CN114812711A

CN114812711A - 一种基于超声波传感器的时差确定方法及装置

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Publication number: CN114812711A
Application number: CN202110125441.4A
Authority: CN
Inventors: 杨文寿; 柴永超; 方帅兵; 汪政伟
Original assignee: Newcapec Electronics Co Ltd
Current assignee: Newcapec Electronics Co Ltd
Priority date: 2021-01-29
Filing date: 2021-01-29
Publication date: 2022-07-29

Abstract

本发明属于超声波气体流量检测技术领域，具体涉及一种基于超声波传感器的时差确定方法及装置。该方法首先发射用于驱动发射换能器的调相信号；然后对接收换能器输出信号进行采样，并进行包络提取，得到顺流包络线和逆流包络线；接着找到顺流包络线和逆流包络线中所有的极小值，从中找到顺流包络线和逆流包络线上的由调相引起的真正极值，所述真正极值包括真正极小值和/或真正极大值；最后根据顺流包络线和逆流包络线的真正极值，确定超声波信号时差。本发明利用顺流包络线和逆流包络线上的明显特征点来获取相应的时间信息，进而求取得到超声波信号时差。该方法简单，计算量小，对控制器的要求较低，完成一次计算花费的时间较短，降低系统功耗。

Description

一种基于超声波传感器的时差确定方法及装置

技术领域

本发明属于超声波气体流量检测技术领域，具体涉及一种基于超声波传感器的时差确定方法及装置。

背景技术

超声波传感器进行流体测量的原理为：超声波信号在流体中传播时，会受到流体(气体或者液体)的调制作用，使得信号的幅值、传播速度等特性发生改变，可通过不同的信号处理方法对接收到的信号进行处理，从而得到流体的流速信息，最终实现对流体的精确计量。目前常用的方法包括波束偏移法、多普勒效应法和相关法。

波束偏移法的测量原理如图1所示，包括三个换能器，分别为第一换能器1、第二换能器2和第三换能器3。第一换能器1和第二换能器2的距离等于第三换能器3和第一换能器1的距离。第一换能器1沿垂直管轴线方向发射超声波，当流体静止时，第二换能器2和第三换能器3接收到的信号强度相同；当有流速时，第二换能器2和第三换能器3接收到的信号强度会随流速的改变而发生改变，通过第二换能器2和第三换能器3测量的能量差，可实现流量的测量。该方法受换能器灵敏度、信号强度的影响较大，适应范围较小，尤其是在低流速时，灵敏度较低。

多普勒效应法的测量原理如图2所示，包括两个换能器，分别为第四换能器4和第五换能器5。第四换能器4发出一组频率为f的超声波信号，当该信号穿过流体时，会与流体中的介质(固体颗粒或气泡等)产生一个相对运动，该运动将导致超声波信号产生散射现象，此时第五换能器5接收到的散射信号，其频率为f1。发射频率f、接收频率f1以及流体流速v之间存在以下关系：

其中，c为超声波在流体中的传播速度。该方法要求流体中必须有固体颗粒或气泡等介质，而且流体中的颗粒或气泡要保持良好的均匀性，否则带来的误差波动会很大，而且不能用于气体计量，应用范围受限。

相关法是利用相关函数计算信号的时间延迟。假设顺流接收到的信号为x(t)，逆流接收到的信号为y(t)，采用下式对x(t)和y(t)进行互相关运算：

当R_xy(τ)取最大值时，最大值对应的τ即为信号x(t)、y(t)的时延。该方法的抗干扰能力较强，但是方法中涉及到快速傅里叶正变化、快速傅里叶逆变换、以及运算量很大的插值算法，一次快速傅里叶变换涉及到的运算量为：复数乘法为

