CN105319548A - 一种基于双回波包络的超声波飞行时间测量方法 - Google Patents

一种基于双回波包络的超声波飞行时间测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于双回波包络的超声波飞行时间测量方法,解决超声波飞行时间精确测量的要求。该方法基于LabVIEW软件控制平台设计了虚拟仪器超声波飞行时间测量系统，对采集的信号波形先求取包络，以提取超声波回波总体特征走势，采用粒子群优化算法计算得到更为精确的超声波飞行时间，依据超声波测温原理计算超声波飞行路径温度平均值，并与温度仪实际测量值比较，将其温度误差值转换为超声波飞行时间误差。经过理论分析与实验验证，该方法测量的超声波飞行时间精度达到ns级。

Description

一种基于双回波包络的超声波飞行时间测量方法
技术领域
本发明设计一种超声波飞行时间测量方法，具体涉及一种基于双回波包络的超声波飞行时间测量方法。
背景技术
现有的超声波飞行时间测量方法主要有：
1)单阀值法。设定一个阀值，当接收到的波形信号幅度超过该设定的阀值时，将这个时刻作为超声波回波到时刻，即超声波飞行时间。然而噪声的影响不可忽略，实际中设定的阀值应远高于系统中的噪声幅度，尽量减小噪声带来的误差。但是设定的阀值过高，可能漏掉超声波回波波形信号；设定的阀值过低，难以排除噪声的影响。因此在实际应用中，难以确定一个合适的阀值来测量超声波飞行时间。
2)双阀值法。在单阀值基础上，衍生出了双阀值法。设定两个阀值，通过求得这两个阀值对应超声波回波到时刻再根据三角形相似原理求得超声波飞行时间。但是在实际定位这两个阀值时，超声波回波信号幅度随距离不同变化较大，采用固定的阀值会产生较大的误差。因此，最终得到的超声波飞行时间也有较大的误差。
3)滑动窗法。该方法通过设置一个采样点为N的矩形窗，确定移动步长，让窗体左侧与超声波回波信号起始点重合，计算矩形窗所截波形数据的方差，并记录下来。然后令矩形窗向右侧终止点依次移动固定步长，并计算新的位置的方差，再与上一个时刻所记录的方差进行对比；当两者差值大于所设置的阀值，则判定矩形窗中包含了超声波飞行时间。该方法估计得到的超声波飞行时间比较稳定，可以排除因数据的偶然性而导致的搜索错误。但是在信噪比较低的时候，超声波回波到时刻附近易收到噪声影响，影响了测量精度。
4)互相关法。互相关法根据发射波形信号与接收波形信号在时间轴上不同时刻的相关程度，能够有效地分析发射和接收波形信号之间的时间延迟关系，进而得出超声波飞行时间。该方法采用了超声波回波信号的整体走势，避免了阀值法中直接寻找超声波波到时刻带来的误差，提高了超声波飞行时间的测量精度。但是采用互相关法必须满足若干条件：存储大量参考波形信号；超声波回波波形与参考波形信号仅存在时间轴上的平移；其幅值只存在比例大小的不同；噪声形式为高斯白噪声等。这些条件制约了超声波飞行时间测量的精度且不能满足实时应用要求。
5)最大特征波法。该方法将发射波最后一个波的过零点作为起始时刻，与该起始点所对应的点为超声波回波中幅值最大的波(最大特征波)的峰值点，即终止时刻，进而求得超声波飞行时间。这种方法将发射信号中最后一个波与回波中最大特征波对应起来，但是实际中，很多情况下这两个波并不是完全对应的，而是存在周期的整数倍误差，最终影响了超声波飞行时间的测量精度。
超声波飞行时间测量是超声波测温、超声波测距等应用的关键，与超声波相关的多数测量研究诸如温度、距离、液位、定位等参数测量其核心都可以转为是对超声波飞行时间的测量。超声波飞行时间的测量可以直接或者间接通过工程转换实现对被测量的检测。因此，高精度、准确、实时的超声波飞行时间测量对于超声波检测技术的应用具有重要意义。
