CN117856748A - 一种超声波换能器阻抗自适应电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超声波换能器阻抗自适应电路及方法，该电路包括驱动阻抗模块、第一接收阻抗模块、第二接收阻抗模块，以及检测控制模块，其中，第一接收阻抗模块和第二接收阻抗模块的阻抗可调，检测控制模块用于检测驱动阻抗模块、第一接收阻抗模块，及第二接收阻抗模块的阻抗，并计算驱动阻抗模块与第一接收阻抗模块之间的第一阻抗差值，以及驱动阻抗模块与第二接收阻抗模块之间的第二阻抗差值，基于计算结果生成控制信号以控制第一接收阻抗模块和第二接收阻抗模块的阻抗，从而使得驱动阻抗模块和第一接收阻抗模块的阻抗差以及驱动阻抗模块和第二接收阻抗模块的阻抗差满足预设条件，以消除超声波流量计的零漂，提升其测量结果的准确性和可信度。

Description

一种超声波换能器阻抗自适应电路及方法

技术领域

本申请涉及电子技术领域，具体涉及一种超声波换能器阻抗自适应电路及方法。

背景技术

超声波流量计时差法测流速具有测量准确、可靠性高、适用范围广等优点，在实际应用中，超声波流量计可以通过测量超声波在流体中传播的时间差，来确定流体的流速，因此被广泛应用于各种工业、医疗、环保等领域中，为生产和生活提供了重要的技术支持和保障。

然而，超声波流量计在普遍存在零漂现象，即测量结果会随着时间的推移而逐渐偏离实际值，这种现象会影响超声波测量结果的稳定性，使得流量计在长时间使用后可能会出现较大的误差；此外，零漂现象还会严重影响流量计在小流量时测量准确度，因为在小流量情况下，流速较慢，超声波信号的传播时间会更加敏感，而零漂现象会导致传播时间计算不准确，从而影响测量结果。可见，超声波流量计的零漂对其测量结果存在严重影响，使得其测量结果的准确度和可信度都大打折扣。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明提供一种超声波换能器阻抗自适应电路及方法，以解决上述由于零漂现象导致超声波流量计的测量结果不准确的技术问题。

本发明提供的一种超声波换能器阻抗自适应电路，所述超声波换能器阻抗自适应电路包括：驱动阻抗模块，其输入端接驱动信号，其第一输出端接上游超声波换能器的第一端，其第二输出端接下游超声波换能器的第一端，其控制端接第一控制信号，所述驱动信号用于驱动所述上游超声波换能器或所述下游超声波换能器；第一接收阻抗模块，接所述上游超声波换能器的第一端，还接第二控制信号及第三控制信号，所述第三控制信号用于调节所述第一接收阻抗模块的第一接收阻抗；第二接收阻抗模块，接所述下游超声波换能器的第一端，还接第四控制信号及第五控制信号，所述第五控制信号用于调节所述第二接收阻抗模块的第二接收阻抗；检测控制模块，与所述驱动阻抗模块、所述第一接收阻抗模块及所述第二接收阻抗模块分别连接，用于检测并计算所述驱动阻抗模块与所述第一接收阻抗模块之间的第一阻抗差值，或者检测并计算所述驱动阻抗模块与所述第二接收阻抗模块之间的第二阻抗差值，并根据检测计算结果产生所述第三控制信号及所述第五控制信号，所述第一控制信号、所述第二控制信号及所述第四控制信号响应于外部指令生成；其中，当所述第一阻抗差值大于预设阻抗差值，基于所述第三控制信号调节所述第一接收阻抗模块的第一接收阻抗，以减小所述第一阻抗差值，当所述第二阻抗差值大于预设阻抗差值，基于所述第五控制信号调节所述第二接收阻抗模块的第二接收阻抗，以减小所述第二阻抗差值。

于本发明的一实施例中，所述驱动阻抗模块包括第一匹配电阻和第一模拟开关，所述第一匹配电阻的一端通过功率运放与驱动信号连接，另一端接所述第一模拟开关的输入端；所述第一模拟开关的第一输出端接所述上游超声波换能器的第一端，所述第一模拟开关的第二输出端接所述下游超声波换能器的第一端，所述上游超声波换能器的第二端和所述下游超声波换能器的第二端分别接地。

于本发明的一实施例中，所述第一接收阻抗模块包括第二匹配电阻、第二模拟开关，以及第一数字电位器；所述第二模拟开关的输入端接所述上游超声波换能器的第一端，所述第二模拟开关的第一输出端接所述第二匹配电阻的第一端，所述第二模拟开关的第二输出端悬空；所述第一数字电位器的第一端接所述第二匹配电阻的第二端，所述第一数字电位器的第二端接地，所述第一数字电位器的控制端接所述第三控制信号；所述第三控制信号用于调节所述第一数字电位器的阻抗。

