超聲波傳輸時(shí)間精密測量方法及應(yīng)用研究

張興紅 向鳳云 張?zhí)旌?蔡 偉

重慶理工大學(xué)機(jī)械檢測技術(shù)與裝備教育部工程研究中心，重慶，400054

1 超聲波技術(shù)在流量測量中的應(yīng)用

在流量測量中人們利用超聲波在不同流速流體中順流、逆流傳播速度的不同設(shè)計(jì)了時(shí)差法超聲波流量計(jì)［1］，如圖1所示。

圖1 時(shí)差法超聲波流量計(jì)原理圖

圖1中：D為管道直徑；θ為換能器A、B的軸線與管道軸線夾角（聲道角）；v為管道中液體介質(zhì)的流速；c為超聲波在液體介質(zhì)中的傳播速度。超聲波換能器A、B均既可以發(fā)射超聲波又可以接收超聲波。則管道中的流量為

式中，t1、t2分別為超聲波沿順流、逆流方向上的傳播時(shí)間；Sr為截面積。

由式（1）可知，超聲波傳播時(shí)間的測量是時(shí)差法超聲波流量計(jì)流量測量［2］的關(guān)鍵。假設(shè)圖1中管徑D＝300mm，聲道角θ＝45°，則超聲波換能器A、B之間的距離約為424.26mm。已知超聲波在潔凈水中的傳播速度約為1450m／s，若水流速為1m／s，則超聲波順流、逆流傳播時(shí)間差約為400ns。要保證測量達(dá)到0.2%的測量精度，要求測量的傳輸時(shí)間差的分辨率至少要小于0.8ns。這么高的時(shí)間測量分辨率對傳統(tǒng)的嵌入式儀表測時(shí)電路來說很難實(shí)現(xiàn)，這也是為什么20世紀(jì)30年代初人們就提出利用超聲波來測量流量但直到80、90年代隨著高性能FPGA等集成電路的飛速發(fā)展才研制出高精度超聲波流量計(jì)的原因［3］。

本文提出一種通過數(shù)字細(xì)分和高分辨率A／D高速采樣來實(shí)時(shí)精密測量超聲波傳輸時(shí)間［4］的新方法，并將這一方法運(yùn)用于高精度超聲波流量計(jì)的研制。

2 超聲波傳輸時(shí)間測量方法

如圖2所示，驅(qū)動(dòng)電路給超聲波換能器A供以頻率在超聲波頻率范圍內(nèi)的周期信號，使換能器A把電信號轉(zhuǎn)換成周期性振動(dòng)，產(chǎn)生超聲波信號。換能器B接收到該信號并將其轉(zhuǎn)換成周期性電信號，該信號稱之為超聲波回波信號，是一個(gè)變幅信號。換能器A發(fā)射的超聲波信號上的任意一點(diǎn)與換能器B接收到的回波信號上相對應(yīng)的那一點(diǎn)之間的時(shí)間間隔就是超聲波的傳輸時(shí)間。超聲波傳輸時(shí)間精密測量的關(guān)鍵是確定傳播時(shí)間的終點(diǎn)，其精度依賴于終點(diǎn)的精確確定。

圖2 超聲波傳輸時(shí)間示意圖

換能器A發(fā)射完一定數(shù)量的超聲波信號后，A／D電路馬上從換能器B上采集超聲波回波信號。回波信號采集完成后首先逐點(diǎn)比較A／D采樣點(diǎn)，找出采樣點(diǎn)的最大值就可以確定幅值最大的特征值波形。然后，如圖3b所示，確定超聲波傳輸時(shí)間終點(diǎn)所對應(yīng)的過零點(diǎn)P0前一個(gè)采樣點(diǎn)P和后一個(gè)采樣點(diǎn)P＋1，顯然在特征波內(nèi)采樣點(diǎn)P的采樣值大于零，采樣點(diǎn)P＋1的采樣值小于零。最后，以采樣點(diǎn)P和P＋1兩個(gè)點(diǎn)對應(yīng)的時(shí)刻作為基準(zhǔn)，用數(shù)字?jǐn)M合細(xì)分插補(bǔ)算法可以準(zhǔn)確地計(jì)算出過零點(diǎn)P0所對應(yīng)的時(shí)刻。

如圖3所示，設(shè)超聲波信號的輸入頻率為fu，A／D的采樣頻率為fA／D，A／D分辨率為RA／D位，相鄰兩個(gè)采樣點(diǎn)之間的時(shí)間即采樣周期為TA／D。采樣后開始計(jì)數(shù)，第一個(gè)采樣點(diǎn)計(jì)數(shù)為1，采樣點(diǎn)P的采樣點(diǎn)計(jì)數(shù)為N，采樣點(diǎn)P對應(yīng)的采樣值為V1，所對應(yīng)的時(shí)刻為t1：

