[发明专利]高分辨率式超声波传输时间差测量方法

说明书

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。

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＝2π  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。

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，其包络线的两次过零点之间的时间间隔随传输时间差急剧变化，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传输时间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传输时间，得到传输时间差。

本发明附图的简要说明如下：

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。

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传输时间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