CN103454643B

CN103454643B - 恒定声压fsk超声波渡越时间精确测量方法

Info

Publication number: CN103454643B
Application number: CN201310408949.0A
Authority: CN
Inventors: 朱金刚; 徐斌; 王效灵; 蔡领
Original assignee: Zhejiang Gongshang University
Current assignee: Zhejiang Gongshang University
Priority date: 2013-09-10
Filing date: 2013-09-10
Publication date: 2015-05-27
Anticipated expiration: 2033-09-10
Also published as: CN103454643A

Abstract

本发明公开了一种恒定声压FSK超声波渡越时间精确测量方法，有效地克服了超声波振子机械惯性和阻尼效应所带来的测量误差（将机械惯性和阻尼效应稳定在一个固定的值上）。可以有效地提高超声波测距的精度，实验表明，采用此方法测量误差稳定在0.1mm的数量级上。远远优于同类技术所能达到的技术水平。

Description

恒定声压FSK超声波渡越时间精确测量方法

技术领域

本发明涉及一种超声波渡越时间精确测量方法，具体是一种恒定声压FSK超声波渡越时间精确测量方法。

背景技术

人耳最高只能感觉到大约20kHz的声波，频率在20kHz以上的的声波就是超声波，超声波属于机械波的范畴。

超声波遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，如在介质的分界面处会发生反射和折射现象，在进入介质后被介质吸收而发生衰减。超声波的频率可以非常高，达到兆赫级，因此，超声波在介质中传播时能量可以集中在很小的范围内，具有良好的成束性，方向性好。

理论研究表明，在振幅相同的情况下，一个物体振动的能量跟振动频率的二次方成正比。超声波在介质中传播时，介质质点振动的频率可以很高，因而能量很大。

利用超声波能量大这一特点，可以对介质产生诸如机械作用、空化作用、热效应和化学效应，可进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化、雾化、脱气、除尘、去锅垢、清洗、灭菌、促进化学反应和进行生物学研究等，在工矿业、农业、医疗等各个部门获得了广泛应用。

超声波的另一个显著特点是沿直线传播，可以定向发射。超声波在同一介质中的传播速度基本恒定，因此利用测量超声波在该介质中经过一段距离所用的时间，可以实现非接触式测距。对于不同的介质，超声波传播的速度不同，利用这一特性，也可以测定介质的特性，如测定酒精的浓度，测量锅炉中空气的温度等等。如果测定了不同介质的超声波传播特性，则可以测定不同物质的类型，如蔗糖溶液、酒精溶液、各种酒类的品质特性等等。

为了测量不同介质对于超声波速度的细微变化（差别），必须精确测量超声波在介质中所经过的时间（渡越时间），渡越时间的精确测量决定了识别介质特征的准确度。

如果渔船载有水下超声波发生器，它旋转着向各个方向发射超声波，超声波遇到鱼群会反射回来，渔船探测到反射波就知道鱼群的位置了，这种仪器叫做声纳，声纳也可以用来探测水中的暗礁、敌人的潜艇，测量海水的深度。根据同样的道理也可以用超声波探测金属、陶瓷混凝土制品，甚至水库大坝，检查内部是否有气泡、空洞和裂纹，实现无损探测。人体各个内脏的表面对超声波的反射能力是不同的，健康内脏和病变内脏的反射能力也不一样。平常说的“B超”就是根据内脏反射的超声波进行造影，帮助医生分析体内的病变。

随着传感器和单片机控制技术的不断发展，非接触式检测技术已被广泛应用于多个领域。目前，典型的非接触式测距方法有超声波测距、CCD 探测、雷达测距、激光测距等。其中，CCD 探测具有使用方便、无需信号发射源、同时获得大量的场景信息等特点，但CCD测距需要额外的计算开销。雷达测距具有全天候工作，适合于恶劣的环境中进行短距离、高精度测距的优点，但容易受电磁波干扰。激光测距具有高方向性、高单色性、高亮度、测量速度快等优势，尤其是对雨雾有一定的穿透能力，抗干扰能力强，但其成本高、数据处理复杂。