采樣點(diǎn)P＋1對應(yīng)的采樣值為V2；采樣點(diǎn)P與過零點(diǎn)P0之間的時(shí)間為t2，在過零點(diǎn)附近較小的區(qū)域內(nèi)，正弦波的波形接近于直線，可以根據(jù)直線插補(bǔ)的方法確定t2：

圖3 特征波過零點(diǎn)示意圖

t2對應(yīng)的時(shí)間分辨率為

如果把正的最大值和負(fù)的最大值之間的波形近似看作直線，則有

而超聲波傳輸時(shí)間tu為

由于t1是A／D采樣電路的采樣頻率的整數(shù)倍，故其分辨率依賴于器件的性能；t2是由特征波中過零點(diǎn)對應(yīng)的時(shí)刻決定的，根據(jù)采樣數(shù)據(jù)由數(shù)字細(xì)分插補(bǔ)得到，其分辨率主要取決于超聲波信號的頻率和A／D采樣電路的分辨率。

由上述分析可以得出如下推論：①在A／D電路分辨率一定的情況下，超聲波信號的頻率fu越高，超聲波傳輸時(shí)間測量的分辨率R越高；②當(dāng)超聲波輸入頻率fu為定值時(shí)，選用的A／D電路的分辨率RA／D位數(shù)越高，超聲波傳輸時(shí)間測量的分辨率R越高。

3 換能器驅(qū)動(dòng)電路

超聲波換能器驅(qū)動(dòng)電路原理如圖4所示，其主要功能是給超聲波換能器供電，使之發(fā)射超聲波信號。CPU控制FPGA電路內(nèi)的信號發(fā)生器產(chǎn)生數(shù)字信號，經(jīng)D／A電路轉(zhuǎn)換成模擬信號，由功率放大電路進(jìn)行功率放大后驅(qū)動(dòng)換能器發(fā)射超聲波信號。

圖4 換能器驅(qū)動(dòng)電路原理框圖

信號發(fā)生器產(chǎn)生的數(shù)字信號要確定以下參數(shù)：

（1）頻率。如上所述，超聲波信號的頻率是影響超聲波傳輸時(shí)間測量分辨率的重要因素，與驅(qū)動(dòng)電路的頻率相同。為實(shí)現(xiàn)高精度的超聲波傳輸時(shí)間測量，超聲波信號的頻率越高越好。合理選擇超聲波信號的頻率對實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)合理的高精度流量測量十分重要。

（2）信號的周期數(shù)。如果換能器A發(fā)射的超聲波信號周期數(shù)太多，則超聲波信號不停地作用于換能器B，換能器B上產(chǎn)生的超聲波回波信號的幅值先是逐漸增大，到達(dá)額定值后就不再增大，直到?jīng)]有超聲波信號作用于其上后，其幅值才逐漸減小。這樣形成回波信號的波形中幅值最大值（額定值）的波有很多個(gè)，不利于確定特征波；如果發(fā)射的超聲波信號的周期數(shù)太少，則超聲波回波信號幅值最大的那個(gè)波的振幅不能達(dá)到或接近于換能器的額定值，也不利于確定特征波，因此要合理確定超聲波信號的周期數(shù)。

4 超聲波回波信號處理電路

超聲波回波信號處理電路原理如圖5所示。圖5a是常規(guī)的信號處理電路，圖5b是在FPGA電路內(nèi)構(gòu)建隨機(jī)存儲區(qū)（RAM）的信號處理電路。

圖5 超聲波回波信號處理電路原理框圖

常規(guī)的信號采集電路中，超聲波回波信號經(jīng)放大電路和濾波電路處理后輸入A／D電路，CPU發(fā)出數(shù)據(jù)采集指令控制A／D進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每采一個(gè)數(shù)據(jù)，CPU都要從A／D讀取數(shù)據(jù)，然后存入高速RAM。所有數(shù)據(jù)采集完成后，CPU再從高速RAM中讀取數(shù)據(jù)，進(jìn)行特征波查找，計(jì)算超聲波傳輸時(shí)間。這種采樣電路適合于低速采樣，當(dāng)采樣頻率較高時(shí)就無法完成采樣。例如采樣頻率為40MHz時(shí)，假設(shè)CPU的時(shí)鐘頻率為100MHz，由于采樣一個(gè)數(shù)據(jù)需要讀、存兩條指令，至少需要8個(gè)時(shí)鐘周期，即80ns，而采樣時(shí)間只有25ns，顯然來不及采樣［5－6］。

為此設(shè)計(jì)了圖5b所示的信號處理電路，在FPGA電路中構(gòu)建RAM和數(shù)據(jù)采集控制器。采樣時(shí)，CPU向FPGA電路發(fā)出開始采樣指令，數(shù)據(jù)采集控制器控制A／D電路進(jìn)行采樣，將采樣數(shù)據(jù)存儲于FPGA電路中構(gòu)建的RAM中。采樣完成后，數(shù)據(jù)采集控制器向CPU發(fā)出數(shù)據(jù)采集結(jié)束信號，CPU從FPGA電路中讀取數(shù)據(jù)，進(jìn)行特征波查找，計(jì)算超聲波傳輸時(shí)間。由于采樣數(shù)據(jù)的讀、存主要由FPGA電路中的硬件電路完成，可以大大提高采樣頻率。

