CN101672693A - 超声波传输时间无模糊测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明目的就是提出一种去除相位法超声波传输时间测量中的相位模糊，以便正确获得传输时间测量值的方法。本方法适用所有超声测量对象。本方法通过发送两个不同但又具有一定约束关系的频率超声波，通过分别在接收端测量接收到的两个频率超声波的相位，最后通过求差等运算获得无模糊的传输时间测量值。

Description

超声波传输时间无模糊测量方法

技术领域：

本发明涉及超声测量技术，特别涉及超声波传播时间的测量技术。

背景技术：

超声测量技术广泛用于医疗、测距、探伤、流量、气体浓度测定等等方面。超声测量的基本原理是通过超声波在介质中传播的不同的速度、不同介质交界面的反射等特性来完成特定的测量任务。这其中一个很重要的方面是对超声波在特定的介质中传播一定距离所用时间的测量。

现有技术中，对传输时间精确的测量包括多种测量方法，这里讨论对发送与接收信号的相位差测量来获得方法。设超声波传感器发送信号为：

a₀(t)＝Acos(2πf₀t+φ₀)＝Acos(θ_a0)                                          (1)

其中A是发送信号幅度，f₀是发送频率，相位θ_a0＝2πf₀t+φ₀

接收端收到的信号为：

b₀(t)＝Bcos[2πf₀(t+Δt)+φ₀]＝Bcos[2πf₀t+2πf₀Δt+φ₀]＝Bcos[θ_b0]           (2)

其中B是接收值号的幅度，相位θ_b0＝2πf₀t+2πf₀Δt+φ₀

利用相位差法，即

$\mathrm{\Δt}=\frac{{\mathrm{\θ}}_{b0}-{\mathrm{\θ}}_{a0}}{2\mathrm{\π}{f}_0}=\frac{2\mathrm{\π}{f}_0\mathrm{\Δt}}{2\mathrm{\π}{f}_0},---\left(3\right)$

上述方法在f₀Δt≤1时，或2πf₀Δt≤2π的情况下不存在任何问题，但是这里存在如下的情况，如在气体浓度测量中，超声波在不同浓度、温度等情况下的传输速度不同，约在250m/s~343m/s左右，若将超声波发送器与接收器距离设为S，则

其中v是超声波的速度，设S＝30cm，v＝300m/s，Δt＝1ms，若超声波的频率为f₀＝40khz，则2πf₀Δt＝2π*40，由于相位存在以2π为模的特性，这样我们能测得的相位为0或2π，利用式(3)并不能得到真实的传输时间Δt。

出现上述测量模糊的情况是由于相位θ_a0、θ_b0是0~2π取值，当然也可以-π~π，不失一般性这里取0~2π。因此当Δt较大即f₀Δt≥1时，或2πf₀Δt≥2π时，将出现对Δt估计的模糊，出现传输时间估计错误。

发明内容：

本发明目的就是提出一种去除相位模糊，以便正确获得传输时间测量值的方法。本方法适用所有超声测量对象。本方法通过发送两个不同频率但又具有一定约束关系的超声波，通过分别在接收端测量两个频率超声波的相位，最后通过求差等运算获得无模糊的传输时间测量值。

该目的可以通过以下步骤方法达到：

A.在发送端发送一频率为f₀，相位为θ_a0的超声波，并在接收端测量接收超声波信号的相位为θ_b0，获得发送与接收超声波的相位差

B.在A完成后，在发送端发送另一频率f₁，相位为θ_a1的超声波，在接收端测量接收超声波信号的相位为θ_b1，获得发送与接收超声波的相位差

C.利用如下公式求出真实传输时间其中(x)mod1表示对x取模为1的余数，该余数在区间[0，1)内；sign(.)表示取符号；N_max见④中的解释。

步骤B，步骤C中发送频率应满足

其中λ_min是所测试介质中的最小超声传播速度下的超声波长，S是超声发送端与接收器端之间的距离，|.|表示取绝对值。

本发明的优点在于，利用相位差测量传输时间具有精度高，测量稳定性好的特点，同时又克服了相位差测量中的以2π为模的模糊问题，使两个固定超声波传感器间的传输时间差测量不受发送和接收超声传感器间的距离限制。

附图说明：

图1，本发明的一个实施方式。图中各代号的说明，1超声波发送传感器，2超声波接收传感器，3超声波发送传感器与接收传感器之间的通道距离为S，4发送端信号产生电路，5接收锁相环电路，6控制计算器，7使发送和接收同时清零或开始工作控制端，8发送信号相位输出端口，9控制计算器与发送、接收部件的控制数据交互端口，10接收信号放大器和模数转换器，11接收端信号相位输出端口，12发送端信号发生器内的数控振荡器，13数模转换器，14_1乘法器，14_2乘法器，15接收锁相环内数控振荡器，16环路滤波器，17_1积分清零器，17_2积分清零器，18反正切鉴相器。

