CN107774554A - 换能器系统和换能器控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种换能器系统。该换能器系统包括：换能器，用来发射超声信号并接收回声信号；驱动单元，用来驱动所述换能器；接收单元，用来接收由所述换能器转换的所述回声信号的电信号；抑制单元，用来抑制所述换能器的残余振动和所述换能器接收的噪声信号；及控制器，用来确定是否发生残余振动，且用来确定是否接收到噪声信号，并用来在发生残余振动或接收到噪声信号时控制所述抑制单元工作。本发明还公开了一种换能器控制方法。
Description
技术领域
本发明涉及换能器系统和换能器控制方法，尤其涉及抑制换能器的残余振动和噪声信号的换能器系统和换能器控制方法。
背景技术
一种现有的换能器利用压电晶体以压电效应实现电能和声能相互转换。换能器将电信号转换为机械振动并发出超声波。超声波被物体反射回来，被换能器接收并转换为电能。然而，当电信号停止之后，换能器仍会有残余的机械振动。当换能器与被测物体之间距离过近时，此残余的机械振动信号会与被测物体反射回来的回声信号相重叠，从而影响回声信号的采样，因此影响检测。而且，传回至换能器的噪声信号也会引起换能器的振动，使换能器发出超声波，该超声波再被反射形成噪声信号，如此反复噪声信号的持续时间延长，噪声信号可能会与回声信号重叠，影响回声信号的采样。
因此，有必要提供一种换能器系统和换能器控制方法用于解决至少部分上述问题。
发明内容
本发明的一个方面在于提供一种换能器系统。该换能器系统包括：换能器，用来发射超声信号并接收回声信号；驱动单元，用来驱动所述换能器；接收单元，用来接收由所述换能器转换的所述回声信号的电信号；抑制单元，用来抑制所述换能器的残余振动和所述换能器接收的噪声信号；及控制器，用来确定是否发生残余振动，且用来确定是否接收到噪声信号，并用来在发生残余振动或接收到噪声信号时控制所述抑制单元工作。
本发明的另一个方面在于提供一种换能器控制方法。换能器控制方法其包括：驱动换能器发出超声信号；确定换能器是否发生残余振动且确定换能器是否接收到噪声信号；在发生残余振动或接收到噪声信号时，抑制所述换能器的残余振动和所述换能器接收的噪声信号；及接收由所述换能器转换的回声信号的电信号。
附图说明
通过结合附图对于本发明的实施方式进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：
图1所示为本发明换能器系统的一个实施例的示意图；
图2所示为图1实施例的换能器系统中部分信号的一个实施例的波形图；
图3所示为本发明换能器系统的另一个实施例的示意图；
图4所示为图3实施例的换能器系统中部分信号的一个实施例的波形图；
图5所示为本发明换能器系统的另一个实施例的示意图；
图6所示为图5实施例的换能器系统中部分信号的一个实施例的波形图；
图7所示为本发明换能器系统的另一个实施例的示意图；
图8所示为图7实施例的换能器系统中部分信号的一个实施例的波形图；
图9所示为本发明换能器控制方法的一个实施例的流程图。
具体实施方式
为帮助本领域的技术人员能够确切地理解本发明所要求保护的主题，下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式。在以下对这些具体实施方式的详细描述中，本说明书对一些公知的功能或构造不做详细描述以避免不必要的细节而影响到本发明的披露。
除非另作定义，本权利要求书和说明书中所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中所使用的“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分、元件等。“包括”或者“具有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
