[发明专利]一种获取超声波测量装置中电路延迟时间的方法

摘要

本发明公开了一种获取超声波测量装置中电路延迟时间的方法，优点在于利用第一超声换能器和第二超声换能器既能发送超声波信号也能接收超声波信号的特点，通过控制器控制切换开关的四个端口之间的连接与断开，实现五种不同方式的超声波信号的发送与接收，通过计时器分别获取五种不同的总时间，再通过联合各个总时间的公式利用最小二乘法计算得到电路延迟时间，从而可获得超声波信号在物理介质中的传播时间；此外，本发明方法计算过程简单，且获取的电路延迟时间较为精确。

主权项

1、一种获取超声波测量装置中电路延迟时间的方法，超声波测量装置包括控制器、计时器、信号发送模块、信号接收模块、切换开关、第一超声换能器和第二超声换能器，所述的信号发送模块主要由顺序连接的脉冲信号输出电路、信号调理电路及超声驱动电路组成，所述的信号接收模块主要由信号接收电路组成，所述的切换开关具有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，所述的控制器内设置有存储器，所述的控制器分别与计时器、脉冲信号输出电路、信号接收电路、切换开关连接，所述的控制器控制所述的计时器开始计时或结束计时，并在所述的计时器结束计时后读取所述的计时器中的计数值且存储计数值至所述的存储器中，所述的控制器控制所述的脉冲信号输出电路输出激励脉冲信号，所述的控制器读取所述的信号接收电路提取得到的脉冲信号，所述的控制器控制所述的切换开关的各个端口之间的互相连接与断开，其特征在于获取超声波测量装置中电路延迟时间的方法包括以下步骤：①由控制器控制切换开关的第一端口与第三端口相连接、第二端口与第四端口相连接，控制器控制脉冲信号输出电路输出激励脉冲信号，同时控制器控制计时器开始计时，脉冲信号输出电路将激励脉冲信号传输给信号调理电路，信号调理电路对接收到的激励脉冲信号进行滤波去噪处理得到去噪后的激励脉冲信号，并将去噪后的激励脉冲信号传输给超声驱动电路，超声驱动电路对接收到的激励脉冲信号进行放大处理得到放大的激励脉冲信号，并将放大的激励脉冲信号通过切换开关的第一端口与第三端口传输给第一超声换能器，第一超声换能器将接收到的激励脉冲信号转换为超声波信号，并发送超声波信号，超声波信号在物理介质中传播后，一部分超声波信号由第二超声换能器接收，一部分超声波信号由第二超声换能器反射回，第二超声换能器将接收到的超声波信号转换为激励脉冲信号，该激励脉冲信号中夹杂有干扰信号，并将夹杂有干扰信号的激励脉冲信号通过切换开关的第四端口和第二端口传输给信号接收电路，信号接收电路从夹杂有干扰信号的激励脉冲信号中提取出激励脉冲信号，控制器从信号接收电路中读取提取出的激励脉冲信号，同时控制器控制计时器结束计时并读取计数器中的计数值，及控制切换开关的第一端口与第三端口断开、第二端口与第四端口断开；②控制器对从信号接收电路中提取出的激励脉冲信号与脉冲信号输出电路输出的激励脉冲信号进行比较，判断两者是否相同，如果不相同，则表明信号接收电路提取的激励脉冲信号并非为脉冲信号输出电路输出的激励脉冲信号，并返回执行步骤①，否则，表明脉冲信号输出电路输出的激励脉冲信号已被成功接收，然后定义从计时器开始计时到第一超声换能器发出超声波信号为止所经历的时间为第一电路延迟时间，记为T1，定义超声波信号在物理介质中传播所经历的时间为超声波信号的传播时间，记为TD，定义从第二超声换能器接收超声波信号开始到计时器结束计时为止所经历的时间为第二电路延迟时间，记为T2，定义该次测量中从计时器开始计时至计时器结束计时所经历的总时间为第一总时间，记为A11，第一总时间A11主要由第一电路延迟时间T1、第二电路延迟时间T2及超声波信号的传播时间TD构成，将第一总时间A11与第一电路延迟时间T1、第二电路延迟时间T2及超声波信号的传播时间TD的关系表示为A11＝T1+TD+T2；③由控制器控制切换开关的第一端口与第四端口相连接、第二端口与第三端口相连接，控制器控制脉冲信号输出电路输出激励脉冲信号，同时控制器控制计时器开始计时，脉冲信号输出电路将激励脉冲信号传输给信号调理电路，信号调理电路对接收到的激励脉冲信号进行滤波去噪处理得到去噪后的激励脉冲信号，并将去噪后的激励脉冲信号传输给超声驱动电路，超声驱动电路对接收到的激励脉冲信号进行放大处理得到放大的激励脉冲信号，并将