專利名稱：檢測超聲波渡越時間的方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超聲波應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種高精度檢測較遠(yuǎn)距離超聲波渡越時間
的檢測超聲波渡越時間的方法及其裝置。
背景技術(shù)：
所謂超聲波渡越時間(time-of-flight簡稱T0F)是指超聲波從發(fā)射器發(fā)出到超 聲波接收器接收到聲波所經(jīng)歷的時間間隔。超聲波發(fā)射器或稱超聲波發(fā)射頭與超聲波接收 器或稱超聲波接收頭統(tǒng)稱為超聲波換能器。準(zhǔn)確測量超聲波渡越時間對超聲波測溫、測距、 測流速流量等具有非常重要的意義。由于超聲波所具有的獨特優(yōu)勢應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)大，超 聲波測溫異軍突起，下面就以超聲波測量環(huán)境溫度為例說明現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和不足，用超 聲波渡越時間測量環(huán)境溫度方法的原理是
聲波在空氣中的傳播速度(H)
A/ 式中Y是空氣定壓比熱容和定容比熱容比(Y = CP/CV) ;R是氣體普適常數(shù)；M是 氣體分子量；T是絕對溫度。
由式(1-1)可見，溫度是影響空氣中聲速的主要因素。
在0°C (T。 = 273. 15K)時的聲速 、'n ——二 7」L^L = 33.45A/ / S ( 1 — 2 ) 在tt:時的聲速(M/s)
i 丁——\v, = v,, |1 1 4——^~—- a 331.4 + 0.607/ ( 1 — 3 )
卞273.15」 由式(1-3)可以看出，聲速是聲波傳輸媒介空氣平均溫度的函數(shù)，在聲波在空氣 中的傳輸距離已知的情況下，只要檢測出聲波渡越時間就可以計算出聲速，進(jìn)而計算出聲 波傳輸媒介空氣的平均溫度。 該方法測量環(huán)境溫度已經(jīng)獲得實際應(yīng)用。例如美國SEI公司的F祖LERWATC鵬 _聲波氣體溫度場測量系統(tǒng)就成功的用于測量爐溫；臺灣高苑技術(shù)學(xué)院等已研究用該方法
測量轎車內(nèi)的環(huán)境溫度用于車內(nèi)空調(diào)等等。 超聲波測量環(huán)境溫度的精度主要取決于準(zhǔn)確檢測超聲波渡越時間，準(zhǔn)確檢測超聲
波渡越時間取決于準(zhǔn)確地判斷超聲波到達(dá)的時間點。如圖l所示，在超聲波換能器能量轉(zhuǎn) 換和聲波空氣傳輸過程中，由于機(jī)械彈性(超聲波換能器壓電陶瓷片和空氣的彈性)的存 在，在接收到的超聲波脈沖串的頭部和尾部會產(chǎn)生超聲波波形振幅衰減。超聲波到達(dá)時的
強(qiáng)度(振幅)存在隨機(jī)變化的成分，采用常規(guī)的強(qiáng)度門限(threshold也稱為門檻或閾值) 方法判斷超聲波到達(dá)的時間點是不準(zhǔn)確的，不能準(zhǔn)確地檢測超聲波渡越時間。 一般僅用于 機(jī)器人避障、倒車防撞裝置等要求不高的場合。
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為了準(zhǔn)確地判斷超聲波到達(dá)的時間點，準(zhǔn)確檢測超聲波渡越時間，人們進(jìn)行了很 多改進(jìn)，應(yīng)用較多的有以下3種。 1、相位差法。該方法短距離應(yīng)用非常準(zhǔn)確，已應(yīng)用于超聲波風(fēng)速儀，自動氣象站的 大氣測溫等。測溫精度高達(dá)±0. 05°C。但該方法只能用于超聲波(機(jī)械能波)傳輸距離很 短的場合，例如10cm。 2、調(diào)制波形標(biāo)記法。對聲波進(jìn)行調(diào)制、編碼、擴(kuò)頻等均屬于此類。應(yīng)用較多的是雙 頻頻移鍵控(binary frequency shift-keyed簡稱BFSK)法，已用于轎車空調(diào)測溫和超聲 波測距儀。測溫精度±0.4°C。臺灣高苑科技大學(xué)蔡文元將該方法和相位差法結(jié)合起來，使
測溫精度提高到±0. 3t:，但測溫精度仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于相位差法測溫精度。 3、脈沖串包絡(luò)線峰值法。與此類似的還有脈沖串包絡(luò)線重心橫坐標(biāo)法。測溫精度 ±0. 39t:，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于相位差法測溫精度。 上述超聲波渡越時間檢測方法以相位差法最為準(zhǔn)確，但僅適合超聲波(機(jī)械能 波)傳輸距離很短的少數(shù)場合，不適合測量爐溫等超聲波(機(jī)械能波)傳輸距離較遠(yuǎn)的大 多數(shù)場合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足而提供一種精度與相位差法媲美
