CN114370931B - 一种快速计算超声波换能器频率的方法 - Google Patents

一种快速计算超声波换能器频率的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种快速计算超声波换能器频率的方法，包括：步骤1：FPGA控制中心开启计时单元，同时启动脉冲激励单元；步骤2：FPGA控制中心在计时满X1后开启模数转换器ADC，同时打开相邻脉冲峰值比例检测逻辑单元；步骤3：计算风速和风向；步骤4：FPGA控制中心在完成定时测量后等待X2，打开正向过零间隔检测单元；步骤5：FPGA控制中心在得到4次过零间隔测量值后，把过零间隔测量值存下来，并关闭模数转换器ADC；步骤6：FPGA通知计算单元计算发射端换能器的固有频率。与传统扫频测量脉冲幅值的方式相比，本方法抗干扰能力强，因为实际使用环境中，风会对接收信号幅值有很大干扰，但对过零点干扰不大。

Description

一种快速计算超声波换能器频率的方法
技术领域
本发明涉及一种快速计算超声波换能器频率的方法。
背景技术
很多采用超声波换能器的设备需要准确知道超声波换能器固有频率(由换能器本身的属性决定)才能精准稳定地工作，但换能器的固有频率经常受到温度、压力等外界因素的影响，进而发生变化，这就需要设备能够对当前所用换能器的固有频率进行实时测量。针对风速风向传感器来说，传统的做法是当风速风向测量失败时(多数情况是温度变化影响到了换能器的固有频率)，设备会自动调用校准程序来完成固有频率校准，然后才能继续工作，即在调用校准程序时，会暂时打断风速风向的测量。
发明内容
发明目的：为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种快速计算超声波换能器频率的方法，包括以下步骤：
步骤1：FPGA控制中心开启计时单元，并同时启动脉冲激励单元，脉冲激励单元产生一组脉冲；
步骤2：FPGA控制中心在计时满X1后开启模数转换器ADC，同时打开相邻脉冲峰值比例检测逻辑单元，相邻脉冲峰值比例检测逻辑单元能够完成三个功能：正向峰值检测、峰值存储和峰值幅度比值计算，相邻脉冲峰值比例检测逻辑单元每完成一次峰值比例计算后会通知FPGA控制中心；
步骤3：FPGA控制中心等待相邻脉冲峰值比例检测逻辑单元给出的比值，当比值与预先设定的接近时，则完成定时，把当前计时器数值保存下来，在完成四次时间测量后，计算单元根据这四次测量时间tcd、tdc、tab、tba计算风速和风向；
步骤4：FPGA控制中心在完成定时测量后等待X2，然后打开正向过零间隔检测单元，正向过零间隔检测单元完成正向过零点检测、过零时间存储和相邻过零点时间间隔计算，正向过零间隔检测单元每完成一次过零间隔测量，即向控制中心汇报一次；
步骤5：FPGA控制中心在得到4次过零间隔测量值n1、n2、n3、n4后，把过零间隔测量值存下来，并关闭模数转换器ADC；
步骤6：FPGA通知计算单元计算发射端换能器的固有频率。
步骤2中，X1取值为280us。
本发明一实施方式中，步骤3中，所述当比值与预先设定的接近时，是指在预设值正负0.1误差范围内。
本发明一实施方式中，步骤3中，所述计算单元根据这四次测量时间tcd、tdc、tab、tba计算风速和风向，具体包括：
设定A、B、C、D分别为相互垂直正交排列的超声波换能器且分布方向分别为北、南、西、东，设定在CD方向上的风速为Vx，C与D间距为L，则超声波信号传播路径长度为L，在无风环境下超声波在空气中的传播速度为V0，测得超声波信号从换能器C发射到换能器D接收之间的时间为tcd，从换能器D发射到换能器C接收之间的时间为tdc，以CD方向为正方向，则：
顺风情况下：
L＝(V0-VX)*tcd (1)
逆风情况下：
L＝(V0-Vx)*tdc (2)
将(1)与(2)两公式结合计算得到CD方向上风速计算公式(3)：
则BA方向上风速Vy计算公式如(4)所示：
将两方向上的风速进行合成得到实际风速V1如式(5)所示：
最终风向角θ计算如公式(6)所示：
步骤4中，X2取值为15us。
步骤6中，发射端换能器的固有频率为
本发明具有如下有益效果：