于本发明的一实施例中，所述第二接收阻抗模块包括第三匹配电阻、第三模拟开关，以及第二数字电位器；所述第三模拟开关的输入端接所述下游超声波换能器的第一端，所述第三模拟开关的第二端接所述第三匹配电阻的第一端，所述第三模拟开关的第二输出端悬空；所述第二数字电位器的第一端接所述第三匹配电阻的第二端，所述第二数字电位器的第二端接地，所述第二数字电位器的控制端接所述第五控制信号；所述第五控制信号用于调节所述第二数字电位器的阻抗。

于本发明的一实施例中，所述检测控制模块包括第一采样器、第二采样器、第三采样器以及控制器，所述第一采样器用于采集所述第一匹配电阻第一端的电压值、所述第一模拟开关输入端的电压值，以及所述第一模拟开关第一输出端的电压值，并将采集得到的电压值发送至所述控制器；所述第二采样器用于采集所述第二匹配电阻第一端的电压值、所述第二模拟开关输入端的电压值，以及所述第二模拟开关第一输出端的电压值，并将采集得到的电压值发送至所述控制器；所述第三采样器用于采集所述第三匹配电阻第一端的电压值、所述第三模拟开关输入端的电压值，以及所述第三模拟开关第一输出端的电压值，并将采集得到的电压值发送至所述控制器；所述控制器用于接收所述第一采样器、第二采样器及第三采样器采集得到的电压值，并基于采集得到的电压值计算所述驱动阻抗模块的驱动阻抗、所述第一接收阻抗模块的第一接收阻抗，以及所述第二接收阻抗模块的第二接收阻抗。

于本发明的一实施例中，当所述驱动信号用于驱动所述上游超声波换能器时，将所述第一模拟开关的输入端与第一输出端连通，并关闭所述第二模拟开关和所述第三模拟开关；在发出所述驱动信号之后的预设间隔时间之后，关闭所述第一模拟开关，并将所述第三模拟开关的输入端与第一输出端连通，以检测上游回波信号。

于本发明的一实施例中，当所述驱动信号用于驱动所述下游超声波换能器时，将所述第一模拟开关的输入端与第二输出端连通，并关闭所述第二模拟开关和所述第三模拟开关；在发出所述驱动信号之后的预设间隔时间之后，关闭所述第一模拟开关，并将所述第二模拟开关的输入端与第一输出端连通，以检测下游回波信号。

于本发明的一实施例中，在检测并计算所述驱动阻抗模块与所述第一接收阻抗模块之间的第一阻抗差值时，所述控制器被配置为：获取所述第一匹配电阻的第一匹配阻抗、所述第二匹配电阻的第二匹配阻抗，以及所述第一数字电位器的第一电位器阻抗；基于所述第一匹配电阻第一端的电压值和所述第一模拟开关输入端的电压值计算得到所述第一匹配电阻的第一匹配电压，基于所述第一模拟开关输入端的电压值和所述第一模拟开关第一输出端的电压值计算得到所述第一模拟开关的第一开关电压；基于所述第一匹配电压和所述第一匹配阻抗计算得到第一电流，基于所述第一电流和所述第一开关电压得到所述第一模拟开关的第一开关阻抗，并基于所述第一匹配阻抗和所述第一开关阻抗计算得到所述驱动阻抗；基于所述第二匹配电阻第一端的电压值和所述第二模拟开关输入端的电压值计算得到所述第二匹配电阻的第二匹配电压，基于所述第二模拟开关输入端的电压值和所述第二模拟开关第一输出端的电压值计算得到所述第二模拟开关的第二开关电压；基于所述第二匹配电压和所述第二匹配阻抗计算得到第二电流，基于所述第二电流和所述第二开关电压得到所述第二模拟开关的第二开关阻抗，并基于所述第一匹配阻抗、所述第一电位器阻抗，以及所述第二开关阻抗得到所述第一接收阻抗；比较所述驱动阻抗和所述第一接收阻抗，并将所述驱动阻抗与所述第一接收阻抗之间的差值确定为所述第一阻抗差值。

于本发明的一实施例中，在检测并计算所述驱动阻抗模块与所述第二接收阻抗模块之间的第二阻抗差值时，所述控制器被配置为：获取所述第三匹配电阻的第三匹配阻抗，以及所述第二数字电位器的第二电位器阻抗；基于所述第三匹配电阻第一端的电压值和所述第三模拟开关输入端的电压值计算得到所述第三匹配电阻的第三匹配电压，基于所述第三模拟开关输入端的电压值和所述第三模拟开关第一输出端的电压值计算得到所述第三模拟开关的第三开关电压；基于所述第三匹配电压和所述第三匹配阻抗计算得到第三电流，基于所述第三电流和所述第三开关电压计算得到所述第三模拟开关的第三开关阻抗，并基于所述第三匹配阻抗、所述第二电位器阻抗，以及所述第三开关阻抗计算得到第二接收阻抗；比较所述驱动阻抗和所述第二接收阻抗，并将所述驱动阻抗与所述第二接收阻抗之间的差值确定为所述第二阻抗差值。