如上所述，A／D電路的分辨率RA／D位數(shù)過高，則超聲波傳輸時(shí)間測量的分辨率越高，但價(jià)格也越昂貴，因此要合理選擇A／D電路的分辨率。

A／D電路的采樣頻率對超聲波傳輸時(shí)間測量的分辨率沒有影響。但從采樣的角度講，首先要保證在一個(gè)信號周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)能夠足以反映信號的自身規(guī)律；其次，采樣頻率越高，就越有利于確定特征波，因此要合理確定采樣頻率。

5 超聲波流量計(jì)工作原理

根據(jù)以上方法設(shè)計(jì)的超聲波流量計(jì)的原理如圖6所示。

圖6 流量計(jì)原理框圖

首先，F(xiàn)PGA產(chǎn)生數(shù)字正弦激勵(lì)信號，經(jīng)D／A數(shù)字模擬信號轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成為模擬量，這一模擬量被功率放大電路放大，F(xiàn)PGA將發(fā)射通道切換控制切換到換能器A的通道，從而激勵(lì)換能器A發(fā)射超聲波并在液體介質(zhì)中傳播。

超聲波在液體介質(zhì)中傳播時(shí)疊加上了液體介質(zhì)的信號，被換能器B接收后轉(zhuǎn)換為超聲波回波信號。CPU發(fā)出指令，使FPGA控制A／D轉(zhuǎn)換電路對回波信號進(jìn)行實(shí)時(shí)高速采集，采集到的數(shù)據(jù)存儲在FPGA內(nèi)部構(gòu)造的RAM內(nèi)存中。

采樣結(jié)束后，CPU從FPGA中讀取采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，根據(jù)采樣數(shù)據(jù)計(jì)算出超聲波順流傳輸時(shí)間。

同理，F(xiàn)PGA控制通道切換邏輯使換能器B發(fā)射超聲波，換能器A接收超聲波，可以計(jì)算出超聲波逆流傳輸時(shí)間，從而可以計(jì)算出超聲波順流、逆流傳輸時(shí)間差，進(jìn)而計(jì)算出相關(guān)的流速和流量信息，并且控制流速和流量等不同數(shù)據(jù)的LCD顯示。

高分辨率的A／D轉(zhuǎn)換器和高速FPGA信號采集是保證超聲波傳輸時(shí)間精密測量的硬件保障，也是信號處理電路的核心部分。本流量計(jì)中，正弦信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號頻率為1MHz，A／D電路的分辨率為12位，采樣頻率為32MHz，則超聲波傳輸時(shí)間的理論分辨率為

這樣，如上所述，在流體流速大于1m／s時(shí)，流量計(jì)的流量測量分辨率可優(yōu)于0.1%。若采用更高的超聲波信號頻率和選用分辨率更高的A／D電路，還可實(shí)現(xiàn)更高分辨率的測量［7－8］。

采用以上參數(shù)設(shè)計(jì)的管道直徑為300mm、聲道角為45°的超聲波流量計(jì)樣機(jī)在被測介質(zhì)為潔凈水的情況下經(jīng)中國四聯(lián)儀器儀表集團(tuán)流量儀表分公司標(biāo)定，流量測量精度為0.6%，有良好的線性和重復(fù)性。

6 結(jié)論

（1）提出了用數(shù)字細(xì)分方法處理超聲波信號的采樣數(shù)據(jù)的方法，在硬件要求不高的情況下可大大提高超聲波傳輸時(shí)間測量的分辨率。在超聲波信號的頻率為1MHz，A／D電路的分辨率為12位，采樣頻率為32MHz的情況下，超聲波傳輸時(shí)間的理論分辨率高達(dá)0.122ns，有利于實(shí)現(xiàn)高精度的測量。根據(jù)這一方法設(shè)計(jì)的超聲波流量計(jì)，測量精度達(dá)到0.6%，有良好的線性和重復(fù)性。

（2）在FPGA電路中構(gòu)建RAM存儲區(qū)，大大縮短了采樣數(shù)據(jù)的儲存時(shí)間，順利實(shí)現(xiàn)了高頻信號的實(shí)時(shí)采樣。

（3）在精密測量超聲波傳輸時(shí)間的方法中，超聲波信號的頻率和A／D電路的分辨率是影響測量分辨率的兩個(gè)重要因素。

（4）超聲波傳輸時(shí)間的終點(diǎn)是通過綜合整個(gè)超聲波回波信號全部采樣數(shù)據(jù)，先找到特征波然后在特征波中從波峰到波谷的半個(gè)周期內(nèi)通過插補(bǔ)算法精確確定的，它所對應(yīng)的超聲波傳輸時(shí)間也是綜合所有回波信號數(shù)據(jù)得到的，有很好的穩(wěn)定性。

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