本发明旨在使基于双回波包络的超声波飞行时间测量精度达到诸如温度、距离、液位、定位等参数测量要求，从软硬件方面出发搭建超声波飞行时间测量系统，结合粒子群优化算法实现超声波飞行时间的精确测量。
发明内容
为了克服以上所提到的超声波飞行时间测量方法的一些问题，本发明提出一种基于双回波包络的超声波飞行时间测量方法，该方法具有测量精度高、实时测量、界面交互性好以及维护方便等优点。
所述超声波飞行时间测量方法所采用的硬件系统包括：上位机、信号发生器、电源驱动模块、示波器、信号调理模块、超声波发射换能器和超声波接收换能器。所述上位机采用网线通过路由器网络接口分别与示波器网线接口和信号发生器网线接口连接，在NIMAX中，选择增添相应的网络地址，实现示波器和信号发生器分别与上位机的通信，信号发生器的信号输出端口与电源驱动模块信号输入端口连接，电源驱动模块信号输出端口与超声波发射换能器的输入端口连接，超声波发射换能器将接收到的电信号转换为机械能。超声波发射换能器和超声波接收换能器之间进行信号转换，超声波接收换能器将机械能转换为电能，超声波接收换能器的输出端口与信号调理模块输入端口连接，信号调理模块输出端口与示波器进行信号传递。
超声波信号发射和接收过程中，超声波发射换能器将接收到的电信号转换为机械波信号，即超声波信号。超声波信号经过飞行路径后由超声波接收换能器接收该机械波信号，并将机械波信号转换为电信号传送至信号调理模块。
运用所述硬件系统，基于双回波包络的超声波飞行时间测量方法，包括以下步骤：
1)在LabVIEW软件控制平台设置两种波形信息，第一种为n个正弦波脉冲发射信号，第二种为m个正弦波脉冲发射信号。将第一种波形信息传递给信号发生器，信号发生器产生波形信号yn(t)，经过时间Δt后，将第二种波形信息传递给信号发生器，信号发生器产生波形信号ym(t)。所产生的波形信号yn(t)和波形信号ym(t)依次经过电源驱动模块、超声波发射换能器、超声波接收换能器和信号调理模块传送至示波器并显示，最后在上位机接收存储的波形信号yn(t)和波形信号ym(t)。LabVIEW软件控制平台同步显示接收到的波形，同时将示波器采集到的波形数据yn(t)和ym(t)存储在指定目录下。
2)利用希尔伯特变换分别求取采集到的波形数据yn(t)和ym(t)对应的实际回波包络A[yn(t)]和A[ym(t)]。
3)超声波回波包络模型函数为其中，A0为波形信号的幅度；τ为超声波回波波到时刻；T和α为超声波回波包络形状参数；u(t)为阶跃函数,t为时间变量。运用超声波回波包络模型函数分别对实际回波包络A[yn(t)]和A[ym(t)]上升沿进行拟合，并对这两个实际回波包络的包络模型特征参数向量θn,θm进行估计，分别得到θn＝[A'0,τ',T',α'],θm＝[A”0,τ”,T”,α”]。运用最小二乘法建立目标优化函数其中y(i)为步骤2中实际回波包络A[yn(t)]和A[ym(t)]的采样数据,i为第i个采样点,[a,b]为拟合区间。
4)采用粒子群优化算法进行全局寻优。求得使A(θ,i)达到最小值时的包络模型特征参数向量θn和θm即为最优估计结果。
5)在LabVIEW软件平台根据优化得到的包络模型特征参数向量θn和θm，由超声波回波包络模型函数得到双回波包络拟合曲线，获取双回波包络上升沿分离点并确定双回波包络的上升沿分离时刻。根据确定的对应的发射波起始时刻，由双回波包络的上升沿分离时刻减去发射波起始时刻，最终求得超声波飞行时间。
应用LabVIEW软件控制平台控制信号发生器发出发射波形、示波器显示接收波形、发射和接收数据的存储以及采集数据的计算与显示，这些都可以通过在LabVIEW软件控制平台前面板上进行设置来实现，而程序框图与前面板进行相应的配置，因此具有可操作性强、交互性好等优点。