图1所示为换能器系统10的一个实施例的示意图。换能器系统10可通过发射超声波至目标物体，对目标物体反射的超声波进行转换和处理来获得目标物体相关的参数，例如目标物体的位置、尺寸、运动状况等。在一个实施例中，换能器系统10用来测量流体(例如液体、气体或多相流动的媒介)的流速和/或流量。例如，换能器系统10可用于开采碳氢化合物的钻探井孔的钻井系统，用来测量钻井时泥浆的流速和/或流量。但不限于上述应用，换能器系统10还可用于其他应用中，例如用于无损检测中。在图示实施例中，换能器系统10用于钻井时测量管道11中泥浆的流速和/或流量。仅为了更清楚地阐述换能器系统10，下面将结合图示的应用对换能器系统10进行说明。
换能器系统10包括换能器12，用来发射超声信号并接收回声信号。本发明中的“回声信号”指目标物体反射回来的超声波，该信号为期望获得的信号，对该信号进行采样、处理、分析可以获得期望的检测结果。一个实施例中，换能器12为压电元件，用来将电能转换为机械能并发出超声波(即超声信号)，并将接收到的回声信号(即物体反射回来的超声波)转换为电能。在图示实施例中，换能器12安装在管道11的外侧壁上。在其他实施例中，换能器12可位于其他位置或物体上。图中仅示出一个换能器12，但不限于此，在一些实施例中多个换能器可被共同利用，例如多个换能器可被用来探测流体的流速和/或流量。
换能器系统10包括驱动单元14和接收单元15。驱动单元14用来发出驱动信号来驱动换能器12。驱动信号为电信号。接收单元15接收换能器12将回声信号转换成的电信号，处理该回声信号的电信号来获得目标物体的相关信息。
驱动单元14包括发射器16和功率放大器18。发射器16由控制器13控制产生脉冲信号。在一个非限制的实施例中，该脉冲信号为高电压为3.3V且低电压为0V的脉冲信号。功率放大器18用来放大来自发射器16的脉冲信号来产生驱动信号。在一个非限制的实施例中，功率放大器18产生高电压为200V且低电压为-200V的脉冲驱动信号。功率放大器18可以由电源28提供的电能经过高压逆变器26升压之后的电能来供电。电压28可以是直流电源，在一个实施例中，其提供48V的电压，但不限于此。在一个实施例中，高压逆变器26为直流-直流逆变器，将低电压升高至高电压，例如将电压从48V升高至200V或更高，提供给功率放大器18。换能器12接收到驱动单元14发出的驱动信号，产生振动，发出超声波。
接收单元15包括接收器17和可变增益放大器19。可变增益放大器19将回声信号的电信号放大。接收器17接收放大后的电信号。该放大的电信号可提供给控制器13进行处理分析。接收单元15和驱动单元14之间通过发射/接收开关21进行切换。驱动换能器12时，发射/接收开关21将可变增益放大器19从功率放大器18的驱动电路中隔离出来，以保护微弱信号。驱动单元14发射一段脉冲驱动信号，换能器12被驱动产生超声波。一般驱动单元14发出一个周期或半个周期的脉冲驱动信号。然而当驱动信号停止时，换能器12仍然在振动，可称作残余振动、余振或余音。在接收单元15接收回声信号的电信号之前抑制并消除残余振动。接收回声信号的电信号时，发射/接收开关21将接收单元15与换能器12连接。接收一段时间的回声信号之后，再次发出一段驱动信号，如此周期性地循环工作。
在接收回声信号之前或接收过程中可能会接收到噪声信号，例如声阻抗不连续界面反射超声信号产生的超声波、非目标物体反射超声信号产生的超声波等。在图示实施例中，管道11与换能器12接触的界面反射超声信号产生噪声信号；管道11的侧壁可能存在粗糙表面，超声信号传输至该粗糙表面会产生噪声信号；管道11和换能器12之间的接触面可能因安装工艺问题存在气泡，会反射超声信号产生噪声信号；管道11内壁可能黏着泥巴或污染物，其反射超声信号产生噪声信号；管道11内壁可能有锈，会产生噪声信号；管道11内的泥浆中的小颗粒物为目标物体，大颗粒物反射超声信号产生噪声信号。上述列出了一些示例的噪声信号，但不限于此。在图示实施例中可能存在其他的噪声信号，在其他实施例中也会产生其他噪声信号。一些噪声信号的幅值可能比回声信号的幅值大。
