CN1207541C - 高分辨率式超声波传输时间差测量方法 - Google Patents

Abstract

一种高分辨率式超声波传输时间差测量方法，将测量信号S1分别加到检测设备不同发射端，在检测设备接收端接收信号，尤其是该方法利用两频率接近的超声波S1和S2直接叠加后合成波的包络V_A作为基准，再将收到的不同延时信号分别与S2进行叠加；对两次叠加波形的包络V_U、V_D进行传输时间比较后得到传输时间差Δt。本发明能成百倍、千倍地放大原传输时间差，提高测量精度，将超声波测量仪器仪表提高到10pS的水平。

Description

高分辨率式超声波传输时间差测量方法

技术领域  本发明涉及超声波测量技术，特别涉及对超声波传输时间差的测量技术。

背景技术  超声波测量技术是应用较为广泛的现代测量技术，典型的如声纳系统、医疗诊断系统、超声测距、流量测量、液位测量、超声波探伤等。采用超声波技术进行各种测量，实际上是利用超声波在某一媒介的传播、在不同媒介界面的反射、折射等特性及传输时间来完成的，因此，精确地测量出超声波的传输时间或传输时间差是实现超声波测量的前提和基础。

我们知道，超声波在绝大部分介质的传输速度(纵波传输速度)都在每秒1000米以上，而需要测量的距离大都在毫米或厘米数量级，也就是说，需要测量的超声波传输时间为微秒级、传输时间差为纳秒级。

在许多测量方面，往往是通过超声波的传输时间差来反映被测量。为了保证测量的精度，我们就必须将超声波的传输时间差精确地分辨并测量到0.1nS(纳秒)左右，要达到这样的测量精度，其实现是非常困难和昂贵的。

假定有两束检测到的同频超声波信号S1和S2，由于受到某一被测参量的影响，造成S1和S2到达检测端的时间不一致，即产生了传输时间差Δt。

设超声波信号频率f＝1MHz，有

      S1＝Asin(ωt+φ1)

      S2＝Bsin(ωt+φ2)

式中：t为时间，单位取μS(微秒)

      ω＝2πf(频率f＝1MHz)

从上两式可求出传输时间差Δt：

      Δt＝(φ2-φ1)/ω(μS)

或    Δt＝500(φ2-φ1)/π(nS)

从图1可以看出，直接采用常规电路测量超声波传输时间差Δt并将其精确到0.1nS(纳秒)是非常困难的。

由以上分析可知，现有技术中，流体流量的测量及其它许多物理量的测量需要通过超声波的传输时间差来反映被测量。为达到足够的测量精度，必须将超声波的传输时间差精确地分辨并将其测量精度提高到0.1nS(纳秒)以上。这在使用同频超声波上下游相向传播的测量系统中差不多是其极限而很难再加以提高。

发明内容  本发明为克服上述现有技术的不足之处而提出一种新的测量方法，可以将两组超声波传输的时间差转换成另一组相关频率的波形，新波形为调幅波并与传输时间差有确定的关系，其包络线波形随传输时间差的微小变化而在时间轴上产生较大平移，因而能成百倍地放大原传输时间差，达到提高测量精度的目的。

本发明的目的可以通过采用以下技术方案来达到：

设计、采用一种高分辨率式超声波传输时间差测量方法，将测量信号S1分别加到检测设备不同发射端，在检测设备的接收端接收信号，尤其是该方法利用两频率接近的超声波测量信号和参照信号直接叠加后合成波的包络作为基准，再将收到的不同延时信号分别与参照信号进行叠加；对两次叠加波形的包络进行相位比较后得到传输时间差。

该方法适用于所有超声波检测对象，并具有以下步骤：

L、将测量信号S1与参照信号S2直接叠加获取包络信号V_A；

M、将测量信号S1加到检测设备的不同发射端，从相应接收端收到与S1同频率而不同延时的信号S11和S12并分别与参照信号S2叠加，获取不同叠加波形的包络信号；

N、比较两个包络信号的相位，得到传输时间差。

附图说明：

图1是现有技术的测量方法中，传输时间差短暂的示意图；

图2是本发明高分辨率式超声波传输时间差测量方法一个实施例图；

图3是所述频率差为1％幅度差为5％时间ΔT为零的叠加波形图；

图4是所述频率差为1％幅度差为5％时间ΔT为0.1μS的叠加波形图；

图5是所述频率差为1％幅度差为5％时间ΔT为-0.1μS的叠加波形图；

图6是所述频率差为0.1％幅度差为5％时间ΔT为0.1S的叠加波形图；

图7是本发明不同传输时间波形包络比较及传输时间差示意图。

具体实施方式  以下结合附图说明本发明的最佳实施例。

一种高分辨率式超声波传输时间差测量方法，将测量信号S1分别加到检测设备不同发射端，在检测设备的接收端接收信号，尤其是该方法利用两频率接近的超声波测量信号和参照信号直接叠加后合成波的包络作为基准，再将收到的不同延时信号分别与参照信号进行叠加；对两次叠加波形的包络进行相位比较后得到传输时间差。