于本发明的一实施例中，所述控制器还被配置为：当所述第一阻抗差值大于预设阻抗差值，则基于所述第三控制信号调节所述第一数字电位器的第一电位器阻抗，以减小所述第一阻抗差值，直至所述第一阻抗差值小于或等于所述预设阻抗差值；当所述第二阻抗差值大于预设阻抗差值，则基于所述第五控制信号调节所述第二数字电位器的第二电位器阻抗，以减小所述第二阻抗差值，直至所述第二阻抗差值小于或等于预设阻抗差值。

本申请提出一种超声波换能器阻抗自适应方法，其特征在于，所述超声波换能器阻抗自适应方法用于如上所述的超声波换能器阻抗自适应电路，包括：获取所述驱动阻抗模块的驱动阻抗、所述第一接收阻抗模块的第一接收阻抗，以及所述第二接收阻抗模块的第二接收阻抗；计算所述驱动阻抗和所述第一接收阻抗的差值，得到所述第一阻抗差值，并计算所述驱动阻抗和所述第二接收阻抗的差值，得到所述第二阻抗差；若所述第一阻抗差值大于预设阻抗差值，则调节所述第一接收阻抗模块的第一接收阻抗，以减小所述第一阻抗差值，直至所述第一阻抗差值小于或等于所述预设阻抗差值；若所述第二阻抗差值大于预设阻抗差值，则调节所述第二接收阻抗模块的第二接收阻抗，以减小所述第二阻抗差值，直至所述第二阻抗差值小于或等于所述预设阻抗差值。

本发明的有益效果：本发明中的超声波换能器阻抗自适应电路及方法，该电路包括驱动阻抗模块、第一接收阻抗模块、第二接收阻抗模块，以及检测控制模块，其中，第一接收阻抗模块和第二接收阻抗模块的阻抗可调，检测控制模块用于检测驱动阻抗模块、第一接收阻抗模块，及第二接收阻抗模块的阻抗，并计算驱动阻抗模块与第一接收阻抗模块之间的第一阻抗差值，以及驱动阻抗模块与第二接收阻抗模块之间的第二阻抗差值，基于计算结果生成控制信号以控制第一接收阻抗模块和第二接收阻抗模块的阻抗，从而使得驱动阻抗模块和第一接收阻抗模块的阻抗差以及驱动阻抗模块和第二接收阻抗模块的阻抗差满足预设条件，消除了超声波流量计的零漂，提升了测量结果的准确性和可信度。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术者来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1是本申请的一示例性实施例示出的时差法超声波流量计示意图；

图2(a)是本申请的一示例性实施例示出的超声波流量测量系统等效电路1；

图2(b)是本申请的一示例性实施例示出的超声波流量测量系统等效电路2；

图3是本申请的一示例性实施例示出的超声波流量计换能器互易性电路原理框图。

图4是本申请的一示例性实施例示出的超声波换能器阻抗自适应电路框图。

具体实施方式

以下将参照附图和优选实施例来说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书中所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

在下文描述中，探讨了大量细节，以提供对本发明实施例的更透彻的解释，然而，对本领域技术人员来说，可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明的实施例是显而易见的，在其他实施例中，以方框图的形式而不是以细节的形式来示出公知的结构和设备，以避免使本发明的实施例难以理解。

需要说明的是，本发明实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1是本申请的一示例性实施例示出的时差法超声波流量计示意图。

在本申请的一个实施例中，如图1所示，换能器1和换能器2之间存在一定的位置差，通过收发电路连接换能器1和换能器2。以换能器1开始发送脉冲到换能器2接收到脉冲信号的时间为t₁,从换能器2发送脉冲到换能器1接收到脉冲信号的时间为t₂为例，其管道内的流体流速关系则可以通过以下公式表示：

其中，t₁是换能器1开始发送脉冲到换能器2接收到脉冲信号的时间，t₂是换能器2发送脉冲到换能器1接收到脉冲信号的时间，d为管道直径，θ是两超声波换能器与管道水哦平方向夹角。

由式(1)可得，当超声波在静止流体中传播速度可认为是常数时，流体流速就与时间差Δt成正比，测量Δt即可得到流速，进而求得流量。

然而，由于超声波流量计普遍存在零漂，影响超声波测量结果的稳定性，更严重影响流量计在小流量时测量准确度。根据电-声互易理论可知，若系统工作在互易模式下，零流量时顺流、逆流接收信号的幅值和相位完全一致，则该系统的零点误差和零点漂移被完全消除。因此，通过设计精确的互易性收发电路，成为解决超声波流量计零点漂移的有效途径。

图2(a)是本申请的一示例性实施例示出的超声波流量测量系统等效电路1；图2(b)是本申请的一示例性实施例示出的超声波流量测量系统等效电路2。

在本申请的一个实施例中，将超声波流量测量系统的电路进行等效，得到如图2(a)和图2(b)所示的超声波流量测量系统等效电路，由此可得到顺流过程和逆流过程的信号关系如下：

