专利名称：检测超声波渡越时间的方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明属于超声波应用技术领域，涉及一种高精度检测较远距离超声波渡越时间
的检测超声波渡越时间的方法及其装置。
背景技术：
所谓超声波渡越时间(time-of-flight简称T0F)是指超声波从发射器发出到超 声波接收器接收到声波所经历的时间间隔。超声波发射器或称超声波发射头与超声波接收 器或称超声波接收头统称为超声波换能器。准确测量超声波渡越时间对超声波测温、测距、 测流速流量等具有非常重要的意义。由于超声波所具有的独特优势应用领域迅速扩大，超 声波测温异军突起，下面就以超声波测量环境温度为例说明现有技术的缺陷和不足，用超 声波渡越时间测量环境温度方法的原理是
声波在空气中的传播速度(H)
A/ 式中Y是空气定压比热容和定容比热容比(Y = CP/CV) ;R是气体普适常数；M是 气体分子量；T是绝对温度。
由式(1-1)可见，温度是影响空气中声速的主要因素。
在0°C (T。 = 273. 15K)时的声速 、'n ——二 7」L^L = 33.45A/ / S ( 1 — 2 ) 在tt:时的声速(M/s)
i 丁——\v, = v,, |1 1 4——^~—- a 331.4 + 0.607/ ( 1 — 3 )
卞273.15」 由式(1-3)可以看出，声速是声波传输媒介空气平均温度的函数，在声波在空气 中的传输距离已知的情况下，只要检测出声波渡越时间就可以计算出声速，进而计算出声 波传输媒介空气的平均温度。 该方法测量环境温度已经获得实际应用。例如美国SEI公司的F祖LERWATC鹏 _声波气体温度场测量系统就成功的用于测量炉温；台湾高苑技術學院等已研究用该方法
测量轿车内的环境温度用于车内空调等等。 超声波测量环境温度的精度主要取决于准确检测超声波渡越时间，准确检测超声
波渡越时间取决于准确地判断超声波到达的时间点。如图l所示，在超声波换能器能量转 换和声波空气传输过程中，由于机械弹性(超声波换能器压电陶瓷片和空气的弹性)的存 在，在接收到的超声波脉冲串的头部和尾部会产生超声波波形振幅衰减。超声波到达时的
强度(振幅)存在随机变化的成分，采用常规的强度门限(threshold也称为门槛或阈值) 方法判断超声波到达的时间点是不准确的，不能准确地检测超声波渡越时间。 一般仅用于 机器人避障、倒车防撞装置等要求不高的场合。
4
为了准确地判断超声波到达的时间点，准确检测超声波渡越时间，人们进行了很 多改进，应用较多的有以下3种。 1、相位差法。该方法短距离应用非常准确，已应用于超声波风速仪，自动气象站的 大气测温等。测温精度高达±0. 05°C。但该方法只能用于超声波(机械能波)传输距离很 短的场合，例如10cm。 2、调制波形标记法。对声波进行调制、编码、扩频等均属于此类。应用较多的是双 频频移键控(binary frequency shift-keyed简称BFSK)法，已用于轿车空调测温和超声 波测距仪。测温精度±0.4°C。台湾高苑科技大学蔡文元将该方法和相位差法结合起来，使
测温精度提高到±0. 3t:，但测温精度仍远远小于相位差法测温精度。 3、脉冲串包络线峰值法。与此类似的还有脉冲串包络线重心横坐标法。测温精度 ±0. 39t:，远远小于相位差法测温精度。 上述超声波渡越时间检测方法以相位差法最为准确，但仅适合超声波(机械能 波)传输距离很短的少数场合，不适合测量炉温等超声波(机械能波)传输距离较远的大 多数场合。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足而提供一种精度与相位差法媲美
