CN101655384B - 一种测量超声回波飞行时间的方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量超声回波飞行时间的方法，该方法采用时间分层内插的方法，第一层采用直接计数法扩大了时间测量范围，而在第二层采用延迟时间内插法，并在拓扑结构上采取全新的二维矩阵方式，将被测飞行时间的计时量化误差再进行两层细分，缩短了延迟线长度，从而提高了延迟线的线性，由于在2-2nd Level采用游标延迟线结构，因此突破了ps级分辨率限制。为了实现该方法，本发明还提供了一套测量设备，该设备由信号收发部分、数字信号处理部分和人机交互部分等组成，能够提供高精度的飞行时间测量结果。

Description

一种测量超声回波飞行时间的方法及设备

技术领域

本发明涉及一种在超声流量计中测量超声回波飞行时间的方法以及设备，可以应用于仪器仪表、高能物理、激光测距、雷达测距或者前端电子学等领域。

背景技术

超声波流量计是一种利用超声波信号在流体中传播时所载流体的流速信息来推算流体流量的新型流量仪表，其具有非接触式测量、测量精度高、测量范围宽、安装维护方便等特点，特别适合用于临时管道流量、大口径管道流量以及危险性流体流量的测量。根据超声流量测量方程，流量计算与管道几何尺寸和流体流速有直接关系，而流体流速与超声波在流体中飞行时间成正比关系。几何尺寸的测量手段在目前技术条件下已十分成熟，所以流体流速是超声流量测量精度的关键决定因素。

超声流量计的超声回波飞行时间是指超声波信号从发射端通过流体介质到达接收端所经历的时间间隔长度，其测量原理如图1所示，其中T₁为精确的飞行时间，T₁′为实际测得的飞行时间。测量原理是在发射信号时开始计时，当接收信号达到预定的阈值之后停止计时，从而测出信号传播的时间间隔。实际测量中T₁与T₁′总是存在一定的误差。

为了降低飞行时间的测量误差，提高超声波顺逆程时间差的测量精度，目前普遍采用的方法有如下几种：

(1)直接计数法，其测量原理如图2所示，在发射超声波信号时启动计数器，接收到回波信号时停止计数器计数，测量时间：

T＝nT_p                                (1)

该方法在发射端和接收端的量化误差分别是ΔT₁和ΔT₂，总量化误差为Δ＝ΔT₁+ΔT₂，总量化误差Δ的最大值为1个脉冲周期T_p，也就是说该方法的最小分辨力为T_p，其大小取决于计数器系统能够提供的计数频率。直接计数法的优点是测量范围宽，通过提高计数器时钟频率能直接提高测量精度。但是要实现100ps的分辨率，其计数频率需要达到10GHz，信号达到微波段。这样的信号不仅难以产生，准确性难以保证，而且由于分布参数效应，在普通电路中不易实现。因此，目前该方法只能达到ns级的精度。

(2)模拟内插法，也称时间放大法，其硬件结构如图3所示，通过一个高速转换开关在需要测量的飞行时间内用大恒流源充电，而后用小恒流源放电，通过电容充放电时间特性将飞行时间放大再进行测量，两个恒流源的比值即时间放大倍数。

$\mathrm{Tr}=K_{A}T,K_A=\frac{I_1}{I_2}---\left(2\right)$

其中，恒流源I₁对电容进行充电，恒流源I₂对电容进行放电，恒流源比值K_A＝I₁/I₂为时间放大倍数，T为待测飞行时间，T_r为T放大后的时间段。

模拟内插法的误差来源于：①原理误差，在将模拟量K_AT转换成数字量NT_p的过程中产生的，无法克服；②时间扩展的非线性，也是最主要的误差来源，由于时间扩展采用的都是模拟器件，因此本身存在不可预测性；③随机误差，如触发误差等；④时钟的稳定度带来的误差；⑤环境温度以及外部干扰等引起的误差，存在死区电压。

模拟内插法的优点是理论测量精度高，K值最大可以取到10⁴。但该方法利用对一个电容充放电以进行测量，属于模拟过程，在集成芯片中难以采用，可能存在起点死区、终点死区和零区非线性等问题，而且理想的恒流源也难以实现，因为实际恒流电路肯定会受电压漂浮、温度变化等因素的影响，所以模拟过程的非线性不易控制，抖动及非线性带来的误差可能高达几十ps。

作为一种改进，可以在模拟内插法中用A/D转换过程代替放电过程，将极大地减少转换时间和非线性误差，提高测量精度，国外文献称作TVC(time-to-voltage converter)法。