其中，为逆流过程中的驱动端电流，/>为顺流过程中的驱动端电流，Z_S为驱动阻抗，Z_L为接收阻抗，Z_A为换能器A端匹配阻抗，Z_B为换能器B端匹配阻抗。

因此，当换能器A端匹配阻抗和换能器B端匹配阻抗相等时，若驱动阻抗Z_S和接收阻抗Z_L相等，即可满足零流量时顺流、逆流接收信号的幅值和相位完全一致，使得该超声波流量测量系统满足互易性电路要求。

图3是本申请的一示例性实施例示出的超声波流量计换能器互易性电路原理框图。

以采用模拟开关作为上、下游换能器驱动转换元件，驱动信号为正弦波或方波为例，得到如图3所示的超声波流量计换能器互易性电路。根据图3所示的电路，分别控制功率运放驱动上游换能器和下游换能器。当功率运放驱动上游换能器时，通过控制信号使模拟开关S₁的输入端和第一输出端联通，此时模拟开关S₂、S₃的输出入端分别与各自的第二输出端接通，处于关闭状态，并在驱动脉冲发送完成后延时一定时间后，将模拟开关S₁关闭，S₃的输入端与第一输出端接通以检测回波信号；当功率运放驱动下游换能器时，通过控制信号使模拟开关S₁的输入端和第二输出端联通，此时模拟开关S₂、S₃的输入端分别与各自的第二输出端接通，处于关闭状态，并在驱动脉冲发送完成后延时一定时间后将模拟开关S₁关闭，S₂的输入端分别与各自的第一输出端接通，用以检测回波信号，由此驱动阻抗和接收阻抗可基于以下公式表示：

其中，Z_S为驱动阻抗，Z_L1为第一接收阻抗，Z_L2为第二接收阻抗，R_S1为第一模拟开关的阻抗，R₁为第一匹配电阻的阻抗，R_S2为第二模拟开关的阻抗，R₂为第二匹配电阻的阻抗，R_S3为第三模拟开关的阻抗，R₃为第三匹配电阻的阻抗。

因此，当R₁与R₃选择等值高精度的金属膜电阻或绕线电阻，确保温度变化时两者阻值相等，那么只要R_S1等于R_S3，Z_S即与Z_L相等。

图4是本申请的一示例性实施例示出的超声波换能器阻抗自适应电路框图。

需要说明的是，在实际生产生活中，S₁和S₃可以选择同型号的模拟开关，但是由于目前的模拟开关阻值一般只有常温下的特定值，温度变化时模拟开关的导通电阻变化较大且不同模拟开关导通电阻离散性较大。根据相关要求，为保证换能器的互易性，需要Z_S和Z_L偏差不大于0.6欧姆，因此本申请提出如图4所示的能够随温度变化自动调整Z_S或Z_L阻抗的自适应电路，以保证超声波换能器的互易性。

在本申请的一个实施例中，以单通道超声波流量计互易性电路为例，采用模拟开关作为上、下游换能器驱动转换元件，得到如图4所示的超声波流量计换能器互易性电路原理框图。

如图4可得，超声波换能器阻抗自适应电路包括：驱动阻抗模块，其输入端接驱动信号，其第一输出端接上游超声波换能器的第一端，其第二输出端接下游超声波换能器的第一端，其控制端接第一控制信号，驱动信号用于驱动上游超声波换能器或下游超声波换能器；第一接收阻抗模块，接上游超声波换能器的第一端，还接第二控制信号及第三控制信号，第三控制信号用于调节第一接收阻抗模块的第一接收阻抗；第二接收阻抗模块，接下游超声波换能器的第一端，连接第四控制信号及第五控制信号，第五控制信号用于调节第二接收阻抗模块的第二接收阻抗；检测控制模块，与驱动阻抗模块、第一接收阻抗模块及第二接收阻抗模块分别连接，用于检测并计算驱动阻抗模块与第一接收阻抗模块之间的第一阻抗差值，或者检测并计算驱动阻抗模块与第二接收阻抗模块之间的第二阻抗差值，并根据检测计算结果产生第三控制信号及第五控制信号，第一控制信号、第二控制信号及第四控制信号响应于外部指令生成；其中，当第一阻抗差值大于预设阻抗差值，基于第三控制信号调节第一接收阻抗模块的第一接收阻抗，以减小第一阻抗差值，当第二阻抗差值大于预设阻抗差值，基于第五控制信号调节第二接收阻抗模块的第二接收阻抗，以减小第二阻抗差值。