的检测较远距离超声波渡越时间的检测超声波渡越时间的方法及其装置。 本发明的目的是这样实现的 —种检测超声波渡越时间的方法，其特征在于由超声波发生器产生占空比为 50 %的方形波超声波脉冲串激励信号，该超声波脉冲串激励信号所含方形脉冲个数以接收 到的超声波脉冲串波形仍呈"菱形"为上限，在该超声波脉冲串激励信号的最后一个方形脉 冲的下降沿启动一个计时器，该超声波脉冲串激励信号经超声波发射头高电压差分驱动模 块的功率放大后驱动超声波发射头发射超声波，将超声波接收头接收到的超声波脉冲串， 送入差分放大器，经差分放大后，送入增益控制放大器，经增益控制放大后，送入高Q值带 通滤波器，经高Q值带通滤波后，送入半波整流器进行半波整流，去掉负半周后，送入变指 数放大器，作为一个固定电压的指数对该固定电压进行变指数放大，在不改变剩下的正半 周各脉冲峰值点相对时间位置的情况下，拉开各脉冲峰值点的振幅差距，同时使各脉冲峰 值点两侧更加陡峭，经变指数放大后，送入门限比较模块进行门限检测，找出振幅最大的脉 冲后，送入微分和过零检测模块进行微分和过零检测，找出振幅最大脉冲的峰值点，在该峰 值点上关闭上述计时器，该计时器记录的时间值即为超声波渡越时间值。 —种检测超声波渡越时间的装置，其特征在于检测装置包括以下各部分超声 波发射间隔控制模块，计数启、闭控制模块，计数用振荡器，计数、显示模块，超声波脉冲个 数控制设置模块，超声波发生器，超声波发射头高电压差分驱动模块，超声波发射头，超声 波接收头，差分放大器，增益控制放大器，高Q值带通滤波器，半波整流器，变指数放大器， 门限比较模块，微分和过零检测模块， 检测装置各部分连接关系如下超声波发射间隔控制模块的输出端分别与计数 启、闭控制模块和超声波脉冲个数控制设置模块相连接，计数启、闭控制模块的输出端和计 数、显示模块相连接，计数用振荡器的输出端和计数启、闭控制模块相连接，超声波脉冲个
5数控制设置模块的输出端分别与计数启、闭控制模块和超声波发生器相连接，超声波发生 器的输出端和超声波发射头高电压差分驱动模块相连接，超声波发射头高电压差分驱动模 块的输出端和超声波发射头相连接，超声波接收头的输出端和差分放大器相连接，差分放 大器的输出端和增益控制放大器相连接，增益控制放大器的输出端和高Q值带通滤波器相
连接，高Q值带通滤波器的输出端和半波整流器相连接，半波整流器的输出端和变指数放
大器相连接，变指数放大器的输出端和门限比较模块相连接，门限比较模块的输出端与微 分和过零检测模块相连接，微分和过零检测模块的输出端与计数启、闭控制模块相连接。 在检测装置中，超声波发射间隔控制模块按时间间隔发出启动信号，该启动信号 分为两路，该启动信号的一路启动超声波脉冲个数控制设置模块控制超声波发生器产生占 空比为50%方形波的一组超声波脉冲串激励信号，该组超声波脉冲串激励信号包含的脉冲 个数由超声波脉冲个数控制设置模块预先设定，设定个数以接收到的超声波脉冲串波形呈 "菱形"为原则；该启动信号的另一路送入计数启、闭控制模块，启动信号直接解除计数启、 闭控制模块的计数启动控制部分的复位状态进入工作状态，等待该组超声波脉冲串激励信 号最后一个方形脉冲的下降沿通过计数启、闭控制模块的计数启动控制部分启动计数、显 