复数加为N log₂N，随着采样点数的增加，整体的运算量将会很可观，计算量极大，对一般的MCU来说计算的延迟大、功耗高。

发明内容

本发明提供了一种基于超声波传感器的时差确定方法及装置，用以解决现有技术中时差确定方法计算量较大的问题。

为解决上述技术问题，本发明所包括的技术方案以及技术方案对应的有益效果如下：

本发明提供了一种基于超声波传感器的时差确定方法，包括如下步骤：

1)发射用于驱动发射换能器的调相信号；

2)对接收换能器输出信号进行采样，得到顺流离散信号和逆流离散信号；

3)对顺流离散信号和逆流离散信号进行包络提取，得到顺流包络线和逆流包络线；

4)找到顺流包络线和逆流包络线中所有的极小值，从中找到顺流包络线和逆流包络线上的由调相引起的真正极值，所述真正极值包括真正极小值和/或真正极大值；

5)根据顺流包络线和逆流包络线的真正极值，确定超声波信号时差。

上述技术方案的有益效果为：本发明对发射信号进行简单的相位调制，然后对接收到的顺、逆流离散信号进行轻量级的数学运算，利用顺流包络线和逆流包络线上的明显特征点来获取相应的时间信息，进而求取得到超声波信号时差。该方法简单，计算量小，对控制器的要求较低，完成一次计算花费的时间较短，计算效率高的同时降低整个系统的功耗。

进一步的，步骤5)中采用如下方法以根据顺流包络线和逆流包络线的真正极值确定超声波信号时差包括：

5-1)挑选顺流包络线和逆流包络线的真正极值两侧的若干信号点；

5-2)对挑选出的离散信号点分别进行曲线拟合，对应得到顺流拟合曲线和逆流拟合曲线；

5-3)确定顺流拟合曲线和逆流拟合曲线的最值对应的时间，所述最值包括最小值和/或最大值；

5-4)根据顺流拟合曲线和逆流拟合曲线的最值对应的时间确定超声波信号时差。

其有益效果为：在得到真正极值后并非直接利用真正极值对应的时间来计算超声波信号时差，而是在得到真正极值后，利用真正极值以及真正极值附近的离散信号来找到最终的有效极值，提高了超声波信号时差计算的准确性，进而保证了气体流速的精确测量。

进一步的，所述真正极值为真正极小值，所述超声波信号时差为：

Dt＝t_up-t_dn

其中，Dt为超声波信号时差，t_up为顺流拟合曲线的最小值对应的时间，t_dn为逆流拟合曲线的最小值对应的时间。

进一步的，步骤1)中，所述调相信号为180度调相信号。

进一步的，步骤3)中，采用希尔伯特变换法、或者采用峰值检测结合样条拟合法进行包络提取。

进一步的，步骤5-2)中，采用最小二乘法或者抛物线拟合法进行曲线拟合。

本发明还提供了一种基于超声波传感器的时差确定装置，包括两个换能器、模拟开关和控制器；

所述两个换能器分别为第一换能器和第二换能器，第一换能器位于流道的一侧，第二换能器位于流道的另一侧，且第一换能器位于流道的上游，第二换能器位于流道的下游；

所述模拟开关用于切换两个换能器的工作状态，使两个换能器交替处于以下两种状态：第一换能器作为发射换能器且第二换能器作为接收换能器、以及第二换能器作为发射换能器且第一换能器作为接收换能器；

所述控制器控制连接所述模拟开关，且通过模拟开关连接与两个换能器相连，所述控制器用于执行计算机程序以实现上述介绍的基于超声波传感器的时差确定方法，并能达到与该方法相同的有益效果。

进一步的，还包括发送放大电路和接收放大电路，发送放大电路和接收放大电路均与控制器相连，且发送放大电路和接收放大电路均与模拟开关相连，实现了第一换能器连接至发送放大电路且第二换能器连接至接收放大电路、或者第二换能器连接至发送放大电路且第一换能器连接至接收放大电路。

其有益效果为：整个装置中只设置了一个发送放大电路便实现了对控制器输出的激励信号的放大，只设置了一个接收放大电路便实现了对接收换能器输出信号的放大，使整个装置的结构更为简单，易于实现。