(1)利用自有振荡波形的过零点间隔计算固有频率。
(2)在不打断风速风向测量的情况下，完成对超声波换能器固有频率的测量。然后根据当前换能器固有频率来调整下一次激励换能器所用电脉冲串的频率，这样不会出现打断风速风向测量的问题。
(3)与传统扫频测量脉冲幅值的方式相比，本方法抗干扰能力强，因为实际使用环境中，风会对接收信号幅值有很大干扰，但对过零点干扰不大。
(4)测试速度快，传统扫频方式需要扫很多频点，最后可能还要通过插值计算获得结果，本发明提出的方法仅需要一次，而且是在正常的测量过程中完成的。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是超声波测量风速风向原理框图
图2是接收到的信号示意图
图3是超声波风速风向传感器示意图
图4是接收到的包络信号示意图
图5是接收到的脉冲串波峰幅值关系示意图。
图6是接收到的包络信号振荡种类示意图。
具体实施方式
本发明以超声波风速风向传感器为案例，以此更好阐述一种快速计算超声波换能器频率的方法，图3是超声波风速风向传感器。该传感器有四颗超声波换能器，测量原理是测量超声波的度越时间，根据度越时间计算出分量风速，再通过分量风速计算出风速、风向。因此，度越时间的精确测量是该类传感器的核心技术。测量某一方向度越时间的方法是发射方发射一组脉冲串后，开始计时，接收方收到脉冲串后，停止计时，这样就得到了这一个方向的度越时间，因此关键问题是如何确定接收到的脉冲串与发射的脉冲串之间的对应关系，因为接收信号波形不是脉冲，而是一个包络信号，如图4所示。由图4可知，包络信号中的脉冲个数通常远远大于激励发射换能器的高压电脉冲个数，这是因为发射换能器被激发后，它可以储存很多能量，这些能量需要慢慢释放，就像是敲钟一样，余音会持续很长时间。观察接收到的包络信号的前半部分，这里的脉冲幅度逐渐变大，是因为发射换能器在激励电脉冲的作用下，能量越来越大。测量超声波度越时间的关键问题是要确定包络信号前半部分中哪一个脉冲与发射的激励电信号中的哪一个脉冲相对应起来，通常采用的方法是看相邻两个脉冲波峰幅值之间的比值，如图5所示。假如通过脉冲波峰幅值peak3来计算度越时间，只要接收方检测到当前脉冲波峰幅值与前一个脉冲波峰幅值的比值为1.7，即可停止计时。但是现在又面临一个新的棘手问题，当温度、压力等外界因素发生变化时，超声波换能器的固有频率会发生变化，进一步导致相邻脉冲波峰幅值的比值发生改变，从而导致计时错误，为解决这个问题，就需要实时测量换能器的固有频率，然后根据测量值实时调整激励发射换能器的电脉冲频率。实时测量发射换能器固有频率传统是调用单独的校准程序，通过频率扫描，观察幅度最大值来获得，这样做极为麻烦，而且在调用校准程序时，就无法完成风速测量，会造成短暂的无法测量问题。本发明所要解决的问题就是在不打断风速风向测量的情况下完成对换能器固有频率的测量。
接收到的包络信号前半部分是发射换能器在电脉冲激励存在时的一个响应，后半部分则是发射换能器的自由振荡波形，如图6所示，受激振荡的过零周期与激励信号周期相同，而自由振荡信号的过零周期由换能器本身的属性决定，即换能器固有频率。本发明要做的就是实时测量这部分信号波形的周期。然后根据测量值实时调整激励发射换能器的电脉冲频率，避免超声波换能器固有频率受到温度、压力等外界因素影响发生变化，进一步导致相邻脉冲波峰幅值的比值发生改变，从而导致计时错误、影响风速风向测量的精度。
风速风向传感器产品在测量度越时间时，一般是检测到满足波峰幅值比例关系的脉冲时，停止计时，并开始下一个方向的度越时间测量。为完成超声波换能器固有频率的测量，本发明在停止计时后，等待几个脉冲时间后，确保接收到的信号为自由振荡信号，这时再进行过零点的间隔测量，从而实时测量出超声波换能器当前的固有频率。利用超声波测量风速风向的原理框图如图1所示，这里仅讨论一个方向的超声波度越时间测量方法，以及测量发射端换能器固有频率的方法。由图1可知，换能器A发射超声波，换能器B接收超声波，根据前面的描述，接收到的信号是一组脉冲，幅度先是逐渐变大，然后又逐渐变小，我们根据相邻脉冲的幅度比值来定时，在定时完成后，接着进行发射端换能器固有频率测量。接收到的信号(ADC之前)大致如图2所示：图2的纵坐标为接收信号幅值，横坐标为时间，时间的0点是发射脉冲串的时刻，由图2可知第一个脉冲时刻约为330us，该时间为实际的度越时间，然而实际测量环境较为复杂，接收信号容易受到干扰，往往找不到第一个，下面阐述一下实际的操作步骤：
