CN106643843B

CN106643843B - 超声波检测装置中信号电路延迟时间的检测装置和方法

Info

Publication number: CN106643843B
Application number: CN201611150363.9A
Authority: CN
Inventors: 蒋顺忠
Original assignee: Guangzhou University
Current assignee: Guangzhou University
Priority date: 2016-12-14
Filing date: 2016-12-14
Publication date: 2018-12-25
Anticipated expiration: 2036-12-14
Also published as: CN106643843A

Abstract

本发明公开了一种超声波检测装置中信号电路延迟时间的检测装置和方法，信号电路延迟时间的检测装置中包括微处理器、皮秒级计时芯片、波形整形电路、控制门电路、滤波放大电路、过零检测电路、与门电路、第一计数器、第二计数器、第三计数器、第一连接转换开关和第二连接转换开关；本发明通过皮秒级计时芯片分别依次计算一次超声回波信号、二次超声回波信号和三次超声回波信号从发射到接收的总共时间T1、T2和T3，通过T1、T2和T3计算出信号在电路中的延迟时间τ＝T1+T2‑T3。本发明三次的超声回波识别均采取波形对比、计数和限时三重甄别技术，排除杂波干扰确保回波准确，能够准确获取到超声波信号在电路中的延迟时间。

Description

超声波检测装置中信号电路延迟时间的检测装置和方法

技术领域

本发明涉及一种超声波检测类仪器设备的相关技术，特别涉及一种超声波检测装置中信号电路延迟时间的检测装置和方法。

背景技术

超声波检测技术应用十分广泛，比如基于超声波的相对血容量检测、超声波牛奶浓度检测、超声波液体浓度检测、超声波流量计、超声波测厚等，基本原理都是利用超声波在被测物质中传播的速度特性来进行物质构成特征的检测，通常将超声波穿过被测物体，然后根据超声回波的时间信息得出被测物体的相关特征，这些测量最重要的参数就是超声波在被测物体中的传播时间，或称飞行时间。由于超声波的发射和接收都需要控制电路的参与，比如振荡信号产生电路、振荡信号驱动放大电路、回波接收放大电路、滤波电路、整形电路等等，信号经过这些电路都需要时间，称之为电路延迟时间，所以超声波检测装置所得到的传播时间其实是包含了该电路延迟时间的总时间。设所测总时间为T，真正超声波的传播时间为t，电路延迟时间为τ，有：

T＝t+τ

t＝T-τ

从上式可见，如果忽略时间τ那么计算结果就必然会带来误差，被测物体尺寸越小误差将越大。电路延迟时间τ通常有数十纳秒，特别是电路中含有电容性元件和电感性元件较多时电路延迟时间更长。例如基于超声波的相对血容量检测中，相对血容量检测中每百分之一的相对血容量变化对应的传播时间变化大约100nS，可见数十纳秒的电路延迟时间已经能够带来很大的误差了。

专利公开号为CN102697522A的发明专利中公开了一种在线相对血容量检测装置及其检测方法，其中在线相对血容量检测装置设置有处理器、计时器、超声波发射和接收电路、过零检测电路等，该装置通过测定超声波在血液中的传播时间计算出相对血容量，因此超声波在血液中的传播时间是该装置最重要的数据，总时间通常只有十几个微秒，而其变化只有百分之一或千分之一即纳秒量级，因此需要极高的测量精度。该专利中所测超声波传播总时间包含了信号在发射和接收电路中的延迟时间，该延迟时间通常有数十纳秒，对测量结果已产生相对大的误差。该专利中提出了对信号延迟时间的一种测量方法是采取改变动脉壶宽度来进行，该方法在实际操作难以完成，因为实际的血液管路是注塑成型尺寸固定的，不能改变，同时超声探头也被固定不可移动；如果在出厂前由制造商测量，那么实际的每台产品会有偏差，同一台产品使用后内部容性和感性元件参数变化，对应电路延迟时间随之改变，而该方法不能实时获取装置中信号的电路延迟时间。因此，需要一种可行的方法，能对装置中信号电路延迟时间进行实时精确的测量。

专利申请公开号为CN102520338A的发明专利申请中公开了一种电路延迟时间的测量方法，该测量方法需要额外的信号源才能完成，同时不包含超声波探头延迟的测量，因此不适合基于超声波的液体浓度检测类设备中信号电路延迟时间的获取。

专利申请公开号为CN101644776A的发明专利申请中公开了一种获取超声波测量装置中电路延迟时间的方法，该方法采用五种不同的方式进行超声波的发射和接收，以得到五组数据然后通过最小二乘法解方程计算出电路延迟时间。实际测试时发现，该方法中第一电路延迟时间T1和第三电路延迟时间T3几乎就是相等的，同样第二电路延迟时间T2和第四电路延迟时间T4几乎就是相等的，分析电路可知，其差别只是电路转换开关打到两个不同触点的时间差和两个超声换能器的延迟时间差，该时间差约等于零，因此包含5个未知数由5个方程组成的方程组中只有三个方程是完全独立的，因此5个方程意义不大，方程中真正独立有效的是包含一倍传播时间TD、二倍传播时间2TD和三倍传播时间3TD的方程。可是在超声波流量计中通过其所述方法获得并不是二倍传播时间2TD和三倍传播时间3TD，因为两个超声换能器是斜向安装于管道壁，顺流和逆流的超声波存在二倍液体流速的传播速度差，而这正是超声波流量计的测量原理所在，来回的传播速度不同，来回的传播时间也就不是二倍传播时间2TD和三倍传播时间3TD，所以该方法存在太大的误差，而且结果误差的大小与最终要得到的液体流速总数值相当。之外，二次回波或三次回波由于衰减而使得幅度大大减小，同时因多重反射、折射而引起的杂波更多，该方法中没有更精确的回波处理措施，难以获得准确的二次回波或三次回波。

发明内容

本发明的第一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种超声波检测装置中信号电路延迟时间的检测装置，该检测装置适用于超声波探头斜向设置于被测物体两侧时的超声波检测装置，能够准确获取到超声波信号在电路中的延迟时间。

本发明的第二目的在于提供一种基于上述信号电路延迟时间的检测装置实现的超声波检测装置中信号电路延迟时间的检测方法。该方法针对一次超声回波信号、二次超声回波信号和三次超声回波信号分别依次采取波形对比、计数和限时三重甄别技术，能够排除杂波干扰确保回波准确，准确获取到超声波信号在电路中的延迟时间。