其中，驱动阻抗模块包括第一匹配电阻和第一模拟开关，第一匹配电阻的一端通过功率运放与驱动信号连接，另一端接第一模拟开关的输入端；第一模拟开关的第一输出端接上游超声波换能器的第一端，第一模拟开关的第二输出端接下游超声波换能器的第一端，上游超声波换能器的第二端和下游超声波换能器的第二端分别接地。第一接收阻抗模块包括第二匹配电阻、第二模拟开关，以及第一数字电位器；第二模拟开关的输入端接上游超声波换能器的第一端，第二模拟开关的第一输出端接第二匹配电阻的第一端，第二模拟开关的第二输出端悬空；第一数字电位器的第一端接第二匹配电阻的第二端，第一数字电位器的第二端接地，第一数字电位器的控制端接第三控制信号；第三控制信号用于调节第一数字电位器的阻抗。第二接收阻抗模块包括第三匹配电阻、第三模拟开关，以及第二数字电位器；第三模拟开关的输入端接下游超声波换能器的第一端，第三模拟开关的第二端接第三匹配电阻的第一端，第三模拟开关的第二输出端悬空；第二数字电位器的第一端接第三匹配电阻的第二端，第二数字电位器的第二端接地，第二数字电位器的控制端接第五控制信号；第五控制信号用于调节第二数字电位器的阻抗。检测控制模块包括第一采样器、第二采样器、第三采样器以及控制器，第一采样器用于采集第一匹配电阻第一端的电压值、第一模拟开关输入端的电压值，以及第一模拟开关第一输出端的电压值，并将采集得到的电压值发送至控制器；第二采样器用于采集第二匹配电阻第一端的电压值、第二模拟开关输入端的电压值，以及第二模拟开关第一输出端的电压值，并将采集得到的电压值发送至控制器；第三采样器用于采集第三匹配电阻第一端的电压值、第三模拟开关输入端的电压值，以及第三模拟开关第一输出端的电压值，并将采集得到的电压值发送至控制器；控制器用于接收第一采样器、第二采样器及第三采样器采集得到的电压值，并基于采集得到的电压值计算驱动阻抗模块的驱动阻抗、第一接收阻抗模块的第一接收阻抗，以及第二接收阻抗模块的第二接收阻抗。

由此可见，驱动Y1，Y2接收回波时，自适应电路驱动阻抗和接收阻抗为：

其中，Z_S为驱动阻抗，Z_L1为第一接收阻抗，Z_L2为第二接收阻抗，R_S1为第一模拟开关的阻抗，R₁为第一匹配电阻的阻抗，R_S2为第二模拟开关的阻抗，R₂为第二匹配电阻的阻抗，R_S3为第三模拟开关的阻抗，R₃为第三匹配电阻的阻抗，R_D1为第一数字电位器的阻抗，R_D2为第二数字电位器的阻抗。

需要说明的是，R_D2为数字电位器电阻，该电阻通过控制信号精确可调，分辨率可达到0.05欧姆，此外，R₁和R₃为高精度线绕电阻或金属膜电阻，温度系数小于3ppm，可以认为这两颗电阻阻值不受温度影响。

在本申请的一个实施例中，当驱动信号用于驱动上游超声波换能器时，将第一模拟开关的输入端与第一输出端连通，并关闭第二模拟开关和第三模拟开关；在发出驱动信号之后的预设间隔时间之后，关闭第一模拟开关，并将第三模拟开关的输入端与第一输出端连通，以检测上游回波信号。当驱动信号用于驱动下游超声波换能器时，将第一模拟开关的输入端与第二输出端连通，并关闭第二模拟开关和第三模拟开关；在发出驱动信号之后的预设间隔时间之后，关闭第一模拟开关，并将第二模拟开关的输入端与第一输出端连通，以检测下游回波信号。

在本申请的一个实施例中，在检测并计算驱动阻抗模块与第一接收阻抗模块之间的第一阻抗差值时，控制器被配置为：获取第一匹配电阻的第一匹配阻抗、第二匹配电阻的第二匹配阻抗，以及第一数字电位器的第一电位器阻抗；基于第一匹配电阻第一端的电压值和第一模拟开关输入端的电压值计算得到第一匹配电阻的第一匹配电压，基于第一模拟开关输入端的电压值和第一模拟开关第一输出端的电压值计算得到第一模拟开关的第一开关电压；基于第一匹配电压和第一匹配阻抗计算得到第一电流，基于第一电流和第一开关电压得到第一模拟开关的第一开关阻抗，并基于第一匹配阻抗和第一开关阻抗计算得到驱动阻抗；基于第二匹配电阻第一端的电压值和第二模拟开关输入端的电压值计算得到第二匹配电阻的第二匹配电压，基于第二模拟开关输入端的电压值和第二模拟开关第一输出端的电压值计算得到第二模拟开关的第二开关电压；基于第二匹配电压和第二匹配阻抗计算得到第二电流，基于第二电流和第二开关电压得到第二模拟开关的第二开关阻抗，并基于第一匹配阻抗、第一电位器阻抗，以及第二开关阻抗得到第一接收阻抗；比较驱动阻抗和第一接收阻抗，并将驱动阻抗与第一接收阻抗之间的差值确定为第一阻抗差值。

