檢測超聲波渡越時間的方法及其裝置的製作方法

2023-04-29 06:48:11 2

專利名稱：檢測超聲波渡越時間的方法及其裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於超聲波應用技術領域，涉及一種高精度檢測較遠距離超聲波渡越時間
的檢測超聲波渡越時間的方法及其裝置。
背景技術：
所謂超聲波渡越時間(time-of-flight簡稱T0F)是指超聲波從發射器發出到超 聲波接收器接收到聲波所經歷的時間間隔。超聲波發射器或稱超聲波發射頭與超聲波接收 器或稱超聲波接收頭統稱為超聲波換能器。準確測量超聲波渡越時間對超聲波測溫、測距、 測流速流量等具有非常重要的意義。由於超聲波所具有的獨特優勢應用領域迅速擴大，超 聲波測溫異軍突起，下面就以超聲波測量環境溫度為例說明現有技術的缺陷和不足，用超 聲波渡越時間測量環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；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)時的聲速 、'n ——二 7」L^L = 33.45A/ / S ( 1 — 2 ) 在tt:時的聲速(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，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間就可以計算出聲速，進而計算出聲 波傳輸媒介空氣的平均溫度。 該方法測量環境溫度已經獲得實際應用。例如美國SEI公司的F祖LERWATC鵬 _聲波氣體溫度場測量系統就成功的用於測量爐溫；臺灣高苑技術學院等已研究用該方法
測量轎車內的環境溫度用於車內空調等等。 超聲波測量環境溫度的精度主要取決於準確檢測超聲波渡越時間，準確檢測超聲
波渡越時間取決於準確地判斷超聲波到達的時間點。如圖l所示，在超聲波換能器能量轉 換和聲波空氣傳輸過程中，由於機械彈性(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衝串的頭部和尾部會產生超聲波波形振幅衰減。超聲波到達時的
強度(振幅)存在隨機變化的成分，採用常規的強度門限(threshold也稱為門檻或閾值) 方法判斷超聲波到達的時間點是不準確的，不能準確地檢測超聲波渡越時間。 一般僅用於 機器人避障、倒車防撞裝置等要求不高的場合。
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為了準確地判斷超聲波到達的時間點，準確檢測超聲波渡越時間，人們進行了很 多改進，應用較多的有以下3種。 1、相位差法。該方法短距離應用非常準確，已應用於超聲波風速儀，自動氣象站的 大氣測溫等。測溫精度高達±0. 05°C。但該方法只能用於超聲波(機械能波)傳輸距離很 短的場合，例如10cm。 2、調製波形標記法。對聲波進行調製、編碼、擴頻等均屬於此類。應用較多的是雙 頻頻移鍵控(binary frequency shift-keyed簡稱BFSK)法，已用於轎車空調測溫和超聲 波測距儀。測溫精度±0.4°C。臺灣高苑科技大學蔡文元將該方法和相位差法結合起來，使
測溫精度提高到±0. 3t:，但測溫精度仍遠遠小於相位差法測溫精度。 3、脈衝串包絡線峰值法。與此類似的還有脈衝串包絡線重心橫坐標法。測溫精度 ±0. 39t:，遠遠小於相位差法測溫精度。 上述超聲波渡越時間檢測方法以相位差法最為準確，但僅適合超聲波(機械能 波)傳輸距離很短的少數場合，不適合測量爐溫等超聲波(機械能波)傳輸距離較遠的大 多數場合。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術中存在的不足而提供一種精度與相位差法媲美