本发明的第三目的在于提供一种超声波检测装置中信号电路延迟时间的检测装置，该检测装置适用于超声波探头垂直设置于被测物体两侧时的超声波检测装置，能够准确获取到超声波信号在电路中的延迟时间。

本发明的第四目的在于提供一种基于上述第三目的中信号电路延迟时间的检测装置实现的超声波检测装置中信号电路延迟时间的检测方法。该方法针对一次超声回波信号和三次超声回波信号分别依次采取波形对比、计数和限时三重甄别技术，能够排除杂波干扰确保回波准确，准确获取到超声波信号在电路中的延迟时间。

本发明的第一目的通过下述技术方案实现：一种超声波检测装置中信号电路延迟时间的检测装置，其中超声波检测装置中包括斜向安装于被测物体两侧的超声波第一探头和超声波第二探头；其特征在于，信号电路延迟时间的检测装置包括微处理器、皮秒级计时芯片、波形整形电路、控制门电路、滤波放大电路、过零检测电路、与门电路、第一计数器、第二计数器、第三计数器、第一连接转换开关和第二连接转换开关；

所述第一连接转换开关包括第一触点、第二触点和第三触点，所述第一连接转换开关的控制端连接微处理器，通过微处理器控制第一触点、第二触点和第三触点中其中两个触点连接；所述第二连接转换开关包括第四触点、第五触点和第六触点，所述第二连接转换开关的控制端连接微处理器，通过微处理器控制第四触点、第五触点和第六触点中其中两个触点连接；第一连接转换开关的第三触点和第二连接转换开关的第六触点连接；

所述皮秒级计时芯片的数据IO端口连接微处理器，通过数据IO端口接收微处理发送的控制指令以及发送计时结果至微处理器；所述皮秒级计时芯片的启动计时信号输入端连接微处理器，微处理器通过启动计时信号输入端发送启动计时信号至皮秒级计时芯片，启动皮秒级计时芯片开始计时；所述皮秒级计时芯片的脉冲信号输出端连接波形整形电路的输入端，波形整形电路的输出端分别连接第一计数器的输入端和第三计数器的输入端，通过第一计数器和第三计数器分别对波形整形电路输出的脉冲信号进行计数；

所述控制门电路输入端分别连接皮秒级计时芯片的脉冲信号输出端、第一计数器的输出端以及微处理器与皮秒级计时芯片的启动计时信号输入端连接的一端；所述控制门电路的输出端通过驱动放大电路连接第一连接转换开关的第一触点，所述第一连接转换开关的第二触点连接超声波第一探头；所述控制门电路在接收到微处理器发送的启动计时信号且第一计数器的计数未达到第一计数限值时，将皮秒级计时芯片输出的脉冲信号传送至驱动放大电路；

超声波第二探头连接第二连接转换开关的第五触点，第二连接转换开关的第四触点连接滤波放大电路的输入端，滤波放大电路的输出端连接过零检测电路的输入端，过零检测电路的输出端和波形整形电路的输出端分别连接与门电路的两个输入端；

所述与门电路的输出端连接第二计数器的输入端，通过第二计数器为与门电路输出的脉冲信号进行计数；第三计数器的输出端连接第二计数器的计数控制端，通过第三计数器的输出信号控制第二计数器停止计数；

所述第二计数器中最低位状态输出端连接第三计数器的计数控制端，通过第二计数器启动第三计数器开始计数；

第二计数器的输出端连接皮秒级计时芯片的停止计时信号输入端，在第二计数器计数达到第二计数限值时，皮秒级计时芯片通过停止计时信号输入端接收到停止计时信号。

优选的，所述滤波放大电路的输出端通过幅度采集电路连接微处理器。

优选的，所述皮秒级计时芯片的型号为TDC-GP2；所述微处理器为MSP430单片机。

本发明的第二目的通过下述技术方案实现：一种基于上述第一目的所述的超声波检测装置中信号电路延迟时间的检测装置实现的超声波检测装置中信号电路延迟时间的检测方法，其特征在于，步骤如下：

S1、微处理器发送启动计时信号至控制门电路和皮秒级计时芯片，皮秒级计时芯片接收到启动计时信号后开始计时；同时皮秒级计时芯片脉冲信号输出端发送的脉冲信号通过波形整形电路整形后分别发送至第一计数器、第三计数器和与门电路；同时微处理器控制第一连接转换开关的第一触点和第二触点连接，第二连接转换开关的第四触点和第五触点连接；

S2、第一计数器接收到波形整形电路发送的信号后开始计数，控制门电路在接收到微处理器发送的启动计时信号且第一计数器计数未达到第一计数限值时，将皮秒级计时芯片发射的脉冲信号传送至驱动放大电路，通过驱动放大电路后发送至超声波第一探头，由超声波第一探头发射超声波信号；在第一计数器计数达到第一计数限值时，控制门电路停止将皮秒级计时芯片发送的脉冲信号传送至驱动放大电路，超声波第一探头停止发射超声波信号；

S3、超声波第一探头发射的超声信波号通过被测物体后到达超声波第二探头，此时一次超声回波信号由超声波第二探头接收后发送至滤波放大电路，滤波放大电路进行滤波放大处理后发送至过零检测电路，过零检测电路进行过零检测后的信号发送至与门电路；与门电路两个输入端接收到过零检测电路和波形整形电路发送的信号后，对两个输入端输入的信号进行与运算，并将运算结果发送到第二计数器，由第二计数器对与门电路输出的信号进行计数；第二计数器开始计数后，启动第三计数器针对波形整形电路输出的信号进行计数，当第三计数器的计数达到第三计数限值时，控制第二计数器关闭，停止计数；当第二计数器在关闭前计数达到第二计数限值时，皮秒级计时芯片接收到来自于第二计数器发送的第一停止计时信号，皮秒级计时芯片根据开始计时信号至第一停止计时信号计算出第一计时结果T1，然后将第一计时结果T1发送至微处理器；