控制器13用来确定是否发生残余振动，且用来确定是否接收到噪声信号。当发生残余振动或接收到噪声信号时，控制器13控制抑制单元23工作。抑制单元23用来抑制换能器12的残余振动和换能器12接收的噪声信号。在一个实施例中，控制器13可以根据残余振动发生的时间确定残余振动，从而来控制抑制单元23在该时间抑制残余振动。残余振动发生在驱动信号停止后一段时间，在该时间内抑制单元23工作。在一个实施例中，控制器13可以根据噪声信号被换能器12接收的时间来确定噪声信号，从而控制抑制单元23在该时间抑制噪声信号。在特定位置产生的噪声信号，例如，管道11与换能器12接触的界面产生的噪声信号、管道11的侧壁的粗糙表面产生的噪声信号、管道11和换能器12之间的接触面内的气泡产生的噪声信号、管道11内壁的泥巴或污染物产生的噪声信号、管道11内壁的锈产生的噪声信号，可以根据位置信息估算噪声信号被换能器12接收的时间，从而在该时间抑制噪声信号。
在另一个实施例中，控制器13可以根据接收单元15接收到的电信号的幅值来确定残余振动和噪声信号。如果电信号的幅值超出阈值范围，该电信号为残余振动或噪声信号转换成的电信号。该阈值范围根据估测目标物体反射的回声信号的电信号幅值来确定。在一个实施例中，驱动单元14发出一段驱动信号给换能器12，接收单元15接收换能器12转换的回声信号的电信号，控制器13分析接收单元15接收的电信号来确定残余振动和/或噪声信号发生的时间。在驱动单元14发出第二段驱动信号后，控制器13根据确定的残余振动和/或噪声信号发生的时间来控制抑制单元23在相应的时间工作，在没有残余振动和噪声信号的时间内采样回声信号。
本实施例中，抑制单元23为能量消耗单元，用来将换能器12接地来消耗换能器12的残余振动的能量和噪声信号的能量。图示实施例中，抑制单元23包括开关36和短路电阻38。控制器13命令开关控制器25闭合开关36，抑制单元23将换能器12接地，来抑制残余振动和噪声信号。短路电阻38可用来降低流过抑制单元23的电流过大，一般为几毫欧。
换能器系统10的元件可不限于图1所示的元件，其可包括其他未图示的元件，例如中央处理器(CPU)、计算单元、存储器、I/O接口、输入设备、显示器等。
图2所示为图1实施例的换能器系统10中部分信号的一个实施例的波形图。波形40表示发射器16发出的脉冲信号。发射器16可以发射一个周期的脉冲信号。
波形41表示换能器12和功率放大器18之间A点处的信号，该信号为未进行抑制的信号。脉冲信号40发出的t1时间内，脉冲信号40被功率放大器18放大产生驱动信号52给换能器12，换能器12振动发出扫描的超声波。t1时间结束，脉冲信号40停止，换能器12仍在振动。换能器12的残余振动信号44逐渐减小，但部分会与回声信号45重叠。在图示实施例中，t3时间开始时，噪声信号46被换能器12接收到。噪声信号46逐渐减小，与回声信号45重叠。残余振动信号44和噪声信号45持续的时间很长，影响回声信号45的采样。
波形42表示控制器13发出的控制抑制单元23的控制信号的波形图。在残余振动发生的t1至t2时间段，控制器13发出控制信号开启抑制单元23，在该时间段内抑制残余振动。在噪声信号发生的t3至t4时间段，控制器13发出控制信号开启抑制单元23，在该时间段内抑制噪声信号。
波形43表示换能器12和功率放大器18之间A点处的信号，该信号为对残余振动和噪声信号进行抑制的信号。t1至t2时间内，图1中的抑制单元23抑制残余振动，残余振动信号迅速降低至0。残余振动在接收回声信号45之前被消除。时间t2可以根据抑制单元23消除残余振动的时间来确定，以保证t1至t2时间内可以完全消除残余振动，且对回声信号45的影响最小。t3至t4时间内，图1中的抑制单元23抑制噪声信号，噪声信号迅速降低至0。在较短的时间内消除噪声信号。时间t4可以根据抑制单元23消除噪声信号的时间来确定，以保证t3至t4时间内可以完全消除噪声信号，且对回声信号45的影响最小。
