[发明专利]一种超声波到达精确时刻检测的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种超声波到达精确时刻检测的方法及装置，具体涉及一种基于超声波的测距、跟踪定位、流量检测等需要检测超声波到达时刻的方法及装置。

背景技术

在基于超声波技术的距离、流量、定位、液位、温度等参数测量中，通常需要精确的测量超声波在介质中的传输时间，从而直接或通过工程换算实现对被测量的测量。传输时间是发射器发射的超声波信号到达接收器的传播时间，超声波发射时刻可通过内部同步信号、红外信号或射频信号产生。传统的固定阈值比较法的包括单阈值法和双阈值法，固定阈值的基本思想是设置固定的门限电平(阈值)，当接收到的超声波信号超过该门限电平，则认为超声波到达，可见，阈值比较法是基于超声波幅度检测的方法，要保证其检测精度，需要保证接收的超声信号幅度基本不变。而实际应用中，受传输介质的密度、温度、流动等因素的影响，对超声波信号的衰减较大，其幅度变化较大，即使采用自动增益调整电路，也很难实现高精度检测，因此基于固定阈值的检测方法精度较低。基于相关函数、小波变换以及双指数等渡越时间(TOF：time of flight)估计算法，计算量大，且要求较高的采样率和实时处理能力，且精度难以保证。在实际工程应用中，影响超声波接收信号的幅度因素较多，造成超声信号的幅度变化较大，研究一种与接收信号幅度变化无关的超声波到达时刻检测方法及装置具有实际应用价值。

发明内容

基于此，本发明利用数字处理技术，基于超声波接收信号波形特征，在超声波数据中找到超声波波形的稳定特征点，动态地确定超声波到达判断门限电平，利用直线拟合方法精确计算超声波到达时刻，为测距、目标跟踪定位、流量检测等高精度超声波检测提供一种计算量低、精度高的检测方法。

本发明的目的是提供一种高精度的超声波到达时刻检测方法及装置，在基于超声波测距、跟踪定位、流量测量、液位测量等工程应用中提高超声波到达时刻的检测精度。

本发明采用红外信号作为同步信号，接收与处理装置收到红外信号后，由接收与处理装置的处理器控制A/D转换器连续采集数据并存储在存储器中，并进行超声波信号到达时刻的计算。

本发明提供一种超声波到达精确时刻检测的装置，包括：

(1)超声红外发射装置

包括超声驱动装置、超声发射传感器、红外驱动装置、红外发射管、第一微处理器(MCU)以及电源。

红外和超声发射均采用脉冲驱动，红外脉冲采用窄脉冲，脉冲宽度范围为5～10μs，采用三极管电流驱动。

超声驱动装置采用脉冲变压器驱动，超声脉冲宽度为超声信号周期的一半，超声发射传感器为电容型传感器，与变压器次级构成并联谐振回路，要求变压器次级的电感与超声传感器的电容满足谐振条件。

第一微处理器主要产生红外脉冲信号、超声脉冲信号和定时信号，采用低引脚、低性能单片机，如PIC12F508、PIC12F629等8引脚单片机。

红外与超声波同时发射信号，由于红外以光速传播，传播时间可以忽略，因此用红外信号作为接收同步信号，接收到红外信号后开始采集超声信号。

电源采用单节AA电池，用升压电路产生5V直流电源给其他装置供电。

(2)接收与处理装置

包括超声接收与放大、红外接收与放大、A/D转换器、电源、第二微处理器以及存储器。

超声接收与放大包括超声接收传感器、超声放大装置、超声增益控制装置。

超声接收传感器的中心频率为40KHz，超声放大装置采用单电源低噪声运算放大器。超声增益控制装置根据接收到的超声信号幅值，产生控制信号控制超声放大装置的参数，实现对超声信号的增益的自动控制，防止因超声信号过大或过小影响超声波到达时刻的检测精度。

红外接收与放大包括红外接收管、红外放大装置、红外增益控制装置。

第二微处理器通过A/D转换器对红外采样，通过判断红外脉冲接收数据的中心位置，确定红外的到达时刻，将该到达时刻作为超声信号采集的同步信号。

红外放大装置采用单电源低噪声运算放大器。红外增益控制装置根据接收到的红外信号幅值，产生控制信号控制红外放大装置的参数，实现对红外信号的增益的自动控制，防止因红外信号过大或过小影响系统的检测精度。

A/D转换器采用两个A/D转换器或者一个双通道A/D转换器，最高采样频率达到1MSPS，单电源供电。

第二微处理器采用DSP、ARM、FPGA或高性能单片机，指令执行速度超过10MIPS。