[发明专利]一种超声波信号幅度自适应检测装置

说明书

本发明公开了一种超声波信号幅度自适应检测装置，前端超声波传感器对一个测量周期内两次发射的超声波信号进行接收，自适应幅度调节电路对首接收信号进行放大、测量出单峰值电平并采集、判断，然后输出增益控制字使控增益放大电路放大倍数改变，使程控增益放大器输出幅度稳定在一个固定的幅度上；同时，比较电平自动跳变电路采用正负比较电平进行比较即负电平触发时，单稳态触发器输出跳变为高电平，进而将正电平比较器的比较电平切换为0电平，使得同一个波形上具有相同的触发点，最后，采用单稳态触发器输出与正电平比较器输出进行与运算，即将单稳态触发器输出作为选通信号，对正电平比较器输出进行选择，这样选择出触发点稳定的计时停止信号。

技术领域

本发明属于超声波气体流量测量技术领域，更为具体地讲，涉及一种超声波信号幅度自适应检测装置。

背景技术

超声波作为一种检测工具，目前广泛的应用于各种领域中，其中包含医疗，石油化工，通信、检测等领域。

在检测领域，超声波的应用也是十分广泛，主要有距离检测，流速检测，流量监测等等，而在这些检测当中，都会碰到一个共同的问题，那就是超声波在传播的过程中幅值容易受到外界的干扰，同时，哪怕是同一批生产的超声波传感器也会存在幅值上的较大差别，那么在超声波信号接收端接收到的信号就会千差万别，而要保证检测精度，就必须使得检测结果不会受接收端幅值大小的影响。

在天然气管道流速的测量中，超声波的幅值干扰和幅度波动等问题特别明显。特别是，在时差法测量天然气流速的过程中，超声波信号幅值变化会导致比较大的测量误差。

在用时差法的超声波流速(流量)测量中，对于一对超声波探头，若超声波探头A发送，而超声波探头B接收，其安装结构如图1所示。

超声波信号在介质中的声速为V_c，流体是从左边朝右边流动，其流速为V，探头和管道之间的夹角为θ，两个探头的垂直距离为d，所以两个探头之间的距离L为：

因而信号在两个超声波探头之间的传输时间为：

当流体流速V＝0时，则无流速的传输时间为：

可以得到由于流体流动时产生的传输时间差Δt：

由此可见，当测得Δt后，就可以求得V，由公式(4)化简得：

如果满足Δt<<t₀，则：

从公式(6)中可以看出，因为θ、V_c和t₀是定值，时间差Δt会随着V的增大而增大。

虽然公式(6)存在误差，但是此表达式可以将时间差和速度表示为线性关系，在工程应用中十分方便。

对于一对超声波探头，一个固定发送和另外一个固定接收的情况而言，如式(6)，在应用中若不考虑声速V_c随环境的温度和压强发生而产生的变化，会引入较大的误差。为了解决声速的变化问题，可以使得两个探头分别进行接收和发送，即先A发B收然后B发A收，两种测量结果相减，可以将声速的影响抵消掉，具体的推导公式如下：

当流体速度方向和超声波传播方向一致时，即探头A发送到探头B接收，传输时间t_AB表达式为：

当流体速度方向和超声波信号传播方向相反时，即探头B发探头A收的传输时间t_BA表达式为：