的檢測較遠距離超聲波渡越時間的檢測超聲波渡越時間的方法及其裝置。 本發明的目的是這樣實現的 —種檢測超聲波渡越時間的方法，其特徵在於由超聲波發生器產生佔空比為 50 %的方形波超聲波脈衝串激勵信號，該超聲波脈衝串激勵信號所含方形脈衝個數以接收 到的超聲波脈衝串波形仍呈"菱形"為上限，在該超聲波脈衝串激勵信號的最後一個方形脈 衝的下降沿啟動一個計時器，該超聲波脈衝串激勵信號經超聲波發射頭高電壓差分驅動模 塊的功率放大後驅動超聲波發射頭髮射超聲波，將超聲波接收頭接收到的超聲波脈衝串， 送入差分放大器，經差分放大後，送入增益控制放大器，經增益控制放大後，送入高Q值帶 通濾波器，經高Q值帶通濾波後，送入半波整流器進行半波整流，去掉負半周后，送入變指 數放大器，作為一個固定電壓的指數對該固定電壓進行變指數放大，在不改變剩下的正半 周各脈衝峰值點相對時間位置的情況下，拉開各脈衝峰值點的振幅差距，同時使各脈衝峰 值點兩側更加陡峭，經變指數放大後，送入門限比較模塊進行門限檢測，找出振幅最大的脈 衝後，送入微分和過零檢測模塊進行微分和過零檢測，找出振幅最大脈衝的峰值點，在該峰 值點上關閉上述計時器，該計時器記錄的時間值即為超聲波渡越時間值。 —種檢測超聲波渡越時間的裝置，其特徵在於檢測裝置包括以下各部分超聲 波發射間隔控制模塊，計數啟、閉控制模塊，計數用振蕩器，計數、顯示模塊，超聲波脈衝個 數控制設置模塊，超聲波發生器，超聲波發射頭高電壓差分驅動模塊，超聲波發射頭，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係如下超聲波發射間隔控制模塊的輸出端分別與計數 啟、閉控制模塊和超聲波脈衝個數控制設置模塊相連接，計數啟、閉控制模塊的輸出端和計 數、顯示模塊相連接，計數用振蕩器的輸出端和計數啟、閉控制模塊相連接，超聲波脈衝個
5數控制設置模塊的輸出端分別與計數啟、閉控制模塊和超聲波發生器相連接，超聲波發生 器的輸出端和超聲波發射頭高電壓差分驅動模塊相連接，超聲波發射頭高電壓差分驅動模 塊的輸出端和超聲波發射頭相連接，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放
大器相連接，變指數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數啟、閉控制模塊相連接。 在檢測裝置中，超聲波發射間隔控制模塊按時間間隔發出啟動信號，該啟動信號 分為兩路，該啟動信號的一路啟動超聲波脈衝個數控制設置模塊控制超聲波發生器產生佔 空比為50%方形波的一組超聲波脈衝串激勵信號，該組超聲波脈衝串激勵信號包含的脈衝 個數由超聲波脈衝個數控制設置模塊預先設定，設定個數以接收到的超聲波脈衝串波形呈 "菱形"為原則；該啟動信號的另一路送入計數啟、閉控制模塊，啟動信號直接解除計數啟、 閉控制模塊的計數啟動控制部分的復位狀態進入工作狀態，等待該組超聲波脈衝串激勵信 號最後一個方形脈衝的下降沿通過計數啟、閉控制模塊的計數啟動控制部分啟動計數、顯 示模塊的計數器計數，在計數啟、閉控制模塊的內部由該啟動信號的上升沿觸發產生一個 被展寬了的復位信號，使計數啟、閉控制模塊的計數關閉控制部分復位，超聲波脈衝個數控 制設置模塊在控制超聲波發生器產生上述一組超聲波脈衝串激勵信號的同時，在該組超聲 