示模块的计数器计数，在计数启、闭控制模块的内部由该启动信号的上升沿触发产生一个 被展宽了的复位信号，使计数启、闭控制模块的计数关闭控制部分复位，超声波脉冲个数控 制设置模块在控制超声波发生器产生上述一组超声波脉冲串激励信号的同时，在该组超声 波脉冲串激励信号最后一个方形脉冲的下降沿通过计数启、闭控制模块的计数启动控制部 分启动计数、显示模块的计数器计数，该组超声波脉冲串激励信号经超声波发射头高电压 差分驱动模块的功率放大后，送入超声波发射头，驱动超声波发射头发射超声波，将超声波 接收头接收到的超声波脉冲串，送入差分放大器，经差分放大后，送入增益控制放大器，经 增益控制放大后，送入高Q值带通滤波器，经高Q值带通滤波后，送入半波整流器进行半波 整流，去掉负半周后，送入变指数放大器，作为一个固定电压的指数对该固定电压进行变指 数放大，在不改变剩下的正半周各脉冲峰值点相对时间位置的情况下，拉开各脉冲峰值点 的振幅差距，同时使各脉冲峰值点两侧更加陡峭，经变指数放大后，送入门限比较模块进行 门限检测，找出振幅最大的脉冲后，送入微分和过零检测模块进行微分和过零检测，找出振 幅最大脉冲的峰值点，在该峰值点上，通过计数启、闭控制模块的计数关闭控制部分关闭计 数、显示模块的计数器计数，计数、显示模块的计数器计数值乘以计数用振荡器的振荡周期 就是超声波渡越时间值。 为了更好地说明本发明的原理，对调制波形标记法和脉冲串包络线峰值法的误差 原因进行了分析。调制波形标记法，例如，利用双频转换进行波形标记的BFSK法，相当于 对固有的机械弹性进行了额外的人为干预，而干预的结果又很难预测，在超声波波形标记 点附近不可避免的存在随机畸变的成分。在调制波形标记法的数据处理过程，必须进行过 "零"检测，转换成方形波后才能进行后续处理，而过"零"检测仍属于门限(threshold)检测 方法，在超声波波形标记点附近的随机畸变成分仍会被保留，标记点会因此产生随机漂移。 在换能器进行电能 机械能转换、机械能波在空气中传播以及换能器机械能 电能恢复过 程中，由于机械弹性的存在，导致了接收到的超声波脉冲串的头部和尾部超声波波形振幅 减少，呈"菱形"，如图l所示。脉冲串包络线峰值法，是在超声波脉冲串发射后，启动一个计 时器，对收到的超声波脉冲串进行全波整流，将图1所示波形的负半周全部翻转到正半周以提高波形密度，再用电容进行积分形成平滑的包络线，包络线的峰值点作为检测时间点， 用先微分后过零检测的方法识别包络线的峰值点，在包络线的峰值点关闭这个计时器，该 方法的依据是接收的超声波脉冲串包络线峰值对振幅不存在依存性。该方法虽然可以提高 检测精度，但与相位差法相比还有相当大的差距。经过分析认为首先，接收的超声波脉冲 串包络线峰值对振幅不存在依存性缺乏理论依据和令人信服的解释，计时器的启动时间点 与计时器的关闭时间点的对应关系也不明确。其次，用电容进行积分形成平滑的包络线过 程造成了波形随机畸变误差的累加，积分过程虽然可以相互抵消一部分(对称部分)畸变， 但未抵消的部分(非对称部分)使峰值点发生了漂移。第三，峰值点两侧过于平缓，即使微 分后的过零检测环节有轻微的漂移也会严重影响识别峰值点的准确位置。脉冲串包络线重 心横坐标法与此类似。 在本发明的技术方案，没有对固有机械弹性进行额外的人为干预，技术方案是建 立在对固有的机械弹性产生的结果可以准确预见的基础之上的。机械弹性存在于超声波换 能器(超声波发射头)进行电能 机械能转换、机械能波在空气中传播以及超声波换能器 (超声波接收头)进行机械能 电能恢复的过程中，且符合胡克弹性定律，振幅(弹性体位 移)与机械弹性强度(回弹力)成正比。