步骤1：FPGA控制中心开启计时单元，并同时启动脉冲激励单元，脉冲激励单元产生一组脉冲；
步骤2：FPGA控制中心在计时满280us后开启ADC，同时打开相邻脉冲峰值比例检测逻辑单元，相邻脉冲峰值比例检测逻辑单元能够完成三个功能：正向峰值检测、峰值存储和峰值幅度比值计算，相邻脉冲峰值比例检测逻辑单元每完成一次峰值比例计算后会通知FPGA控制中心；
步骤3：FPGA控制中心等待相邻脉冲峰值比例检测逻辑单元给出的比值，当比值与预先设定的接近时，比如在预设值正负0.1误差范围内，则完成定时，把当前计时器数值保存下来，在完成四次时间测量后，计算单元(此处对应风速风向计算公式5、6)会根据这四次测量时间tcd、tdc、tab、tba计算风速和风向；
假定A、B、C、D分别为相互垂直正交排列的超声波换能器且分布方向分别为北、南、西、东。假设在CD方向上的风速为Vx，C与D间距为L，则有超声波信号传播路径长度为L，在无风环境下超声波在空气中的传播速度为V0，测得超声波信号从换能器C发射到换能器D接收之间的时间为tcd，从换能器D发射到换能器C接收之间的时间为tdc，以CD方向为正方向，那么有：
顺风情况下：
L＝(V0-VX)*tcd (1)
逆风情况下：
L＝(V0-Vx)*tdc (2)
将(1)与(2)两公式结合计算得到CD方向上风速计算公式(3)：
同理可得BA方向上风速计算公式如(4)所示：
将两方向上的风速进行合成得到实际风速如式(5)所示：
最终风向角计算如公式(6)所示：
步骤4：FPGA控制中心在完成定时测量后等待15us，然后打开正向过零间隔检测单元，正向过零间隔检测单元完成正向过零点检测、过零时间存储和相邻过零点时间间隔计算，正向过零间隔检测单元每完成一次过零间隔测量，即向控制中心汇报一次；
步骤5：FPGA控制中心在得到4次过零间隔测量值n1、n2、n3、n4后，把过零间隔测量值存下来，并关闭ADC；
步骤6：FPGA通知计算单元(此处对应)计算发射端换能器的固有频率。
基于这种方法，本发明用不同频率的激励脉冲串去激励换能器，计算出的换能器固有频率基本一致，说明该方法稳定可靠，实验数据如下表1所示：
表1
本发明提供了一种快速计算超声波换能器频率的方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (1)

1.一种快速计算超声波换能器频率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：FPGA控制中心开启计时单元，并同时启动脉冲激励单元，脉冲激励单元产生一组脉冲；
步骤2：FPGA控制中心在计时满X1后开启模数转换器ADC，同时打开相邻脉冲峰值比例检测逻辑单元，相邻脉冲峰值比例检测逻辑单元能够完成三个功能：正向峰值检测、峰值存储和峰值幅度比值计算，相邻脉冲峰值比例检测逻辑单元每完成一次峰值比例计算后会通知FPGA控制中心；
步骤3：FPGA控制中心等待相邻脉冲峰值比例检测逻辑单元给出的比值，当比值与预先设定的接近时，则完成定时，把当前计时器数值保存下来，在完成四次时间测量后，计算单元根据这四次测量时间tcd、tdc、tab、tba计算风速和风向；
步骤4：FPGA控制中心在完成定时测量后等待X2，然后打开正向过零间隔检测单元，正向过零间隔检测单元完成正向过零点检测、过零时间存储和相邻过零点时间间隔计算，正向过零间隔检测单元每完成一次过零间隔测量，即向控制中心汇报一次；
步骤5：FPGA控制中心在得到4次过零间隔测量值n1、n2、n3、n4后，把过零间隔测量值存下来，并关闭模数转换器ADC；
步骤6：FPGA通知计算单元计算发射端换能器的固有频率；
步骤2中，X1取值为280us；
步骤4中，X2取值为15us；
步骤6中，发射端换能器的固有频率为
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