(3)延迟时间内插法，即延迟时间内插技术，又称时钟移相法或量化时延法，其主要原理如图4和图5所示，利用电子器件单元固有的延时作为测量时使用的标尺来实现对飞行时间的测量。

早期采用的延时单元(同轴线)为延迟线，但是为了实现高精度测量，需要数目众多的抽头，因而电路庞大，使得这项技术在当时无法推广。随着集成电路技术的发展，集成电路的方便性和超大规模的特性完全体现了出来，延时电路中的延迟线被集成电路中的逻辑单元所取代。

从图4和图5中可以看出，飞行时间被精确定位在5Δτ和6Δτ之间，时间测量精度可以提高到：

$\mathrm{\δ}=\frac{\mathrm{\ΔT}}{n}---\left(3\right)$

式中n为内插延迟单元数，本例中选择为8，Δτ为延迟单元延迟时间，ΔT为被测时间间隔，δ为时间测量精度(最小量化单位)。

延迟单元的设计实现有多种方法，无论是采用专用集成电路ASIC实现，还是采用可编程器件中的最小逻辑单元，又或是专用半导体光刻线等，目前半导体工艺的测量精度均只能达到ns数量级。虽然采用延迟时间内插法能够突破ns级限制，使分辨力达到ps级，但是延迟线长度的增加导致了积分非线性的增加，并使得温度变化、压力波动、布线策略等引起的抖动成为不可忽略的因素，要进一步提高时间分辨率必须在延迟线拓扑结构上采取相应措施。一种改进方法是简单地将原始延迟单元组成阵列结构，通过参考时钟对输入脉冲采样，然后将采样间歇再细分，该种结构能够在400MHz时钟速率下达到2.5ns的分辨率。另外一种改进方法是通过延迟锁相环来细分固定延迟单元，在80MHz时钟下能够达到80ps的最小量化分辨率，但是这种结构增加了读出编码电路的复杂性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是要提供一种在超声流量计中测量超声回波飞行时间的方法以及设备，能够使用简单的结构设计而达到很高的时间测量精度。

为了实现上述目的，本发明提供了一种测量超声回波飞行时间的方法，包括以下步骤：由发射的超声波产生一个Start脉冲，并由经过流体后接收的超声回波产生一个Stop脉冲；用直接计数法对Start脉冲和Stop脉冲之间的边沿间隔计算出粗计时结果；用两层细分的延迟时间内插法计算出计时量化误差；结合粗计时结果和计时量化误差计算出超声回波飞行时间。

本发明的有益效果是，该方法采用时间分层内插的方法，第一层采用直接计数法扩大了时间测量范围，而在第二层采用延迟时间内插法，并将被测飞行时间的计时量化误差再进行两层细分，从而可以达到非常高的时间测量精度。

为了实现该方法，本发明还提供了一套测量超声回波飞行时间的设备，该设备主要包括信号收发部分、数字信号处理部分和人机交互部分，该数字信号处理部分包括波形跟踪模块、测时模块和中央控制器，其中，波形跟踪模块由发射的超声波产生一个Start脉冲，并由经过流体后接收的超声回波产生一个Stop脉冲，测时模块包括用直接计数法对Start脉冲和Stop脉冲之间的边沿间隔计算出粗计时结果的粗测单元和用两层细分的延迟时间内插法计算出计时量化误差的精测单元，中央控制器结合粗计时结果和计时量化误差计算出超声回波飞行时间，在精测单元中还包括时间细分内插矩阵。

由于该套设备在拓扑结构上采取全新的二维矩阵方式，缩短了延迟线长度，从而提高了延迟线的线性。又因为在2-2nd Level采用游标延迟线结构，可以突破ps级的分辨率限制，因此为得到高精度的飞行时间测量结果提供了物理条件。

附图说明

图1是超声回波飞行时间的测量原理示意图；

图2是直接计数法的原理示意图；

图3是模拟内插法的硬件结构示意图；

图4是延迟时间内插法的硬件结构示意图；

图5是图4所示延迟时间内插法的时序图；

图6是根据本发明优选实施例的超声回波飞行时间测量设备的结构原理图；

图7是图6所示的超声回波飞行时间测量设备的工作原理示意图；

图8是图6所示的超声回波飞行时间测量设备的时间细分内插矩阵的拓扑结构图；

图9是图6所示的超声回波飞行时间测量设备的延迟单元的工作原理示意图；以及

图10是根据本发明优选实施例的细分飞行时间的原理示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

图6示出了根据本发明一个优选实施例的超声回波飞行时间测量设备的结构，该测量设备主要由三部分组成，第一部分是信号收发部分601，负责超声信号的发射、接收、通道切换、时序控制、接收信号预处理等功能；第二部分是数字信号处理部分602，负责对信号进行数模转换，而后进行数字滤波、去噪、增强、边沿跟踪等处理，并完成超声飞行时间测量功能；第三部分是人机交互部分603，负责进行显示、键盘等人机接口的控制以及其它服务功能，如通信等辅助模块。