在一个实施例中，未抑制的信号波形41可用来确定残余振动和噪声信号发生的时间，控制器13在下一个脉冲信号40发出后在相应的时间内发出控制抑制单元23工作的信号，抑制单元23在相应的时间内抑制残余振动和噪声信号。图2仅示出一个实施例的信号波形图，但不限于此。
图3所示为换能器系统100的另一个实施例的示意图。图3所示的换能器系统100类似于图1所示的换能器系统10。相比较于图1所示的换能器系统10，图3的换能器系统100的抑制单元123为能量消耗单元，用来提供与换能器12的残余振动信号反向的第一信号给换能器12来消除残余振动，且可用来提供与噪声信号反向的第二信号给换能器12来消除噪声信号。
抑制单元123包括抑制控制器50和传感器51。传感器51探测驱动单元14和换能器12之间的信号。一个实施例中，传感器51为电压传感器，探测驱动单元14和换能器12之间的电压。控制单元113在残余振动或噪声信号发生时控制抑制控制器50接收传感器51探测的信号，该信号为残余振动信号或噪声信号。抑制控制器50控制驱动单元14发出与探测的信号反向的信号，该信号的幅值与探测信号的幅值基本相等。抑制控制器50命令发射器16发出信号，经功率放大器18放大后得到与探测的信号反向的幅值相当的信号。抑制控制器50可以通过用于执行该特定功能的硬件和/或软件配置实现。抑制控制器50可以集成在控制器113中，或与控制器113分开独立设置。
结合图4，波形40、41、42与图2的对应波形相同，波形47显示了图3实施例的抑制单元123进行抑制的换能器12和功率放大器18之间A点处的信号。从波形47可以看出，t1至t2时间段产生与即时变化的残余振动信号48(即探测到的信号，在抑制的过程中残余振动信号会因抑制而变化)反向的信号49，从而快速地消除残余振动信号。类似地，t3至t4时间段产生与即时变化的噪声信号反向的信号，来快速地消除噪声信号。
图5所示为换能器系统200的另一个实施例的示意图。图5所示的换能器系统200类似于图1所示的换能器系统10。相比较于图1所示的换能器系统10，图5的换能器系统200的抑制单元223包括能量获取单元20和能量消耗单元30。能量获取单元20用来获取换能器12的残余振动的能量和噪声信号的能量中的至少其中之一。一个实施例中，能量获取单元20用来获取换能器12的残余振动的能量，来抑制残余振动。残余振动的能量较高，可有效地被能量获取单元20获取。在一个实施例中，能量获取单元20可用来获取噪声信号的能量来抑制噪声信号，该噪声信号的能量较高，可被能量获取单元20有效地获取。在另一个实施例中，噪声信号的能量较低，不被能量获取单元20获取，可通过能量消耗单元30消耗。
能量获取单元20包括开关22和电容性储能元件24。本实施例中，控制器13命令切换控制器34闭合开关22，电容性储能元件24获取并储存换能器12的残余振动的能量和/或噪声信号的能量。在一个实施例中，电容性储能单元24为电容。在一个实施例中，电容性储能元件24的电压升高至200V或更高。
在一个实施例中，能量获取单元20获取的电能可给换能器系统200供电。在图示示例中，能量获取单元20获取的电能提供给驱动电路14。电容性储能元件24的电能可经过高压逆变器26升压之后提供给功率放大器18。发射器16再次发射脉冲信号时，功率放大器18可以由电容性储能元件24储存的电能经过升压之后来供电。电容性储能元件24的电能放大后不够驱动功率放大器18时，电源28提供电能来保证给功率放大器18供电。在另一个实施例中，能量获取单元20获得的电能可以提供给换能器系统200的其他元件，例如计算单元、需供电的电子器件、集成电路等。如此可以提高能量的利用率，降低系统的能耗。在另一个实施例中，能量获取单元20获得的电能可以提供给其他系统或外部元件，或通过电阻等释放。