波脈衝串激勵信號最後一個方形脈衝的下降沿通過計數啟、閉控制模塊的計數啟動控制部 分啟動計數、顯示模塊的計數器計數，該組超聲波脈衝串激勵信號經超聲波發射頭高電壓 差分驅動模塊的功率放大後，送入超聲波發射頭，驅動超聲波發射頭髮射超聲波，將超聲波 接收頭接收到的超聲波脈衝串，送入差分放大器，經差分放大後，送入增益控制放大器，經 增益控制放大後，送入高Q值帶通濾波器，經高Q值帶通濾波後，送入半波整流器進行半波 整流，去掉負半周后，送入變指數放大器，作為一個固定電壓的指數對該固定電壓進行變指 數放大，在不改變剩下的正半周各脈衝峰值點相對時間位置的情況下，拉開各脈衝峰值點 的振幅差距，同時使各脈衝峰值點兩側更加陡峭，經變指數放大後，送入門限比較模塊進行 門限檢測，找出振幅最大的脈衝後，送入微分和過零檢測模塊進行微分和過零檢測，找出振 幅最大脈衝的峰值點，在該峰值點上，通過計數啟、閉控制模塊的計數關閉控制部分關閉計 數、顯示模塊的計數器計數，計數、顯示模塊的計數器計數值乘以計數用振蕩器的振蕩周期 就是超聲波渡越時間值。 為了更好地說明本發明的原理，對調製波形標記法和脈衝串包絡線峰值法的誤差 原因進行了分析。調製波形標記法，例如，利用雙頻轉換進行波形標記的BFSK法，相當於 對固有的機械彈性進行了額外的人為幹預，而幹預的結果又很難預測，在超聲波波形標記 點附近不可避免的存在隨機畸變的成分。在調製波形標記法的數據處理過程，必須進行過 "零"檢測，轉換成方形波後才能進行後續處理，而過"零"檢測仍屬於門限(threshold)檢測 方法，在超聲波波形標記點附近的隨機畸變成分仍會被保留，標記點會因此產生隨機漂移。 在換能器進行電能 機械能轉換、機械能波在空氣中傳播以及換能器機械能 電能恢復過 程中，由於機械彈性的存在，導致了接收到的超聲波脈衝串的頭部和尾部超聲波波形振幅 減少，呈"菱形"，如圖l所示。脈衝串包絡線峰值法，是在超聲波脈衝串發射後，啟動一個計 時器，對收到的超聲波脈衝串進行全波整流，將圖1所示波形的負半周全部翻轉到正半周以提高波形密度，再用電容進行積分形成平滑的包絡線，包絡線的峰值點作為檢測時間點， 用先微分後過零檢測的方法識別包絡線的峰值點，在包絡線的峰值點關閉這個計時器，該 方法的依據是接收的超聲波脈衝串包絡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大的差距。經過分析認為首先，接收的超聲波脈衝 串包絡線峰值對振幅不存在依存性缺乏理論依據和令人信服的解釋，計時器的啟動時間點 與計時器的關閉時間點的對應關係也不明確。其次，用電容進行積分形成平滑的包絡線過 程造成了波形隨機畸變誤差的累加，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)使峰值點發生了漂移。第三，峰值點兩側過於平緩，即使微 分後的過零檢測環節有輕微的漂移也會嚴重影響識別峰值點的準確位置。脈衝串包絡線重 心橫坐標法與此類似。 在本發明的技術方案，沒有對固有機械彈性進行額外的人為幹預，技術方案是建 立在對固有的機械彈性產生的結果可以準確預見的基礎之上的。機械彈性存在於超聲波換 能器(超聲波發射頭)進行電能 機械能轉換、機械能波在空氣中傳播以及超聲波換能器 (超聲波接收頭)進行機械能 電能恢復的過程中，且符合胡克彈性定律，振幅(彈性體位 移)與機械彈性強度(回彈力)成正比。當加在超聲波發射頭的超聲波脈衝串所包含的脈 衝個數足夠多時，所接收到的超聲波脈衝串，可以分成振幅擴大、平衡、衰減三個不同的時 間段，即在加在超聲波發射頭的超聲波脈衝串的激勵下，當激勵信號強度大於機械彈性強 度時，接收到的超聲波脈衝串波形振幅迅速擴大，形成了接收到的超聲波脈衝串振幅迅速 擴大的首部。