基于窄帶寬超聲傳感器的傳播時間測量方法

Hermann Inaki Schlaberg

(華北電力大學新能源電力系統國家重點實驗室,北京 102206)

0 引言

聲波在不同的介質中傳播會表現出不同的傳播性質，所以通過測量聲波不同的傳播參數可以反映介質的物理狀態。在此過程中，精確地測量聲波的傳播參數至關重要[1-3]。現有的大多數傳感器都是固定頻率、窄帶寬，且傳感器之間的信號有較長的回響時間。為解決這些問題，一些學者采用靜電式換能器，不僅能提供較大的帶寬，且在較高溫度下也能正常工作[4]。

普通的超聲傳感器在液體測量方面信號比較清楚，傳播時間的測量可以通過閾值法獲得[5]。然而，如果在氣體中應用，接收端的聲波信號持續時間較長，且會產生多個疊加信號，信號初始位置不易分辨。這使得利用窄帶寬精確測量傳播時間愈發困難[6-7]。

1 傳播時間測量方法

本文提出的方法是應用現有廉價的窄帶寬超聲傳感器，通過兩個頻率接近的超聲信號的收發，獲得聲波在兩傳感器之間的傳播時間。由于聲速不隨聲波的頻率改變而改變，因此兩個頻率下的聲波具有相同的傳播時間t0，盡管t0很難從實際測量中直接獲取。

通過計數器記錄的接收信號電壓值由負到正經過零點的時間曲線如圖1所示。由圖1可以看出，由于聲波頻率的不同，從t0開始，兩個聲波經過零點的時間差隨著周期數的增加而增大。

圖1 聲波信號過零點的時間曲線

實際測量時初始時刻兩個頻率的聲波經過零點的時間很難準確分辨(如圖1中虛線所示)，而經過一定數量的脈沖周期后，可以分辨出兩個聲波的時間差(如圖1中實線和點劃線所示部分)。因此將圖1中兩聲波經過零點的時間提取出來作為橫坐標，再將第一個頻率的聲波經過零點的時間作為縱坐標，即可得到擬合確定的傳播時間。擬合曲線如圖2所示。

圖2 擬合曲線

如圖2所示，實線上的點代表可以測量的點，虛線上的點表示無法分辨的點。通過線性擬合方法將這些可測點用精確的直線連接。因為兩個頻率的聲波到達接收端的時間相同，直線延長至x=0處所對應的時間即為第一個聲波脈沖到達接收端的時間，也就是聲波在傳感器間傳播的時間t0。

2 硬件系統

為了驗證本文提出的方法，建立了如圖3所示的硬件測量系統。發射信號由現場可編程門陣列(field programmable gate array，FPGA)產生，然后經過驅動電路以一定的頻率發出包含若干個周期的脈沖信號，信號的時間分辨率為20 ns。

圖3 硬件系統框圖

FPGA的組成示意圖如圖4所示。為了與主機良好地連接通信，FPGA板中包含1個基于RS-232 通信協議的電壓電平轉換電路[8]。FPGA板中還合成了1個通用異步收發器(universal asynchronous receiver/transmitter，UART)和1個8位微處理器。該處理器主要用于接收參數設置指令、收發數據等[9]。

圖4 FPGA組成示意圖

系統在傳感器接收端收到信號后，首先對信號進行放大處理，然后傳輸給過零比較器。當電壓從負值變到正值時，過零比較器輸出一個持續保持的正信號，直到輸入電壓從正值變回負值。過零比較器的輸出端連接到FPGA。在一個采集過程中，發射端發出一次脈沖，系統同時啟動一個時鐘脈沖頻率為50 MHz的計數器，用來記錄過零比較器每次輸出到FPGA的正信號的時間，該數據將存儲到先入先出(first in first out，FIFO)存儲器中。當經過一個采集周期，所有經過零點的時間都被存儲到FIFO存儲器中。計算機發送指令給FPGA，存儲需要的信息，然后進行另一個頻率聲波的發射與接收。最后計算機會記錄聲波信號經過零點的時間，以便數據的后期處理。

