用於測量信號,尤其是超聲波信號的傳播時間的方法和裝置的製作方法
2023-10-05 20:24:09
專利名稱：用於測量信號,尤其是超聲波信號的傳播時間的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於測量在兩個換能器之間信號，尤其是超聲波信號傳播時間的方法及裝置。
背景技術：
測量信號，例如超聲波信號在兩個換能器之間傳播所佔時間TP的公知方法包括用激勵脈衝IE1激勵發射器換能器，該激勵脈衝大致為方波形式並且其波譜包括換能器的激勵頻率。在被發射器換能器發射時，該脈衝在兩個換能器之間的介質中產生超聲波。該波將朝向接收器換能器傳播。圖1示出發射器換能器的激勵信號IE1和作為接收器換能器的輸出的信號SR1。該方法包括在所述波到達接收器換能器時檢測所述波的第一振蕩。然後，傳播時間TP為發射器換能器承受激勵脈衝的時刻和隨著超聲波到達接收器換能器而檢測到超聲波第一振蕩的時刻之間的時間。該方法非常難於實現，並存在產生傳播時間的測量誤差的不精確的問題。在接收器換能器處，超聲波產生非常低振幅的響應信號。作為示例，在用於加熱網絡內的超聲波流量計的角度，對於共振頻率接近10MHz的換能器，響應被接收信號的振幅與3mV到10mV之間的值相對應。圖2示出了當發射器換能器被單個脈衝激勵時，來自接收器換能器的響應信號SR1的形態。該方法包括通過檢測何時穿過電壓閾值來檢測超聲波的第一振蕩RF1。這個方法要求要被檢測的電壓值非常低，並且對用於檢測振蕩到達的裝置的觸發閾值控制非常精確，以便避免在傳播時間測量上引入延遲。該方法可以由利用具有高性能的電子閾值觸發器元件來使其更精確，但這會很昂貴。然而，當利用普通型號的電子閾值觸發器時，該方法變得不精確。
美國專利5,123,286公開了在兩個換能器之間確定超聲波傳播時間的方法。發射器換能器被方波激勵，此方波產生該響應信號的形態，所述響應信號典型地是其峰值振幅在衰減之前在一定數量的周期內增大的衰減振蕩。該方法提出確定發射器換能器被激勵的時刻與超聲波被接收器換能器接收的時刻之間的時間。該方法包括通過首先確定一組周期的振幅並其次確定所述周期的過零時刻來計算對於響應信號的包跡。然後計算出所述包跡與響應信號的基線相交的點，以便確定響應信號在換能器處出現的時刻。最後，傳播時間通過計算激勵時刻和信號出現時刻的差值來確定。該方法難於進行，並需要產生並存儲多個測量值，以及要進行多次計算。
發明內容
從而，本發明提出了一種測量超聲波信號在兩個間隔開的換能器之間的傳播時間TP的方法，兩個換能器中一個由發射器構成而另一個由接收器構成，該發射器換能器承受激勵信號以產生向接收器換能器發射的超聲波，所述超聲波使接收器換能器輸出接收信號，該方法特徵在於，其包括以下步驟在發射器換能器激勵開始時，開始測量中間傳播時間Tint；檢測由接收器換能器輸出的接收信號並計算在所述接收信號中的振蕩；當第i個振蕩被檢測到時停止中間傳播時間Tint的測量；以及通過算出Tint-i×Te的差值來確定信號的傳播時間TP。
優選地是，激勵信號由n個脈衝構成，其中n≠1，且中間傳播時間Tint的測量在接收信號的第i個振蕩時中止，其中i≠1。
在第一實施例中，中間傳播時間Tint的測量對於與在最大振幅處的接收信號相對應的接收信號的第i個振蕩而中止。
在第二實施例中，中間傳播時間Tint的測量對應接收信號的第i個振蕩而中止，其中i＝n。
在第一特定實施例中，構成激勵信號的脈衝n的數量優選地為n＝4或n＝5，而中間傳播時間Tint的測量對應接收信號的第i個振蕩而中止，其中i＝4或i＝5。