當激勵信號強度等於機械彈性強度時，接收到的超聲波脈衝串波形振幅不變， 形成了接收到的超聲波脈衝串振幅不變處於平衡狀態的中部。在取消了加在超聲波發射頭 的超聲波脈衝串激勵的條件下，在機械彈性的作用下，接收到的超聲波脈衝串波形振幅迅 速減小，形成了接收到的超聲波脈衝串振幅迅速減小的尾部，最終接收到的完整的超聲波 脈衝串波形呈"紡錘形"。當加在超聲波發射頭的超聲波脈衝串所包含的脈衝個數不多時， 造成了在接收到的超聲波脈衝串波形振幅迅速擴大的過程中，取消了加在超聲波發射頭的 超聲波脈衝串激勵，所接收到的超聲波脈衝串可以分成振幅擴大、衰減兩個不同的時間段， 即在加在超聲波發射頭的超聲波脈衝串的激勵下，激勵信號強度大於機械彈性強度，接收 到的超聲波脈衝串波形振幅迅速擴大，形成了接收到的超聲波脈衝串波形振幅迅速擴大的 前半部。在接收到的超聲波脈衝串波形振幅迅速擴大的過程中，取消了加在超聲波發射頭 的超聲波脈衝串激勵，在機械彈性的作用下，接收到的超聲波脈衝串波形振幅將迅速減小， 形成了接收到的超聲波脈衝串波形振幅迅速減小的後半部，所接收到的完整的超聲波脈衝 串波形呈圖1所示的"菱形"，而組成這個"菱形"接收脈衝串的若干脈衝中振幅最大的脈衝 的峰值點是可以準確預見和定位的。即當超聲波發生器產生的超聲波脈衝串激勵信號為 佔空比50%的方形波時，該超聲波脈衝串激勵信號的最後一個方形脈衝的下降沿準確對應 於接收到的組成"菱形"超聲波接收脈衝串的若干個脈衝中與超聲波脈衝串激勵信號的最 後一個方形脈衝激勵方向相同的振幅最大的脈衝的峰值點，而且不會漂移。如果在超聲波 發生器產生的超聲波脈衝串激勵信號的最後一個方形脈衝的下降沿啟動一個計時器，在接 收到的組成"菱形"超聲波接收脈衝串的若干個脈衝中與超聲波脈衝串激勵信號的最後一 個方形脈衝激勵方向相同的振幅最大的脈衝的峰值點上關閉這個計時器，在準確識別接收 到的組成"菱形"超聲波接收脈衝串的若干個脈衝中與超聲波脈衝串激勵信號的最後一個
7方形脈衝激勵方向相同的振幅最大的脈衝的峰值點的情況下，這個計時器就可以準確記錄 超聲波渡越時間值。 為了準確識別接收到的組成"菱形"超聲波接收脈衝串的若干個脈衝中與超聲波 脈衝串激勵信號的最後一個方形脈衝激勵方向相同的振幅最大的脈衝的峰值點，本發明提 供了以下技術方案 將超聲波接收頭接收到的超聲波脈衝串，送入差分放大器進行初步放大，採用差 分放大的形式是為了更好的抑制共模噪聲提高信噪比，經差分放大後，送入增益控制放大 器進一步放大到所要求的幅度，經增益控制放大後，送入高Q值帶通濾波器進行帶通濾波， 濾除帶外噪音，同時降低偏離主頻的信號幅度，經帶通濾波後，送入半波整流器進行半波整 流，去掉負半周后，送入變指數放大器，作為一個固定電壓的指數對該固定電壓進行變指數 放大，變指數放大的目的，是在不改變剩下的正半周各脈衝峰值點相對時間位置的情況下， 拉開各脈衝峰值點的振幅差距，同時使各脈衝峰值點兩側更加陡峭，方便識別振幅最大的 脈衝及其峰值點的準確位置，經變指數放大後，送入門限比較模塊進行門限檢測，找出振幅 最大的脈衝，送入微分和過零檢測模塊進行微分和過零檢測，找出振幅最大脈衝的峰值點， 該峰值點就是接收到的組成"菱形"超聲波接收脈衝串的若干個脈衝中與超聲波脈衝串激 勵信號的最後一個方形脈衝激勵方向相同的振幅最大的脈衝的峰值點。 本發明的技術方案既達到了相位差法的高精度，又克服了相位差法只能短距離應 用的缺陷，突破傳統，應用廣闊。


圖1為接收的超聲波脈衝串波形示意圖。
圖2為本發明檢測裝置組成與工作流程圖。