图2，数控振荡器的示意图。本发明的发送端信号产生电路4中数控振荡器12和接收锁相环电路5中的数控振荡器15结构示意图。图中各代号说明，19数控振荡器频率控制字输入端口，20数控振荡器频率偏移控制字输入端口，21数字加法器，22对输入进行累加的相位累加器，23以输入作为地址的正弦查找表只读存储器，24正弦查找表只读存储器输出端口，25相位累加器输出。

具体实施方式：

下面以图1说明超声波传输时间无模糊测量方法的实施。本发明发送信号与接收信号相位差计算可不局限于本实施例中的方法。

①获得频率为f₀的发送信号与接收端信号之间的相位差。过程如下：

由控制计算器6的清零使能端口7使发送端信号产生电路4和接收锁相电路5清零后同时工作，控制计算器6的控制端口9向信号产生电路4中的数控振荡器12和接收锁相电路5中的数控振荡器15提供设定的发送和接收频率的初始数据，数控振荡器12、15的输入端口为均为频率控制字输入端口19。发送端信号产生电路4按设定的频率由其内部的数控振荡器12产生信号，经过数模转换器13成为模拟信号并通过发送超声波传感器1发送超声波，发送的超声波通过含有待测介质的通道3，由接收超声传感器2接收，其中发送传感器与接收传感器的距离为S，接收信号经过放大器及模数转换10完成信号放大和模拟到数字的转换，转换后的数字信号送入接收锁相环电路5，接收锁相电路5是一个常见的数字锁相环，为此5的工作过程只作简述：由放大器及模数转换10来的接收信号经乘法器14_1、14_2与数控振荡器15输出的两个正交正弦信号相乘后分别经积分清零电路17_1、17_2作用后进入反正切鉴相器18，反正切鉴相器18的输出进入环路滤波器16，环路滤波器16的输出控制数控振荡器15的频偏控制输入端口20。当环路锁定并稳定后，控制计算器6从发送信号产生电路4的内部数控振荡器12的相位累加器输出端口25经端口8获得发送端信号的相位，控制计算器6从接收锁相环内的数控振荡器电路15的相位累加器输出端口25经端口11获得接收信号的相位，这时控制计算器6内计算二者之差获得发送和接收信号之间的相位差。

②获得频率为f₁的发送信号与接收端信号之间的相位差。过程如下：

对不同频率的发送接收过程只需重复上述过程，只是控制计算器6通过端口9设定的频率数据为f₁。

其中λ_min是所测试介质中的最小超声传播速度下的超声波长，S是超声发送端与接收器端之间的距离，|.|表示取绝对值。

③在控制计算器6内，利用如下公式求出真实传输时间

其中(x)mod1表示对x取模为1的余数，该余数在区间[0，1)内；sign(.)表示取符号。

④具体实例参数：

第一次发送信号的频率40khz，第二次发送信号的频率41khz，延迟5us，测试结果5.014us，这时，f₀Δt＜1，N_max＝40。

第一次发送信号的频率400khz，第二次发送信号的频率320khz，延迟5.55us，测试结果5.54us，f₀Δt＞1，且[f₀Δt]＝2，N_max＝-5。

由于数控振荡器12、15是行业内熟知的技术，这里只以图2作简述。频率控制字输入端口19的输入与数控振荡器频率偏移控制字输入端口20输入的数据同时输入到数字加法器21中，在数字加法器21中相加后，数字加法器21的输出送入相位累加器22，对输入进行不断的累加，相位累加器22的输出分成两路一路作为地址送入正弦查找表只读存储器23的地址输入端口，正弦查找表只读存储器23根据该地址输入得到对应的正弦数值经过正弦查找表只读存储器输出端口24输出，该输出可以包括正弦或余弦的单路或正弦余弦两路同时输出，对信号产生器4的数控振荡器只需单路输出，对接收锁相环2中的数控振荡器15需要正弦余弦两路同时输出，另一路作为数控振荡器的相位输出通过相位累加器输出端口25输出。

本发明的基本原理可简述如下：

设超声波的传播速度为v，超声波发送端与接收端距离为S，则超声波从发送器到接收器的时间为Δt＝S/v。设发送端发出的信号为：

a₀(t)＝Acos(2πf₀t+φ₀)＝Acos(θ_a0)

其中A是发送信号幅度，f₀是发送频率，相位为θ_a0＝2πf₀t+φ₀

接收端收到的信号为：

b₀(t)＝Bcos[2πf₀(t+Δt)+φ₀]＝Bcos[2πf₀t+2πf₀Δt+φ₀]＝Bcos[θ_b0]