的檢測較遠(yuǎn)距離超聲波渡越時間的檢測超聲波渡越時間的方法及其裝置。 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的 —種檢測超聲波渡越時間的方法，其特征在于由超聲波發(fā)生器產(chǎn)生占空比為 50 %的方形波超聲波脈沖串激勵信號，該超聲波脈沖串激勵信號所含方形脈沖個數(shù)以接收 到的超聲波脈沖串波形仍呈"菱形"為上限，在該超聲波脈沖串激勵信號的最后一個方形脈 沖的下降沿啟動一個計時器，該超聲波脈沖串激勵信號經(jīng)超聲波發(fā)射頭高電壓差分驅(qū)動模 塊的功率放大后驅(qū)動超聲波發(fā)射頭發(fā)射超聲波，將超聲波接收頭接收到的超聲波脈沖串， 送入差分放大器，經(jīng)差分放大后，送入增益控制放大器，經(jīng)增益控制放大后，送入高Q值帶 通濾波器，經(jīng)高Q值帶通濾波后，送入半波整流器進(jìn)行半波整流，去掉負(fù)半周后，送入變指 數(shù)放大器，作為一個固定電壓的指數(shù)對該固定電壓進(jìn)行變指數(shù)放大，在不改變剩下的正半 周各脈沖峰值點相對時間位置的情況下，拉開各脈沖峰值點的振幅差距，同時使各脈沖峰 值點兩側(cè)更加陡峭，經(jīng)變指數(shù)放大后，送入門限比較模塊進(jìn)行門限檢測，找出振幅最大的脈 沖后，送入微分和過零檢測模塊進(jìn)行微分和過零檢測，找出振幅最大脈沖的峰值點，在該峰 值點上關(guān)閉上述計時器，該計時器記錄的時間值即為超聲波渡越時間值。 —種檢測超聲波渡越時間的裝置，其特征在于檢測裝置包括以下各部分超聲 波發(fā)射間隔控制模塊，計數(shù)啟、閉控制模塊，計數(shù)用振蕩器，計數(shù)、顯示模塊，超聲波脈沖個 數(shù)控制設(shè)置模塊，超聲波發(fā)生器，超聲波發(fā)射頭高電壓差分驅(qū)動模塊，超聲波發(fā)射頭，超聲 波接收頭，差分放大器，增益控制放大器，高Q值帶通濾波器，半波整流器，變指數(shù)放大器， 門限比較模塊，微分和過零檢測模塊， 檢測裝置各部分連接關(guān)系如下超聲波發(fā)射間隔控制模塊的輸出端分別與計數(shù) 啟、閉控制模塊和超聲波脈沖個數(shù)控制設(shè)置模塊相連接，計數(shù)啟、閉控制模塊的輸出端和計 數(shù)、顯示模塊相連接，計數(shù)用振蕩器的輸出端和計數(shù)啟、閉控制模塊相連接，超聲波脈沖個
5數(shù)控制設(shè)置模塊的輸出端分別與計數(shù)啟、閉控制模塊和超聲波發(fā)生器相連接，超聲波發(fā)生 器的輸出端和超聲波發(fā)射頭高電壓差分驅(qū)動模塊相連接，超聲波發(fā)射頭高電壓差分驅(qū)動模 塊的輸出端和超聲波發(fā)射頭相連接，超聲波接收頭的輸出端和差分放大器相連接，差分放 大器的輸出端和增益控制放大器相連接，增益控制放大器的輸出端和高Q值帶通濾波器相
連接，高Q值帶通濾波器的輸出端和半波整流器相連接，半波整流器的輸出端和變指數(shù)放
大器相連接，變指數(shù)放大器的輸出端和門限比較模塊相連接，門限比較模塊的輸出端與微 分和過零檢測模塊相連接，微分和過零檢測模塊的輸出端與計數(shù)啟、閉控制模塊相連接。 在檢測裝置中，超聲波發(fā)射間隔控制模塊按時間間隔發(fā)出啟動信號，該啟動信號 分為兩路，該啟動信號的一路啟動超聲波脈沖個數(shù)控制設(shè)置模塊控制超聲波發(fā)生器產(chǎn)生占 空比為50%方形波的一組超聲波脈沖串激勵信號，該組超聲波脈沖串激勵信號包含的脈沖 個數(shù)由超聲波脈沖個數(shù)控制設(shè)置模塊預(yù)先設(shè)定，設(shè)定個數(shù)以接收到的超聲波脈沖串波形呈 "菱形"為原則；該啟動信號的另一路送入計數(shù)啟、閉控制模塊，啟動信號直接解除計數(shù)啟、 閉控制模塊的計數(shù)啟動控制部分的復(fù)位狀態(tài)進(jìn)入工作狀態(tài)，等待該組超聲波脈沖串激勵信 號最后一個方形脈沖的下降沿通過計數(shù)啟、閉控制模塊的計數(shù)啟動控制部分啟動計數(shù)、顯 示模塊的計數(shù)器計數(shù)，在計數(shù)啟、閉控制模塊的內(nèi)部由該啟動信號的上升沿觸發(fā)產(chǎn)生一個 被展寬了的復(fù)位信號，使計數(shù)啟、閉控制模塊的計數(shù)關(guān)閉控制部分復(fù)位，超聲波脈沖個數(shù)控 制設(shè)置模塊在控制超聲波發(fā)生器產(chǎn)生上述一組超聲波脈沖串激勵信號的同時，在該組超聲 