換能器對n個脈衝波列的響應與振蕩器對周期激勵的瞬時響應一致。這種接收信號的峰值振幅在信號初始階段非常快地增大，而然後穩定為恆定的振幅。第一個優點在於響應n個脈衝(n＞1)波列時的第j個振蕩的振幅大於響應單個激勵脈衝時的振幅。在以適宜方式選定的第i個振蕩時測量傳播時間的第二個優點在於有可能利用振幅比接收信號的第一個振蕩的振幅大得多的信號測量傳播時間。從而，首先，觸發閾值相對於接收信號的峰值振幅可以相對小，這意味著對於第i個振蕩由接收信號達到觸發閾值所需時間引入的延遲比對於第一個振蕩的小得多，且其次該方法使利用標準觸發閾值比較器成為可能，而不需精確監控其觸發閾值，同時仍顯著改善傳播時間測量的精度。
本發明也提供了一種用於測量超聲波的傳播時間TP的儀器，該儀器包括用於形成激勵信號的裝置；連接到所述用於形成激勵信號的裝置的發射器換能器1、2；將超聲波信號轉變為接收信號的接收器換能器；以及連接到所述接收器換能器上的比較器裝置以比較接收信號的振幅與觸發閾值電壓並產生表示所述接收信號的振蕩的信號；所述儀器還包括用於測量固定時間T0的裝置，其連接到所述用於形成激勵信號的裝置上以便測量從發射器換能器被激勵時刻而起的固定時間T0；用於確定第i個振蕩的裝置，該裝置連接到所述比較器裝置上，以計數在接收信號中的振蕩數量並檢測第i個振蕩；以及用於測量T0結束和檢測第i個振蕩之間的可變時間TIEX測量的裝置；
本發明的其他特徵和優點從以下通過非限定示例並參照附圖給出的詳細描述而顯而易見；其中圖1示出發射器換能器的激勵信號和作為現有技術測量方法的時間函數的接收器換能器所輸出的信號；圖2示出在現有技術測量方法中當發射器換能器被單個脈衝激勵時作為時間函數的接收器換能器響應信號的形態；
圖3示出在本發明測量方法中，發射器換能器的激勵信號和作為時間函數的接收器換能器輸出的信號；圖4示出在本發明測量方法中，當發射器換能器被一列脈衝激勵時，作為時間函數的接收器換能器接收信號的形態；圖5示出對於第一振蕩和對於第i個振蕩的接收器換能器接收信號的振幅；圖6a到6d是能夠實施本發明的方法的各種電子電路的圖；圖6示出與圖6a到6d中的電路相關聯的各種信號的時序圖；具體實施方式
圖3示出了用於激勵發射器換能器的激勵信號Ien，並示出了在接收器換能器輸出測量到的接收信號SRn。要被測量的傳播時間TP為激勵信號被傳送到換能器時刻與所產生的超聲波到達接收器換能器的時刻之間的時間。
激勵信號IEn包括一系列n個脈衝，例如，佔空比為0.5。構成激勵信號的脈衝n的數量為n≠1。每個脈衝的頻譜至少包括接近換能器的共振頻率的激勵頻率Te，例如1MHz。從而，由於換能器與振蕩器相容，當其承受一系列脈衝，每個脈衝大致為方波形式時，其將成為持續周期振蕩的狀態，並持續與構成激勵信號的脈衝數相關聯的一段時間。由發射器換能器通過兩個換能器之間的介質而向接收器換能器發射的超聲波由上述特徵的激勵信號產生。在接收器換能器處，該超聲波產生接收信號SRn。超聲波信號和作為接收器換能器輸出的接收信號一般為一束波的形式，即，其振蕩的振幅增大，達到最大值，並隨後衰減。由於發射器換能器不再承受激勵信號時振幅衰減，那麼該信號相當於衰減振蕩。
圖4示出了在接收器換能器輸出處測量到的接收信號的一部分。圖5示出該信號對於第一振蕩和第i個振蕩的振幅。接收信號的第一振蕩P1具有較低的振幅Vmax(1)，但儘管如此也大於觸發閾值Vtrig，使其能夠被適宜的電路檢測到。然而，接收信號的第i個振蕩具有比觸發閾值Vtrig大得多的振幅Vmax(i)，因此，很明顯的是對應於檢出閾值電壓被超過的精確時刻的測量時間的誤差隨著振幅增加而減小。於是，在第i個振蕩Pi上的誤差比在第一個振蕩P1上的誤差小得多。為了減小在測量傳播時間內的誤差，因此優選地是測量在第i個振蕩上的中間傳播時間，並然後通過減去被檢測到的第一振蕩和第i個振蕩中間流逝的時間而校正該測量值。