其中B是接收信号的幅度，相位为θ_b0＝2πf₀t+2πf₀Δt+φ₀

有多种方法可以完成对收发时间间隔Δt的测量。这里讨论相位差法，即

$\mathrm{\Δt}=\frac{{\mathrm{\θ}}_{b0}-{\mathrm{\θ}}_{a0}}{2\mathrm{\π}{f}_0},$

由于相位θ_a0、θ_b0是0~2π取值，因此当Δt较大即f₀Δt≥1时，或2πf₀Δt≥2π将出现对Δt估计的模糊。这时可将相位差表达式表示为：

令 $\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_0=\frac{{\mathrm{\θ}}_{b0}-{\mathrm{\θ}}_{a0}}{2\mathrm{\π}}$

f₀Δt＝N₀+Δφ₀                                                        (4)

其中N₀＝[f₀Δt]，[.]表示取整数。

为解除由于f₁Δt≥1引起的模糊N₀，引入另一个频率信号：

a₁(t)＝A₁cos(2πf₁t+φ₁)＝A₁cos(θ_a1)                                    (5)

其中A₁是发送信号幅度，f₁是发送频率，θ_a1＝2πf₁t+φ₁

接收端收到的信号为：

b₁(t)＝B₁cos[2πf₁(t+Δt)+φ₁]＝B₁cos[2πf₁t+2πf₁Δt+φ₁]＝B₁cos[θ_b1]        (6)

其中B₁是接收信号幅度，θ_b1＝2πf₁t+2πf₁Δt+φ₁

令 ${\mathrm{\Δ\φ}}_1=\frac{{\mathrm{\θ}}_{b1}-{\mathrm{\θ}}_{a1}}{2\mathrm{\π}}$

f₁Δt＝N₁+Δφ₁                                                (7)

其中N₁＝[f₁Δt]，[.]表示取整数。

比较发现虽然f₀、f₁、Δφ₀、Δφ₁已知，但两个方程有Δt、N₀、N₁三个未知。为此选择：

$f_1=f_0(1+\frac{1}{N_{\max }}),---\left(8\right)$

其中

λ_min是所测试介质不同密度或对不同浓度气体的最小超声传播速度下的超声波长。显然|N_max|≥N₀

这时，若N_max＞0，

N₁＝N₀；若

N₁＝N₀+1。

这时有不模糊的超声波传输时间的计算式：

$\mathrm{\Δt}=\frac{N_1-N_0+{\mathrm{\Δ\φ}}_1-{\mathrm{\Δ\φ}}_0}{f_1-f_0}=\frac{({\mathrm{\Δ\φ}}_1-{\mathrm{\Δ\φ}}_0)\mathrm{mld}1}{f_1-f_0},---\left(9\right)$

其中(x)mod1表示对x取模为1的余数，该余数在区间[0，1)内。

若N_max＜0，

N₁＝N₀；若

N₀＝N₁+1。

这时有不模糊的超声波传输时间的计算式：

$\mathrm{\Δt}=\frac{N_0-N_1+{\mathrm{\Δ\φ}}_0-{\mathrm{\Δ\φ}}_1}{f_0-f_1}=\frac{({\mathrm{\Δ\φ}}_0-{\mathrm{\Δ\φ}}_1)\mathrm{mod}1}{f_0-f_1},---\left(9\right)$

其中(x)mod1表示对x取模为1的余数，该余数在区间[0，1)内。

一般有，

其中(x)mod1表示对x取模为1的余数，该余数在区间[0，1)内；sign(.)表示取符号。

Claims (3)

1.超声波传输时间无模糊测量方法，发送两个不同频率但又具有一定约束关系的的超声波，通过分别在接收端测量接收到的两个频率超声波的相位，最后通过求差等运算获得无模糊的传输时间测量值。本方法适用超声传输时间测量，其特征在于：

A.在发送端发送一频率为f₀，相位为θ_a0的超声波，并在接收端测量接收超声波信号的相位为θ_b0，获得发送与接收超声波的相位差

B.在A完成后，在发送端发送另一频率f₁，相位为θ_a1的超声波，在接收端测量接收超声波信号的相位为θ_b1，获得这个发送与接收超声波的相位差

C.利用如下公式求出真实传输时间其中(x)mod1表示对x取模为1的余数，该余数在区间[0，1)内；sign(.)表示取符号；其中N_max是一个整数。

2.按照权利要求1中的步骤B，步骤C中发送频率的特征应满足：

其中

λ_min是所测试介质中的最小超声传播速度下的超声波长，S是超声发送端与接收器端之间的距离，|.|表示取绝对值。

3.按照权利要求1中步骤A，步骤B所述求取发送和接收超声波的相位差的特征在于：利用一可控的接收锁相环电路5中的数控振荡器15获取接收超声信号相位和发送端的信号产生电路4内的数控振荡器12获得发送信号相位进而求得发送与接收超声信号的相位差。

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