波脈沖串激勵信號最后一個方形脈沖的下降沿通過計數(shù)啟、閉控制模塊的計數(shù)啟動控制部 分啟動計數(shù)、顯示模塊的計數(shù)器計數(shù)，該組超聲波脈沖串激勵信號經(jīng)超聲波發(fā)射頭高電壓 差分驅(qū)動模塊的功率放大后，送入超聲波發(fā)射頭，驅(qū)動超聲波發(fā)射頭發(fā)射超聲波，將超聲波 接收頭接收到的超聲波脈沖串，送入差分放大器，經(jīng)差分放大后，送入增益控制放大器，經(jīng) 增益控制放大后，送入高Q值帶通濾波器，經(jīng)高Q值帶通濾波后，送入半波整流器進(jìn)行半波 整流，去掉負(fù)半周后，送入變指數(shù)放大器，作為一個固定電壓的指數(shù)對該固定電壓進(jìn)行變指 數(shù)放大，在不改變剩下的正半周各脈沖峰值點相對時間位置的情況下，拉開各脈沖峰值點 的振幅差距，同時使各脈沖峰值點兩側(cè)更加陡峭，經(jīng)變指數(shù)放大后，送入門限比較模塊進(jìn)行 門限檢測，找出振幅最大的脈沖后，送入微分和過零檢測模塊進(jìn)行微分和過零檢測，找出振 幅最大脈沖的峰值點，在該峰值點上，通過計數(shù)啟、閉控制模塊的計數(shù)關(guān)閉控制部分關(guān)閉計 數(shù)、顯示模塊的計數(shù)器計數(shù)，計數(shù)、顯示模塊的計數(shù)器計數(shù)值乘以計數(shù)用振蕩器的振蕩周期 就是超聲波渡越時間值。 為了更好地說明本發(fā)明的原理，對調(diào)制波形標(biāo)記法和脈沖串包絡(luò)線峰值法的誤差 原因進(jìn)行了分析。調(diào)制波形標(biāo)記法，例如，利用雙頻轉(zhuǎn)換進(jìn)行波形標(biāo)記的BFSK法，相當(dāng)于 對固有的機(jī)械彈性進(jìn)行了額外的人為干預(yù)，而干預(yù)的結(jié)果又很難預(yù)測，在超聲波波形標(biāo)記 點附近不可避免的存在隨機(jī)畸變的成分。在調(diào)制波形標(biāo)記法的數(shù)據(jù)處理過程，必須進(jìn)行過 "零"檢測，轉(zhuǎn)換成方形波后才能進(jìn)行后續(xù)處理，而過"零"檢測仍屬于門限(threshold)檢測 方法，在超聲波波形標(biāo)記點附近的隨機(jī)畸變成分仍會被保留，標(biāo)記點會因此產(chǎn)生隨機(jī)漂移。 在換能器進(jìn)行電能 機(jī)械能轉(zhuǎn)換、機(jī)械能波在空氣中傳播以及換能器機(jī)械能 電能恢復(fù)過 程中，由于機(jī)械彈性的存在，導(dǎo)致了接收到的超聲波脈沖串的頭部和尾部超聲波波形振幅 減少，呈"菱形"，如圖l所示。脈沖串包絡(luò)線峰值法，是在超聲波脈沖串發(fā)射后，啟動一個計 時器，對收到的超聲波脈沖串進(jìn)行全波整流，將圖1所示波形的負(fù)半周全部翻轉(zhuǎn)到正半周以提高波形密度，再用電容進(jìn)行積分形成平滑的包絡(luò)線，包絡(luò)線的峰值點作為檢測時間點， 用先微分后過零檢測的方法識別包絡(luò)線的峰值點，在包絡(luò)線的峰值點關(guān)閉這個計時器，該 方法的依據(jù)是接收的超聲波脈沖串包絡(luò)線峰值對振幅不存在依存性。該方法雖然可以提高 檢測精度，但與相位差法相比還有相當(dāng)大的差距。經(jīng)過分析認(rèn)為首先，接收的超聲波脈沖 串包絡(luò)線峰值對振幅不存在依存性缺乏理論依據(jù)和令人信服的解釋，計時器的啟動時間點 與計時器的關(guān)閉時間點的對應(yīng)關(guān)系也不明確。其次，用電容進(jìn)行積分形成平滑的包絡(luò)線過 程造成了波形隨機(jī)畸變誤差的累加，積分過程雖然可以相互抵消一部分(對稱部分)畸變， 但未抵消的部分(非對稱部分)使峰值點發(fā)生了漂移。第三，峰值點兩側(cè)過于平緩，即使微 分后的過零檢測環(huán)節(jié)有輕微的漂移也會嚴(yán)重影響識別峰值點的準(zhǔn)確位置。脈沖串包絡(luò)線重 心橫坐標(biāo)法與此類似。 在本發(fā)明的技術(shù)方案，沒有對固有機(jī)械彈性進(jìn)行額外的人為干預(yù)，技術(shù)方案是建 立在對固有的機(jī)械彈性產(chǎn)生的結(jié)果可以準(zhǔn)確預(yù)見的基礎(chǔ)之上的。機(jī)械彈性存在于超聲波換 能器(超聲波發(fā)射頭)進(jìn)行電能 機(jī)械能轉(zhuǎn)換、機(jī)械能波在空氣中傳播以及超聲波換能器 (超聲波接收頭)進(jìn)行機(jī)械能 電能恢復(fù)的過程中，且符合胡克彈性定律，振幅(彈性體位 移)與機(jī)械彈性強(qiáng)度(回彈力)成正比。