[发明专利]基于数字解调的超声波飞行时间测量方法

说明书

本发明公开了一种基于数字解调的超声波飞行时间测量方法，包括超声波飞行时间测量装置，该测量方法基于高压偏置脉冲驱动方法，使超声回波仅经过一个振荡周期即可达到最大幅度，AD采集电路对回波信号进行数据采集后，将最大幅度周期中心过零点两侧的两个数据点进行线性拟合，计算得到最大幅度周期所在的整周期数,即粗时间；再提取最大幅度周期采集的数据分别与预先计算好并存储在处理器内的正余弦函数参考值进行解调，解调即为查表取离散正余弦参考值，并与提取的数据相乘、累加，进而得到回波信号的相位，即精细时间。整周期数减去起振周期数再加上回波信号相位转换的时间即可准确得到超声波飞行时间，测量精度高、测量方法简单。

技术领域

本发明涉及一种时间间隔的测量方法，尤其涉及一种基于数字解调的超声波飞行时间测量方法。

背景技术

超声波飞行时间测量是超声波应用于温度、距离、流量、液位、定位等应用的要解决的核心问题，目前超声波飞行时间测量方法主要有以下几种：

1)阈值法：接收电路采用一个固定阈值电压的比较器并上拉输出正逻辑电平，当超声回波信号幅度经过放大后达到设定的阈值后，随即触发比较器输出负逻辑脉冲，后续电路通过测量发射超声波的时刻到负脉冲之间的时间间隔即可得到超声波飞行时间。但是实际测量中，噪声信号往往会把回波前沿淹没，需要设定合适的阈值，噪声会被放大电路放大导致误触发，在不同应用场合存在难以确定合适的阈值电压的问题。双阈值法在精度上虽有一定改善，却仍面临同样的问题。

2)特征波法：该方法发射多个驱动信号，取最后一个发射波为起始时刻，将回波中幅度最大的波的峰值点作为终止时刻，进而求得超声波飞行时间。然而已有论文证明最后一个发射波与幅度最大波的峰值点并不对应，存在整数倍周期误差。

3)互相关法：该方法根据发射波形与接收回波信号在时间轴上不同时刻的相关度，进而测得超声波飞行时间。但不同的应用场合得到的超声信号不同，因此需要事先在处理器内存储大量波形数据，对处理器的要求很高；另一方面存在高斯白噪声干扰等限制，制约了超声波飞行时间测量精度和满足实时性的要求。

4)回波包络法：该方法将原始信号通过希尔伯特变换得到复解析信号，复解析信号的实部为信号本身，虚部为信号的希尔伯特变换，其模为信号的包络，一般取信号包络的最大值或通过输入不同数量的驱动信号得到两个包络，将它们的分离点作为超声回波终止时刻，进而测量超声波飞行时间。该方法可以摆脱阈值法需设定固定阈值的缺陷，然而无法准确测量回波的前沿首波。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种解决上述问题，测量精度高、测量方法简单的基于数字解调的超声波飞行时间测量方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：

一种基于数字解调的超声波飞行时间测量方法，包括超声波飞行时间测量装置，所述超声波飞行时间测量装置包括处理器、驱动放大电路、超声波换能器、高压偏置电路、回波放大电路、AD采集电路和反射面，其中处理器输出端分别经驱动放大电路和高压偏置电路与超声波换能器相连，触发超声波换能器产生发射波至反射面，所述回波放大电路用于接收经反射面反射回来的回波，其经AD采集器与处理器相连，将回波经AD采样后发送给处理器；包括以下步骤：

(1)处理器触发超声波换能器发出超声波信号，该超声波信号经反射面反射回的回波信号特征为：仅经过一个起振周期即达到回波信号幅度最大周期；

(2)回波放大电路接收到回波信号并将其放大，根据回波的波形设放大后的回波信号幅度函数模型为：

y(t)＝A(k)sin(ωt+θ)

其中y(t)为回波信号函数，k＝0，1，2…，k为振动周期数，A(k)为回波信号幅度，ω为超声波角频率，θ为超声回波相位；