S4、在第二计数器发送第一停止计时信号至皮秒级计时芯片后，第二计数器和第三计数器清零，等待超声波第二探头反射后产生的二次超声回波信号的到来；同时微处理器控制第一连接转换开关的第二触点和第三触点连接，第二连接转换开关的第四触点和第六触点连接；在二次超声回波信号由超声波第一探头接收后，发送至滤波放大电路，滤波放大电路进行滤波放大处理后发送至过零检测电路，过零检测电路进行过零检测后的信号发送至与门电路；与门电路两个输入端接收到过零检测电路和波形整形电路发送的信号后，对两个输入端输入的信号进行与运算，并将运算结果发送到第二计数器，由第二计数器对与门电路输出的信号进行计数；第二计数器开始计数后，启动第三计数器针对波形整形电路输出的信号进行计数，当第三计数器的计数达到第三计数限值时，控制第二计数器关闭，停止计数；当第二计数器在关闭前计数达到第二计数限值时，皮秒级计时芯片接收到来自于第二计数器发送的第二停止计时信号，皮秒级计时芯片根据开始计时信号至第二停止计时信号计算出第二计时结果T2，然后将第二计时结果T2发送至微处理器；

S5、在第二计数器发送第二停止计时信号至皮秒级计时芯片后，第二计数器和第三计数器清零，等待依次经超声波第二探头和超声波第一探头反射后产生的三次超声回波的到来；同时微处理器控制第二连接转换开关的第五触点和第四触点连接；在三次超声回波信号被超声波第二探头接收后，发送至滤波放大电路，滤波放大电路进行滤波放大处理后发送至过零检测电路，过零检测电路进行过零检测后的信号发送至与门电路；与门电路两个输入端接收到过零检测电路和波形整形电路发送的信号后，对两个输入端输入的信号进行与运算，并将运算结果发送到第二计数器，由第二计数器对与门电路输出的信号进行计数；第二计数器开始计数后，启动第三计数器针对波形整形电路输出的信号进行计数，当第三计数器的计数达到第三计数限值时，控制第二计数器关闭，停止计数；当第二计数器在关闭前计数达到第二计数限值时，皮秒级计时芯片接收到来自于第二计数器发送的第三停止计时信号，皮秒级计时芯片根据开始计时信号至第三停止计时信号计算出第三计时结果T3，然后将第三计时结果T3发送至微处理器；

S6、微处理器根据第一计时结果T1、第二计时结果T2和第三计时结果T3计算出信号在电路中的延迟时间τ：

τ＝T1+T2-T3。

优选的，第一计数器的第一计数限值、第二计数器的第二计数限值、第三计数器的第三计数限值相同。

本发明的第三目的通过下述技术方案实现：一种超声波检测装置中信号电路延迟时间的检测装置，其中超声波检测装置中包括垂直安装于被测物体两侧的超声波发射探头和超声波接收探头；信号电路延迟时间的检测装置包括微处理器、皮秒级计时芯片、波形整形电路、控制门电路、滤波放大电路、过零检测电路、与门电路、第一计数器、第二计数器和第三计数器；

所述控制门电路输入端分别连接皮秒级计时芯片的脉冲信号输出端、第一计数器的输出端以及微处理器与皮秒级计时芯片的启动计时信号输入端连接的一端；所述控制门电路的输出端通过驱动放大电路连接超声波发射探头；所述控制门电路在接收到微处理器发送的启动计时信号且第一计数器的计数未达到第一计数限值时，将皮秒级计时芯片输出的脉冲信号传送至驱动放大电路，通过驱动放大电路后发送至超声波发射探头；

超声波接收探头通过滤波放大电路连接过零检测电路的输入端，过零检测电路的输出端和波形整形电路的输出端分别连接与门电路的两个输入端；

本发明的第四目的通过下述技术方案实现：一种基于第三目的所述的超声波检测装置中信号电路延迟时间的检测装置实现的超声波检测装置中信号电路延迟时间的检测方法，其特征在于，步骤如下：

S1、微处理器发送启动计时信号至控制门电路和皮秒级计时芯片，皮秒级计时芯片接收到启动计时信号后开始计时；同时皮秒级计时芯片脉冲信号输出端发送的脉冲信号通过波形整形电路整形后分别发送至第一计数器、第三计数器和与门电路；

S2、第一计数器接收到波形整形电路发送的信号后开始计数，控制门电路在接收到微处理器发送的启动计时信号且第一计数器计数未达到第一计数限值时，将皮秒级计时芯片发射的脉冲信号传送至驱动放大电路，通过驱动放大电路后发送至超声波发射探头，由超声波发射探头发射超声波信号；在第一计数器计数达到第一计数限值时，控制门电路停止将皮秒级计时芯片发送的脉冲信号传送至驱动放大电路，超声波发射探头停止发射超声波信号；

S3、超声波发射探头发射的超声信波号通过被测物体后到达超声波接收探头，此时一次超声回波信号由超声波接收探头接收后发送至滤波放大电路，滤波放大电路进行滤波放大处理后发送至过零检测电路，过零检测电路进行过零检测后的信号发送至与门电路；与门电路两个输入端接收到过零检测电路和波形整形电路发送的信号后，对两个输入端输入的信号进行与运算，并将运算结果发送到第二计数器，由第二计数器对与门电路输出的信号进行计数；第二计数器开始计数后，启动第三计数器针对波形整形电路输出的信号进行计数，当第三计数器的计数达到第三计数限值时，控制第二计数器关闭，停止计数；当第二计数器在关闭前计数达到第二计数限值时，皮秒级计时芯片接收到来自于第二计数器发送的第一停止计时信号，皮秒级计时芯片根据开始计时信号至第一停止计时信号计算出第一计时结果X1，然后将第一计时结果X1发送至微处理器；

S4、在第二计数器发送第二停止计时信号至皮秒级计时芯片后，第二计数器和第三计数器清零，等待依次经超声波接收探头和超声波发射探头反射后产生的三次超声回波信号的到来；在三次超声回波信号被超声波接收探头接收后，发送至滤波放大电路，滤波放大电路进行滤波放大处理后发送至过零检测电路，过零检测电路进行过零检测后的信号发送至与门电路；与门电路两个输入端接收到过零检测电路和波形整形电路发送的信号后，对两个输入端输入的信号进行与运算，并将运算结果发送到第二计数器，由第二计数器对与门电路输出的信号进行计数；第二计数器开始计数后，启动第三计数器针对波形整形电路输出的信号进行计数，当第三计数器的计数达到第三计数限值时，控制第二计数器关闭，停止计数；当第二计数器在关闭前计数达到第二计数限值时，皮秒级计时芯片接收到来自于第二计数器发送的第二停止计时信号，皮秒级计时芯片根据开始计时信号至第二停止计时信号计算出第二计时结果X2，然后将第二计时结果X2发送至微处理器；