与前几种测距方式相比，超声波测距可以直接测量近距离目标，纵向分辨率高，适用范围广，方向性强，并具备不受光线、烟雾、电磁干扰等因素影响，且覆盖面较大等优点。目前，超声波测距已普遍应用在液位测量、移动机器人定位和避障等领域，应用前景广阔。

在医学上，如果将B型超声波回波时间的测量精度提高一个数量级，则可大大提高B超图像的清晰度，减少医生的误判概率。

近年来超声测试技术已明显表现出下列趋向：

1、由定性判断缺陷的有无而发展为对缺陷的位置、大小、形状、性质进行定量判断，并且利用各种成像技术直接显示缺陷的二维、三维图像；

2、向在线自动检测和仪器的智能化发展，其中非接触超声测试技术取得突破进展：

3、超声测试技术和材料的物性评价相结合，材料的设计、加工和工程应用迅速发展。

如图1所示，超声波测距的基本原理，超声波传感器由脉冲信号激励发出超声波，通过传声介质传到被测物体，形成反射波；反射波再通过传声介质返回到接收传感器，传感器把声信号转换成电信号，由***测量出超声波从发射到接收所经过的时间（渡越时间），利用公式：

就可以得到超声波传感器与被测物体之间的距离。

其中：是超声波的传输速度，，单位是，是环境温度；

是超声波从发射到接收所经过的时间，单位是秒。

由于超声波测距的范围与精度受到多方面因素(如超声波发射器与接受器本身的性能、信号功率、信噪比、环境温度、湿度、计时器计时精度等)的影响，测量精度和范围都受到了很大的限制。在激励信号作用于发射器后，发射器发出的超声波会呈现一个增幅的过程，直到幅度稳定；在激励信号结束后，超声波发射器会有余振；而接收器在超声波的激励下，其输出的电信号也有一个增幅的过程，当发射功率较小或者测量距离较远时，接收器有可能感受不到第一个发射波的激励作用。图2表示了这种增幅的过程。即经过传播过程的衰减后，由于时刻的超声波幅度很少，时刻的超声波回波不一定能够被检测到。换句话说，接收器检测到的第一个回波前沿并不一定是时刻发射的超声波的前沿，而可能是时刻，甚至是时刻发射的超声波前沿。但是，在时刻已经给超声波发射器加上激励信号，计时器却已经开始计时，这将为测量带来不可估计的误差。在超声波发射器发射功率相同的情况下，被测距离越远，经被测目标反射回来的超声波幅度就越小。当反射回来的超声波幅度小到一定程度后就不能被检测或不容易被检测，从而使测量范围受到限制。由于超声波发射器发射功率的限制，有效测试距离一般较短。从测量精度上讲，一方面，超声波的回波前沿检测的准确与否和计数器的计数频率将直接影响到测量的精度。如果选用谐振频率为40kHz的超声波发射器和接收器，回波前沿检测相差一个脉冲所带来的测量误差是8.5 mm(超声波的波速按340m/s计算)，对于mm级精度的测量，其误差是不可忽视的。另一方面，渡越时间的测量值每相差1μs也将带来0.34mm的测距误差。

由超声波的传输速度可知，环境温度对于超声波的传播速度为大约0.6m/℃，通过测量环境温度可以补偿温度对于超声波传播速度的影响，但环境温度的测量误差以及传播路径中环境温度的不一致，将会导致温度补偿技术达不到预期的补偿目的。因此标杆测量法应运而生。

标杆测量法是在超声波发射器前设置标志杆，由于已知标志杆与发射器之间的距离，因此只需要测出超声波经过标志杆与发射器之间的渡越时间，根据，则可得到实际测量环境下的声速值。标杆测量法不需要考虑环境温度对于声速的影响，避免了因温度补偿声速而带来的二次误差。但是标杆测量法无法解决回波前沿准确检测的问题。