優選地是，中間傳播時間Tint的測量對應接收信號的第i個振蕩而中止，其中i≠1。在特定優選實施例中，中間傳播時間Tint的測量對應接收信號的第i個振蕩而中止，該第i個信號對應於在最大振幅的接收信號。
在另一個實施例中，中間傳播時間Tint的測量對應接收信號的第i個振蕩而中止，其中i＝n。
參照圖7，下面描述圖6a到6d。圖7給出了用於包含在圖6a到6d的電子電路中的信號的時序圖。在圖6a到6d的所有圖中，電池(未示出)通過適宜的電纜供應使各種電子元件工作所需的能量，這對於本領域技術人員是公知的。
這種裝置尤其可以應用於超聲波流量計領域。兩個換能器1、2設置在液流中，換能器1交替地作為發射器和接收器，而換能器2處於與換能器1相反的狀態。超聲波在上流方向T1和下流方向T2傳播過兩個換能器1、2之間的液流所需時間使液流流速Q有可能作為與流量計的幾何特徵相關聯定義的係數K的函數來計算Q4K|T2-T1|(T1+T2)2]]>圖6a是控制超聲波由換能器1、2發射及接收的電路示意圖。在發射階段，微控制器(未示出)產生要被施加到相應的換能器1、2上的發射信號ST1、ST2(見圖7)。發射信號ST1、ST2包含一列頻率fe例如為1MHz的n個脈衝。該脈衝列與時鐘信號CLK1同步。
在圖6a中，換能器1、2為包含具有兩個金屬化表面的壓電材料的型式，兩個表面中一個接地(0)，而另一個連接於相應的開關U3、U4。當換能器1承受激勵信號ST1並向換能器2發射超聲波時，開關U3打開，同時連接到接收模式的換能器2的開關U4關閉。當換能器2承受激勵信號ST2而換能器1處於接收模式時，各開關的狀態相反。開關U3、U4以傳統方式由微控制器(未示出)控制。由相應換能器1、2輸出的電壓VS1、VS2施加到比較器U5的反相輸入上。比較器U5經過V+輸入端由電壓Vdd供電。比較器的V-輸入端接地0。其非反相輸入連接到成為觸發電壓Vtrig的基準電壓。來自比較器的輸出連接到非門U6。從而，接收信號SIG可以在比較器單元U5、U6的輸出處得到，其對於檢測閾值Vtrig而調整。當超過電壓閾值Vtrig時，比較器U5的輸出處出現低或「0」狀態，而當信號位於電壓閾值之下時，其產生高或「1」狀態。由圖6a的電路提供的信號SIG(見圖7)從而表示由發射器換能器所提供的接收信號，在信號SIG中的每個脈衝對應接收信號中振蕩的正半周。
圖6b、6c和6d為用於測量傳播時間的電路圖。傳播時間是通過加入兩個時間貢獻值來確定。首先在圖6b和6d中示出的第一電路作用為計算時間T0的固定長度，然後如圖6c所示的第二電路作用為測量在T0和對應其第i個振蕩被檢測的信號的時刻之間剩餘的時間。為了測量作為變化時間的剩餘時間，必須有可能測量一較短的周期，而這利用傳統的裝置，例如諸如時鐘和高頻計數器的傳統裝置是不能實現的。這個問題可以通過利用擴展電路來實現。時間擴展電路的工作原理已經在專利FR 2 750 495中公開。該時間擴展電路HB5通過作為時間擴展電路特性的倍增因數放大脈衝周期。從電路HB5輸出的擴展的時間間隔可以以傳統方式測得，從而有可能通過由倍增因數除擴展的時間間隔的周期來推出脈衝周期。
圖6b中，邏輯或門U7使其兩個輸入之一接收信號ST1而其另一個輸入接收信號ST2，且使其輸出連接到D形雙穩態觸發器U8的輸入LAT上。從而，當信號ST1或ST2存在於門U7的一個輸入上時，該信號被施加到輸入LAT。雙穩態觸發器U8的兩個輸入S和D為電勢Vdd，即，為高狀態，而輸入R承受初始化信號RG。雙穩態觸發器U8的輸出Q為浮置。來自雙穩態觸發器U8的另一輸出Q連接到與門U9，與門U9的另一輸入承受時鐘信號CLK1。從而，在雙穩態觸發器U8初始化後，一旦信號ST1或ST2出現在輸入LAT上，雙穩態觸發器U8的輸出Q就轉換到高狀態。然後，由邏輯門U9輸出的信號變為時鐘信號CLK1。來自邏輯門U9的輸出連接到計數器HB1的CLK輸入，該計數器HB1具有接收初始化信號RG的輸入R。從而計數器HB1在由RG初始化後計數到達其CLK輸出的周期數。來自計數器HB1的輸出連接到解碼器HB2的輸入，該解碼器HB2又輸出表示固定時間間隔T0的信號OSP。該時段T0對應信號OSP處於低狀態的時段。