该方法适用于所有超声波检测对象，并具有以下步骤：

L、将振荡器1产生的测量信号S1与振荡器2产生的参照信号S2直接叠加即经叠加解码装置3中加法器31和解码器32处理获取包络信号V_A；

M、将测量信号S1加到检测设备的不同发射端，从相应接收端收到与S1同频率而不同延时的信号S11和S12并分别与参照信号S2叠加，即经叠加解码装置4中加法器41和解码器42处理，获取不同叠加波形的包络信号；

N、比较两个包络信号相位，得到传输时间差。

在一些实施例中，所述步骤M又可以包含以下分步骤：

m1.分设两组发射接收端设备，并将测量信号S1同时加到检测设备的上、下游两个发射端上。

m2.在检测设备的上、下游两个接收端上同时接收发射端发射来的信号S11和S12，并分别与参照信号S2叠加。

m3.将叠加后的波形进行解码处理，分别获得上、下游接收信号叠加波形的包络Vu和V_D。

所述步骤N又可以包含以下分步骤：

n1.分别将上游接收到的信号叠加波形包络Vu与下游接收到的信号叠加波形包络V_D相对于发射时刻的延迟进行比较，得到超声波传输时间差。

在本实施例中，所述步骤M又包含以下分步骤：

m1.设置兼作发射和接收的一对设备71和72，并轮流使用电子式双刀双位开关8将频率为1MHz的测量信号S1加到其中一端设备上；同时，接通另一端的接收通路；

m2.将上游收发端71接收到的信号S11与其幅值B为测量信号S1的幅值A的0.95倍，频率为1.01MHz的参照信号S2在加法器41中进行叠加并在解码器42中作解码处理，得到其包络V_U；

m3.将下游收发端72接收到的信号S12与其幅值B为测量信号S1的幅值A的0.95倍，频率为1.01MHz的参照信号S2在加法器41中进行叠加并在解码器42中作解码处理，得到其包络V_D；

所述步骤N又包含以下分步骤：

n1.将上游包络V_U和下游包络V_D进行移位比较，即在传输时间检测单元5中对双刀双位开关的固定延时进行补偿后得到因各自的传输时间引起的波谷点水平移动dT1和dT2，对两水平移动进行传输时间比较，可首先获得因传输延时引起的波谷点水平移动dT1和dT2的差Δt，该值除以两超声波信号S1和S2的相对频率差的倒数，本实施例中为100，即得出超声波传输时间差Δt/100。

本实施例中，由中央控制单元6控制所述电子式双刀双位开关8的轮流接入；该中央控制单元6还控制传输时间检测单元5以补偿电子开关8引起的波形延时。所述上游收发端71和下游收发端72设置在需超声波检测的检测对象9的适当位置。图2中示出实施装置框图。其中

点波形和叠加解码装置4内部波形 见图6。

在另一些实施例中：

所述测量信号S1的频率为1MHz；

所述参照信号S2的频率为1.001MHz。

所述参照信号S2的幅值B为测量信号S1幅值A的0.9倍。

可见波谷点水平移动放大到实际传输时间的1000倍，更加提高了分辨率。

在其他实施例中，测量信号S1的频率可以是f₁＝0.1MHz至10MHz；参照信号S2的频率可以是f₂＝(1+0.01)f₁MHz，也可以是f₂＝(1+0.001)f₁MHz。

本发明的原理可以表达如下：

发送两束不同频率的超声波信号，并将接收的信号进行叠加，那么叠加后的波形为一调幅波。

设S1＝Asin(2πf1*t)，S2＝Bsin[2πf2*(t+Δt)]，其中f1、f2为两超声波信号的频率，Δt为两信号的传输时间差，当Δt＝0时，叠加波形如图3所示。

当两路接收的超声波信号S1和S2由于受到某一被测参量的影响，产生传输时间差时(Δt≠0)，其幅值的谷点将在时间轴上水平移动，并且幅值谷点水平移动的间隔(时间)同传输时间差Δt成正比。

设幅值谷点水平移动的间隔(时间)为T，则有T＝k*Δt。

通过选用不同的频率组合f1和f2，则可改变上式K值的大小，以下作具体的分析。

(1)令f1＝1MHz、f2＝1.01MHz(f1和f2相差1％，即0.01)、Δt＝0.0μS，信号S1和S2叠加波形的第一个幅值谷点在时间轴上的位置为t00＝50.0μS，见图3。

(2)令f1＝1MHz、f2＝1.01MHz(f1和f2相差1％，即0.01)、Δt＝0.1μS，信号S1和S2叠加波形的第一个幅值谷点在时间轴上的位置为t01＝40.0μS，见图4。

(3)令f1＝1MHz、f2＝1.01MHz(f1和f2相差1％，即0.01)、Δt＝-0.1μS，信号S1和S2叠加波形第一个幅值谷点在时间轴上的位置为t02＝60.0μS，见图5。

通过以上三图的演示分析，可以得出幅值谷点水平移动的间隔(时间)为T，同超声波传输时间差Δt的关系：

当Δt＝0.1μS时，T＝t01-t00＝-10μS则k＝T/Δt＝-100。

以上说明，在两信号频率差为1％时，超声波接收信号叠加波形幅值谷点水平移动的间隔(时间)T不仅同超声波传输时间差Δt成正比，而且是Δt的100倍(k＝-100)。从而可以很容易地通过测量T的方法来求出Δt。

