CN109029600A - 一种超声波信号幅度自适应检测装置 - Google Patents

一种超声波信号幅度自适应检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超声波信号幅度自适应检测装置,前端超声波传感器对一个测量周期内两次发射的超声波信号进行接收,自适应幅度调节电路对首接收信号进行放大、测量出单峰值电平并采集、判断,然后输出增益控制字使控增益放大电路放大倍数改变,使程控增益放大器输出幅度稳定在一个固定的幅度上;同时,比较电平自动跳变电路采用正负比较电平进行比较即负电平触发时,单稳态触发器输出跳变为高电平,进而将正电平比较器的比较电平切换为0电平,使得同一个波形上具有相同的触发点,最后,采用单稳态触发器输出与正电平比较器输出进行与运算,即将单稳态触发器输出作为选通信号,对正电平比较器输出进行选择,这样选择出触发点稳定的计时停止信号。

Description

一种超声波信号幅度自适应检测装置
技术领域
本发明属于超声波气体流量测量技术领域,更为具体地讲,涉及一种超声波信号幅度自适应检测装置。
背景技术
超声波作为一种检测工具,目前广泛的应用于各种领域中,其中包含医疗,石油化工,通信、检测等领域。
在检测领域,超声波的应用也是十分广泛,主要有距离检测,流速检测,流量监测等等,而在这些检测当中,都会碰到一个共同的问题,那就是超声波在传播的过程中幅值容易受到外界的干扰,同时,哪怕是同一批生产的超声波传感器也会存在幅值上的较大差别,那么在超声波信号接收端接收到的信号就会千差万别,而要保证检测精度,就必须使得检测结果不会受接收端幅值大小的影响。
在天然气管道流速的测量中,超声波的幅值干扰和幅度波动等问题特别明显。特别是,在时差法测量天然气流速的过程中,超声波信号幅值变化会导致比较大的测量误差。
在用时差法的超声波流速(流量)测量中,对于一对超声波探头,若超声波探头A发送,而超声波探头B接收,其安装结构如图1所示。
超声波信号在介质中的声速为Vc,流体是从左边朝右边流动,其流速为V,探头和管道之间的夹角为θ,两个探头的垂直距离为d,所以两个探头之间的距离L为:
因而信号在两个超声波探头之间的传输时间为:
当流体流速V=0时,则无流速的传输时间为:
可以得到由于流体流动时产生的传输时间差Δt:
由此可见,当测得Δt后,就可以求得V,由公式(4)化简得:
如果满足Δt<<t0,则:
从公式(6)中可以看出,因为θ、Vc和t0是定值,时间差Δt会随着V的增大而增大。
虽然表达式(3-6)存在误差,但是此表达式可以将时间差和速度表示为线性关系,在工程应用中十分方便。
对于一对超声波探头,一个固定发送和另外一个固定接收的情况而言,如式(6),在应用中若不考虑声速Vc随环境的温度和压强发生而产生的变化,会引入较大的误差。为了解决声速的变化问题,可以使得两个探头分别进行接收和发送,即先A发B收然后B发A收,两种测量结果相减,可以将声速的影响抵消掉,具体的推导公式如下:
当流体速度方向和超声波传播方向一致时,即探头A发送到探头B接收,传输时间tAB表达式为:
当流体速度方向和超声波信号传播方向相反时,即探头B发探头A收的传输时间tBA表达式为:
由公式(7)和(8)可以得到:
根据公式(9)可以化简得到:
此时的转换公式中已经没有了声速,故而消除了声速对测量结果的影响。实际工程中,采用的是一对探头互相收发的模式,也就是说需要测量出超声波传输顺流和逆流的时间,从而得出实际流体流速。
在实际的应用中,会发现接收端接收到的信号幅度会因为管道中天然气的流速大小而发生发生时大时小的变化。图2为在实际现场中所接收到的连续的多个受干扰的波形情况,以固定的整比较电平进行触发,图2中前两个超声波波形触发的是第二波,而后两个因超声波信号幅度变小触发的是第三波,这个时候分别输出的是A1波或A2波,最终时间就会存在跳变一个波形周期误差,这里超声波周期为T=5us,所以引起触发点的跳变,出现的误差为Δt1=n*T,其中n是整数。触发点会因为波形幅度变化而变化,n也会变化。因此在工程中就必须使触发点稳定在一个波上,例如,使信号A的第一个上升沿始终来自触发的第二波,使得n的数值是一个固定数值,n数值的跳变量为0。因比较电平是固定的,所以要求接收的超声波信号最终在与正或负比较电平进行比较时,信号波形幅度基本上保持恒定以消除跳波的误差。