本发明的技术效果是毋庸置疑的，利用虚拟仪器强大的数据采集、信号处理能力和高分辨率波形显示等优势，通过LabVIEW软件控制平台实现超声波发射信号与接收信号的控制、采集与处理，使该系统具有测量精度高、实时测量、界面交互性好和维护方便等优点。
所涉及的符号变量对应说明参见表1。
表1
附图说明
图1：超声波飞行时间测量系统原理图；
图2：超声波飞行时间测量系统LabVIEW软件控制平台程序框图；
图3：超声波飞行时间测量系统硬件部分电路原理图；
图4：超声波飞行时间测量系统硬件部分电路PCB原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
如图1所示，所述超声波飞行时间测量方法所采用的硬件系统包括：上位机、信号发生器、电源驱动模块、示波器、信号调理模块、超声波发射换能器和超声波接收换能器。所述上位机采用网线通过路由器网络接口分别与示波器网线接口和信号发生器网线接口连接，在NIMAX中，选择增添相应的网络地址，实现示波器和信号发生器分别与上位机的通信，信号发生器的信号输出端口与电源驱动模块信号输入端口连接，电源驱动模块信号输出端口与超声波发射换能器的输入端口连接，超声波发射换能器将接收到的电信号转换为机械能。超声波发射换能器和超声波接收换能器之间进行信号转换，超声波接收换能器将机械能转换为电能，超声波接收换能器的输出端口与信号调理模块输入端口连接，信号调理模块输出端口与示波器进行信号传递。
运用所述测量系统，基于双回波包络的超声波飞行时间测量方法，包括以下步骤：
1)在LabVIEW软件控制平台设置两种波形信息，第一种为n个正弦波脉冲发射信号，第二种为m个正弦波脉冲发射信号。将第一种波形信息传递给信号发生器，信号发生器产生波形信号yn(t)，经过时间Δt后，将第二种波形信息传递给信号发生器，信号发生器产生波形信号ym(t)。所产生的波形信号yn(t)和波形信号ym(t)依次经过电源驱动模块、超声波发射换能器、超声波接收换能器和信号调理模块传送至示波器并显示，最后在上位机接收存储的波形信号yn(t)和波形信号ym(t)。LabVIEW软件控制平台同步显示接收到的波形，同时将示波器采集到的波形数据yn(t)和ym(t)存储在指定目录下。
超声波信号发射和接收过程中，超声波发射换能器将接收到的电信号转换为机械波信号，即超声波信号。超声波信号经过飞行路径后由超声波接收换能器接收该机械波信号，并将机械波信号转换为电信号传送至信号调理模块。
2)利用希尔伯特变换分别求取采集到的波形数据yn(t)和ym(t)对应的实际回波包络A[yn(t)]和A[ym(t)]。
3)超声波回波包络模型函数为其中，A0为波形信号的幅度；τ为超声波回波波到时刻；T和α为超声波回波包络形状参数；u(t)为阶跃函数，t为时间变量。运用超声波回波包络模型函数分别对实际回波包络A[yn(t)]和A[ym(t)]上升沿进行拟合，并对这两个实际回波包络的包络模型特征参数向量θn,θm进行估计，分别得到θn＝[A'0,τ',T',α'],θm＝[A”0,τ”,T”,α”]。运用最小二乘法建立目标优化函数其中y(i)为步骤2中实际回波包络A[yn(t)]和A[ym(t)]的采样数据,i为第i个采样点,[a,b]为拟合区间。
4)采用粒子群优化算法进行全局寻优。求得使A(θ,i)达到最小值时的包络模型特征参数向量θn和θm即为最优估计结果。
5)在LabVIEW软件平台根据优化得到的包络模型特征参数向量θn和θm，由超声波回波包络模型函数得到双回波包络拟合曲线，获取双回波包络上升沿分离点并确定双回波包络的上升沿分离时刻。根据确定的对应的发射波起始时刻，由双回波包络的上升沿分离时刻减去发射波起始时刻，最终求得超声波飞行时间。