超声波信号在流体中顺流的传播时间t₁和逆流的传播时间t₂分别为：

$t_1=\frac{L}{c_0+v\cos \mathrm{\θ}}=\frac{D}{\sin \mathrm{\θ}(c_0+v\cos \mathrm{\θ})}---\left(4\right)$

$t_2=\frac{L}{c_0-v\cos \mathrm{\θ}}=\frac{D}{\sin \mathrm{\θ}(c_0-v\cos \mathrm{\θ})}---\left(5\right)$

其中，v为流体的流速，c₀为超声波的传播速度，θ为换能器的安装角，L为两个换能器之间的距离，D为管道直径。

由此可以计算出时间差：

$\mathrm{\Δt}=t_2-t_1=\frac{2\mathrm{Dv}\cos \mathrm{\θ}}{\sin \mathrm{\θ}(c_0^2-v^2{\cos }^2\mathrm{\θ})}---\left(6\right)$

一般情况下，声波在流体中传播速度c₀在1000m/s以上，而多数工业系统中流体流速远小于声速，即

所以时间差可以近似简化为：

$\mathrm{\Δt}=\frac{2\mathrm{Dv}\cos \mathrm{\θ}}{\sin \mathrm{\θ}\·c_0^2}---\left(7\right)$

则：

$v=\frac{c_0^2\sin \mathrm{\θ}}{2D\cos \mathrm{\θ}}\mathrm{\Δt}---\left(8\right)$

式(8)中含有声速c₀，由于温度的变化会引起声速的变化，例如对于流体水而言，20℃时超声波在水中传播速度为1482m/s，而50℃时传播速度为1543m/s，所以声速变化可能极大地影响测量的准确度。因此，对(4)(5)两式另做变换可以得到：

$\frac{1}{t_1}-\frac{1}{t_2}=\frac{2v\cos \mathrm{\θ}}{L}---\left(9\right)$

由此可以推导出在超声脉冲传播路径上的流体线平均流速v为：

$v=\frac{L^2}{2x}\frac{\mathrm{\Δt}}{t_1{t}_2}---\left(10\right)$

其中，x＝Lcosθ。

由于流体的流动一般分为两种状态：一种是层流状态，即管内的流体的流动主要是轴向的运动；另一种是紊流状态，即管内的流体的流动不仅有轴向的运动，还有剧烈的横向流动。这两种不同流动状态对应管内的速度分布也不同，为此加上一个流速分布补偿系数1/K_h，从而得修正后的流量方程为：

$Q_V=\frac{1}{K_h}\·v\·t\·\frac{\mathrm{\π}{D}^2}{4}---\left(11\right)$

式中，Q_v为体积流量，v为管道流体流速，t为累计测量时间，D为管道直径。

本发明提出的超声回波飞行时间测量方法基本思路是将直接计数法和延迟时间内插法相结合，并分层次测量超声回波飞行时间T。

如图2所示的直接计数法，被测的飞行时间T为：

T＝nT_p+ΔT₁-ΔT₂                        (12)

式中n为计数结果，T_p为计数器周期，ΔT₁、ΔT₂为量化误差。

根据图7所示的超声回波飞行时间的测量原理，发射的超声波和经过流体后接收的超声回波经波形跟踪模块跟踪后分别产生标准的一个Start脉冲和一个Stop脉冲，然后将Start脉冲和Stop脉冲输入测时模块后启动第一层次测时——用粗测单元的高时钟频率计数器对Start脉冲和Stop脉冲之间的边沿间隔进行粗计时，得到nT_P，而对于计时量化误差ΔT₁、ΔT₂在第二层次利用精测单元测量，最后将测量结果经过标定校正电路进行数字校正后输出到中央控制器计算被测时间间隔，从而可以提高测时精度。