當(dāng)加在超聲波發(fā)射頭的超聲波脈沖串所包含的脈 沖個數(shù)足夠多時，所接收到的超聲波脈沖串，可以分成振幅擴(kuò)大、平衡、衰減三個不同的時 間段，即在加在超聲波發(fā)射頭的超聲波脈沖串的激勵下，當(dāng)激勵信號強(qiáng)度大于機(jī)械彈性強(qiáng) 度時，接收到的超聲波脈沖串波形振幅迅速擴(kuò)大，形成了接收到的超聲波脈沖串振幅迅速 擴(kuò)大的首部。當(dāng)激勵信號強(qiáng)度等于機(jī)械彈性強(qiáng)度時，接收到的超聲波脈沖串波形振幅不變， 形成了接收到的超聲波脈沖串振幅不變處于平衡狀態(tài)的中部。在取消了加在超聲波發(fā)射頭 的超聲波脈沖串激勵的條件下，在機(jī)械彈性的作用下，接收到的超聲波脈沖串波形振幅迅 速減小，形成了接收到的超聲波脈沖串振幅迅速減小的尾部，最終接收到的完整的超聲波 脈沖串波形呈"紡錘形"。當(dāng)加在超聲波發(fā)射頭的超聲波脈沖串所包含的脈沖個數(shù)不多時， 造成了在接收到的超聲波脈沖串波形振幅迅速擴(kuò)大的過程中，取消了加在超聲波發(fā)射頭的 超聲波脈沖串激勵，所接收到的超聲波脈沖串可以分成振幅擴(kuò)大、衰減兩個不同的時間段， 即在加在超聲波發(fā)射頭的超聲波脈沖串的激勵下，激勵信號強(qiáng)度大于機(jī)械彈性強(qiáng)度，接收 到的超聲波脈沖串波形振幅迅速擴(kuò)大，形成了接收到的超聲波脈沖串波形振幅迅速擴(kuò)大的 前半部。在接收到的超聲波脈沖串波形振幅迅速擴(kuò)大的過程中，取消了加在超聲波發(fā)射頭 的超聲波脈沖串激勵，在機(jī)械彈性的作用下，接收到的超聲波脈沖串波形振幅將迅速減小， 形成了接收到的超聲波脈沖串波形振幅迅速減小的后半部，所接收到的完整的超聲波脈沖 串波形呈圖1所示的"菱形"，而組成這個"菱形"接收脈沖串的若干脈沖中振幅最大的脈沖 的峰值點是可以準(zhǔn)確預(yù)見和定位的。即當(dāng)超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲波脈沖串激勵信號為 占空比50%的方形波時，該超聲波脈沖串激勵信號的最后一個方形脈沖的下降沿準(zhǔn)確對應(yīng) 于接收到的組成"菱形"超聲波接收脈沖串的若干個脈沖中與超聲波脈沖串激勵信號的最 后一個方形脈沖激勵方向相同的振幅最大的脈沖的峰值點，而且不會漂移。如果在超聲波 發(fā)生器產(chǎn)生的超聲波脈沖串激勵信號的最后一個方形脈沖的下降沿啟動一個計時器，在接 收到的組成"菱形"超聲波接收脈沖串的若干個脈沖中與超聲波脈沖串激勵信號的最后一 個方形脈沖激勵方向相同的振幅最大的脈沖的峰值點上關(guān)閉這個計時器，在準(zhǔn)確識別接收 到的組成"菱形"超聲波接收脈沖串的若干個脈沖中與超聲波脈沖串激勵信號的最后一個
7方形脈沖激勵方向相同的振幅最大的脈沖的峰值點的情況下，這個計時器就可以準(zhǔn)確記錄 超聲波渡越時間值。 為了準(zhǔn)確識別接收到的組成"菱形"超聲波接收脈沖串的若干個脈沖中與超聲波 脈沖串激勵信號的最后一個方形脈沖激勵方向相同的振幅最大的脈沖的峰值點，本發(fā)明提 供了以下技術(shù)方案 將超聲波接收頭接收到的超聲波脈沖串，送入差分放大器進(jìn)行初步放大，采用差 分放大的形式是為了更好的抑制共模噪聲提高信噪比，經(jīng)差分放大后，送入增益控制放大 器進(jìn)一步放大到所要求的幅度，經(jīng)增益控制放大后，送入高Q值帶通濾波器進(jìn)行帶通濾波， 濾除帶外噪音，同時降低偏離主頻的信號幅度，經(jīng)帶通濾波后，送入半波整流器進(jìn)行半波整 流，去掉負(fù)半周后，送入變指數(shù)放大器，作為一個固定電壓的指數(shù)對該固定電壓進(jìn)行變指數(shù) 放大，變指數(shù)放大的目的，是在不改變剩下的正半周各脈沖峰值點相對時間位置的情況下， 拉開各脈沖峰值點的振幅差距，同時使各脈沖峰值點兩側(cè)更加陡峭，方便識別振幅最大的 脈沖及其峰值點的準(zhǔn)確位置，經(jīng)變指數(shù)放大后，送入門限比較模塊進(jìn)行門限檢測，找出振幅 最大的脈沖，送入微分和過零檢測模塊進(jìn)行微分和過零檢測，找出振幅最大脈沖的峰值點， 該峰值點就是接收到的組成"菱形"超聲波接收脈沖串的若干個脈沖中與超聲波脈沖串激 勵信號的最后一個方形脈沖激勵方向相同的振幅最大的脈沖的峰值點。 本發(fā)明的技術(shù)方案既達(dá)到了相位差法的高精度，又克服了相位差法只能短距離應(yīng) 用的缺陷，突破傳統(tǒng)，應(yīng)用廣闊。


圖1為接收的超聲波脈沖串波形示意圖。
圖2為本發(fā)明檢測裝置組成與工作流程圖。
圖3、4、5、6、7、8為本發(fā)明實施例電路圖。
具體實施例方式