在本申请的一个实施例中，在检测并计算驱动阻抗模块与第二接收阻抗模块之间的第二阻抗差值时，控制器被配置为：获取第三匹配电阻的第三匹配阻抗，以及第二数字电位器的第二电位器阻抗；基于第三匹配电阻第一端的电压值和第三模拟开关输入端的电压值计算得到第三匹配电阻的第三匹配电压，基于第三模拟开关输入端的电压值和第三模拟开关第一输出端的电压值计算得到第三模拟开关的第三开关电压；基于第三匹配电压和第三匹配阻抗计算得到第三电流，基于第三电流和第三开关电压计算得到第三模拟开关的第三开关阻抗，并基于第三匹配阻抗、第二电位器阻抗，以及第三开关阻抗计算得到第二接收阻抗；比较驱动阻抗和第二接收阻抗，并将驱动阻抗与第二接收阻抗之间的差值确定为第二阻抗差值。

在本申请的另一个实施例中，控制器还被配置为：当第一阻抗差值大于预设阻抗差值，则基于第三控制信号调节第一数字电位器的第一电位器阻抗，以减小第一阻抗差值，直至第一阻抗差值小于或等于预设阻抗差值；当第二阻抗差值大于预设阻抗差值，则基于第五控制信号调节第二数字电位器的第二电位器阻抗，以减小第二阻抗差值，直至第二阻抗差值小于或等于预设阻抗差值。

因此，以驱动上游传感器为例，通过同步采样AD采集的高精度匹配电阻R₁两端电压U₁，以及模拟开关导通时电压U₂，根据欧姆定律，除以已知的R₁电阻值即可得到电流I_R1。由此，根据欧姆定律R_S1可表示为：

其中，R_S1为第一模拟开关的阻抗，U₂为第一模拟开关导通时的电压，I_R1为驱动端电流。

同理可计算得到R_S3，又根据公式(4)可得，若要使得Z_S等于Z_L1，即：

R_S1+R₁＝R_S3+R_D2+R₃，式(6)

又因为R₁、R₃为已知阻值的高精度电阻，R_S1和R_S3可以通过式(5)精确测量得到，通过计算等式(6)左右两端数值，如果相差值大于0.6欧姆即通过数字电位器调整式(8)右侧数值，然后循环测量调整R_D2直至小于0.6欧姆。

同理驱动下游传感器，上游传感器为回波接收时，用同样的方法调整数字电位器R_D1值使之满足R_S1+R₁＝R_S2+R_D1+R₂，左右两端数值上小于0.6，这样可以达到要求的换能器互易性指标即静水时差Δt小于0.5ns，即表示其消除了模拟开关导通电阻随温度变化对换能器互易性的影响，实现了驱动和接收阻抗自适应调整。

此外，本申请还出一种超声波换能器阻抗自适应方法，超声波换能器阻抗自适应方法用于如上的超声波换能器阻抗自适应电路，其包括：获取驱动阻抗模块的驱动阻抗、第一接收阻抗模块的第一接收阻抗，以及第二接收阻抗模块的第二接收阻抗；计算驱动阻抗和第一接收阻抗的差值，得到第一阻抗差值，并计算驱动阻抗和第二接收阻抗的差值，得到第二阻抗差；若第一阻抗差值大于预设阻抗差值，则调节第一接收阻抗模块的第一接收阻抗，以减小第一阻抗差值，直至第一阻抗差值小于或等于预设阻抗差值；若第二阻抗差值大于预设阻抗差值，则调节第二接收阻抗模块的第二接收阻抗，以减小第二阻抗差值，直至第二阻抗差值小于或等于预设阻抗差值。

需要说明的是，上述实施例所提供的超声波换能器阻抗自适应方法与上述实施例所提供的超声波换能器阻抗自适应电路属于同一构思，其中各个不招租的具体实现过程已经在电路的实施例中进行了详细描述，此处不再赘述。

综上所述，基于本发明提出的超声波换能器阻抗自适应电路和方法，通过在接收模块中添加阻抗可调节的数字电位器，并通过采集驱动阻抗模块和第一接收阻抗模块、第二接收阻抗模块的电流和电压，计算得到其相应的模拟开关的阻抗，从而得到整个驱动模块的驱动阻抗，第一接收阻抗模块的第一接收阻抗，以及第二接收阻抗模块的第二接收阻抗，从而进一步基于驱动阻抗和第一接收阻抗的差值对其第一接收阻抗模块的第一数字电位器的阻抗进行调整，以满足驱动阻抗和第一接收阻抗的差值小于预设差值(上述实施例以0.6欧姆为例)，从而实现驱动和接收阻抗自适应调整，消除了超声波流量计的零漂，提升了测量结果的准确性和可信度。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (11)