放大的激励脉冲信号通过切换开关的第一端口与第四端口传输给第二超声换能器，第二超声换能器将接收到的激励脉冲信号转换为超声波信号，并发送超声波信号，超声波信号在物理介质中传播后，一部分超声波信号由第一超声换能器接收，一部分超声波信号由第一超声换能器反射回，第一超声换能器将接收到的超声波信号转换为激励脉冲信号，该激励脉冲信号中夹杂有干扰信号，并将夹杂有干扰信号的激励脉冲信号通过切换开关的第三端口和第二端口传输给信号接收电路，信号接收电路从夹杂有干扰信号的激励脉冲信号中提取出激励脉冲信号，控制器从信号接收电路中读取提取出的激励脉冲信号，同时控制器控制计时器结束计时并读取计数器中的计数值，及控制切换开关的第一端口与第四端口断开、第二端口与第三端口断开；④控制器对从信号接收电路中提取出的激励脉冲信号与脉冲信号输出电路输出的激励脉冲信号进行比较，判断两者是否相同，如果不相同，则表明信号接收电路提取的激励脉冲信号并非为脉冲信号输出电路输出的激励脉冲信号，并返回执行步骤③，否则，表明脉冲信号输出电路输出的激励脉冲信号已被成功接收，然后定义从计时器开始计时到第二超声换能器发出超声波信号为止所经历的时间为第三电路延迟时间，记为T3，定义从第一超声换能器接收超声波信号开始到计时器结束计时为止所经历的时间为第四电路延迟时间，记为T4，定义该次测量中从计时器开始计时至计时器结束计时所经历的总时间为第二总时间，记为A21，第二总时间A21主要由第三电路延迟时间T3、第四电路延迟时间T4及超声波信号的传播时间TD构成，将第二总时间A21与第三电路延迟时间T3、第四电路延迟时间T4及超声波信号的传播时间TD的关系表示为A21＝T3+TD+T4⑤由控制器控制切换开关的第一端口与第三端口相连接，并确保切换开关的第二端口与第四端口断开，控制器控制脉冲信号输出电路输出激励脉冲信号，同时控制器控制计时器开始计时，脉冲信号输出电路将激励脉冲信号传输给信号调理电路，信号调理电路对接收到的激励脉冲信号进行滤波去噪处理得到去噪后的激励脉冲信号，并将去噪后的激励脉冲信号传输给超声驱动电路，超声驱动电路对接收到的激励脉冲信号进行放大处理得到放大的激励脉冲信号，并将放大的激励脉冲信号通过切换开关的第一端口与第三端口传输给第一超声换能器，第一超声换能器将接收到的激励脉冲信号转换为超声波信号，并发送超声波信号，同时控制器控制切换开关的第一端口与第三端口断开、第二端口与第三端口相连接，超声波信号在物理介质中传播后，一部分超声波信号由第二超声换能器接收，一部分超声波信号由第二超声换能器反射回，第二超声换能器反射回的超声波信号通过物理介质后的一部分超声波信号由第一超声换能器接收，第一超声换能器将接收到的超声波信号转换为激励脉冲信号，该激励脉冲信号中夹杂有干扰信号，并将夹杂有干扰信号的激励脉冲信号通过切换开关的第三端口和第一端口传输给信号接收电路，信号接收电路从夹杂有干扰信号的激励脉冲信号中提取出激励脉冲信号，控制器从信号接收电路中读取提取出的激励脉冲信号，同时控制器控制计时器结束计时并读取计数器中的计数值，及控制切换开关的第二端口与第三端口断开；⑥控制器对从信号接收电路中提取出的激励脉冲信号与脉冲信号输出电路输出的激励脉冲信号进行比较，判断两者是否相同，如果不相同，则表明信号接收电路提取的激励脉冲信号并非为脉冲信号输出电路输出的激励脉冲信号，并返回执行步骤⑤，否则，表明脉冲信号输出电路输出的激励脉冲信号已被成功接收，然后定义该次测量中从计时器开始计时至计时器结束计时所经历的总时间为第三总时间，记为A31，第三总时间A31主要由第一电路延迟时间T1、第四电路延迟时间T4及两个传播时间2TD构成，将第三总时间A31与第一电路延迟时间T1、第四电路延迟时间T4及两个传播时间2TD的关系表示为A31＝T1+2TD+T4；⑦由控制器控制切换开关的第一端口与第四端口相连接，并确保切换开关的第二端口与第三端口断开，控制器控制脉冲信号输出电路输出激励脉冲信号，同时控制器控制计时器开始计时，脉冲信号输出电路将激励脉冲信号传输给信号调理电路，信号调理电路对接收到的激励脉冲信号进行滤波去噪处理得到去噪后的激励脉冲信号，并将去噪后的激励脉冲信号传输给超声驱动电路，超声驱动电路对接收到的激励脉冲信号进行放大处理得到放大的激励脉冲信号，并将放大的激励脉冲信号通过切换开关的第一端口与第四端口传输给第二超声换能