其次,既使触发保持在同一波的接收信号上,也会存在一定的触发误差,其原因如图3所示,若是正比较电平的幅度数值不变,只要接收到的波形幅度有一点变化,A的第二个脉冲上升沿都会不一样,导致的测量误差在2.5us之内波动,但是将正比较电平改为0之后,那么幅度的差异是不会导致停止脉冲的变化,图3中有t1,t2,t3三个时间,t1是比较电平为0时,两个幅度大小不一样的波形,其触发的上升沿是一致,而t2,t3是触发电平不为0时,导致的同一个波上不同点的触发,会有形成的脉冲上升沿不同的情况,故最好是改变正比较电平为0电平,但这样会更容易收到干扰信号影响,不容易使触发点稳定在一个波上。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种超声波信号幅度自适应检测装置,以避免接收的超声波信号幅度变化对触发点的影响,同时,采用比较电平为0电平,使得同一个波形上具有相同的触发点。
为实现上述发明目的,本发明超声波信号幅度自适应检测装置,包括:
一前端超声波信号接收电路,用于对一个测量周期内两次发射的超声波信号(首发射信号、次发射信号)进行接收,分别得到首接收信号和次接收信号;
其特征在于,还包括:
一自适应幅度调节电路,由峰值检波模块、作为增益调节的单片机和程控增益放大器构成,首先,程控增益放大器对首接收信号进行程控增益放大,放大后的首接收信号由峰值检波模块测量出单峰值电平,然后单片机内的A/D采集单峰值电平,由单片机内的峰值判断与增益调节控制模块对单峰值电平进行判断,如果单峰值电平的幅度值小了,这个时候通过单片机的IO口输出增益控制字,使程控增益放大电路放大倍数增加,相反,则通过单片机的IO口输出增益控制字,使程控增益放大电路放大倍数减小,从而完成程控增益放大器的增益设置;在完成程控增益放大器的增益设置后,程控增益放大器对接收的次接收信号进行程控增益放大,放大后的次接收信号送入比较电平自动跳变电路;
一比较电平自动跳变电路,由比较电平切换开关、正电平比较器、负电平比较器、单稳态触发器以及计时停止信号合成与门组成;
比较电平切换开关初始将正比较电平切换输入到正电平比较器,正电平比较器在次接收信号到来时,将正比较电平与次接收信号进行比较,如果次接收信号高于正比较电平时,输出高电平,低于正比较电平时,输出低电平;
负电平比较器在次接收信号到来时,将负比较电平与次接收信号进行比较,如果次接收信号高于负比较电平时,输出高电平,低于负比较电平时,输出低电;负电平比较器的输出连接到单稳态触发器的下降沿触发端,当负电平比较器输出的下降沿到来时(高电平转换为低电平时),单稳态触发器输出跳变为高电平;
单稳态触发器输出一方面用于控制比较电平切换开关:在低电平时,将正比较电平切换输入到正电平比较器,在高电平时,将0电平切换输入到正电平比较器,并与放大后的次接收信号进行比较,另一方面连接到计时停止信号合成与门的一个输入端;
同时,正电平比较器的输出连接到计时停止信号合成与门的另一个输入端,计时停止信号合成与门的输出即为计时停止信号。
本发明的目的是这样实现的:
本发明超声波信号幅度自适应检测装置,包括前端超声波传感器、自适应幅度调节电路以及比较电平自动跳变电路,其中,前端超声波传感器对一个测量周期内两次发射的超声波信号进行接收,自适应幅度调节电路对首接收信号进行放大、测量出单峰值电平并采集、判断,然后输出增益控制字使控增益放大电路放大倍数改变,使程控增益放大器输出幅度稳定在一个固定的幅度上,使得后续的电平比较时,能在一个固定波数上产生触发;同时,比较电平自动跳变电路采用正负比较电平进行比较,在负电平比较器输出下降沿到来,即负电平触发时,单稳态触发器输出跳变为高电平,进而将正电平比较器的比较电平切换为0电平,这样采用比较电平为0电平,使得同一个波形上具有相同的触发点;最后,采用单稳态触发器输出与正电平比较器输出进行与运算,即将单稳态触发器输出作为选通信号,对正电平比较器输出进行选择,这样选择出触发点稳定的计时停止信号。
