[发明专利]恒定声压FSK超声波渡越时间精确测量方法

说明书

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，由系统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。