S5、微处理器根据第一计时结果X1、第二计时结果X2计算出信号在电路中的延迟时间τ：

τ＝(3X1–X2)/2。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)当超声波检测装置中超声波探头斜向设置于被测物体两侧时，本发明信号电路延迟时间的检测装置中设置有微处理器、皮秒级计时芯片、波形整形电路、控制门电路、滤波放大电路、过零检测电路、与门电路、第一计数器、第二计数器、第三计数器、第一连接转换开关和第二连接转换开关；在本发明中通过控制第一连接转换开关和第二连接转换开关的工作状态接收超声波回波信号中的一次超声回波信号、二次超声回波信号和三次超声回波信号，并且通过皮秒级计时芯片分别计算一次超声回波信号、二次超声回波信号和三次超声回波信号从发射到接收时的总共时间T1、T2和T3，即通过皮秒级计时芯片测量了从同一次发射开始计时的共三次的超声回波时间。通过一次超声回波信号、二次超声回波信号和三次超声回波信号从发射到接收时的总共时间T1、T2和T3计算出信号在电路中的延迟时间τ＝T1+T2-T3，根据该延迟时间即可计算出超声波在被测物体中的传播时间，本发明中信号在电路中的延迟时间的计算公式τ＝T1+T2-T3中，考虑并排除了流动液体流速对超声波传播时间的影响。另外本发明检测装置通过超声波探头获取到一次超声回波信号、二次超声回波信号和三次超声回波信号后，通过与门电路分别将滤波放大和过零检测后的一次超声回波信号、二次超声回波信号和三次超声回波信号与皮秒级计时芯片发射的经过整形的脉冲信号进行与运算，以实现与门电路输入的两路信号的吻合比对，其中在一次超声回波信号、二次超声回波信号和三次超声回波信号依次均与皮秒级计时芯片发射的经过整形的脉冲信号全部吻合的情况下，才有第二计数器分别依次控制皮秒级计时芯片接收到三次的停止计时信号，获取到T1、T2和T3的计时结果，如果一次超声回波信号、二次超声回波信号和三次超声回波信号中夹杂有干扰波形，因其波宽或间隔不能吻合而被排除，如果漏掉一个或几个回波波峰，则第二计数器将在一轮测试规定时间内未计满时即被关闭而无效，因此，无论是在正常的回波基础上多出来干扰波形还是漏掉了正常的回波，皮秒级计时芯片都不能得到三次停止计时信号，完成三次计时。可见，本发明信号在电路中的延迟时间的计算是在获取到准确有效的一次超声回波信号、二次超声回波信号和三次超声回波信号的基础上计算得到了，其中一次超声回波信号、二次超声回波信号和三次超声回波信号的识别分别采取了严格的波形对比、计数和限时三重甄别技术，以排除杂波干扰确保回波准确；对于出现干扰杂波或者漏掉第一个甚至是第二个超声回波波峰的超声波回波信号，将不予采用，检测装置能够准确获取到信号在电路中的延迟时间，并且根据皮秒级计时芯片针对一次超声回波、二次超声回波信号或三次超声回波信号的计时结果以及计算得到的信号在电路中的延迟时间可以准确计算出超声波信号在被测物体中的传播时间，因此通过本发明获取到超声波信号在电路中的延迟时间的同时，能够获取到超声波信号在被测物体中的传播时间。

(2)当超声波检测装置中超声波探头垂直设置于被测物体两侧时，本发明信号电路延迟时间的检测装置中设置有微处理器、皮秒级计时芯片、波形整形电路、控制门电路、滤波放大电路、过零检测电路、与门电路、第一计数器、第二计数器和第三计数器；在本发明中通过超声探头分别接收超声波回波信号中的一次超声回波信号和三次超声回波信号，然后通过皮秒级计时芯片分别计算一次超声回波信号和三次超声回波信号从发射到接收时的总共时间X1和X2。通过一次超声回波信号和三次超声回波信号从发射到接收时的总共时间X1和X2计算出信号在电路中的延迟时间τ＝(3X1–X2)/2，根据该延迟时间即可计算出超声波在被测物体中的传播时间。另外本发明检测装置通过超声波探头获取到一次超声回波信号和三次超声回波信号后，通过与门电路分别将滤波放大和过零检测后的一次超声回波信号和三次超声回波信号与皮秒级计时芯片发射的经过整形的脉冲信号进行与运算，以实现与门电路输入的两路信号的吻合比对，其中在一次超声回波信号和三次超声回波信号依次均与皮秒级计时芯片发射的经过整形的脉冲信号全部吻合的情况下，才有第二计数器分别控制皮秒级计时芯片依次接收到两次的停止计时信号，获取到X1和X2的计时结果，如果一次超声回波信号和三次超声回波信号中夹杂有干扰波形，因其波宽或间隔不能吻合而被排除，如果漏掉一个或几个回波波峰，则第二计数器将在一轮测试规定时间内未计满时即被关闭而无效，因此，无论是在正常的回波基础上多出来干扰波形还是漏掉了正常的回波，皮秒级计时芯片都不能得到两次停止计时信号，完成两次计时。可见，本发明信号在电路中的延迟时间的计算是在获取到准确有效的一次超声回波信号和三次超声回波信号的基础上计算得到了，其中一次超声回波信号和三次超声回波信号的识别分别采取了严格的波形对比、计数和限时三重甄别技术，以排除杂波干扰确保回波准确；对于出现干扰杂波或者漏掉第一个甚至是第二个超声回波波峰的超声波回波信号，将不予采用，检测装置能够准确获取到信号在电路中的延迟时间，并且根据皮秒级计时芯片针对一次超声回波或三次超声回波信号的计时结果以及计算得到的信号在电路中的延迟时间可以准确计算出超声波信号在被测物体中的传播时间，因此通过本发明获取到超声波信号在电路中的延迟时间的同时，能够获取到超声波信号在被测物体中的传播时间。