实验中，通过测量超声波发射与接收换能器之间路径的平均温度来证明超声波飞行时间的测量精度。利用平均温度函数计算超声波发射与接收换能器之间路径的平均温度，从而将超声波飞行时间转化为飞行路径上的平均温度值；其中L为实际测得的超声波发射与接收换能器之间的距离，单位为m；T为测量路径上气体的平均温度，单位为℃；k为绝热指数且值为1.4；R为气体常数且值为287，单位为J/Kg·k；t为超声波飞行时间，单位为ms。
温度仪测量值为25.4℃，通过求取超声波飞行时间而求得的超声波发射与接收换能器之间路径的平均温度与温度仪之间的误差值在±2℃之内，即证明该测量方法得到的超声波飞行时间测量精度为ns级。

Claims (1)

1.一种基于双回波包络的超声波飞行时间测量方法，其特征在于：
所述超声波飞行时间测量方法所采用的硬件系统包括：上位机、信号发生器、电源驱动模块、示波器、信号调理模块、超声波发射换能器和超声波接收换能器；所述上位机采用网线通过路由器网络接口分别与示波器网线接口和信号发生器网线接口连接；在NIMAX中，选择增添相应的网络地址，实现示波器和信号发生器分别与上位机的通信；信号发生器的信号输出端口与电源驱动模块信号输入端口连接；电源驱动模块信号输出端口与超声波发射换能器的输入端口连接，超声波发射换能器将接收到的电信号转换为机械能；超声波发射换能器和超声波接收换能器之间进行信号转换；超声波接收换能器将机械能转换为电能，超声波接收换能器的输出端口与信号调理模块输入端口连接；信号调理模块输出端口与示波器输入端口连接，进行信号传递；
超声波信号发射和接收过程中，超声波发射换能器将接收到的电信号转换为机械波信号，即超声波信号；超声波信号经过飞行路径后由超声波接收换能器接收该机械波信号，并将机械波信号转换为电信号传送至信号调理模块；
运用所述硬件系统，基于双回波包络的超声波飞行时间测量方法，包括以下步骤；
1)在LabVIEW软件控制平台设置两种波形信息，第一种为n个正弦波脉冲发射信号，第二种为m个正弦波脉冲发射信号；将第一种波形信息传递给信号发生器，信号发生器产生波形信号yn(t)；经过时间Δt后，将第二种波形信息传递给信号发生器，信号发生器产生波形信号ym(t)；所产生的波形信号yn(t)和波形信号ym(t)依次经过电源驱动模块、超声波发射换能器、超声波接收换能器和信号调理模块传送至示波器并显示，最后在上位机接收存储的波形信号yn(t)和波形信号ym(t)；LabVIEW软件控制平台同步显示接收到的波形，同时将示波器采集到的波形数据yn(t)和ym(t)存储在指定目录下；
2)利用希尔伯特变换分别求取采集到的波形数据yn(t)和ym(t)对应的实际回波包络A[yn(t)]和A[ym(t)]；
3)超声波回波包络模型函数为其中，A0为波形信号的幅度；τ为超声波回波波到时刻；T和α为超声波回波包络形状参数；u(t)为阶跃函数；运用超声波回波包络模型函数分别对实际回波包络A[yn(t)]和A[ym(t)]上升沿进行拟合，并对这两个实际回波包络的包络模型特征参数向量θn,θm进行估计，分别得到θn＝[A'0,τ',T',α'],θm＝[A”0,τ”,T”,α”]；运用最小二乘法建立目标优化函数其中y(i)为步骤2中实际回波包络A[yn(t)]和A[ym(t)]的采样数据,i为第i个采样点,[a,b]为拟合区间；
4)采用粒子群优化算法进行全局寻优；求得使A(θ,i)达到最小值时的包络模型特征参数向量θn和θm即为最优估计结果；
5)在LabVIEW软件平台根据优化得到的包络模型特征参数向量θn和θm，由超声波回波包络模型函数得到双回波包络拟合曲线，获取双回波包络上升沿分离点并确定双回波包络的上升沿分离时刻；根据确定的对应的发射波起始时刻，由双回波包络的上升沿分离时刻减去发射波起始时刻，最终求得超声波飞行时间。
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