能量消耗单元30用来消耗不能被能量获取单元20接收的低能量。当换能器12产生的电压和能量获取单元20的电压的差值不低于电压差阈值时，能量获取单元20用来获取能量。当换能器12产生的电压和能量获取单元20的电压的差值低于电压差阈值时，能量消耗单元30用来消耗能量。“换能器12产生的电压”指换能器12将其机械能(机械振动)转换成的电能的电压。换能器12的残余振动产生电能，换能器12接收的噪声信号也被转换成电能。本实施例中，能量获取单元20的电压为电容性储能元件24上的电压。本实施例中，传感器32用来探测能量获取单元20的电容性储能元件24的电压，传感器33用来探测换能器12端的电压(即换能器12产生的电压)。切换控制器34接收传感器32和33测得的电压。当传感器33测得的电压减去传感器32测得的电压的差值不低于电压差阈值时，切换控制器34控制能量获取单元20的开关22闭合，能量消耗单元30的开关36断开，能量获取单元20回收换能器12端的高能量。此时，流过能量获取单元20的电流较高，能量回收的效率较高。当传感器33测得的电压减去传感器32测得的电压的差值低于电压差阈值时，电容性储能元件24和换能器12之间的电压差很小，电容性储能元件24储存的电能较多，流过能量获取单元20的电流很小，从而电容性储能元件24充电很慢或不能被充电。此时，切换控制器34控制开关22打开，控制开关36闭合，能量消耗单元30消耗剩余的低能量，消除残余振动和噪声信号。如此，可以对能量进行回收且可以在较短的时间内将能量完全消除。电压差阈值可以至少根据电容性储能元件24的特性来确定。在一个实施例中，电压差阈值可设置为5V-200V(包括端点值)中的一个值。
在另一个实施例中，传感器32或33用来探测流过能量获取单元20的电流。当电流不低于电流阈值时，换能器12产生的电压和能量获取单元20的电压的差值不低于电压差阈值，能量获取单元20回收能量。当电流低于电流阈值时，换能器12产生的电压和能量获取单元20的电压的差值低于电压差阈值，能量消耗单元30消耗剩余的能量。
在图示实施例中，能量消耗单元30将换能器12通过短路电阻38接地来消耗能量，其类似于图1实施例的抑制单元23。
控制器213在残余振动和噪声信号发生的时间控制切换控制器34工作。切换控制器34可以通过用于执行该特定功能的硬件和/或软件配置实现。例如切换控制器34可包括比较器、开关管等硬件元件形成硬件电路来实现比较和切换的功能。切换控制器34也可以通过集成电路，例如数字信号处理器等，结合软件来实现其功能。但不限于上述示例。切换控制器34可以集成在控制器213中，或与控制器213分开独立设置。
结合图6，波形40为发射器16发出脉冲信号，波形53显示未抑制时残余振动信号44和回声信号45，波形55显示控制器213输出给抑制单元223的控制信号，波形57显示进行抑制的残余振动信号59和回声信号45。在一个实施例中，控制器213控制抑制单元223工作的时间比图1和图3的抑制单元23、123的工作时间长，保证能量的回收和消除。图6中t1至t5时间段划分为能量回收与能量消除两个时间阶段，分别为t1至t6时间段和t6至t5时间段。时间段可以根据实际应用设置，根据能量的回收和消除的时间来调整。图6中，t1至t6时间段内能量获取单元20获取能量，t6至t5时间段内能量消耗单元30消耗低能量，使得残余振动信号降到0。
图7所示为换能器系统300的另一个实施例的示意图。图7所示的换能器系统300类似于图5所示的换能器系统200。相比较于图5所示的换能器系统200，图7的换能器系统300的抑制单元323的能量消耗单元330用来产生与残余振动信号反向的第一信号来抵消残余振动，也可产生与噪声信号反向的第二信号来抵消噪声信号。能量消耗单元330包括抑制控制器350和传感器33，其工作原理和方式类似于图3中的抑制单元23。
当换能器12产生的电压和能量获取单元20的电压的差值不低于电压差阈值时，切换控制器334控制开关22闭合，能量获取单元20获取换能器12的残余振动的能量或噪声信号的能量。当换能器12产生的电压和能量获取单元20的电压的差值低于电压差阈值时，切换控制器334控制抑制控制器350工作，能量消耗单元330消耗换能器12的残余振动的能量和噪声信号的能量。