(3)本发明信号电路延迟时间的检测装置所采用的电路只需要在现有超声波检测装置中增加几个小型的数字电路芯片即可，因此具有结构简单和成本低的优点。

(4)本发明信号电路延迟时间的检测装置中采用皮秒级计时芯片，例如TDC-GP2芯片，由于该芯片的计时精度可以达到皮秒级，因此大大提高了超声波在被测物体中传播时间的计算精度。

附图说明

图1是实施例1中信号电路延迟时间的检测装置的结构图。

图2是实施例2中信号电路延迟时间的检测装置的结构图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例公开了一种超声波检测装置中信号电路延迟时间的检测装置，如图1所示，在超声波检测装置中包括斜向安装于被测物体3两侧的超声波第一探头1和超声波第二探头2，即超声波第一探头1和超声波第二探头2之间连线不垂直于被测物体时；本实施例中信号电路延迟时间的检测装置包括微处理器、皮秒级计时芯片、波形整形电路、控制门电路、滤波放大电路、过零检测电路、与门电路、第一计数器、第二计数器、第三计数器、第一连接转换开关4和第二连接转换开关5；

第一连接转换开关4包括第一触点、第二触点和第三触点，第一连接转换开关4的控制端连接微处理器，通过微处理器控制第一触点、第二触点和第三触点中其中两个触点连接；第二连接转换开关5包括第四触点、第五触点和第六触点，第二连接转换开关5的控制端连接微处理器，通过微处理器控制第四触点、第五触点和第六触点中其中两个触点连接；第一连接转换开关的第三触点和第二连接转换开关的第六触点连接；

皮秒级计时芯片的数据IO端口连接微处理器，通过数据IO端口接收微处理发送的控制指令以及发送计时结果至微处理器；所述皮秒级计时芯片的启动计时信号输入端连接微处理器，微处理器通过启动计时信号输入端发送启动计时信号至皮秒级计时芯片，启动皮秒级计时芯片开始计时；所述皮秒级计时芯片的脉冲信号输出端连接波形整形电路的输入端，波形整形电路的输出端分别连接第一计数器的输入端和第三计数器的输入端，通过第一计数器和第三计数器分别对波形整形电路输出的脉冲信号进行计数；本实施例中皮秒级计时芯片为TDC-GP2芯片，微处理器为MSP430单片机。TDC-GP2芯片的SPI接口包括数据IO端口，通过SPI总线连接MSP430单片机的SPI接口。TDC-GP2芯片通过SPI接口的数据输入端口接收微处理发送的控制指令，其中控制指令包括初始化设置控制指令以及TDC-GP2芯片测量模式控制指令，本实施例中微处理器控制TDC-GP2芯片工作于测量模式2，可测范围为500ns-4ms。皮秒级计时芯片的启动计时信号输入端即为START信号输入端，皮秒级计时芯片的停止计时信号输入端即为STOP信号输入端。

控制门电路输入端分别连接皮秒级计时芯片的脉冲信号输出端、第一计数器的输出端以及微处理器与皮秒级计时芯片的启动计时信号输入端连接的一端；所述控制门电路的输出端通过驱动放大电路连接第一连接转换开关的第一触点，所述第一连接转换开关的第二触点连接超声波第一探头；所述控制门电路在接收到微处理器发送的启动计时信号且第一计数器的计数未达到第一计数限值时，将皮秒级计时芯片输出的脉冲信号传送至驱动放大电路。

超声波第二探头连接第二连接转换开关的第五触点，第二连接转换开关的第四触点连接滤波放大电路的输入端，滤波放大电路的输出端连接过零检测电路的输入端，过零检测电路的输出端和波形整形电路的输出端分别连接与门电路的两个输入端；在第三计数器计数达到第三计数限值时，输出有效信号至第二计数器的计数控制端，控制第二计数器停止计数。

与门电路的输出端连接第二计数器的输入端，通过第二计数器为与门电路输出的脉冲信号进行计数；第三计数器的输出端连接第二计数器的计数控制端，通过第三计数器的输出信号控制第二计数器停止计数。

第二计数器中最低位状态输出端连接第三计数器的计数控制端，通过第二计数器启动第三计数器开始计数。

第二计数器的输出端连接皮秒级计时芯片的停止计时信号输入端，在第二计数器计数达到第二计数限值时，皮秒级计时芯片通过停止计时信号输入端接收到停止计时信号。其中本实施例中第二计数器计数的第二计数限值依据与门电路接收的超声波回波信号中一次超声回波信号、二次超声回波信号和三次超声回波信号分别与发射脉冲信号经过整形后的信号全部吻合情况下所获取到的计数值进行设置，保证了在与门电路接收的超声波回波信号中一次超声回波信号、二次超声回波信号和三次超声回波信号能够与发射脉冲信号经过整形后的信号全部吻合情况下，第二计数器计数达到第二计数限值，从而输出有效信号至皮秒级计时芯片停止计时信号输入端。在与门电路接收的超声波回波信号中一次超声回波信号、二次超声回波信号和三次超声回波信号与发射脉冲信号没有全部吻合的情况下，第二计数器的计数将达不到第二计数限值，此时第二计数器就不会输出有效信号至皮秒级计时芯片停止计时信号输入端，皮秒级计时芯片将接收不到停止计时信号。

本实施例中超声波第一探头发射的超声波信号穿过被测物体后到达超声波第二探头表面，其中到达超声波第二探头表面的超声波回波信号其中一部分被直接接收，一部分被超声波第二探头表面反射；一次超声回波信号指的是超声波第一探头发射的超声波信号穿过被测物体后到达超声波第二探头表面直接被超声波第二探头接收的那部分超声波回波信号，而被超声波第二探头表面反射的超声波信号再次逆向穿过被测物体后到达超声波第一探头表面；其中到达超声波第一探头表面的超声波回波信号其中一部分被直接接收，一部分被超声波第一探头表面反射，二次超声回波信号指的就是此处到达超声波第一探头表面被超声波第一探头直接接收的超声波回波信号，而被超声波第一探头反射的超声波回波信号再次顺向穿过被测物体后到达超声波第二探头表面，此时被超声波第二探头接收的即为三次超声回波信号。