CN03207478.6所述的“具有灵敏度自动增益控制功能的超声波测距装置”公开了通过一数字电位器来自动调整接收信号的放大倍率，从而使得在整个测距的过程中，信号处理电路能得到比较稳定均衡的回波信号。该装置包括有微处理器、超声波发射电路、超声波接收电路、回波信号放大电路、回波信号检波电路和显示电路。该超声波测距装置还包括有数字电位器，该数字电位器与微处理器和回波信号放大电路的运算放大器相连接，微处理器控制数字电位器，使该数字电位器自动改变其输出阻值来调整回波信号的放大倍率，使得在整个测距离的过程中获得比较均衡的回波信号，并且在不影响近距离测距离的同时有效地屏蔽了测地等误显信号的产生，由于远距离测量时可以大幅度提高回波信号的放大倍率，所以有效地提高了远距离测距效果。

但是，根据超声波在传播过程中，其声压和声强的衰减规律：

其中：、：距声源x距离处的声压和声强

x：测量点与声源间的距离

：衰减系数，单位是Np/cm（奈培/厘米）

说明，随着传播距离的增加，接收点处的声压和声强呈指数规律衰减而迅速减小，当在远距离测量的时候，超声波的能量在传输过程中将不断被损耗，接收端的信号将被淹没在介质的噪声之中而无法辨识，此时再怎么调节放大倍率也无济于事。同时该专利无法解决回波前沿测量不准的问题。

CN200710071684.4所述的“基于调制域测量的超声波回波前沿检测方法”讲述了通过发射两种超声波频率、，通过测量频率切换点从发射端到接收端的渡越时间来计算测量距离，从而克服了传统超声波测距方法中回波前沿测量不准的问题。

如图3所示，时刻为发射的超声波的频率跳变点，在时刻之前，发射的超声的周期为，频率为；在时刻之后，发射的超声波周期为，频率为。同时，计时器从时刻开始计时。时刻为时刻发射的超声波经介质传输到达超声波接收器的时刻，即回波频率跳变的时刻。和之差即为超声波在介质中的渡越时间。

当超声波的频率与相差越大，测量过程中变频点的检测就越容易。实际上，由于超声波发射器和接收器带宽的限制，与非常接近，为变频点的检测带来了一定的困难。

CN200710071684.4所述的“基于调制域测量的超声波回波前沿检测方法”在设计时忽略了一个有关超声波发射器和接收器的重要特性，即不管是发射器还是接收器，其工作原理均是压电效应，发射器把电信号转换成机械波，接收器将机械波转换为电信号，而机械振动存在机械惯性和阻尼效应，当振子从一个振动频率转换到另一个振动频率时，其频率切换的过程不可能是瞬时的，激励功率不同，其切换的时间必然不同。从这个意义出发，CN200710071684.4所述的“基于调制域测量的超声波回波前沿检测方法”将不再有效，或者说效果不再如其所述的那么显著。

理论表明，机械振动从一个振动频率转换到另一个振动频率时，其初始的频率变化将是混沌和无序的，其后才慢慢向靠拢，最后稳定在上，整个切换过程所需的时间，对于发射器而言，与激励电压相关，对于接收器而言，与接收点的声压和声强相关。

实验表明，当用的电信号激励发射器时，其切换时间大概4个振荡周期。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种恒定声压FSK超声波渡越时间精确测量方法，包括如下步骤：

（1）载波脉冲发生器产生两种频率的脉冲信号、，当变频标识脉冲的逻辑电平发生变化时，载波脉冲发生器输出的频率就会变化，当变频标识脉冲为逻辑“1”时，载波脉冲发生器输出脉冲信号的频率为，当变频标识脉冲为逻辑“0”时，载波脉冲发生器输出脉冲信号的频率为，载波脉冲发生器输出的脉冲信号一路送入可编程脉冲放大器Ⅰ，对脉冲信号进行同相放大，另一路倒相后送入可编程脉冲放大器Ⅱ，对脉冲信号进行反相放大，此两路差动功率信号驱动发射器输出超声波；