圖3、4、5、6、7、8為本發明實施例電路圖。
具體實施例方式
—種檢測超聲波渡越時間的方法，如圖2所示，由超聲波發生器6產生佔空比為 50%的方形波超聲波脈衝串激勵信號，該超聲波脈衝串激勵信號所含方形脈衝個數以接收 到的超聲波脈衝串波形仍呈圖1所示的"菱形"為上限，因為，該超聲波脈衝串激勵信號的 最後一個方形脈衝的下降沿準確對應於接收到的組成"菱形"超聲波接收脈衝串的若干個 脈衝中與該超聲波脈衝串激勵信號的最後一個方形脈衝激勵方向相同的振幅最大的脈衝 的峰值點，而且不會漂移，所以，在該超聲波脈衝串激勵信號的最後一個方形脈衝的下降沿 啟動一個計時器，該超聲波脈衝串激勵信號經超聲波發射頭高電壓差分驅動模塊7的功率 放大後驅動超聲波發射頭8發射超聲波，將超聲波接收頭9接收到的超聲波脈衝串，送入差 分放大器10進行初步放大，採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， 經差分放大後，送入增益控制放大器11進一步放大到所要求的幅度，經增益控制放大後， 送入高Q值帶通濾波器12進行高Q值帶通濾波，濾除帶外噪音，同時降低偏離主頻的信號 幅度，經高Q值帶通濾波後，送入半波整流器13進行半波整流，去掉負半周后，送入變指數 放大器14，作為一個固定電壓的指數對該固定電壓進行變指數放大，變指數放大的目的，是 在不改變剩下的正半周各脈衝峰值點相對時間位置的情況下，拉開各脈衝峰值點的振幅差距，同時使各脈衝峰值點兩側更加陡峭，方便識別振幅最大的脈衝及其峰值點的準確位置，
經變指數放大後，送入門限比較模塊15進行門限檢測，找出振幅最大的脈衝後，送入微分
和過零檢測模塊16進行微分和過零檢測，找出振幅最大脈衝的峰值點，該峰值點就是接收
到的組成"菱形"超聲波接收脈衝串的若干個脈衝中與上述超聲波發生器6產生的超聲波
脈衝串激勵信號的最後一個方形脈衝激勵方向相同的振幅最大的脈衝的峰值點，在該峰值
點上關閉上述計時器，該計時器記錄的時間值就是準確的超聲波渡越時間值。 —種檢測超聲波渡越時間的裝置，如圖2所示，檢測裝置由以下各部分組成超聲
波發射間隔控制模塊1，計數啟、閉控制模塊2，計數用振蕩器3，計數、顯示模塊4，超聲波脈
衝個數控制設置模塊5，超聲波發生器6，超聲波發射頭高電壓差分驅動模塊7，超聲波發射
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係如下超聲波發射間隔控制模塊1的輸出端 分別與計數啟、閉控制模塊2和超聲波脈衝個數控制設置模塊5相連接，計數啟、閉控制模 塊2的輸出端和計數、顯示模塊4相連接，計數用振蕩器3的輸出端和計數啟、閉控制模塊2 相連接，超聲波脈衝個數控制設置模塊5的輸出端分別與計數啟、閉控制模塊2和超聲波發 生器6相連接，超聲波發生器6的輸出端和超聲波發射頭高電壓差分驅動模塊7相連接，超 聲波發射頭高電壓差分驅動模塊7的輸出端和超聲波發射頭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的輸出端和變指數放大器14相連接，變指數放大 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的輸出端與計數啟、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射間隔控制模塊1按一定的時間間 隔發出啟動信號，該啟動信號分為兩路，該啟動信號的一路啟動超聲波脈衝個數控制設置 模塊5控制超聲波發生器6產生佔空比為50%方形波的一組超聲波脈衝串激勵信號，該組 