同理，由数学推论可知，其他条件相同时，f1＝0.1MHz、f2＝0.101MHz或f1＝10MHz、f2＝10.1MHz时，则k＝T/Δt＝±100；

而f1＝0.1MHz、f2＝0.1001MHz或f1＝10MHz、f2＝10.01MHz时，则k＝T/Δt＝±1000。

以上分析说明：

两束不同频率的超声波接收信号其叠加后的波形为一调幅波；

叠加后的调幅波形的幅值谷点随两超声波信号的传输时间差的不同而在时间轴上水平移动，其水平移动的间隔(时间)T同传输时间差Δt成正比，即：T＝k*Δt；

比例系数k等于两超声波信号频率相对差的倒数，即：

k＝[(f2-f1)/f1]^-1＝f1/(f2-f1)

可以认为，k值是一个放大系数，通过调整超声波信号频率f1和f2的相对差来改变k值，就可以很容易地将超声波信号的传输时间差Δt进行放大。放大后的Δt即为超声波接收信号叠加波形幅值谷点水平移动的间隔(时间)T。

本发明相对于现有技术的优点在于，由于采用差频式高分辨率方法，能够很容易地测量超声波信号的传输时间差。如果使两超声波信号的频率相差0.1％。通过接收波形叠加后在时间轴上的移动反映，还可以将传输时间差放大1000倍；能够轻易地将超声波信号的传输时间差测量到10pS(1pS＝10^-12秒)；并能使采用超声波信号的传输时间差测量仪器仪表提高到一个更精确的水平和档次。

Claims (8)

1.一种高分辨率式超声波传输时间差测量方法，将测量信号S1分别加到检测设备不同发射端，在检测设备的接收端接收信号，其特征在于：

该方法利用两频率接近的超声波测量信号和参照信号直接叠加后合成波的包络作为基准，再将收到的不同延时信号分别与参照信号进行叠加；对两次叠加波形的包络进行相位比较后得到传输时间差；

该方法适用于所有超声波检测对象，并具有以下步骤：

L.将测量信号S1与参照信号S2直接叠加获取包络信号V_A；

M.将测量信号S1加到检测设备的不同发射端，从相应接收端收到与S1同频率而不同延时的信号S11和S12并分别与参照信号S2叠加，获取不同叠加波形的包络信号；

N.比较两个包络信号的相位，得到传输时间差。

2.按照权利要求1所述的高分辨率式超声波传输时间差测量方法，其特征在于：

所述步骤M又包含以下分步骤：

m1.分设两组发射接收端设备，并将测量信号S1同时加到检测设备的上、下游两个发射端上；

m2.在检测设备的上、下游两个接收端上同时接收发射端发射来的信号S11和S12，并分别与参照信号S2叠加；

m3.将叠加后的波形进行解码处理，分别获得上、下游接收信号叠加波形的包络Vu和V_D；

所述步骤N又包含以下分步骤：

n1.分别将上游接收到的信号叠加波形包络Vu与下游接收到的信号叠加波形包络V_D相对于发射时刻的延迟进行比较，得到超声波传输时间差。

3.按照权利要求1所述的高分辨率式超声波传输时间差测量方法，其特征在于：

所述步骤M又包含以下分步骤：

m1.设置兼作发射和接收的一对设备(71)和(72)，并轮流使用电子式双刀双位开关(8)将测量信号S1加到其中一端设备上；同时，接通另一端的接收通路；

m2.将上游收发端(71)接收到的信号S11与参照信号S2进行叠加并作解码处理，得到其包络V_U；

将下游收发端(72)接收到的信号S12与参照信号S2进行叠加并作解码处理，得到其包络V_D；

所述步骤N又包含以下分步骤：

n1.将上游包络V_U和下游包络V_D进行移位比较，即对双刀双位开关的固定延时进行补偿后进行传输时间比较，得出超声波传输时间差。

4.按照权利要求2或3所述的高分辨率式超声波传输时间差测量方法，其特征在于：

所述信号叠加获得包络的过程采用加法器(31)或(41)和解码器(32)或(42)完成。

5.按照权利要求4所述的高分辨率式超声波传输时间差测量方法，其特征在于：

所述测量信号S1的频率为f₁＝0.1MHz至10MHz；

所述参照信号S2的频率为f₂＝(1+0.01)f₁MHz。

6.按照权利要求4所述的高分辨率式超声波传输时间差测量方法，其特征在于：

所述测量信号S1的频率为f₁＝0.1MHz至10MHz；

所述参照信号S2的频率为f₂＝(1+0.001)f₁MHz。

7.按照权利要求6所述的高分辨率式超声波传输时间差测量方法，其特征在于：

所述参照信号S2的幅值B为测量信号S1的幅值A的0.95倍。

8.按照权利要求6所述的高分辨率式超声波传输时间差测量方法，其特征在于：

所述参照信号S2的幅值B为测量信号S1的幅值A的0.9倍。

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