1.一种超声波换能器阻抗自适应电路，其特征在于，所述超声波换能器阻抗自适应电路包括：

驱动阻抗模块，其输入端接驱动信号，其第一输出端接上游超声波换能器的第一端，其第二输出端接下游超声波换能器的第一端，其控制端接第一控制信号，所述驱动信号用于驱动所述上游超声波换能器或所述下游超声波换能器；

第一接收阻抗模块，接所述上游超声波换能器的第一端，还接第二控制信号及第三控制信号，所述第三控制信号用于调节所述第一接收阻抗模块的第一接收阻抗；

第二接收阻抗模块，接所述下游超声波换能器的第一端，还接第四控制信号及第五控制信号，所述第五控制信号用于调节所述第二接收阻抗模块的第二接收阻抗；

检测控制模块，与所述驱动阻抗模块、所述第一接收阻抗模块及所述第二接收阻抗模块分别连接，用于检测并计算所述驱动阻抗模块与所述第一接收阻抗模块之间的第一阻抗差值，或者检测并计算所述驱动阻抗模块与所述第二接收阻抗模块之间的第二阻抗差值，并根据检测计算结果产生所述第三控制信号及所述第五控制信号，所述第一控制信号、所述第二控制信号及所述第四控制信号响应于外部指令生成；

其中，当所述第一阻抗差值大于预设阻抗差值，基于所述第三控制信号调节所述第一接收阻抗模块的第一接收阻抗，以减小所述第一阻抗差值，当所述第二阻抗差值大于预设阻抗差值，基于所述第五控制信号调节所述第二接收阻抗模块的第二接收阻抗，以减小所述第二阻抗差值。

2.根据权利要求1所述的超声波换能器阻抗自适应电路，其特征在于，所述驱动阻抗模块包括第一匹配电阻和第一模拟开关，

所述第一匹配电阻的一端通过功率运放与驱动信号连接，另一端接所述第一模拟开关的输入端；

所述第一模拟开关的第一输出端接所述上游超声波换能器的第一端，所述第一模拟开关的第二输出端接所述下游超声波换能器的第一端，所述上游超声波换能器的第二端和所述下游超声波换能器的第二端分别接地。

3.根据权利要求2所述的超声波换能器阻抗自适应电路，其特征在于，所述第一接收阻抗模块包括第二匹配电阻、第二模拟开关，以及第一数字电位器；

所述第二模拟开关的输入端接所述上游超声波换能器的第一端，所述第二模拟开关的第一输出端接所述第二匹配电阻的第一端，所述第二模拟开关的第二输出端悬空；

所述第一数字电位器的第一端接所述第二匹配电阻的第二端，所述第一数字电位器的第二端接地，所述第一数字电位器的控制端接所述第三控制信号；

所述第三控制信号用于调节所述第一数字电位器的阻抗。

4.根据权利要求3所述的超声波换能器阻抗自适应电路，其特征在于，所述第二接收阻抗模块包括第三匹配电阻、第三模拟开关，以及第二数字电位器；

所述第三模拟开关的输入端接所述下游超声波换能器的第一端，所述第三模拟开关的第二端接所述第三匹配电阻的第一端，所述第三模拟开关的第二输出端悬空；

所述第二数字电位器的第一端接所述第三匹配电阻的第二端，所述第二数字电位器的第二端接地，所述第二数字电位器的控制端接所述第五控制信号；

所述第五控制信号用于调节所述第二数字电位器的阻抗。

5.根据权利要求4所述的超声波换能器阻抗自适应电路，其特征在于，所述检测控制模块包括第一采样器、第二采样器、第三采样器以及控制器，

所述第一采样器用于采集所述第一匹配电阻第一端的电压值、所述第一模拟开关输入端的电压值，以及所述第一模拟开关第一输出端的电压值，并将采集得到的电压值发送至所述控制器；

所述第二采样器用于采集所述第二匹配电阻第一端的电压值、所述第二模拟开关输入端的电压值，以及所述第二模拟开关第一输出端的电压值，并将采集得到的电压值发送至所述控制器；

所述第三采样器用于采集所述第三匹配电阻第一端的电压值、所述第三模拟开关输入端的电压值，以及所述第三模拟开关第一输出端的电压值，并将采集得到的电压值发送至所述控制器；

所述控制器用于接收所述第一采样器、第二采样器及第三采样器采集得到的电压值，并基于采集得到的电压值计算所述驱动阻抗模块的驱动阻抗、所述第一接收阻抗模块的第一接收阻抗，以及所述第二接收阻抗模块的第二接收阻抗。