—種檢測超聲波渡越時間的方法，如圖2所示，由超聲波發(fā)生器6產(chǎn)生占空比為 50%的方形波超聲波脈沖串激勵信號，該超聲波脈沖串激勵信號所含方形脈沖個數(shù)以接收 到的超聲波脈沖串波形仍呈圖1所示的"菱形"為上限，因為，該超聲波脈沖串激勵信號的 最后一個方形脈沖的下降沿準(zhǔn)確對應(yīng)于接收到的組成"菱形"超聲波接收脈沖串的若干個 脈沖中與該超聲波脈沖串激勵信號的最后一個方形脈沖激勵方向相同的振幅最大的脈沖 的峰值點，而且不會漂移，所以，在該超聲波脈沖串激勵信號的最后一個方形脈沖的下降沿 啟動一個計時器，該超聲波脈沖串激勵信號經(jīng)超聲波發(fā)射頭高電壓差分驅(qū)動模塊7的功率 放大后驅(qū)動超聲波發(fā)射頭8發(fā)射超聲波，將超聲波接收頭9接收到的超聲波脈沖串，送入差 分放大器10進(jìn)行初步放大，采用差分放大的形式是為了更好的抑制共模噪聲提高信噪比， 經(jīng)差分放大后，送入增益控制放大器11進(jìn)一步放大到所要求的幅度，經(jīng)增益控制放大后， 送入高Q值帶通濾波器12進(jìn)行高Q值帶通濾波，濾除帶外噪音，同時降低偏離主頻的信號 幅度，經(jīng)高Q值帶通濾波后，送入半波整流器13進(jìn)行半波整流，去掉負(fù)半周后，送入變指數(shù) 放大器14，作為一個固定電壓的指數(shù)對該固定電壓進(jìn)行變指數(shù)放大，變指數(shù)放大的目的，是 在不改變剩下的正半周各脈沖峰值點相對時間位置的情況下，拉開各脈沖峰值點的振幅差距，同時使各脈沖峰值點兩側(cè)更加陡峭，方便識別振幅最大的脈沖及其峰值點的準(zhǔn)確位置，
經(jīng)變指數(shù)放大后，送入門限比較模塊15進(jìn)行門限檢測，找出振幅最大的脈沖后，送入微分
和過零檢測模塊16進(jìn)行微分和過零檢測，找出振幅最大脈沖的峰值點，該峰值點就是接收
到的組成"菱形"超聲波接收脈沖串的若干個脈沖中與上述超聲波發(fā)生器6產(chǎn)生的超聲波
脈沖串激勵信號的最后一個方形脈沖激勵方向相同的振幅最大的脈沖的峰值點，在該峰值
點上關(guān)閉上述計時器，該計時器記錄的時間值就是準(zhǔn)確的超聲波渡越時間值。 —種檢測超聲波渡越時間的裝置，如圖2所示，檢測裝置由以下各部分組成超聲
波發(fā)射間隔控制模塊1，計數(shù)啟、閉控制模塊2，計數(shù)用振蕩器3，計數(shù)、顯示模塊4，超聲波脈
沖個數(shù)控制設(shè)置模塊5，超聲波發(fā)生器6，超聲波發(fā)射頭高電壓差分驅(qū)動模塊7，超聲波發(fā)射
頭8，超聲波接收頭9，差分放大器IO，增益控制放大器ll，高Q值帶通濾波器12，半波整流
器13，變指數(shù)放大器14，門限比較模塊15，微分和過零檢測模塊16。 如圖2所示，檢測裝置各部分連接關(guān)系如下超聲波發(fā)射間隔控制模塊1的輸出端 分別與計數(shù)啟、閉控制模塊2和超聲波脈沖個數(shù)控制設(shè)置模塊5相連接，計數(shù)啟、閉控制模 塊2的輸出端和計數(shù)、顯示模塊4相連接，計數(shù)用振蕩器3的輸出端和計數(shù)啟、閉控制模塊2 相連接，超聲波脈沖個數(shù)控制設(shè)置模塊5的輸出端分別與計數(shù)啟、閉控制模塊2和超聲波發(fā) 生器6相連接，超聲波發(fā)生器6的輸出端和超聲波發(fā)射頭高電壓差分驅(qū)動模塊7相連接，超 聲波發(fā)射頭高電壓差分驅(qū)動模塊7的輸出端和超聲波發(fā)射頭8相連接，超聲波接收頭9的 輸出端和差分放大器IO相連接，差分放大器10的輸出端和增益控制放大器11相連接，增 益控制放大器11的輸出端和高Q值帶通濾波器12相連接，高Q值帶通濾波器12的輸出端 和半波整流器13相連接，半波整流器13的輸出端和變指數(shù)放大器14相連接，變指數(shù)放大 器14的輸出端和門限比較模塊15相連接，門限比較模塊15的輸出端與微分和過零檢測模 塊16相連接，微分和過零檢測模塊16的輸出端與計數(shù)啟、閉控制模塊2相連接，
如圖2所示，檢測裝置工作流程如下超聲波發(fā)射間隔控制模塊1按一定的時間間 隔發(fā)出啟動信號，該啟動信號分為兩路，該啟動信號的一路啟動超聲波脈沖個數(shù)控制設(shè)置 模塊5控制超聲波發(fā)生器6產(chǎn)生占空比為50%方形波的一組超聲波脈沖串激勵信號，該組 超聲波脈沖串激勵信號包含的脈沖個數(shù)由超聲波脈沖個數(shù)控制設(shè)置模塊5預(yù)先設(shè)定，設(shè)定 個數(shù)以接收到的超聲波脈沖串波形呈圖l所示的"菱形"為原則；該啟動信號的另一路送入 計數(shù)啟、閉控制模塊2，啟動信號直接解除計數(shù)啟、閉控制模塊2的計數(shù)啟動控制部分的復(fù) 位狀態(tài)進(jìn)入工作狀態(tài)，等待該組超聲波脈沖串激勵信號最后一個方形脈沖的下降沿通過計 數(shù)啟、閉控制模塊2的計數(shù)啟動控制部分啟動計數(shù)、顯示模塊4的計數(shù)器計數(shù)，在計數(shù)啟、閉 