进一步的，所述控制器为MCU。

附图说明

图1是现有技术中的波束偏移法的测量原理图；

图2是现有技术中的多普勒效应法的测量原理图；

图3是本发明的基于超声波传感器的时差确定装置的结构图；

图4是MCU发射的调相信号的示意图；

图5是采样的顺、逆流离散信号的示意图；

图6是提取的顺、逆流包络线的示意图；

图7是本发明的基于超声波传感器的时差确定方法的流程图。

具体实施方式

本发明通过发射信号进行简单的相位调制，对接收到的顺、逆流信号进行轻量级的数学运算，即可完成时差测量。下面结合附图及实施例，对本发明的一种基于超声波传感器的时差确定装置以及一种基于超声波传感器的时差确定方法进行详细说明。

装置实施例：

本发明的一种基于超声波传感器的时差确定装置实施例，结构图如图3所示，该装置包括主控MCU、模拟开关、两个换能器、发送放大电路和接收放大电路。

两个换能器分别为换能器A和换能器B，这两个换能器分别位于气体流道的两测，且换能器A位于流道的上游，换能器B位于流道的下游。换能器A和换能器B均与模拟开关相连，发送放大电路和接收放大电路均与模拟开关相连，模拟开关由主控MCU控制，且主控MCU控制器与发送放大电路相连，用于驱动其中一个换能器产生超声波信号，主控MCU还与接收放大电路相连，用于接收另一个换能器输出的超声波信号。两个换能器可交替工作于如下两种状态：模拟开关控制选择顺流方向时，将换能器A作为发射换能器，换能器B作为接收换能器，主控MCU发出的调相PWM激励信号经过发送放大电路发送至换能器A，待换能器B接收到超声波信号后，换能器B输出的信号通过接收放大电路进行处理，得到的回波信号送入主控MCU供其进行后期的信号处理；模拟开关控制选择逆流方向时，将换能器B作为发射换能器，换能器A作为接收换能器，主控MCU发出的调相PWM激励信号经过发送放大电路发送至换能器B，待换能器A接收到超声波信号后，换能器A输出的信号通过接收放大电路进行处理，得到的回波信号送入主控MCU供其进行后期的信号处理。

主控MCU执行计算程序以后期的信号处理过程即为实现本发明的一种基于超声波传感器的时差确定方法，下面结合图7，具体介绍。

步骤一，主控MCU发射若干个调相信号，用于驱动发射换能器，产生所需的超声波信号，例如可为如图4所示的180度调相信号。

步骤二，主控MCU将接收换能器输出的信号进行采样，采样的顺、逆流离散信号如图5所示。

步骤三，采用希尔伯特变换法，对采样后的顺、逆流离散信号进行包络提取，并进行归一化处理，最终得到的顺、逆流包络线如图6所示。

步骤四，首先对最终得到的顺、逆流包络线进行粗略极小值搜索，记录寻找到的所有极小值y_顺min(k)、y_逆min(k)以及对应的时刻t_顺min(k)、t_逆min(k)，k＝1,2,3,……；然后再从找到的极小值中进行详细定位，找到因调相引起的真正极小值(t_顺min(idx),y_顺min(idx))、(t_逆min(idy),y_逆min(idy))，idx、idy为k中的一个具体数值，具体定位方法如下：从换能器的特性分析，以及大量的仿真验证，可知当包络变化因相位改变引起的极小值，在该极小值两边的波形斜率变化最大，且极小值两边的连续若干个点都呈递减规律下降。

步骤五，针对获取的真正极小值(t_顺min(idx),y_顺min(idx))、(t_逆min(idy),y_逆min(idy))，在真正极小值点左右各找连续个若干离散信号点(即步骤三中的计算包络后的信号点)，例如，顺流所取的点为：……、(t_顺min(idx-2),y_顺min(idx-2))、(t_顺min(idx-1),y_顺min(idx-1))、(t_顺min(idx),y_顺min(idx))、(t_顺min(idx+1),y_顺min(idx+1))、(t_顺min(idx+2),y_顺min(idx+2))、……，采用最小二乘法将这些若干点进行曲线拟合，分别得到顺、逆流拟合曲线，再求取顺、逆流拟合曲线的最小值点(即有效极小值)及对应的时间，分别为t_up、t_dn。