本实施例信号电路延迟时间的检测装置中通过皮秒级计时芯片TDC-GP2计算出超声回波信号中一次超声回波信号从发射到接收时的总共时间即第一计时结果T1，第一计时结果T1包括一次超声回波信号在被测物体中的传播时间以及在电路中的延迟时间；通过皮秒级计时芯片TDC-GP2计算出超声回波信号中二次超声回波信号从发射到接收时的总共时间即第二计时结果T2，第二计时结果T2包括二次超声回波信号在被测物体中的传播时间以及在电路中的延迟时间，通过皮秒级计时芯片TDC-GP2计算出超声回波信号中三次超声回波信号从发射到接收时的总共时间即第三计时结果T3，第三计时结果T3包括三次超声回波信号在被测物体中的传播时间以及在电路中的延迟时间。由于一次超声回波和三次超声回波信号在电路中经过的路径完全相同，所以电路延迟时间都可以表示为τ，而二次回波信号在电路中经过的路径有所不同，分别是第一转换连接开关4和第二转换连接开关5以及超声波第一探头1和超声波第二探头2的区别，该区别所对应的时间差只是相同类型元件之间的差别，是相对差别而非绝对差别，因此在本实施例中将一次超声回波信号、二次超声回波信号和三次超声回波信号在电路中延迟时间均定义为τ，此时可以第一计时结果T1、第二计时结果T2和第三计时结果T3计算出信号在电路中的延迟时间，具体如下：

在本实施例中，假设被测物体为在管道中的流动液体，此时超声波第一探头相比超声波第二探头在流动液体的上游，设超声波信号在静止液体中的一次传播时间为t，液体流动对应附加到超声波信号的传播时间为Δt，超声波信号在电路中的延迟时间为τ，则：

由于一次超声回波只是顺流经过流动液体一次，因此TDC-GP2芯片计算出的一次超声回波信号从发射到接收时的总共时间即第一计时结果T1为：

T1＝t–Δt+τ；

由于二次超声回波为依次顺流和逆流分别经过流动液体一次，因此TDC-GP2芯片计算出的二次超声回波信号从发射到接收时的总共时间即第二计时结果T2为：

T2＝(t–Δt)+(t+Δt)+τ；

由于三次超声回波为依次顺流、逆流和顺流分别经过流动液体一次，因此TDC-GP2芯片计算出的三次超声回波信号从发射到接收时的总共时间即第三计时结果T3为：

T3＝(t–Δt)+(t+Δt)+(t–Δt)+τ；

联合上述公式，得到超声波信号在电路中的延迟时间为τ为：

τ＝T1+T2-T3。

因此根据上述公式τ＝T1+T2-T3，在通过TDC-GP2芯片获取到第一计时结果T1、第二计时结果T2和第三计时结果T3基础上，即可计算得到超声波信号在电路中的延迟时间为τ。

如图1所示，本实施例中滤波放大电路的输出端通过幅度采集电路连接微处理器。幅度采集电路针对滤波放大电路放大处理后的信号进行幅度采集，并且将幅度采集得到的信号发送至微处理器，微处理器根据幅度采集电路发送的信号对被测物质的相关特性进行判别。例如当被测物质是血液时，则微处理器根据幅度采集电路发送的信号判断血液中是否存在气泡，用作消除气泡影响等的处理。

本实施例还公开了一种基于上述信号电路延迟时间的检测装置实现的超声波检测装置中信号电路延迟时间的检测方法，步骤如下：

S3、超声波第一探头发射的超声信波号通过被测物体后到达超声波第二探头，此时一次超声回波信号由超声波第二探头接收后发送至滤波放大电路，滤波放大电路进行滤波放大处理后发送至过零检测电路，过零检测电路进行过零检测后的信号发送至与门电路；与门电路两个输入端接收到过零检测电路和波形整形电路发送的信号后，对两个输入端输入的信号进行与运算，并将运算结果发送到第二计数器，由第二计数器对与门电路输出的信号进行计数；第二计数器开始计数后，启动第三计数器针对波形整形电路输出的信号进行计数，当第三计数器的计数达到第三计数限值时，控制第二计数器关闭，停止计数；当第二计数器在关闭前计数达到第二计数限值时，皮秒级计时芯片接收到来自于第二计数器发送的第一停止计时信号STOP1，皮秒级计时芯片根据开始计时信号至第一停止计时信号计算出第一计时结果T1，然后将第一计时结果T1发送至微处理器；

S4、在第二计数器发送第一停止计时信号至皮秒级计时芯片后，第二计数器和第三计数器清零，等待超声波第二探头反射后产生的二次超声回波信号的到来；同时微处理器控制第一连接转换开关的第二触点和第三触点连接，第二连接转换开关的第四触点和第六触点连接；在二次超声回波信号由超声波第一探头接收后，发送至滤波放大电路，滤波放大电路进行滤波放大处理后发送至过零检测电路，过零检测电路进行过零检测后的信号发送至与门电路；与门电路两个输入端接收到过零检测电路和波形整形电路发送的信号后，对两个输入端输入的信号进行与运算，并将运算结果发送到第二计数器，由第二计数器对与门电路输出的信号进行计数；第二计数器开始计数后，启动第三计数器针对波形整形电路输出的信号进行计数，当第三计数器的计数达到第三计数限值时，控制第二计数器关闭，停止计数；当第二计数器在关闭前计数达到第二计数限值时，皮秒级计时芯片接收到来自于第二计数器发送的第二停止计时信号STOP2，皮秒级计时芯片根据开始计时信号至第二停止计时信号计算出第二计时结果T2，然后将第二计时结果T2发送至微处理器；

S5、在第二计数器发送第二停止计时信号至皮秒级计时芯片后，第二计数器和第三计数器清零，等待依次经超声波第二探头和超声波第一探头反射后产生的三次超声回波的到来；同时微处理器第二连接转换开关的第五触点和第四触点连接；在三次超声回波信号被超声波第二探头接收后，发送至滤波放大电路，滤波放大电路进行滤波放大处理后发送至过零检测电路，过零检测电路进行过零检测后的信号发送至与门电路；与门电路两个输入端接收到过零检测电路和波形整形电路发送的信号后，对两个输入端输入的信号进行与运算，并将运算结果发送到第二计数器，由第二计数器对与门电路输出的信号进行计数；第二计数器开始计数后，启动第三计数器针对波形整形电路输出的信号进行计数，当第三计数器的计数达到第三计数限值时，控制第二计数器关闭，停止计数；当第二计数器在关闭前计数达到第二计数限值时，皮秒级计时芯片接收到来自于第二计数器发送的第三停止计时信号STOP3，皮秒级计时芯片根据开始计时信号至第三停止计时信号计算出第三计时结果T3，然后将第三计时结果T3发送至微处理器；