控制模塊2的內(nèi)部由該啟動信號的上升沿觸發(fā)產(chǎn)生一個被展寬了的復(fù)位信號，使計數(shù)啟、 閉控制模塊2的計數(shù)關(guān)閉控制部分復(fù)位，展寬復(fù)位時間，僅允許反射回來的超聲波脈沖串 通過計數(shù)啟、閉控制模塊2的計數(shù)關(guān)閉控制部分關(guān)閉計數(shù)、顯示模塊4的計數(shù)器計數(shù)，避免 了超聲波發(fā)射頭8泄露的超聲波脈沖串直接進(jìn)入超聲波接收頭9非正常關(guān)閉計數(shù)、顯示模 塊4的計數(shù)器計數(shù)，超聲波脈沖個數(shù)控制設(shè)置模塊5在控制超聲波發(fā)生器6產(chǎn)生上述一組 超聲波脈沖串激勵信號的同時，在該組超聲波脈沖串激勵信號最后一個方形脈沖的下降沿 通過計數(shù)啟、閉控制模塊2的計數(shù)啟動控制部分啟動計數(shù)、顯示模塊4的計數(shù)器計數(shù)，該組 超聲波脈沖串激勵信號經(jīng)超聲波發(fā)射頭高電壓差分驅(qū)動模塊7的功率放大后，送入超聲波 發(fā)射頭8，驅(qū)動超聲波發(fā)射頭8發(fā)射超聲波，將超聲波接收頭9接收到的超聲波脈沖串，送入
9差分放大器10進(jìn)行初步放大，采用差分放大的形式是為了更好的抑制共模噪聲提高信噪 比，經(jīng)差分放大后，送入增益控制放大器11進(jìn)一步放大到所要求的幅度，經(jīng)增益控制放大 后，送入高Q值帶通濾波器12進(jìn)行高Q值帶通濾波，濾除帶外噪音，同時降低偏離主頻的信 號幅度，經(jīng)高Q值帶通濾波后，送入半波整流器13進(jìn)行半波整流，去掉負(fù)半周后，送入變指 數(shù)放大器14，作為一個固定電壓的指數(shù)對該固定電壓進(jìn)行變指數(shù)放大，變指數(shù)放大的目的， 是在不改變剩下的正半周各脈沖峰值點相對時間位置的情況下，拉開各脈沖峰值點的振幅 差距，同時使各脈沖峰值點兩側(cè)更加陡峭，方便識別振幅最大的脈沖及其峰值點的準(zhǔn)確位 置，經(jīng)變指數(shù)放大后，送入門限比較模塊15進(jìn)行門限檢測，找出振幅最大的脈沖后，送入微 分和過零檢測模塊進(jìn)行微分和過零檢測，找出振幅最大脈沖的峰值點，在該峰值點上，通過 計數(shù)啟、閉控制模塊2的計數(shù)關(guān)閉控制部分關(guān)閉計數(shù)、顯示模塊4的計數(shù)器計數(shù)，計數(shù)、顯示 模塊4的計數(shù)器計數(shù)值乘以計數(shù)用振蕩器3的振蕩周期就是準(zhǔn)確的超聲波渡越時間值。
實施例圖3、4、6、7、8為本發(fā)明的實施例電路圖，與圖2的對應(yīng)關(guān)系如下圖3中 的集成電路U1D、U1C、電容C2、電阻R2、R3組成了圖2的超聲波發(fā)射間隔控制模塊l，其中， 電容C2、電阻R3的值決定了超聲波發(fā)射間隔時間的長短。圖3中的集成電路U2、U3的左半 部份、撥碼開關(guān)Sl、二極管Dl、 D2、電阻R6組成了圖2的超聲波脈沖個數(shù)控制設(shè)置模塊5， 其中，撥碼開關(guān)S1用于調(diào)整每一組超聲波脈沖串激勵信號的脈沖個數(shù)，二極管D1、D2、電阻 R6用于保證超聲波發(fā)生器6產(chǎn)生的每組超聲波脈沖串激勵信號的最后一個方形脈沖的完 整性。圖3中的集成電路U4A、U4B、電容C8、電阻R7、R8、可調(diào)電阻RV1、二極管D4、D5組成 了圖2的超聲波發(fā)生器6，其中，RV1用于調(diào)整超聲波頻率，二極管D4、D5用于保證超聲波發(fā) 生器6的振蕩器第一個周期與隨后周期的一致性，圖3中的集成電路U4C、 U4D和圖4中的 集成電路U5、電容C9、 C10、 C12、 C13、 C14、 C15組成了圖2的超聲波發(fā)射頭高電壓差分驅(qū)動 模塊7。圖3中的集成電路U3的右半部份、U1A、電阻R5、二極管D3、電容C6和圖5中的集 成電路U6、U7、三極管Q2、電阻R9、 R10、R11組成了圖2的計數(shù)啟、閉控制模塊2，調(diào)整其中 的R5、 C6的值可以調(diào)整計數(shù)關(guān)閉控制展寬復(fù)位時間。圖5中的集成振蕩器模塊0SC1組成 了圖2的計數(shù)用振蕩器3。圖5中的集成電路U8、 U9、 UIO、 Ull和圖6中的集成電路U12、 U13、U14、U15、數(shù)碼管SM1、 SM2、 SM3、 SM4組成了圖2的計數(shù)、顯示模塊4，為節(jié)省版面，圖中 僅畫了4位計數(shù)顯示，讀者可仿造圖中的連結(jié)(聯(lián)級)方法擴(kuò)展到所需位數(shù)。另外，圖3中 的集成電路U1B、電阻R1、 R4和三極管Q1為數(shù)碼管顯示省電設(shè)計，可省去。