（2）超声波接收器将超声波转换为电信号，经放大电路放大后分为两路，一路经过零触发器后输出脉冲信号供计数器测量超声波的频率，用于检测变频点；另一路经精密检波电路将接收到的信号强度变成直流电压，双限比较器对此直流电压的大小进行甄别，当信号强度大于设定的接收信号电平上限时，比较器的输出脚up_H=1，down_L=1；当信号强度小于设定的接收信号电平下限时，比较器的输出脚up_H=0，down_L=0；当信号强度介于设定的接收信号电平上、下限之间时，比较器的输出脚up_H=0，down_L=1；可逆计数器的工作状态受up_H、down_L逻辑电平的控制：当up_H=1、down_L=1时，可逆计数器做减计数；当up_H=0、down_L=0时，可逆计数器做加计数；当up_H=0、down_L=1时，可逆计数器维持原来的状态；

（3）所述可编程脉冲放大器的放大倍数正比于可逆计数器的计数值，当超声波接收器接收到的信号电平较小时，可逆计数器就会做加计数操作，可编程脉冲放大器的输出信号就会增加，超声波接收器接收到的信号电平也跟着增加，当此电平大到超过设定的上限电平时（up_H=1，down_L=1），可逆计数器做减计数，接收电平减小，此时up_H=0，down_L=1，可逆计数器停止计数，接收信号电平便稳定在这个电平点上；

若此时测量距离增加，超声波接收器接收到的信号电平跟着减小，当此电平小于设定的下限电平时（up_H=0，down_L=0），可逆计数器做加计数，接收电平增大，此时up_H=0，down_L=1，可逆计数器停止计数，接收信号电平又稳定在这个电平点上；

（4）单片机控制变频标识脉冲的逻辑电平周期性的发生变化时，载波脉冲发生器输出的频率也会周期性地在和之间来回变化，当变频标识脉冲的逻辑电平变化时，就启动时间测量电路，用以测量接收的脉冲信号端输出脉冲信号的周期，判断此信号的变频点，变频标识脉冲的逻辑电平变化与接收的脉冲信号端输出脉冲信号变频点之间的时间就是超声波的渡越时间。

进一步的，所述可逆计数器的计数值越大，可编程脉冲放大器输出脉冲信号的幅度也越大。

进一步的，当电路正常工作时，超声波接收器接收到的信号电平总是介于设定电平的上、下限之间，若设定电平的上、下限设置的十分靠近，则超声波接收器接收到的信号电平是恒定的。

本发明的恒定声压FSK超声波渡越时间精确测量方法有效地克服了超声波振子机械惯性和阻尼效应所带来的测量误差（将机械惯性和阻尼效应稳定在一个固定的值上）。可以有效地提高超声波测距的精度，实验表明，采用此方法测量误差稳定在0.1mm的数量级上。远远优于同类技术所能达到的技术水平。

附图说明

图1是超声波测距原理图；

图2是实际的发射波和回波在时间轴的对应关系图；

图3是经FSK调制后的发射波和回波的波形示意图；

图4是恒定声压FSK超声波踱越时间精确测量方法原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图4所示，恒定声压FSK超声波渡越时间精确测量方法，包括如下实现步骤：

载波脉冲发生器产生两种频率的脉冲信号、，当变频标识脉冲的逻辑电平发生变化时，载波脉冲发生器输出的频率就会变化，当变频标识脉冲为逻辑“1”时，载波脉冲发生器输出脉冲信号的频率为，当变频标识脉冲为逻辑“0”时，载波脉冲发生器输出脉冲信号的频率为。载波脉冲发生器输出的脉冲信号一路送入可编程脉冲放大器Ⅰ，对脉冲信号进行同相放大，另一路倒相后送入可编程脉冲放大器Ⅱ，对脉冲信号进行反相放大，此两路差动功率信号驱动发射器输出超声波。