精测模块采用矩阵拓扑结构降低延迟线的非线性，从而提高分辨率。矩阵拓扑结构如图8所示，时间细分内插矩阵基本单元是由缓冲器和锁存器组成的游标延迟单元，这个延迟矩阵共用一个时钟信号。采用带复位的行列矩阵结构，有效解决了延迟线长度、分辨率以及由此带来的温度变化、压力波动和非线性误差问题。图9(a)示出了超声回波飞行时间测量延迟单元与时序图，将输入宽波形转换成固定窄脉冲，如图9(b)所示的游标延迟单元包括一个缓冲延迟器和一个锁存器延迟单元，而图9(c)为测量时间间隔量化误差两层细分时序图。

时间细分内插矩阵对输入脉冲提供了垂直和水平两条传输路径，垂直传输路径延迟为τ_n＝τ_L，水平传输路径延迟时间为τ_m＝τ_L-τ_B，其中的τ_L和τ_B分别是延迟矩阵中D锁存器和缓冲器单元的延迟时间(假设水平和垂直方向通过D锁存器的传输时间相同)。通过延迟矩阵的拓扑结构可以将时间间隔细分成如图9(c)所示的双层最小分辨位宽。

该时间细分内插矩阵的大致工作步骤如下：

(1)初始时所有锁存器输出均为逻辑低电平0；

(2)输入脉冲由延迟矩阵所有锁存器延迟单元传输；

(3)锁存器时钟端时钟信号上升沿来到时，输入脉冲将无法通过该锁存器；

(4)时间间隔可通过输入脉冲通过的延迟单元的行数n和列数m计算出来。

当输入脉冲与时钟信号时间间隔大于τ_n时，信号将沿垂直方向一行一行地向下传递，每经过一行，其时间间隔将减去τ_n；当剩下的时间间隔小于τ_n时，信号将沿水平方向的延迟单元传输，每经过一个延迟单元就可以分辨出τ_m，直至时间间隔小于τ_m。

结合粗测单元的计数器输出，一旦时间细分内插矩阵得到如图10所示的输入脉冲与参考时钟之间的时间间隔T_e，即计时量化误差T_e，就可以计算出超声回波飞行时间T：

T＝(K+1)T₀-T_e＝(K+1)T₀-(nτ_n+mτ_m)         (13)

其中，K+1为粗测计数器输出，T₀为计数器脉冲宽度，T_e由输入脉冲在时间细分内插矩阵中传输的行数n和列数m决定。

时间细分内插矩阵的行列数与时间观察窗口T_OBS有确定关系，T_OBS定义为矩阵延迟单元允许输入脉冲通过的活动时间，即最大输入脉冲与参考时钟的脉冲宽度的一半相等，即T_OBS＝T₀＝T_p/2，所以矩阵最大行数N必须满足下式：

$N\≥\frac{T_{\mathrm{OBS}}}{{\mathrm{\τ}}_n}---\left(14\right)$

当经过行传输剩下的时间间隔小于τ_n时，输入脉冲沿水平方向顺序通过游标延迟单元τ_m直到其被参考时钟边沿捕获，因此时间内插矩阵最大列数M必须满足下式：

$M\≥\frac{{\mathrm{\τ}}_n}{{\mathrm{\τ}}_m}=\frac{{\mathrm{\τ}}_L}{{\mathrm{\τ}}_L-{\mathrm{\τ}}_B}---\left(15\right)$

在理想情况下，当超声回波飞行时间间隔大于锁存器延迟时间时，输入脉冲将沿垂直方向向下传输，否则将沿着水平方向向右经游标延迟单元传输，当输入脉冲传入下一行时，认为不会对延迟单元产生失配，这一点对那些离参考时钟边沿时间较长的输入脉冲尤为重要。这种情况下相同的输入脉冲有可能在时间细分内插矩阵的多条游标延迟线中存在，从而导致读数错误或者重复检测同一个脉冲。为克服该问题，本发明在矩阵的每行插入一个如图9(a)所示的行间复位脉冲发生器，在每次检测到新的输入脉冲时均产生一个标准2.5ns的脉冲信号以复位所有行的延迟单元，从而可以确保不会有两个连续行保存的是同一个输入脉冲的数据，因此可以起到保证测量稳定性和结果有效性的作用。

根据本发明的矩阵式多层超声回波飞行时间测量方法的输出结果为标准温度计编码，读出计数器无需复杂的解码，为后续编程提供了方便。

该超声回波飞行时间测量设备采用分层内插的测量方法，第一层采用直接计数法扩大了时间测量范围，而在第二层采用延迟时间内插法，并在其拓扑结构上采取全新的二维矩阵方式，将被测飞行时间的计时量化误差再进行两层细分，缩短了延迟线长度，从而提高了延迟线的线性。更进一步地，在2-2nd Level采用游标延迟线结构，突破了ps级分辨率限制。在仿真实验中，采用赛林思Virtex 5FPGA硬件资源来实现该方法所必需的时间细分内插矩阵，其延迟线由Virtex内置的固定延迟单元组成，由于延迟矩阵拓扑结构合理，有效避免了布局布线以及温度变化和电压波动带来的时间抖动。多次仿真实验结果表明，在200MHz参考时钟下，该方法最小分辨位宽可以小于20ps。