τ＝T1+T2-T3。

在本实施例中第一计数器的第一计数限值、第二计数器的第二计数限值、第三计数器的第三计数限值相同，其中这三个值均大于等于3且小于5。

其中上述步骤S3、S4和S5中，与门电路针对两个输入端接收到过零检测电路和波形整形电路发送的信号进行与运算，即对两路信号进行吻合比对，在两路信号全部吻合的情况下，第二计数器能够正常完成计数，即在关闭前能够计数达到第二计数限值，从而触发皮秒级计时芯片停止计时。

本实施例中的超声波回波处理方法还包括以下步骤：滤波放大电路放大处理后的信号发送至幅度采集电路，幅度采集电路针对滤波放大电路放大处理后的信号进行幅度采集，并且将幅度采集得到的信号发送至微处理器，微处理器根据幅度采集电路发送的信号对被测物质的相关特性进行判别。例如当被测物质是血液时，则微处理器根据幅度采集电路发送的信号判断血液中是否存在气泡，用作消除气泡影响等的处理。

实施例2

本实施例公开了一种超声波检测装置中信号电路延迟时间的检测装置，如图2所示，超声波检测装置中包括垂直安装于被测物体3两侧的超声波发射探头6和超声波接收探头7，即超声波发射探头6和超声波接收探头7之间连线垂直于被测物体时；信号电路延迟时间的检测装置包括微处理器、皮秒级计时芯片、波形整形电路、控制门电路、滤波放大电路、过零检测电路、与门电路、第一计数器、第二计数器和第三计数器。

控制门电路输入端分别连接皮秒级计时芯片的脉冲信号输出端、第一计数器的输出端以及微处理器与皮秒级计时芯片的启动计时信号输入端连接的一端；所述控制门电路的输出端通过驱动放大电路连接超声波发射探头；所述控制门电路在接收到微处理器发送的启动计时信号且第一计数器的计数未达到第一计数限值时，将皮秒级计时芯片输出的脉冲信号传送至驱动放大电路，通过驱动放大电路后发送至超声波发射探头；

与门电路的输出端连接第二计数器的输入端，通过第二计数器为与门电路输出的脉冲信号进行计数；第三计数器的输出端连接第二计数器的计数控制端，通过第三计数器的输出信号控制第二计数器停止计数；

第二计数器中最低位状态输出端连接第三计数器的计数控制端，通过第二计数器启动第三计数器开始计数；

第二计数器的输出端连接皮秒级计时芯片的停止计时信号输入端，在第二计数器计数达到第二计数限值时，皮秒级计时芯片通过停止计时信号输入端接收到停止计时信号。其中本实施例中第二计数器计数的第二计数限值依据与门电路接收的超声波回波信号中一次超声回波信号、三次超声回波信号分别与发射脉冲信号经过整形后的信号全部吻合情况下所获取到的计数值进行设置，保证了在与门电路接收的超声波回波信号中一次超声回波信号和三次超声回波信号能够与发射脉冲信号经过整形后的信号全部吻合情况下，第二计数器计数达到第二计数限值，从而输出有效信号至皮秒级计时芯片停止计时信号输入端。在与门电路接收的超声波回波信号中一次超声回波信号和三次超声回波信号与发射脉冲信号没有全部吻合的情况下，第二计数器的计数将达不到第二计数限值，此时第二计数器就不会输出有效信号至皮秒级计时芯片停止计时信号输入端，皮秒级计时芯片将接收不到停止计时信号。

本实施例中超声波发射探头发射的超声波信号穿过被测物体后到达超声波接收探头表面，其中到达超声波接收探头表面的超声波回波信号其中一部分被直接接收，一部分被超声波接收探头表面反射；一次超声回波信号指的是超声波发射探头发射的超声波信号穿过被测物体后到达超声波接收探头表面直接被超声波接收探头接收的那部分超声波回波信号，而被超声波接收探头表面反射的超声波信号再次逆向穿过被测物体后到达超声波发射探头表面；其中到达超声波发射探头表面的超声波回波信号其中一部分被直接接收，一部分被超声波发射探头表面反射，二次超声回波信号指的就是此处到达超声波发射探头表面被超声波发射探头直接接收的超声波回波信号，而被超声波发射探头反射的超声波回波信号再次顺向穿过被测物体后到达超声波接收探头表面，此时被超声波接收探头接收的即为三次超声回波信号。本实施例检测装置中只针对一次超声回波信号和三次超声回波信号进行接收，通过接收的一次超声回波信号和三次超声回波信号计算出信号在电路中的延迟时间，二次超声回波不进行接收使用。

本实施例信号电路延迟时间的检测装置中通过皮秒级计时芯片TDC-GP2计算出超声回波信号中一次超声回波信号从发射到接收时的总共时间即第一计时结果X1，第一计时结果X1包括一次超声回波信号在被测物体中的传播时间以及在电路中的延迟时间；通过皮秒级计时芯片TDC-GP2计算出超声回波信号中三次超声回波信号从发射到接收时的总共时间即第二计时结果X2，第二计时结果X2包括三次超声回波信号在被测物体中的传播时间以及在电路中的延迟时间，其中本实施例中一次超声回波信号、三次超声回波信号在电路中经过的路径完全相同，因此其电路延迟时间也是完全相同的，可以根据第一计时结果X1和第二计时结果X2计算出信号在电路中的延迟时间，具体如下：

在本实施例中，假设被测物体为在管道中的流动液体，此时超声波发射探头和超声波接收探头垂直于被测物体并分别置于被测物体两侧，那么液体流速对两个相反方向的超声波传播时间的影响就是相同的，即超声波从两个相反方向经过被测物体的传播时间是相同的。设超声波信号在静止液体中的一次传播时间为t，液体流动对应附加到超声波信号的传播时间为Δt，超声波信号在电路中的延迟时间为τ，则：