附图说明
图1是超声波时差法测速结构图;
图2是超声波受干扰后接收输出脉冲的波形图;
图3是超声波同一波触发造成的误差波形图;
图4是本发明超声波信号幅度自适应检测装置一种具体实施方式的原理框图;
图5是图4所示超声波信号幅度自适应检测装置的工作时序图;
图6是图4所示超声波信号幅度自适应检测装置的工作流程图;
图7是图4所示比较电平自动跳变电路的一种具体实施方式的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述,以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是,在以下的描述中,当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时,这些描述在这里将被忽略。
在本发明中,只要得到同一波形位置的计时停止信号就可以得到时间差,从而,计算出流体的流速和流量。
图4是本发明超声波信号幅度自适应检测装置一种具体实施方式的原理框图。
在本实施例中,如图4所示,本发明超声波信号幅度自适应检测装置包括:前端超声波信号接收电路1、自适应幅度调节电路2以及比较电平自动跳变电路3。
前端超声波信号接收电路1外接的超声波传感器,将对一个测量周期内两次发射的超声波信号(首发射信号、次发射信号)转换为电信号,然后进行处理,从而完成接收并分别得到首接收信号和次接收信号。
自适应幅度调节电路2由峰值检波模块201、作为增益调节的单片机202和程控增益放大器203构成。首先,程控增益放大器203对首接收信号进行程控增益放大,放大后的首接收信号由峰值检波模块测量出单峰值电平,然后单片机内202的A/D采集单峰值电平,由单片机内的峰值判断与增益调节控制模块对单峰值电平进行判断,如果单峰值电平的幅度值小了,这个时候通过单片机202的IO口输出增益控制字,使程控增益放大电路203放大倍数增加,相反,则通过单片机202的IO口输出增益控制字,使程控增益放大电路203放大倍数减小,从而完成程控增益放大器203的增益设置,这样,使程控增益放大器203输出幅度幅度稳定在一个固定的幅度上,使得后续的电平比较时,能在一个固定波数上产生触发,避免接收的超声波信号幅度变化对触发点的影响。
在完成程控增益放大器203的增益设置后,程控增益放大器203对接收的次接收信号进行程控增益放大,放大后的次接收信号送入比较电平自动跳变电路3。
比较电平自动跳变电路3由比较电平切换开关301、正电平比较器302、负电平比较器303、单稳态触发器304以及计时停止信号合成与门305组成。
比较电平切换开关301初始将正比较电平+Ref切换输入到正电平比较器302,正电平比较器302在次接收信号到来时,将正比较电平+Ref与次接收信号进行比较,如果次接收信号高于正比较电平+Ref时,输出高电平,低于正比较电平+Ref时,输出低电平。
负电平比较器303在次接收信号到来时,将负比较电平-Ref与次接收信号进行比较,如果次接收信号高于负比较电平-Ref时,输出高电平,低于负比较电平时-Ref,输出低电平;负电平比较器303的输出连接到单稳态触发器304的下降沿触发端,当负电平比较器303输出的下降沿到来时(高电平转换为低电平时),单稳态触发器304输出跳变为高电平。
单稳态触发器304输出一方面用于控制比较电平切换开关301:在低电平时,将正比较电平+Ref切换输入到正电平比较器302,在高电平时,将0电平切换输入到正电平比较器302,另一方面连接到计时停止信号合成与门305的一个输入端。
同时,正电平比较器302的输出连接到计时停止信号合成与门305的另一个输入端,计时停止信号合成与门的输出即为计时停止信号。