因此這個電路作用為測量距由信號ST1或ST2到達門U7的輸入中任一個所引起的首次狀態變化起時間T0的固定長度。
一旦已經測量了第一時段T0，在圖6c中所示的第二電路確定對應T0的計數結束和檢測到的在接收信號中的第i個振蕩之間的剩餘時段。
首先，需要檢測第i個振蕩。該任務由圖6d所示的電路執行。該電路具有包含R輸入和CLK輸入的計數器HB3，這兩個輸入分別接收初始化信號RG和接收信號SIG。在初始化之後，信號SIG到達時計數器計數在接收信號SIG中的脈衝數。解碼器HB4的輸入連接到計數器HB3的輸出上以便當計數器達到第i個振蕩時，由解碼器HB4輸出的檢測信號ESP在接收信號SIG的一個周期內從低狀態轉到高狀態(見圖7)。
圖6c的電路作用為確定T0計數的中止和第i個振蕩檢測到之間消逝的非常短的時段，該電路通過時間擴展電路HB5實現這點。第一D型雙穩態觸發器U12使其D和S輸入連接到電勢Vdd，並使其R輸入接收初始化信號RG，而其輸入LAT接收信號OSP，該信號表示其間通過轉換到高狀態而測量的T0的時段的結束(見圖6b和圖7)。來自雙穩態觸發器U12的輸出Q浮置。當信號OSP從低狀態轉到高狀態時輸出Q轉到高狀態。雙穩態觸發器U12的輸出Q連接到雙穩態觸發器U13的輸入D，並連接到雙穩態觸發器U14的輸入LAT。雙穩態觸發器U13的輸入S、LAT和R分別接收電勢Vdd，檢測信號ESP以及初始化信號RG。雙穩態觸發器U13的輸出Q為浮置，同時輸出Q連接到雙穩態觸發器U14的輸入R。從而，在T0已經被測量後，一旦信號OSP從低狀態轉成高狀態，且在檢測到第i個振蕩時檢測信號ESP轉到高狀態時，輸出Q從高狀態轉到低狀態，迫使雙穩態觸發器U14的輸出Q為零(信號IEX)。雙穩態觸發器U14的輸入S和D處於電勢Vdd。雙穩態觸發器U14的輸出Q浮置。當信號OSP轉到高狀態時雙穩態觸發器U14的輸出Q提供處於高狀態的信號IEX，並持續檢測信號ESP沒有從低狀態為轉到高狀態的時間那麼長。從而信號IEX為其高狀態在測量時段T0結束時開始並當檢測到第i個振蕩時結束的脈衝。時間擴展器HB5具有信號IEX，以便對應信號IEX的脈衝處於高狀態的時段TIEX被因數Tfm放大。在擴展器HB5輸出處所產生的信號為信號IEX EXP。
這兩個信號OSP和IEX EXP由微處理器(未示出)處理，該微處理器確定例如在換能器1和2之間傳播的超聲波的中間傳播時間Tint=T0+TIEXTfm]]>因此，微處理器確定作為所選定的數量i和換能器激勵信號ST1的周期的函數的傳播時間TPTP＝Tint-i×Te所有上述電路可以集成到特定用途集成電路(ASIC)中。構成激勵信號的脈衝數n和確定接收信號哪個振蕩用於測量傳播時間的數i可以編程到ASIC或管理ASIC及其提供的數據的軟體中。
優選地是，中間傳播時間Tint的測量對應接收信號的第i個振蕩中止，該振蕩對應於在最大振幅處的接收信號。
作為示例，在利用具有共振頻率接近1MHz的超聲波換能器的儀表的超聲波流量計領域，ASIC和該軟體被編程為構成激勵信號的脈衝n的數量優選地為n＝4或n＝5，而中間傳播時間Tint的測量對應接收信號的第i個振蕩中止，其中優選地i＝4或i＝5。此外，當應用於超聲波流量測量時，本發明的方法和裝置有可能顯著改善測量精度，能夠在傳播時間測量上獲得小於0.5％的誤差，儘管使用低成本且低耗能的普通閾值觸發元件。