结合图8，波形40为发射器16发出的脉冲信号，波形53显示未抑制时残余振动信号44和回声信号45，波形55显示控制器213输出给抑制单元323的控制信号，波形61显示进行抑制的残余振动信号63和回声信号45。t1至t6时间段内能量获取单元20获取能量，t6至t5时间段内能量消耗单元330产生反向信号来消耗低能量，使得残余振动信号降到0。
图9所示为本发明换能器控制方法400的一个实施例的流程图。换能器控制方法400包括步骤402-408。步骤402中，驱动换能器发出超声信号。步骤404中，确定换能器是否发生残余振动且确定换能器是否接收到噪声信号。步骤406中，在发生残余振动或接收到噪声信号时，抑制换能器的残余振动和换能器接收的噪声信号。步骤408中，接收由换能器转换的回声信号的电信号。
虽然结合特定的具体实施方式对本发明进行了详细说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。
Claims (10)
1.一种换能器系统，其特征在于，其包括：
换能器，用来发射超声信号并接收回声信号；
驱动单元，用来驱动所述换能器；
接收单元，用来接收由所述换能器转换的所述回声信号的电信号；
抑制单元，用来抑制所述换能器的残余振动和所述换能器接收的噪声信号；及
控制器，用来确定是否发生残余振动，且用来确定是否接收到噪声信号，并用来在发生残余振动或接收到噪声信号时控制所述抑制单元工作。
2.如权利要求1所述的换能器系统，其特征在于：所述抑制单元包括能量获取单元，用来获取所述换能器的残余振动的能量和噪声信号的能量中的至少其中之一。
3.如权利要求2所述的换能器系统，其特征在于：当所述换能器产生的电压和所述能量获取单元的电压的差值不低于电压差阈值时，所述能量获取单元用来获取能量，所述抑制单元包括能量消耗单元，当所述换能器产生的电压和所述能量获取单元的电压的差值低于电压差阈值时，所述能量消耗单元用来消耗能量。
4.如权利要求1所述的换能器系统，其特征在于：所述抑制单元包括能量消耗单元，用来将所述换能器接地来消耗所述换能器的残余振动的能量和噪声信号的能量。
5.如权利要求1所述的换能器系统，其特征在于：所述抑制单元包括能量消耗单元，用来提供与所述换能器的残余振动信号反向的第一信号给所述换能来消除残余振动，且用来提供与所述噪声信号反向的第二信号给所述换能器来消除所述噪声信号。
6.一种换能器控制方法，其包括：
驱动换能器发出超声信号；
确定换能器是否发生残余振动且确定换能器是否接收到噪声信号；
在发生残余振动或接收到噪声信号时，抑制所述换能器的残余振动和所述换能器接收的噪声信号；及
接收由所述换能器转换的回声信号的电信号。
7.如权利要求6所述的换能器控制方法，其特征在于：通过能量获取单元获取所述换能器的残余振动的能量和噪声信号的能量中的至少其中之一。
8.如权利要求7所述的换能器控制方法，其特征在于：当所述换能器产生的电压和所述能量获取单元的电压的差值不低于电压差阈值时，获取能量，当所述换能器产生的电压和所述能量获取单元的电压的差值低于电压差阈值时，消耗能量。
9.如权利要求6所述的换能器控制方法，其特征在于：所述抑制的步骤包括将所述换能器接地来消耗所述换能器的残余振动的能量和噪声信号的能量。
10.如权利要求6所述的换能器控制方法，其特征在于：所述抑制的步骤包括提供与所述换能器的残余振动信号反向的第一信号给所述换能器来消除残余振动，且提供与所述噪声信号反向的第二信号给所述换能器来消除所述噪声信号。
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2016
- 2016-08-31 CN CN201610786943.0A patent/CN107774554A/zh active Pending
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