超聲波脈衝串激勵信號包含的脈衝個數由超聲波脈衝個數控制設置模塊5預先設定，設定 個數以接收到的超聲波脈衝串波形呈圖l所示的"菱形"為原則；該啟動信號的另一路送入 計數啟、閉控制模塊2，啟動信號直接解除計數啟、閉控制模塊2的計數啟動控制部分的復 位狀態進入工作狀態，等待該組超聲波脈衝串激勵信號最後一個方形脈衝的下降沿通過計 數啟、閉控制模塊2的計數啟動控制部分啟動計數、顯示模塊4的計數器計數，在計數啟、閉 控制模塊2的內部由該啟動信號的上升沿觸發產生一個被展寬了的復位信號，使計數啟、 閉控制模塊2的計數關閉控制部分復位，展寬復位時間，僅允許反射回來的超聲波脈衝串 通過計數啟、閉控制模塊2的計數關閉控制部分關閉計數、顯示模塊4的計數器計數，避免 了超聲波發射頭8洩露的超聲波脈衝串直接進入超聲波接收頭9非正常關閉計數、顯示模 塊4的計數器計數，超聲波脈衝個數控制設置模塊5在控制超聲波發生器6產生上述一組 超聲波脈衝串激勵信號的同時，在該組超聲波脈衝串激勵信號最後一個方形脈衝的下降沿 通過計數啟、閉控制模塊2的計數啟動控制部分啟動計數、顯示模塊4的計數器計數，該組 超聲波脈衝串激勵信號經超聲波發射頭高電壓差分驅動模塊7的功率放大後，送入超聲波 發射頭8，驅動超聲波發射頭8發射超聲波，將超聲波接收頭9接收到的超聲波脈衝串，送入
9差分放大器10進行初步放大，採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，經差分放大後，送入增益控制放大器11進一步放大到所要求的幅度，經增益控制放大 後，送入高Q值帶通濾波器12進行高Q值帶通濾波，濾除帶外噪音，同時降低偏離主頻的信 號幅度，經高Q值帶通濾波後，送入半波整流器13進行半波整流，去掉負半周后，送入變指 數放大器14，作為一個固定電壓的指數對該固定電壓進行變指數放大，變指數放大的目的， 是在不改變剩下的正半周各脈衝峰值點相對時間位置的情況下，拉開各脈衝峰值點的振幅 差距，同時使各脈衝峰值點兩側更加陡峭，方便識別振幅最大的脈衝及其峰值點的準確位 置，經變指數放大後，送入門限比較模塊15進行門限檢測，找出振幅最大的脈衝後，送入微 分和過零檢測模塊進行微分和過零檢測，找出振幅最大脈衝的峰值點，在該峰值點上，通過 計數啟、閉控制模塊2的計數關閉控制部分關閉計數、顯示模塊4的計數器計數，計數、顯示 模塊4的計數器計數值乘以計數用振蕩器3的振蕩周期就是準確的超聲波渡越時間值。
實施例圖3、4、6、7、8為本發明的實施例電路圖，與圖2的對應關係如下圖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射間隔時間的長短。圖3中的集成電路U2、U3的左半 部份、撥碼開關Sl、二極體Dl、 D2、電阻R6組成了圖2的超聲波脈衝個數控制設置模塊5， 其中，撥碼開關S1用於調整每一組超聲波脈衝串激勵信號的脈衝個數，二極體D1、D2、電阻 R6用於保證超聲波發生器6產生的每組超聲波脈衝串激勵信號的最後一個方形脈衝的完 整性。圖3中的集成電路U4A、U4B、電容C8、電阻R7、R8、可調電阻RV1、二極體D4、D5組成 了圖2的超聲波發生器6，其中，RV1用於調整超聲波頻率，二極體D4、D5用於保證超聲波發 生器6的振蕩器第一個周期與隨後周期的一致性，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的超聲波發射頭高電壓差分驅動 模塊7。