圖7中的集成 電路U16、電阻R12、 R13、 R14、 R15、 R16、 R17、 R18、電容C29、 C30、 C31、 C32、 C33組成了圖2 的差分放大器10，其中的電阻R12、 R13、 R14、 R15、電容C29、 C30、 C31、 C32、 C33組成了無源 濾波器用于抑制帶外噪聲，R14、R15同時為U16輸入偏置電流提供一個DC返回路徑。圖7 中的集成電路U17、電阻R19、 R20、 R21、電位器RV2、電容C38、 C39、 C40、 C41、 C42、 C43、 C44 組成了圖2的增益控制放大器ll，其中，RV2用于調(diào)整放大增益。圖8中的集成電路U18、 電阻R22、R23、R24、R25、R26、R27、R28、R29、電容C47、C48組成了圖2的高Q值帶通濾波器 12。圖8中的二極管D6、電阻R30組成了圖2的半波整流器13。圖8中的集成電路U19、 電阻R31、R32、R33、電容C53、精密電壓基準(zhǔn)DV1組成了圖2的變指數(shù)放大器14。圖8中的 集成電路U20、電阻R34、R35、電容C58組成了圖2的門限比較模塊15。圖8中的集成電路 U21、電阻R36、 R37、 R38、 R39、電容C60、三極管Q3組成了圖2的微分和過零檢測模塊16。
未說明的電容均為電源旁路電容，集成電路U1型號為CD4093，U2型號為CD4017，
10U3型號為CD4013, U4型號為CD4011， U5型號為MAX232， U6型號為6N137, U7型號為74HC74, U8、 U9、 UIO、 Ull型號為74LS160, U12、 U13、 U14、 U15型號為74LS248, U16型號為AD830， U17型號為AD605, U18型號為恵275， U19型號為VCA810， U20型號為LM360, U21型號為 LM361。
權(quán)利要求
一種檢測超聲波渡越時間的方法，其特征在于由超聲波發(fā)生器(6)產(chǎn)生占空比為50％的方形波超聲波脈沖串激勵信號，該超聲波脈沖串激勵信號所含方形脈沖個數(shù)以接收到的超聲波脈沖串波形仍呈“菱形”為上限，在該超聲波脈沖串激勵信號的最后一個方形脈沖的下降沿啟動一個計時器，該超聲波脈沖串激勵信號經(jīng)超聲波發(fā)射頭高電壓差分驅(qū)動模塊(7)的功率放大后驅(qū)動超聲波發(fā)射頭(8)發(fā)射超聲波，將超聲波接收頭(9)接收到的超聲波脈沖串，送入差分放大器(10)，經(jīng)差分放大后，送入增益控制放大器(11)，經(jīng)增益控制放大后，送入高Q值帶通濾波器(12)，經(jīng)高Q值帶通濾波后，送入半波整流器(13)進(jìn)行半波整流，去掉負(fù)半周后，送入變指數(shù)放大器(14)，作為一個固定電壓的指數(shù)對該固定電壓進(jìn)行變指數(shù)放大，在不改變剩下的正半周各脈沖峰值點相對時間位置的情況下，拉開各脈沖峰值點的振幅差距，同時使各脈沖峰值點兩側(cè)更加陡峭，經(jīng)變指數(shù)放大后，送入門限比較模塊(15)進(jìn)行門限檢測，找出振幅最大的脈沖后，送入微分和過零檢測模塊(16)進(jìn)行微分和過零檢測，找出振幅最大脈沖的峰值點，在該峰值點上關(guān)閉上述計時器，該計時器記錄的時間值即為超聲波渡越時間值。
2. —種檢測超聲波渡越時間的裝置，其特征在于檢測裝置包括以下各部分超聲波 發(fā)射間隔控制模塊(1)，計數(shù)啟、閉控制模塊(2)，計數(shù)用振蕩器(3)，計數(shù)、顯示模塊(4)， 超聲波脈沖個數(shù)控制設(shè)置模塊(5)，超聲波發(fā)生器(6)，超聲波發(fā)射頭高電壓差分驅(qū)動模塊 (7)，超聲波發(fā)射頭(8)，超聲波接收頭(9)，差分放大器(IO)，增益控制放大器(ll)，高Q值 帶通濾波器(12)，半波整流器(13)，變指數(shù)放大器(14)，門限比較模塊(15)，微分和過零檢 測模塊(16)，檢測裝置各部分連接關(guān)系如下超聲波發(fā)射間隔控制模塊(1)的輸出端分別與計數(shù) 啟、閉控制模塊(2)和超聲波脈沖個數(shù)控制設(shè)置模塊(5)相連接，計數(shù)啟、閉控制模塊(2) 的輸出端和計數(shù)、顯示模塊(4)相連接，計數(shù)用振蕩器(3)的輸出端和計數(shù)啟、閉控制模塊 (2)相連接，超聲波脈沖個數(shù)控制設(shè)置模塊(5)的輸出端分別與計數(shù)啟、閉控制模塊(2)和 超聲波發(fā)生器(6)相連接，超聲波發(fā)生器(6)的輸出端和超聲波發(fā)射頭高電壓差分驅(qū)動模 塊(7)相連接，超聲波發(fā)射頭高電壓差分驅(qū)動模塊(7)的輸出端和超聲波發(fā)射頭(8)相連 接，超聲波接收頭(9)的輸出端和差分放大器(10)相連接，差分放大器(10)的輸出端和增 