[实用新型]一种精密测量超声波传输时间的装置

说明书

技术领域

本实用新型属于精密传感器和检测技术领域，具体涉及一种超声波传输时间的精密测量技术。

背景技术

超声波的显著特征是频率高，因而波长短，绕射现象小，方向性好，能够定向传播。在液体，固体中衰减小、穿透能力强，遇到杂质或分界面就会有显著的反射。随着电子技术的发展，超声波技术越来越多的应用于距离、流量等的精密测量。

超声波在流体中传播时，在顺流方向和逆流方向传输时间的不同，顺、逆流时间差和流速有关，因此可以通过测量超声波在流体中传播时的顺、逆流时间差来测量流量。例如，超声波在洁净水中的传播速度约为1450m/s，在管径D＝300mm，流体流速v＝1.33m/s的条件下，顺逆流时间差约为1微秒，要保证测量达到0.5％的测量精度，要求测量的时间差的分辨率要达到1～2纳秒才能实现，顺、逆流传播时间的测量分辨率也应该在纳秒，乃至皮秒级。如果用常规的定时计数电路，时钟电路的频率至少要达到1G，这对于仪器开发来讲显然很难实现。

发明内容

本实用新型针对上述问题，公开了一种精密测量超声波传输时间的方法及装置，采用FPGA电路和软件细分插补算法，可以在保证测量实时性的前提下实现纳秒级，乃至皮秒级测量。

本实用新型采用的技术方案是：

本实用新型提出的装置包括超声波换能器A、超声波换能器B、功率放大电路、放大电路、滤波电路、A/D转换电路、D/A转换电路、现场可编程门阵列FPGA和中央处理单元CPU；

所述超声波换能器A与超声波换能器B间隔一定距离相对设置，两个换能器之间存在可以传播超声波的介质；

所述中央处理单元CPU连接现场可编程门阵列FPGA，控制现场可编程门阵列FPGA输出正弦波驱动信号，现场可编程门阵列FPGA的一路输出连接D/A转换电路，由过D/A转换电路对所述正弦波驱动信号进行转换，D/A转换电路再连接功率放大电路，对信号进行放大，功率放大电路与超声波换能器A连接，将信号输入至所述超声波换能器A，该超声波换能器A将所述该输入信号转换成机械振动产生超声波信号；

所述超声波换能器B接收所述超声波换能器A发出的超声波信号，把机械振动转换为电信号，输出超声波回波信号，并通过与其依次连接的放大电路、滤波电路和A/D转换电路，使所述超声波回波信号依次经放大、滤波和A/D转换后输入至现场可编程门阵列FPGA；

所述现场可编程门阵列FPGA同时采样输出的正弦波驱动信号和输入的超声波回波信号，并将采样数据存放在内存中；

所述中央处理单元CPU从现场可编程门阵列FPGA内存中读取采样数据，根据输出的正弦波驱动信号确定超声波传播时间起点所对应的时刻，根据输入的超声波回波信号，采用通过细分插补算法精确计算出超声波传播时间终点所对应的时刻，进而精确计算超声波在超声波换能器A与超声波换能器B之间的传输时间。

所述换能器A是压电式传感器，可以把具有一定能量的电信号转换为机械振动，当信号的频率在超声波的频率范围内时，换能器A把电信号转换为超声波信号。换能器B也是压电式传感器，把机械振动转换为电信号，当超声波信号作用到超声波换能器B上时，它把超声波信号转换为电信号，该信号可以称之为超声波回波信号。

所述超声波换能器驱动电路包括数模转换(D/A)和功率放大电路。D/A转换器用于把FPGA发出的数字正弦信号转换为模拟正弦信号，功率放大电路用于放大该正弦信号的功率，使之有足够的能量驱动超声波换能器A。所述A/D转换器主要用于把超声波回波模拟信号转换为数字信号，A/D转换器的位数和采样频率是影响超声波传输时间测量精度的重要因素。

所述FPGA电路主要功能有两个，第一个功能是在CPU的控制下产生数字正弦信号，第二个功能是完成超声波回波信号的采样，并把数据存在构造于FPGA内部的存储区内。

超声波换能器A发射一定数量的周期性正弦超声波信号，该信号在介质中传播到达换能器B后，激励换能器B产生超声波回波信号，回波信号的幅值随着换能器接收到的超声波信号的连续激励而逐渐增大，当激励信号停止时，换能器的机械振动在惯性的作用下仍然会持续并逐渐衰减，回波信号的幅值也逐渐减小，因此超声波回波信号是一个变幅周期性信号，其周期对应于超声波信号的周期。回波信号幅值最大的那个周期对应于换能器A最后发出的那个超声波信号的周期。