图5是图4所示超声波信号幅度自适应检测装置的工作时序图。
在本实施例中,如图5所示,一个测量周期内需要进行两次超声波信号即首发射信号、次发射信号的发射,其中首发射信号其目的是为了对程控增益放大器的放大倍数进行设定,使得正式测量即获取计时停止信号时,次发射信号的幅度是一个稳定值而不受各种干扰的影响,使触发点稳定在一个波上。
前端超声波信号接收电路对首发射信号进行接收后,得到首接收信号,这时自适应幅度调节电路对于放大后的首接收信号的单峰值电平进行检测、采集判断,然后输出增益控制字使控增益放大电路放大倍数改变,使程控增益放大器输出幅度稳定在一个固定的幅度上。
前端超声波信号接收电路对次发射信号进行接收后,得到次接收信号。程控增益放大器对接收的次接收信号进行程控增益放大,放大后的次接收信号送入比较电平自动跳变电路。由于前面已经对放大倍数进行根据首接收信号进行了设置,首发射信号与次发射信号间隔比较短,认为二者受到的干扰相同,这样,放大后的次接收信号就会在一个固定的幅度上,从而使得后续的电平比较时,能在一个固定波数上产生触发。
正电平比较器在次接收信号到来时,将正比较电平与次接收信号进行比较,次接收信号高于+Ref正比较电平时,输出脉冲信号(波形A),同时,次接收信号低于负比较电平时-Ref,输出低电平(波形B),触发单稳态触发器输出跳变为高电平(波形C),将0电平切换输入到正电平比较器,将正电平比较器的比较电平切换为0电平,这样采用比较电平为0电平,使得同一个波形上具有相同的触发点。将单稳态触发器输出(波形C)作为选通信号,对正电平比较器输出(波形A)进行选择,这样选择出触发点稳定的计时停止信号(波形D)。此外,波形K为屏蔽控制信号,使得在比较电平自动跳变电路只有在次发射信号发射后的一段时间工作,从屏蔽首发射信号。
整个超声波信号幅度自适应检测装置的工作流程如图6所示。
在本实施例中,如图7所示,设计比较电平自动跳变电路,使之在第一次能触发出现后,比较电平自动地从某一设置的固定电平跳变为零电平,即自动变成零电平触发,消除同一波的触发误差。
在本实施例中,比较电平切换开关301为开关S,正电平比较器302包括运算比较器U5以及电阻R21、R22、R23、三极管Q2构成的电平转换电路,负电平比较器303包括运算比较器U6以及电阻R24、R25、R26、三极管Q3构成的电平转换电路,程控增益放大器203输出即放大后的次接收信号分别送入运算比较器U5、运算比较器U6的正端,运算比较器U5的负端连接到开关S的输出端,开关S的两个输入端分别连接正比较电平+Ref以及0电平,开关S受单稳态触发器U9输出的控制,在低电平时,将正比较电平切换输入到正电平比较器,在高电平时,将0电平切换输入到正电平比较器,并与放大后的次接收信号进行比较,如果次接收信号高于正比较电平+Ref时,输出高电平,低于正比较电平+Ref时,输出低电平。运算比较器U6将放大后的次接收信号与负比较电平-Ref进行比较,如果次接收信号高于负比较电平-Ref时,输出高电平,低于负比较电平时-Ref,输出低电平。运算比较器U5、运算比较器U6的输出分别经过三极管Q3构成的电平转换电路、三极管Q5构成的电平转换电路。
在本实施例中,所述正电平比较器、负电平比较器的输出分别接正电平控制与门和负电平控制与门的一个输入端,屏蔽控制信号由系统控制电路给出,分别送入与正电平控制门和负电平控制与门的另一个输入端;负电平控制门的输出作为负电平比较器输出连接到连接到单稳态触发器的下降沿触发端,正电平控制门的输出作为正电平比较器的输出连接到计时停止信号合成与门的另一个输入端;
在发射首发射信号时,屏蔽控制信号K为0,当发送次发射信号时,这个时候屏蔽控制信号K为1。
具体而言,正电平比较器、负电平比较器的输出进行电平转换后分别送入正电平控制与门U8a和负电平控制与门U10a的一个输入端,屏蔽控制信号K由系统控制电路给出,分别送入与正电平控制门U8a和负电平控制与门U10a的另一个输入端。在发射首发射信号时,此时的屏蔽控制信号K为0,即低电平,正电平比较器302、负电平比较器303的输出都不会影响后续电路,使得在比较电平自动跳变电路只有在次发射信号发射后的一段时间工作,从屏蔽首发射信号。此时,单稳态触发器304即U9不会有输出信号,D输出始终为0。