圖3中的集成電路U3的右半部份、U1A、電阻R5、二極體D3、電容C6和圖5中的集 成電路U6、U7、三極體Q2、電阻R9、 R10、R11組成了圖2的計數啟、閉控制模塊2，調整其中 的R5、 C6的值可以調整計數關閉控制展寬復位時間。圖5中的集成振蕩器模塊0SC1組成 了圖2的計數用振蕩器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、數碼管SM1、 SM2、 SM3、 SM4組成了圖2的計數、顯示模塊4，為節省版面，圖中 僅畫了4位計數顯示，讀者可仿造圖中的連結(聯級)方法擴展到所需位數。另外，圖3中 的集成電路U1B、電阻R1、 R4和三極體Q1為數碼管顯示省電設計，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 濾波器用於抑制帶外噪聲，R14、R15同時為U16輸入偏置電流提供一個DC返迴路徑。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用於調整放大增益。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中的二極體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DV1組成了圖2的變指數放大器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、三極體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。
權利要求
一種檢測超聲波渡越時間的方法，其特徵在於由超聲波發生器(6)產生佔空比為50％的方形波超聲波脈衝串激勵信號，該超聲波脈衝串激勵信號所含方形脈衝個數以接收到的超聲波脈衝串波形仍呈「菱形」為上限，在該超聲波脈衝串激勵信號的最後一個方形脈衝的下降沿啟動一個計時器，該超聲波脈衝串激勵信號經超聲波發射頭高電壓差分驅動模塊(7)的功率放大後驅動超聲波發射頭(8)發射超聲波，將超聲波接收頭(9)接收到的超聲波脈衝串，送入差分放大器(10)，經差分放大後，送入增益控制放大器(11)，經增益控制放大後，送入高Q值帶通濾波器(12)，經高Q值帶通濾波後，送入半波整流器(13)進行半波整流，去掉負半周后，送入變指數放大器(14)，作為一個固定電壓的指數對該固定電壓進行變指數放大，在不改變剩下的正半周各脈衝峰值點相對時間位置的情況下，拉開各脈衝峰值點的振幅差距，同時使各脈衝峰值點兩側更加陡峭，經變指數放大後，送入門限比較模塊(15)進行門限檢測，找出振幅最大的脈衝後，送入微分和過零檢測模塊(16)進行微分和過零檢測，找出振幅最大脈衝的峰值點，在該峰值點上關閉上述計時器，該計時器記錄的時間值即為超聲波渡越時間值。
2. —種檢測超聲波渡越時間的裝置，其特徵在於檢測裝置包括以下各部分超聲波 發射間隔控制模塊(1)，計數啟、閉控制模塊(2)，計數用振蕩器(3)，計數、顯示模塊(4)， 超聲波脈衝個數控制設置模塊(5)，超聲波發生器(6)，超聲波發射頭高電壓差分驅動模塊 (7)，超聲波發射頭(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係如下超聲波發射間隔控制模塊(1)的輸出端分別與計數 啟、閉控制模塊(2)和超聲波脈衝個數控制設置模塊(5)相連接，計數啟、閉控制模塊(2) 的輸出端和計數、顯示模塊(4)相連接，計數用振蕩器(3)的輸出端和計數啟、閉控制模塊 (2)相連接，超聲波脈衝個數控制設置模塊(5)的輸出端分別與計數啟、閉控制模塊(2)和 超聲波發生器(6)相連接，超聲波發生器(6)的輸出端和超聲波發射頭高電壓差分驅動模 塊(7)相連接，超聲波發射頭高電壓差分驅動模塊(7)的輸出端和超聲波發射頭(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 端和變指數放大器(14)相連接，變指數放大器(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) 的輸出端和計數啟、閉控制模塊(2)相連接。