超声波接收器将超声波转换为电信号，经放大电路放大后分为两路，一路经过零触发器后输出脉冲信号供计数器测量超声波的频率，用于检测变频点；另一路经精密检波电路将接收到的信号强度变成直流电压，双限比较器对此直流电压的大小进行甄别，当信号强度大于设定的接收信号电平上限时，比较器的输出脚up_H=1，down_L=1；当信号强度小于设定的接收信号电平下限时，比较器的输出脚up_H=0，down_L=0；当信号强度介于设定的接收信号电平上、下限之间时，比较器的输出脚up_H=0，down_L=1。

可逆计数器的工作状态受up_H、down_L逻辑电平的控制。当up_H=1、down_L=1时，可逆计数器做减计数；当up_H=0、down_L=0时，可逆计数器做加计数；当up_H=0、down_L=1时，可逆计数器维持原来的状态。

可编程脉冲放大器的放大倍数正比于可逆计数器的计数值，也就是说，可逆计数器的计数值越大，可编程脉冲放大器输出脉冲信号的幅度也越大。因此，当超声波接收器接收到的信号电平较小时，可逆计数器就会做加计数操作，可编程脉冲放大器的输出信号就会增加，超声波接收器接收到的信号电平也跟着增加，当此电平大到超过设定的上限电平时（up_H=1，down_L=1），可逆计数器做减计数，接收电平减小，此时up_H=0，down_L=1，可逆计数器停止计数，接收信号电平便稳定在这个电平点上。

如果此时测量距离增加，超声波接收器接收到的信号电平跟着减小，当此电平小于设定的下限电平时（up_H=0，down_L=0），可逆计数器做加计数，接收电平增大，此时up_H=0，down_L=1，可逆计数器停止计数，接收信号电平又稳定在这个电平点上。

由此可见，当电路正常工作时，超声波接收器接收到的信号电平总是介于设定电平的上、下限之间，如果我们将设定电平的上、下限设置的十分靠近，则超声波接收器接收到的信号电平将是恒定的。

单片机控制变频标识脉冲的逻辑电平周期性的发生变化时，载波脉冲发生器输出的频率也会周期性地在和之间来回变化。当变频标识脉冲的逻辑电平变化时，就启动时间测量电路，用以测量接收的脉冲信号端输出脉冲信号的周期，判断此信号的变频点，变频标识脉冲的逻辑电平变化与接收的脉冲信号端输出脉冲信号变频点之间的时间就是超声波的渡越时间。此时间包含发射器和接收器的机械惯性和阻尼效应所产生的延迟，由于加载到发射器的信号电平和接收点的超声波声压和声强均保持恒定，所以此延迟时间为固定值，可以通过校准的方法予以消除。

Claims

1.一种恒定声压FSK超声波渡越时间精确测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

（3）所述可编程脉冲放大器的放大倍数正比于可逆计数器的计数值，当超声波接收器接收到的信号电平较小时，可逆计数器就会做加计数操作，可编程脉冲放大器的输出信号就会增加，超声波接收器接收到的信号电平也跟着增加，当此电平大到超过设定的上限电平up_H=1，down_L=1时，可逆计数器做减计数，接收电平减小，此时up_H=0，down_L=1，可逆计数器停止计数，接收信号电平便稳定在这个电平点上；

若此时测量距离增加，超声波接收器接收到的信号电平跟着减小，当此电平小于设定的下限电平up_H=0，down_L=0时，可逆计数器做加计数，接收电平增大，此时up_H=0，down_L=1，可逆计数器停止计数，接收信号电平又稳定在这个电平点上；

2.如权利要求1所述的恒定声压FSK超声波渡越时间精确测量方法，其特征在于：所述可逆计数器的计数值越大，可编程脉冲放大器输出脉冲信号的幅度也越大。

3.如权利要求1所述的恒定声压FSK超声波渡越时间精确测量方法，其特征在于：当电路正常工作时，超声波接收器接收到的信号电平总是介于设定电平的上、下限之间，若设定电平的上、下限设置的十分靠近，则超声波接收器接收到的信号电平是恒定的。