益控制放大器(11)相連接，增益控制放大器(11)的輸出端和高Q值帶通濾波器(12)相連 接，高Q值帶通濾波器(12)的輸出端和半波整流器(13)相連接，半波整流器(13)的輸出 端和變指數(shù)放大器(14)相連接，變指數(shù)放大器(14)的輸出端和門限比較模塊(15)相連 接，門限比較模塊(15)的輸出端與微分和過零檢測模塊(16)相連接，微分和過零檢測模塊(16) 的輸出端和計數(shù)啟、閉控制模塊(2)相連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測超聲波渡越時間的裝置，其特征在于在檢測裝置中，超 聲波發(fā)射間隔控制模塊(1)按時間間隔發(fā)出啟動信號，該啟動信號分為兩路，該啟動信號 的一路啟動超聲波脈沖個數(shù)控制設(shè)置模塊(5)控制超聲波發(fā)生器(6)產(chǎn)生占空比為50% 方形波的一組超聲波脈沖串激勵信號，該組超聲波脈沖串激勵信號包含的脈沖個數(shù)由超聲 波脈沖個數(shù)控制設(shè)置模塊(5)預(yù)先設(shè)定，設(shè)定個數(shù)以接收到的超聲波脈沖串波形呈"菱形" 為原則該啟動信號的另一路送入計數(shù)啟、閉控制模塊(2)，啟動信號直接解除計數(shù)啟、閉 控制模塊(2)的計數(shù)啟動控制部分的復(fù)位狀態(tài)進(jìn)入工作狀態(tài)，等待該組超聲波脈沖串激勵 信號最后一個方形脈沖的下降沿通過計數(shù)啟、閉控制模塊(2)的計數(shù)啟動控制部分啟動計數(shù)、顯示模塊(4)的計數(shù)器計數(shù)，在計數(shù)啟、閉控制模塊(2)的內(nèi)部由該啟動信號的上升沿 觸發(fā)產(chǎn)生一個被展寬了的復(fù)位信號，使計數(shù)啟、閉控制模塊(2)的計數(shù)關(guān)閉控制部分復(fù)位， 超聲波脈沖個數(shù)控制設(shè)置模塊(5)在控制超聲波發(fā)生器(6)產(chǎn)生上述一組超聲波脈沖串 激勵信號的同時，在該組超聲波脈沖串激勵信號最后一個方形脈沖的下降沿通過計數(shù)啟、 閉控制模塊(2)的計數(shù)啟動控制部分啟動計數(shù)、顯示模塊(4)的計數(shù)器計數(shù)，該組超聲波 脈沖串激勵信號經(jīng)超聲波發(fā)射頭高電壓差分驅(qū)動模塊(7)的功率放大后，送入超聲波發(fā)射 頭(8)，驅(qū)動超聲波發(fā)射頭(8)發(fā)射超聲波，將超聲波接收頭(9)接收到的超聲波脈沖串， 送入差分放大器(IO)，經(jīng)差分放大后，送入增益控制放大器(ll)，經(jīng)增益控制放大后，送入 高Q值帶通濾波器(12)，經(jīng)高Q值帶通濾波后，送入半波整流器(13)進(jìn)行半波整流，去掉負(fù) 半周后，送入變指數(shù)放大器(14)，作為一個固定電壓的指數(shù)對該固定電壓進(jìn)行變指數(shù)放大， 在不改變剩下的正半周各脈沖峰值點相對時間位置的情況下，拉開各脈沖峰值點的振幅差 距，同時使各脈沖峰值點兩側(cè)更加陡峭，經(jīng)變指數(shù)放大后，送入門限比較模塊(15)進(jìn)行門 限檢測，找出振幅最大的脈沖后，送入微分和過零檢測模塊進(jìn)行微分和過零檢測，找出振幅 最大脈沖的峰值點，在該峰值點上，通過計數(shù)啟、閉控制模塊(2)的計數(shù)關(guān)閉控制部分關(guān)閉 計數(shù)、顯示模塊(4)的計數(shù)器計數(shù)，計數(shù)、顯示模塊(4)的計數(shù)器計數(shù)值乘以計數(shù)用振蕩器 (3)的振蕩周期就是超聲波渡越時間值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種檢測超聲波渡越時間的方法及其裝置，由超聲波發(fā)生器產(chǎn)生占空比為50％的方形波超聲波脈沖串激勵信號，該激勵信號所含方形脈沖個數(shù)以接收到的超聲波脈沖串波形仍呈“菱形”為上限，在該激勵信號的最后一個方形脈沖的下降沿啟動計時器，接收到的超聲波脈沖串經(jīng)差分放大、增益控制、高“Q”值帶通濾波、半波整流、變指數(shù)放大、門限比較、微分和過零檢測，找出振幅最大脈沖的峰值點，在該峰值點上關(guān)閉計時器，該方法既達(dá)到了相位差法的高精度，又克服了相位差法只能短距離應(yīng)用的缺陷，突破傳統(tǒng)，應(yīng)用廣闊。
文檔編號G01H7/00GK101769782SQ201010102819
公開日2010年7月7日 申請日期2010年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月29日
發(fā)明者李發(fā)貴, 高任翔, 高勝國, 黃修橋 申請人:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所