雖然本發明參照超聲波加以描述，顯而易見的是其不限於這種類型的波，而本領域技術人員可以將該方法移植到任意其他類型的波上，例如電或電磁波。上述情況同樣適用於用於測量傳播時間的裝置。
權利要求
1.一種測量超聲波信號在兩個間隔開的換能器之間傳播時間TP的方法，兩個換能器中一個由發射器構成而另一個由接收器構成，發射器換能器接收激勵信號而產生向接收器換能器發射的超聲波，所述超聲波導致接收器換能器輸出接收信號，其特徵在於，所述方法包括以下步驟在發射器換能器激勵開始時，開始測量中間傳播時間Tint；檢測由接收器換能器輸出的接收信號並計算在所述接收信號中的振蕩；當第i個振蕩被檢測到時停止中間傳播時間Tint的測量；以及通過算出Tint-i×Te的差值來確定信號的傳播時間TP。
2.如權利要求1中所述的方法，其特徵在於，中間傳播時間Tint的測量在接收信號的第i個振蕩時中止，所述振蕩對應於在最大振幅處的接收信號。
3.如上述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，中間傳播時間Tint的測量在接收信號的第i個振蕩時中止，其中i≠1。
4.如上述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，發射器換能器接收包含周期Te的n個連續脈衝的激勵信號。
5.如上述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，中間傳播時間Tint的測量在接收信號的第i個振蕩時中止，其中i＝n。
6.如上述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，中間傳播時間Tint的測量在接收信號的第i個振蕩時中止，其中優選地i＝4或i＝5。
7.如上述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，激勵信號由n個脈衝構成，其中n≠1。
8.如上述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，激勵信號由n個脈衝構成，其中優選地n＝4或n＝5。
9.一種用於測量超聲波信號的傳播時間TP的裝置，該裝置包括用於形成激勵信號的裝置；連接到所述用於形成激勵信號的裝置的發射器換能器1、2；將超聲波信號轉變為接收信號的接收器換能器；以及連接到所述接收器換能器上的比較器裝置以比較接收信號的振幅與觸發閾值電壓並產生表示所述接收信號的振蕩的信號；其特徵在於，所述裝置還包括用於測量固定時間T0的裝置，其連接到所述用於形成激勵信號的裝置上以便測量距發射器換能器被激勵時刻的固定時間T0；用於確定第i個振蕩的裝置，該裝置連接到所述比較器裝置上，以計數在接收信號中的振蕩數量並檢測第i個振蕩；以及用於測量T0結束和檢測第i個振蕩之間的可變時間TIEX測量的裝置；
10.如權利要求9所述的用於測量超聲波信號傳播時間TP的裝置，其特徵在於，用於測量固定時間T0的裝置包括計數器(HB1)和解碼器(HB2)。
11.如權利要求9或10所述的用於測量超聲波傳播時間TP的儀器，其特徵在於，用於確定第i個振蕩的裝置包括計數器(HB3)和解碼器(HB4)。
12.如權利要求9到11中任一項所述的用於測量超聲波信號傳播時間TP的儀器，其特徵在於，用於測量可變時間TIEX的裝置包括時間擴展電路(HB5)。
全文摘要
一種測量在構成發射器和接收器的兩個間隔開的換能器之間傳播的信號,尤其是超聲波信號傳播時間T
文檔編號G01H5/00GK1342262SQ00804490
公開日2002年3月27日 申請日期2000年2月25日 優先權日1999年3月3日
發明者克裡斯託夫·利勒 申請人:施藍姆伯格工業公司