3. 根據權利要求1所述的檢測超聲波渡越時間的裝置，其特徵在於在檢測裝置中，超 聲波發射間隔控制模塊(1)按時間間隔發出啟動信號，該啟動信號分為兩路，該啟動信號 的一路啟動超聲波脈衝個數控制設置模塊(5)控制超聲波發生器(6)產生佔空比為50% 方形波的一組超聲波脈衝串激勵信號，該組超聲波脈衝串激勵信號包含的脈衝個數由超聲 波脈衝個數控制設置模塊(5)預先設定，設定個數以接收到的超聲波脈衝串波形呈"菱形" 為原則該啟動信號的另一路送入計數啟、閉控制模塊(2)，啟動信號直接解除計數啟、閉 控制模塊(2)的計數啟動控制部分的復位狀態進入工作狀態，等待該組超聲波脈衝串激勵 信號最後一個方形脈衝的下降沿通過計數啟、閉控制模塊(2)的計數啟動控制部分啟動計數、顯示模塊(4)的計數器計數，在計數啟、閉控制模塊(2)的內部由該啟動信號的上升沿 觸發產生一個被展寬了的復位信號，使計數啟、閉控制模塊(2)的計數關閉控制部分復位， 超聲波脈衝個數控制設置模塊(5)在控制超聲波發生器(6)產生上述一組超聲波脈衝串 激勵信號的同時，在該組超聲波脈衝串激勵信號最後一個方形脈衝的下降沿通過計數啟、 閉控制模塊(2)的計數啟動控制部分啟動計數、顯示模塊(4)的計數器計數，該組超聲波 脈衝串激勵信號經超聲波發射頭高電壓差分驅動模塊(7)的功率放大後，送入超聲波發射 頭(8)，驅動超聲波發射頭(8)發射超聲波，將超聲波接收頭(9)接收到的超聲波脈衝串， 送入差分放大器(IO)，經差分放大後，送入增益控制放大器(ll)，經增益控制放大後，送入 高Q值帶通濾波器(12)，經高Q值帶通濾波後，送入半波整流器(13)進行半波整流，去掉負 半周后，送入變指數放大器(14)，作為一個固定電壓的指數對該固定電壓進行變指數放大， 在不改變剩下的正半周各脈衝峰值點相對時間位置的情況下，拉開各脈衝峰值點的振幅差 距，同時使各脈衝峰值點兩側更加陡峭，經變指數放大後，送入門限比較模塊(15)進行門 限檢測，找出振幅最大的脈衝後，送入微分和過零檢測模塊進行微分和過零檢測，找出振幅 最大脈衝的峰值點，在該峰值點上，通過計數啟、閉控制模塊(2)的計數關閉控制部分關閉 計數、顯示模塊(4)的計數器計數，計數、顯示模塊(4)的計數器計數值乘以計數用振蕩器 (3)的振蕩周期就是超聲波渡越時間值。
全文摘要
本發明涉及一種檢測超聲波渡越時間的方法及其裝置，由超聲波發生器產生佔空比為50％的方形波超聲波脈衝串激勵信號，該激勵信號所含方形脈衝個數以接收到的超聲波脈衝串波形仍呈「菱形」為上限，在該激勵信號的最後一個方形脈衝的下降沿啟動計時器，接收到的超聲波脈衝串經差分放大、增益控制、高「Q」值帶通濾波、半波整流、變指數放大、門限比較、微分和過零檢測，找出振幅最大脈衝的峰值點，在該峰值點上關閉計時器，該方法既達到了相位差法的高精度，又克服了相位差法只能短距離應用的缺陷，突破傳統，應用廣闊。
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 優先權日2010年1月29日
發明者李發貴, 高任翔, 高勝國, 黃修橋 申請人:中國農業科學院農田灌溉研究所