3 數據測量與結果分析

通過本文建立的硬件系統，利用兩個相距545.7 mm的超聲傳感器，獲取用于計算聲波傳播時間的試驗數據。兩個聲波頻率分別為39.9 kHz和39.3 kHz，系統環境溫度為23 ℃，對應的聲速為345.17 m/s，數據處理采用Matlab軟件[10]。采集數據中提取的部分聲波脈沖到達接收端的時間及時間差曲線如圖5所示。這些數據點不包括第一個聲波脈沖，即聲波傳播時間t0。

圖5 兩個頻率信號到達接收端的時間及時間差曲線

從圖5(a)可以看到,隨著周期數的增加，測量時間呈明顯的線性增長趨勢;同時，仔細觀察可以看出兩個頻率縱坐標上的差距在逐漸增大。從圖5(b)可以看出，兩個頻率聲波到達接收端的時間差隨周期數的增加而增大。若將圖5(a)兩直線反向延伸至交點處，則該交點的縱坐標即為聲波在傳感器間的傳播時間。需要注意的是，圖5中只提取了25對數據點計算傳播時間，未使用初始時刻的測量數據。具體原因分析如下。

聲波頻率隨采樣點增長的變化趨勢如圖6所示，縱坐標對應該點信號的周期。從圖6可以看出，聲波初始幾個周期的信號在頻率上很不穩定，表明聲波頻率不是恒定不變的。傳感器自身特性也會影響發射聲波的真實頻率，需要一定的時間適應驅動信號。

圖6 聲波頻率隨采樣點增長的變化趨勢

本文所用驅動信號由1 252和1 272個脈沖時鐘組成，每個時鐘的周期為20 ns，即驅動信號的周期為25.04 ms和25.44 ms。從圖6可以看出，經過一定時間后聲波信號的周期才趨于穩定，此時實際信號與驅動信號的周期吻合良好，可以作為計算t0的數據。

接收信號與驅動信號相位差曲線如圖7所示。

圖7 接收信號與驅動信號相位差曲線

采用相位差法可以準確地判斷聲波周期是否穩定。該方法將驅動信號作為參考值，對比接收信號與驅動信號之間的相位差。當該相位差不再改變時，可以確定聲波信號趨于穩定，以便獲取采樣數據。從圖7可以看到，大約30個采樣點后的聲波周期趨于恒定。因此，可以使用該點之后的若干個信號作為計算傳播時間的數據。

將兩個信號的時間差與信號到達傳感器接收端時間作為橫縱坐標，對測量數據點進行線性擬合，結果如圖8所示。擬合直線與y軸的交點為第一個聲波到達傳感器接收端的時間，即傳播時間t0。

圖8 信號到達時間的擬合結果

圖8(a)與圖8(b)的不同之處為是否使用了初始時刻的測量數據。對比圖8(a)與圖8(b)，得到兩個不同的t0，即1.564 ms和1.520 ms。相對于真實值1.581 ms，初始時刻波動的數據對測量結果會造成一定的影響。這就是不使用初始時刻采樣數據的原因。

初始時刻聲波頻率的不穩定性是超聲傳感器自身固有的特性，需要短暫的時間來適應驅動信號的頻率，該特性與聲速的大小無關。當聲波周期達到穩定時，可以用測量得到的數據計算聲波的傳播時間。實際應用中，在已知兩傳感器之間距離和環境溫度的條件下，可以對測量系統進行相應的修正，再將得到的修正系數應用于以后的測量，保證測量系統的精度。

4 結束語

本文提出了一種通過窄帶寬超聲傳感器收發聲波信號獲取聲波在傳感器之間傳播的時間的方法。為了

對該方法進行驗證，開發了一套硬件系統，主要包括FPGA板、超聲傳感器、驅動電路等。通過對兩個聲波頻率信號的線性擬合獲得了準確的傳播時間。在實際測量中，超聲信號的頻率需要一定的時間達到穩定，初始時刻的信號頻率與驅動頻率之間存在較大的差異，在提取采樣數據時，應避免使用這些導致最終結果不準確的采樣點。通過已知距離、環境條件下的測量可以對系統進行校準，并最終將該方法用于聲波在傳感器間傳播時間的實際測量。

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