器，第二超声换能器将接收到的激励脉冲信号转换为超声波信号，并发送超声波信号，同时控制器控制切换开关的第一端口与第四端口断开、第二端口与第四端口相连接，超声波信号在物理介质中传播后，一部分超声波信号由第一超声换能器接收，一部分超声波信号由第一超声换能器反射回，第一超声换能器反射回的超声波信号通过物理介质后的一部分超声波信号由第二超声换能器接收，第二超声换能器将接收到的超声波信号转换为激励脉冲信号，该激励脉冲信号中夹杂有干扰信号，并将夹杂有干扰信号的激励脉冲信号通过切换开关的第四端口和第二端口传输给信号接收电路，信号接收电路从夹杂有干扰信号的激励脉冲信号中提取出激励脉冲信号，控制器从信号接收电路中读取提取出的激励脉冲信号，同时控制器控制计时器结束计时并读取计数器中的计数值，及控制切换开关的第二端口与第四端口断开；⑧控制器对从信号接收电路中提取出的激励脉冲信号与脉冲信号输出电路输出的激励脉冲信号进行比较，判断两者是否相同，如果不相同，则表明信号接收电路提取的激励脉冲信号并非为脉冲信号输出电路输出的激励脉冲信号，并返回执行步骤⑦，否则，表明脉冲信号输出电路输出的激励脉冲信号已被成功接收，然后定义该次测量中从计时器开始计时至计时器结束计时所经历的总时间为第四总时间，记为A41，第四总时间A41主要由第三电路延迟时间T3、第二电路延迟时间T2及两个传播时间2TD构成，将第四总时间A41与第三电路延迟时间T3、第二电路延迟时间T2及两个传播时间2TD的关系表示为A41＝T3+2TD+T2；⑨由控制器控制切换开关的第一端口与第三端口相连接，控制器控制脉冲信号输出电路输出激励脉冲信号，同时控制器控制计时器开始计时，脉冲信号输出电路将激励脉冲信号传输给信号调理电路，信号调理电路对接收到的激励脉冲信号进行滤波去噪处理得到去噪后的激励脉冲信号，并将去噪后的激励脉冲信号传输给超声驱动电路，超声驱动电路对接收到的激励脉冲信号进行放大处理得到放大的激励脉冲信号，并将放大的激励脉冲信号通过切换开关的第一端口与第三端口传输给第一超声换能器，第一超声换能器将接收到的激励脉冲信号转换为超声波信号，并发送超声波信号，同时控制器控制切换开关的第一端口与第三端口断开，超声波信号在物理介质中传播后，一部分超声波信号由第二超声换能器接收，一部分超声波信号由第二超声换能器反射回，同时控制器控制切换开关的第二端口与第四端口相连接，第二超声换能器反射回的超声波信号通过物理介质后的一部分超声波信号由第一超声换能器又反射回，第一超声换能器反射回的超声波信号通过物理介质后的一部分超声波信号由第二超声换能器接收，第二超声换能器将接收到的超声波信号转换为激励脉冲信号，该激励脉冲信号中夹杂有干扰信号，并将夹杂有干扰信号的激励脉冲信号通过切换开关的第四端口和第二端口传输给信号接收电路，信号接收电路从夹杂有干扰信号的激励脉冲信号中提取出激励脉冲信号，控制器从信号接收电路中读取提取出的激励脉冲信号，同时控制器控制计时器结束计时并读取计数器中的计数值，及控制切换开关的第二端口与第四端口断开；⑩控制器对从信号接收电路中提取出的激励脉冲信号与脉冲信号输出电路输出的激励脉冲信号进行比较，判断两者是否相同，如果不相同，则表明信号接收电路提取的激励脉冲信号并非为脉冲信号输出电路输出的激励脉冲信号，并返回执行步骤⑨，否则，表明脉冲信号输出电路输出的激励脉冲信号已被成功接收，然后定义该次测量中从计时器开始计时至计时器结束计时所经历的总时间为第五总时间，记为A51，第五总时间A51主要由第一电路延迟时间T1、第二电路延迟时间T2及三个传播时间3TD构成，将第五总时间A51与第一电路延迟时间T1、第二电路延迟时间T2及三个传播时间3TD的关系表示为A51＝T1+3TD+T2；联合A11＝T1+TD+T2、A21＝T3+TD+T4、A31＝T1+2TD+T4、A41＝T3+2TD+T2及A51＝T1+3TD+T2，得到方程式A11=T1+TD+T2A21=T3+TD+T4A31=T1+2TD+T4A41=T3+2TD+T2A51=T1+3TD+T2,]]>利用现有的最小二乘法求解方程式A11=T1+TD+T2A21=T3+TD+T4A31=T1+2TD+T4A41=T3+2TD+T2A51=T1+3TD+T2,]]>得到第一电路延迟时间T1、第二电路延迟时间T2、第三电路延迟时间T3及第四电路延迟时间T4。