6.根据权利要求4所述的超声波换能器阻抗自适应电路，其特征在于，

当所述驱动信号用于驱动所述上游超声波换能器时，将所述第一模拟开关的输入端与第一输出端连通，并关闭所述第二模拟开关和所述第三模拟开关；

在发出所述驱动信号之后的预设间隔时间之后，关闭所述第一模拟开关，并将所述第三模拟开关的输入端与第一输出端连通，以检测上游回波信号。

7.根据权利要求4所述的超声波换能器阻抗自适应电路，其特征在于，

当所述驱动信号用于驱动所述下游超声波换能器时，将所述第一模拟开关的输入端与第二输出端连通，并关闭所述第二模拟开关和所述第三模拟开关；

在发出所述驱动信号之后的预设间隔时间之后，关闭所述第一模拟开关，并将所述第二模拟开关的输入端与第一输出端连通，以检测下游回波信号。

8.根据权利要求5所述的超声波换能器阻抗自适应电路，其特征在于，在检测并计算所述驱动阻抗模块与所述第一接收阻抗模块之间的第一阻抗差值时，所述控制器被配置为：

获取所述第一匹配电阻的第一匹配阻抗、所述第二匹配电阻的第二匹配阻抗，以及所述第一数字电位器的第一电位器阻抗；

基于所述第一匹配电阻第一端的电压值和所述第一模拟开关输入端的电压值计算得到所述第一匹配电阻的第一匹配电压，基于所述第一模拟开关输入端的电压值和所述第一模拟开关第一输出端的电压值计算得到所述第一模拟开关的第一开关电压；

基于所述第一匹配电压和所述第一匹配阻抗计算得到第一电流，基于所述第一电流和所述第一开关电压得到所述第一模拟开关的第一开关阻抗，并基于所述第一匹配阻抗和所述第一开关阻抗计算得到所述驱动阻抗；

基于所述第二匹配电阻第一端的电压值和所述第二模拟开关输入端的电压值计算得到所述第二匹配电阻的第二匹配电压，基于所述第二模拟开关输入端的电压值和所述第二模拟开关第一输出端的电压值计算得到所述第二模拟开关的第二开关电压；

基于所述第二匹配电压和所述第二匹配阻抗计算得到第二电流，基于所述第二电流和所述第二开关电压得到所述第二模拟开关的第二开关阻抗，并基于所述第一匹配阻抗、所述第一电位器阻抗，以及所述第二开关阻抗得到所述第一接收阻抗；

比较所述驱动阻抗和所述第一接收阻抗，并将所述驱动阻抗与所述第一接收阻抗之间的差值确定为所述第一阻抗差值。

9.根据权利要求8所述的超声波换能器阻抗自适应电路，其特征在于，在检测并计算所述驱动阻抗模块与所述第二接收阻抗模块之间的第二阻抗差值时，所述控制器被配置为：

获取所述第三匹配电阻的第三匹配阻抗，以及所述第二数字电位器的第二电位器阻抗；

基于所述第三匹配电阻第一端的电压值和所述第三模拟开关输入端的电压值计算得到所述第三匹配电阻的第三匹配电压，基于所述第三模拟开关输入端的电压值和所述第三模拟开关第一输出端的电压值计算得到所述第三模拟开关的第三开关电压；

基于所述第三匹配电压和所述第三匹配阻抗计算得到第三电流，基于所述第三电流和所述第三开关电压计算得到所述第三模拟开关的第三开关阻抗，并基于所述第三匹配阻抗、所述第二电位器阻抗，以及所述第三开关阻抗计算得到第二接收阻抗；

比较所述驱动阻抗和所述第二接收阻抗，并将所述驱动阻抗与所述第二接收阻抗之间的差值确定为所述第二阻抗差值。

10.根据权利要求9所述的超声波换能器阻抗自适应电路，其特征在于，所述控制器还被配置为：

当所述第一阻抗差值大于预设阻抗差值，则基于所述第三控制信号调节所述第一数字电位器的第一电位器阻抗，以减小所述第一阻抗差值，直至所述第一阻抗差值小于或等于所述预设阻抗差值；

当所述第二阻抗差值大于预设阻抗差值，则基于所述第五控制信号调节所述第二数字电位器的第二电位器阻抗，以减小所述第二阻抗差值，直至所述第二阻抗差值小于或等于预设阻抗差值。

11.一种超声波换能器阻抗自适应方法，其特征在于，所述超声波换能器阻抗自适应方法用于根据权利要求1-10中任一项所述的超声波换能器阻抗自适应电路，包括：

获取所述驱动阻抗模块的驱动阻抗、所述第一接收阻抗模块的第一接收阻抗，以及所述第二接收阻抗模块的第二接收阻抗；

计算所述驱动阻抗和所述第一接收阻抗的差值，得到所述第一阻抗差值，并计算所述驱动阻抗和所述第二接收阻抗的差值，得到所述第二阻抗差；

若所述第一阻抗差值大于预设阻抗差值，则调节所述第一接收阻抗模块的第一接收阻抗，以减小所述第一阻抗差值，直至所述第一阻抗差值小于或等于所述预设阻抗差值；

若所述第二阻抗差值大于预设阻抗差值，则调节所述第二接收阻抗模块的第二接收阻抗，以减小所述第二阻抗差值，直至所述第二阻抗差值小于或等于所述预设阻抗差值。