步骤六，根据t_up、t_dn求取时差Dt，即Dt＝t_up-t_dn。

至此，便可完成超声波信号时差的计算，进而可利用时差进行气体流速的计算。该装置及实现的方法具有如下特点：

1、本发明的方法在计算时，实际参与的采样点数一般为

仅需要m次复数惩罚、以及m-1次复数加法，相较于现有技术，总体上运算量明显减少，且涉及的算法也较少。

2、对MCU要求较低，不受专用芯片的限制，增大MCU芯片的选择范围。

3、完成一次测试工作时间短，系统功耗较低。

4、通用MCU发送调相PWM波，作为换能器的激励信号，无需专用的波形发送器。

5、装置中的两个换能器，均即可作为发送换能器又可作为接收换能器，方便且实用。

本实施例的步骤一中，主控MCU发射的调相信号为180度调相信号。作为其他实施方式，还可令主控MCU发射其他形式的调相信号，例如移动通信中的BPSK、QPSK、8PSK等调制。

本实施例的步骤三中，采用希尔伯特变换法对采样后的顺、逆流离散信号进行包络提取。作为其他实施方式，还可采用现有技术中的其他方法进行包络提取，例如局部峰值检测结合样条线拟合。

本实施例的步骤五中，采用最小二乘法以拟合得到顺、逆流拟合曲线。作为其他实施方式，还可采用现有技术中的其他方法进行曲线拟合，例如抛物线拟合法。

本实施例的四至步骤六中，仅找到顺流包络线和逆流包络线的由调相引起的真正极小值，进而找到有效极小值，利用两个有效极小值对应的时间来计算超声波信号时差。作为其他实施方式，在步骤四中，不再找真正极小值，而是找真正极大值(其方法同步骤四中描述的找真正极小值的方法类似)，进而采用同步骤五类似的方法找到有效极大值，利用两个有效极大值对应的时间来计算超声波信号时差。另外，还可采用如下方法计算超声波信号时差：先根据步骤四至步骤六的方法计算得到利用极小值计算得到的超声波信号时差，再根据同步骤四至步骤六类似的方法计算得到利用极大值计算得到的超声波信号时差，求取利用极小值计算得到的超声波信号时差和利用极大值计算得到的超声波信号时差的平均值，将该平均值作为最终的超声波信号时差。

方法实施例：

本发明的一种基于超声波传感器的时差确定方法实施例，其流程如图7所示，同装置实施例中介绍的一种基于超声波传感器的时差确定方法相同，这里不再赘述。

Claims

1.一种基于超声波传感器的时差确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)发射用于驱动发射换能器的调相信号；

2.根据权利要求1所述的基于超声波传感器的时差确定方法，其特征在于，步骤5)中采用如下方法以根据顺流包络线和逆流包络线的真正极值确定超声波信号时差包括：

3.根据权利要求2所述的基于超声波传感器的时差确定方法，其特征在于，所述真正极值为真正极小值，所述超声波信号时差为：

Dt＝t_up-t_dn

4.根据权利要求1所述的基于超声波传感器的时差确定方法，其特征在于，步骤1)中，所述调相信号为180度调相信号。

5.根据权利要求1所述的基于超声波传感器的时差确定方法，其特征在于，步骤3)中，采用希尔伯特变换法、或者采用峰值检测结合样条拟合法进行包络提取。

6.根据权利要求2所述的基于超声波传感器的时差确定方法，其特征在于，步骤5-2)中，采用最小二乘法或者抛物线拟合法进行曲线拟合。

7.一种基于超声波传感器的时差确定装置，其特征在于，包括两个换能器、模拟开关和控制器；

所述控制器控制连接所述模拟开关，且通过模拟开关连接与两个换能器相连，所述控制器用于执行计算机程序以实现如权利要求1～6任一项所述的基于超声波传感器的时差确定方法。

8.根据权利要求7所述的基于超声波传感器的时差确定装置，其特征在于，还包括发送放大电路和接收放大电路，发送放大电路和接收放大电路均与控制器相连，且发送放大电路和接收放大电路均与模拟开关相连，实现了第一换能器连接至发送放大电路且第二换能器连接至接收放大电路、或者第二换能器连接至发送放大电路且第一换能器连接至接收放大电路。

9.根据权利要求7所述的基于超声波传感器的时差确定装置，其特征在于，所述控制器为MCU。