当发送次发射信号时,这个时候屏蔽控制信号K=1,负电平比较器303的输出就可以通过负电平控制与门U10a到达单稳态触发器304的下降沿触发端。当与门U10a输出即负电平比较器303输出的下降沿到来时,触发单稳态触发器U9输出高电平信号,这个高电平信号比较电平切换开关S从正比较电平+Ref切换到0电平上,实现比较电平自动跳变到零功能,这个时候触发单稳态触发器U9输出过零比较的计时停止信号。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述,以便于本技术领域的技术人员理解本发明,但应该清楚,本发明不限于具体实施方式的范围,对本技术领域的普通技术人员来讲,只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内,这些变化是显而易见的,一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种超声波信号幅度自适应检测装置,包括:
一前端超声波信号接收电路,用于对一个测量周期内两次发射的超声波信号(首发射信号、次发射信号)进行接收,分别得到首接收信号和次接收信号;
其特征在于,还包括:
一自适应幅度调节电路,由峰值检波模块、作为增益调节的单片机和程控增益放大器构成,首先,程控增益放大器对首接收信号进行程控增益放大,放大后的首接收信号由峰值检波模块测量出单峰值电平,然后单片机内的A/D采集单峰值电平,由单片机内的峰值判断与增益调节控制模块对单峰值电平进行判断,如果单峰值电平的幅度值小了,这个时候通过单片机的IO口输出增益控制字,使程控增益放大电路放大倍数增加,相反,则通过单片机的IO口输出增益控制字,使程控增益放大电路放大倍数减小,从而完成程控增益放大器的增益设置;在完成程控增益放大器的增益设置后,程控增益放大器对接收的次接收信号进行程控增益放大,放大后的次接收信号送入比较电平自动跳变电路;
一比较电平自动跳变电路,由比较电平切换开关、正电平比较器、负电平比较器、单稳态触发器以及计时停止信号合成与门组成;
比较电平切换开关初始将正比较电平切换输入到正电平比较器,正电平比较器在次接收信号到来时,将正比较电平与次接收信号进行比较,如果次接收信号高于正比较电平时,输出高电平,低于正比较电平时,输出低电平;
负电平比较器在次接收信号到来时,将负比较电平与次接收信号进行比较,如果次接收信号高于负比较电平时,输出高电平,低于负比较电平时,输出低电;负电平比较器的输出连接到单稳态触发器的下降沿触发端,当负电平比较器输出的下降沿到来时(高电平转换为低电平时),单稳态触发器输出跳变为高电平;
单稳态触发器输出一方面用于控制比较电平切换开关:在低电平时,将正比较电平切换输入到正电平比较器,在高电平时,将0电平切换输入到正电平比较器,并与放大后的次接收信号进行比较,另一方面连接到计时停止信号合成与门的一个输入端;
同时,正电平比较器的输出连接到计时停止信号合成与门的另一个输入端,计时停止信号合成与门的输出即为计时停止信号。
2.根据权利要求1所述的超声波信号幅度自适应检测装置,其特征在于,所述正电平比较器、负电平比较器的输出分别接正电平控制与门和负电平控制与门的一个输入端,屏蔽控制信号由系统控制电路给出,分别送入与正电平控制门和负电平控制与门的另一个输入端;负电平控制门的输出作为负电平比较器输出连接到连接到单稳态触发器的下降沿触发端,正电平控制门的输出作为正电平比较器的输出连接到计时停止信号合成与门的另一个输入端;
在发射首发射信号时,屏蔽控制信号K为0,当发送次发射信号时,这个时候屏蔽控制信号K为1。
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