由于一次超声回波只是经过流动液体一次，因此TDC-GP2芯片计算出的一次超声回波信号从发射到接收时的总共时间即第一计时结果X1为：

X1＝t+Δt+τ；

由于三次超声回波为依次顺向、逆向和顺向经过流动液体一次，因此TDC-GP2芯片计算出的三次超声回波信号从发射到接收时的总共时间即第二计时结果X2为：

X2＝(t+Δt)+(t+Δt)+(t+Δt)+τ；

τ＝(3X1–X2)/2。

因此根据上述公式τ＝(3X1–X2)/2，在通过TDC-GP2芯片获取到第一计时结果X1和第二计时结果X2基础上，即可计算得到超声波信号在电路中的延迟时间为τ。

本如图2所示，实施例中滤波放大电路的输出端通过幅度采集电路连接微处理器。幅度采集电路针对滤波放大电路放大处理后的信号进行幅度采集，并且将幅度采集得到的信号发送至微处理器，微处理器根据幅度采集电路发送的信号对被测物质的相关特性进行判别。例如当被测物质是血液时，则微处理器根据幅度采集电路发送的信号判断血液中是否存在气泡，用作消除气泡影响等的处理。

本实施例还公开了一种基于本实施例上述超声波检测装置中信号电路延迟时间的检测装置实现的超声波检测装置中信号电路延迟时间的检测方法，步骤如下：

S3、超声波发射探头发射的超声信波号通过被测物体后到达超声波接收探头，此时一次超声回波信号由超声波接收探头接收后发送至滤波放大电路，滤波放大电路进行滤波放大处理后发送至过零检测电路，过零检测电路进行过零检测后的信号发送至与门电路；与门电路两个输入端接收到过零检测电路和波形整形电路发送的信号后，对两个输入端输入的信号进行与运算，并将运算结果发送到第二计数器，由第二计数器对与门电路输出的信号进行计数；第二计数器开始计数后，启动第三计数器针对波形整形电路输出的信号进行计数，当第三计数器的计数达到第三计数限值时，控制第二计数器关闭，停止计数；当第二计数器在关闭前计数达到第二计数限值时，皮秒级计时芯片接收到来自于第二计数器发送的第一停止计时信号STOP1，皮秒级计时芯片根据开始计时信号至第一停止计时信号计算出第一计时结果X1，然后将第一计时结果X1发送至微处理器；

S4、在第二计数器发送第二停止计时信号至皮秒级计时芯片后，第二计数器和第三计数器清零，等待依次经超声波接收探头和超声波发射探头反射后产生的三次超声回波信号的到来；在三次超声回波信号被超声波接收探头接收后，发送至滤波放大电路，滤波放大电路进行滤波放大处理后发送至过零检测电路，过零检测电路进行过零检测后的信号发送至与门电路；与门电路两个输入端接收到过零检测电路和波形整形电路发送的信号后，对两个输入端输入的信号进行与运算，并将运算结果发送到第二计数器，由第二计数器对与门电路输出的信号进行计数；第二计数器开始计数后，启动第三计数器针对波形整形电路输出的信号进行计数，当第三计数器的计数达到第三计数限值时，控制第二计数器关闭，停止计数；当第二计数器在关闭前计数达到第二计数限值时，皮秒级计时芯片接收到来自于第二计数器发送的第二停止计时信号STOP2，皮秒级计时芯片根据开始计时信号至第二停止计时信号计算出第二计时结果X2，然后将第二计时结果X2发送至微处理器；

τ＝(3X1–X2)/2。

本实施例中第一计数器的第一计数限值、第二计数器的第二计数限值、第三计数器的第三计数限值相同，并且这三个值均大于等于3且小于5。

其中上述步骤S3和S4中，与门电路针对两个输入端接收到过零检测电路和波形整形电路发送的信号进行与运算，即对两路信号进行吻合比对，在两路信号全部吻合的情况下，第二计数器能够正常完成计数，即在关闭前能够计数达到第二计数限值，从而触发皮秒级计时芯片停止计时。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种超声波检测装置中信号电路延迟时间的检测装置，其中超声波检测装置中包括斜向安装于被测物体两侧的超声波第一探头和超声波第二探头；其特征在于，信号电路延迟时间的检测装置包括微处理器、皮秒级计时芯片、波形整形电路、控制门电路、滤波放大电路、过零检测电路、与门电路、第一计数器、第二计数器、第三计数器、第一连接转换开关和第二连接转换开关；

2.根据权利要求1所述的超声波检测装置中信号电路延迟时间的检测装置，其特征在于，所述滤波放大电路的输出端通过幅度采集电路连接微处理器。

3.根据权利要求1所述的超声波检测装置中信号电路延迟时间的检测装置，其特征在于，所述皮秒级计时芯片的型号为TDC-GP2；所述微处理器为MSP430单片机。

4.一种基于权利要求1所述的超声波检测装置中信号电路延迟时间的检测装置实现的超声波检测装置中信号电路延迟时间的检测方法，其特征在于，步骤如下：

τ＝T1+T2-T3。

5.根据权利要求4所述的超声波检测装置中信号电路延迟时间的检测方法，其特征在于，第一计数器的第一计数限值、第二计数器的第二计数限值、第三计数器的第三计数限值相同。

6.一种超声波检测装置中信号电路延迟时间的检测装置，其中超声波检测装置中包括垂直安装于被测物体两侧的超声波发射探头和超声波接收探头；其特征在于，信号电路延迟时间的检测装置包括微处理器、皮秒级计时芯片、波形整形电路、控制门电路、滤波放大电路、过零检测电路、与门电路、第一计数器、第二计数器和第三计数器；

7.根据权利要求6所述的超声波检测装置中信号电路延迟时间的检测装置，其特征在于，所述滤波放大电路的输出端通过幅度采集电路连接微处理器。

8.根据权利要求6所述的超声波检测装置中信号电路延迟时间的检测装置，其特征在于，所述皮秒级计时芯片的型号为TDC-GP2；所述微处理器为MSP430单片机。

9.一种基于权利要求6所述的超声波检测装置中信号电路延迟时间的检测装置实现的超声波检测装置中信号电路延迟时间的检测方法，其特征在于，步骤如下：

τ＝(3X1–X2)/2。

10.根据权利要求9所述的超声波检测装置中信号电路延迟时间的检测方法，其特征在于，第一计数器的第一计数限值、第二计数器的第二计数限值、第三计数器的第三计数限值相同。