以上所披露的仅为本发明的优选实施例，当然不能以此来限定本发明的权利保护范围。可以理解，依据本发明中限定的实质和范围所作的等同变化，仍属于本发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种测量超声回波飞行时间的方法，其特征在于，包括以下步骤：

由发射的超声波产生一个Start脉冲，并由经过流体后接收的超声回波产生一个Stop脉冲；

用直接计数法对所述Start脉冲和所述Stop脉冲之间的边沿间隔计算出粗计时结果；

用两层细分的延迟时间内插法计算出计时量化误差；

结合所述粗计时结果和所述计时量化误差计算出所述超声回波飞行时间；

所述两层细分的延迟时间内插法包括以下步骤：

对于所述粗计时结果与所述超声回波飞行时间之间的时间间隔，以第一延迟时间为标尺计算其延迟所需要的第一延迟单元数和剩余时间间隔；

以第二延迟时间为标尺计算所述剩余时间间隔延迟所需要的第二延迟单元数；

结合所述第一延迟时间、所述第一延迟单元数、所述第二延迟时间和所述第二延迟单元数计算出所述计时量化误差，

其中，所述第一延迟时间大于所述第二延迟时间。

2.根据权利要求1所述的测量超声回波飞行时间的方法，其特征在于，所述两层细分的延迟时间内插法包括采用由排列成垂直和水平两条传输路径的游标延迟单元构成的时间细分内插矩阵来设定延迟时间，其中每一个所述游标延迟单元的垂直方向的延迟时间为所述第一延迟时间，每一个所述游标延迟单元的水平方向的延迟时间为所述第二延迟时间。

3.根据权利要求1所述的测量超声回波飞行时间的方法，其特征在于，所述产生一个Start脉冲和所述产生一个Stop脉冲是采用波形跟踪的方法。

4.一种测量超声回波飞行时间的设备，包括信号收发部分、数字信号处理部分和人机交互部分，其特征在于，所述数字信号处理部分包括波形跟踪模块、测时模块和中央控制器，其中，

所述波形跟踪模块由发射的超声波产生一个Start脉冲，并由经过流体后接收的超声回波产生一个Stop脉冲，

所述测时模块包括：

粗测单元，其用直接计数法对所述Start脉冲和所述Stop脉冲之间的边沿间隔计算出粗计时结果；

精测单元，其用两层细分的延迟时间内插法计算出计时量化误差，

所述两层细分的延迟时间内插法包括以下步骤：

对于所述粗计时结果与所述超声回波飞行时间之间的时间间隔，以第一延迟时间为标尺计算其延迟所需要的第一延迟单元数和剩余时间间隔；

以第二延迟时间为标尺计算所述剩余时间间隔延迟所需要的第二延迟单元数；

结合所述第一延迟时间、所述第一延迟单元数、所述第二延迟时间和所述第二延迟单元数计算出所述计时量化误差，

其中，所述第一延迟时间大于所述第二延迟时间；

所述精测单元还包括时间细分内插矩阵，

所述中央控制器结合所述粗计时结果和所述计时量化误差计算出所述超声回波飞行时间。

5.根据权利要求4所述的测量超声回波飞行时间的设备，其特征在于，所述时间细分内插矩阵包括排列成垂直和水平两条传输路径的游标延迟单元；每一个所述游标延迟单元的垂直方向的延迟时间为所述第一延迟时间，每一个所述游标延迟单元的水平方向的延迟时间为所述第二延迟时间。

6.根据权利要求5所述的测量超声回波飞行时间的设备，其特征在于，所述游标延迟单元包括缓冲器和锁存器。

7.根据权利要求4所述的测量超声回波飞行时间的设备，其特征在于，所述时间细分内插矩阵的每行设置有一个行间复位脉冲发生器。

8.根据权利要求4所述的测量超声回波飞行时间的设备，其特征在于，所述时间细分内插矩阵共用一个时钟信号源。

9.根据权利要求4所述的测量超声回波飞行时间的设备，其特征在于，所述粗测单元包括高时钟频率计数器。

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