型採用TOF技術進行聲速測量的原理圖；

圖2為本實用新型聲速剖面儀的電路原理簡圖。

具體實施方式

本實用新型所列舉的實施例，只是用於幫助理解本實用新型，不應理解為對本實用新型保護範圍的限定，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型思想的前提下，還可以對本實用新型進行改進和修飾，這些改進和修飾也落入本實用新型權利要求保護的範圍內。

1、時間的測量

時間的測量是聲速剖面儀測量的關鍵，該時間測量精度決定了聲速測量精度。TDC_GP22晶片1是最新一代的高精度時間數字轉換器。該晶片具有ps級的測量精度，並在內部集成了發射頻率和相位都可調的脈衝發生器，因此使用該晶片可以滿足高精度設計要求。

在基於TOF技術的聲速剖面儀中，為了簡化結構，發射和接收採用共用一個換能器2的方法，並利用TOF技術原理進行聲速的測量。具體方法如下：

如圖1所示，在距離換能器2S處固定一個反射平面4，在外圍單片機的控制下，TDC_GP22晶片發送出頻率、個數一定的脈衝信號，該信號被換能器2接收後向反射平面4發射超聲波，超聲波經反射平面4反射生成回波信號並通過換能器2返回給TDC_GP22晶片，通過晶片的第一波檢測功能檢測到所需的回波信號，從而得出回波的往返時間，聲速值C＝2S/T，其中S為換能器2到反射平面4的距離，T為超聲波一次往返的時間。

2、溫度的測量

溫度作為聲速剖面儀的一個重要參數用來校準測得的聲速值，因為聲速和溫度具有很大的關係，因此高精度的溫度測量在聲速剖面儀的設計過程中是非常重要的。TDC_GP22晶片1有一個PICOSTRAIN基礎的溫度測量單元，可實現高精度和低功耗的溫度測量。其原理主要是基於電阻對電容的放電時間的。由於溫度傳感器RTD 3的電阻值與溫度有直接關係，TDC_GP22晶片1將會直接測量溫度傳感器RTD 3的電阻變化量，通過內部非常精確的時間測量完成。實際測量過程中，會選用一個溫度穩定的參考電阻和溫度傳感器RTD 3的電阻分別對同一個電容進行充放電，根據它們放電時間的比率可以得出溫度傳感器RTD 3的電阻，具體計算過程見公式(1)：

內部比較器在3.0V時，增益糾正係數gainf actor為0.9931，R0是0℃時鉑電阻的阻抗值。

根據鉑電阻溫度計的電阻值和溫度的關係如下公式(2)：

RRTD＝R0*(1+A*T-B*T2) (2)

可得出：

其中，A和B是正常數值，其量級分別為10-3和10-7，對於正規的鉑電阻產品這些參數都是已知的。RRTD是當前溫度下鉑電阻的阻抗值，T是要測的攝氏溫度。通過以上計算公式即可得到所需的溫度值。

3、基於TOF技術的聲速剖面儀的電路設計

基於TOF技術的聲速剖面儀的電路設計主要分為兩個部分，第一部分是以TDC_GP22晶片1為核心的時間、溫度測量模塊，需要外接換能器2、溫度傳感器RTD 3等外圍器件。第二部分是以STM32單片機為核心的數據處理模塊，該部分主要是負責控制TDC_GP22晶片1工作，將時間測量結果傳回給單片機進行聲速值的精確計算。

由於TDC_GP22晶片1內部將各單元的功能高度集成，包括第一波檢測功能，高精度溫度測量單元，脈衝發生器，模擬開關，比較器，窗口功能及時鐘標定等，僅需要外部加一個簡單的單片機就可進行高精度的測量。因此在應用過程中可以做到硬體設計簡化，將外部元器件的數量做到最低，從而電路板的尺寸能做到非常小。

圖2為簡略的硬體設計原理圖。TDC_GP22晶片1的溫度測量模塊外圍電路簡單，主要是因為其內部集成了一個施密特觸發器。圖中R1為溫度穩定參考電阻，C1為充放電電容，PT1000為選用的溫度傳感器RTD 3，通過對TDC_GP22寄存器的有效設置，發射端會發送出發射信號，傳回的模擬信號經過一個內部集成的比較器轉化為數位訊號，給到stop輸入端。TDC_GP22晶片1還有一個時間延時窗口，該功能可以濾除STOP信號前段的噪聲。再加上該晶片具有第一波檢測功能，可以有效測得第一個波的脈衝，從而就能得到有效的回波飛行時間。

整個硬體設計完成後進行了初步的實驗，實驗過程中選取了11組不同溫度下的聲速數據與對應溫度的標準聲速進行對比，結果表明數據在穩定性、精確值和測量精度方面都能達到設計要求。其中所測溫度的精度能達到±0.05℃，解析度能達到0.001℃，聲速的測量精度能達到0.03m/s，解析度能達到0.001米/秒。因此，本實用新型基於TOF技術的聲速剖面儀，其硬體設計簡單易於實現，實驗數據理想，可以應用於更高精度的聲速剖面儀設計中。