当加在超声波发射头的超声波脉冲串所包含的脉 冲个数足够多时，所接收到的超声波脉冲串，可以分成振幅扩大、平衡、衰减三个不同的时 间段，即在加在超声波发射头的超声波脉冲串的激励下，当激励信号强度大于机械弹性强 度时，接收到的超声波脉冲串波形振幅迅速扩大，形成了接收到的超声波脉冲串振幅迅速 扩大的首部。当激励信号强度等于机械弹性强度时，接收到的超声波脉冲串波形振幅不变， 形成了接收到的超声波脉冲串振幅不变处于平衡状态的中部。在取消了加在超声波发射头 的超声波脉冲串激励的条件下，在机械弹性的作用下，接收到的超声波脉冲串波形振幅迅 速减小，形成了接收到的超声波脉冲串振幅迅速减小的尾部，最终接收到的完整的超声波 脉冲串波形呈"纺锤形"。当加在超声波发射头的超声波脉冲串所包含的脉冲个数不多时， 造成了在接收到的超声波脉冲串波形振幅迅速扩大的过程中，取消了加在超声波发射头的 超声波脉冲串激励，所接收到的超声波脉冲串可以分成振幅扩大、衰减两个不同的时间段， 即在加在超声波发射头的超声波脉冲串的激励下，激励信号强度大于机械弹性强度，接收 到的超声波脉冲串波形振幅迅速扩大，形成了接收到的超声波脉冲串波形振幅迅速扩大的 前半部。在接收到的超声波脉冲串波形振幅迅速扩大的过程中，取消了加在超声波发射头 的超声波脉冲串激励，在机械弹性的作用下，接收到的超声波脉冲串波形振幅将迅速减小， 形成了接收到的超声波脉冲串波形振幅迅速减小的后半部，所接收到的完整的超声波脉冲 串波形呈图1所示的"菱形"，而组成这个"菱形"接收脉冲串的若干脉冲中振幅最大的脉冲 的峰值点是可以准确预见和定位的。即当超声波发生器产生的超声波脉冲串激励信号为 占空比50%的方形波时，该超声波脉冲串激励信号的最后一个方形脉冲的下降沿准确对应 于接收到的组成"菱形"超声波接收脉冲串的若干个脉冲中与超声波脉冲串激励信号的最 后一个方形脉冲激励方向相同的振幅最大的脉冲的峰值点，而且不会漂移。如果在超声波 发生器产生的超声波脉冲串激励信号的最后一个方形脉冲的下降沿启动一个计时器，在接 收到的组成"菱形"超声波接收脉冲串的若干个脉冲中与超声波脉冲串激励信号的最后一 个方形脉冲激励方向相同的振幅最大的脉冲的峰值点上关闭这个计时器，在准确识别接收 到的组成"菱形"超声波接收脉冲串的若干个脉冲中与超声波脉冲串激励信号的最后一个
7方形脉冲激励方向相同的振幅最大的脉冲的峰值点的情况下，这个计时器就可以准确记录 超声波渡越时间值。 为了准确识别接收到的组成"菱形"超声波接收脉冲串的若干个脉冲中与超声波 脉冲串激励信号的最后一个方形脉冲激励方向相同的振幅最大的脉冲的峰值点，本发明提 供了以下技术方案 将超声波接收头接收到的超声波脉冲串，送入差分放大器进行初步放大，采用差 分放大的形式是为了更好的抑制共模噪声提高信噪比，经差分放大后，送入增益控制放大 器进一步放大到所要求的幅度，经增益控制放大后，送入高Q值带通滤波器进行带通滤波， 滤除带外噪音，同时降低偏离主频的信号幅度，经带通滤波后，送入半波整流器进行半波整 流，去掉负半周后，送入变指数放大器，作为一个固定电压的指数对该固定电压进行变指数 放大，变指数放大的目的，是在不改变剩下的正半周各脉冲峰值点相对时间位置的情况下， 拉开各脉冲峰值点的振幅差距，同时使各脉冲峰值点两侧更加陡峭，方便识别振幅最大的 脉冲及其峰值点的准确位置，经变指数放大后，送入门限比较模块进行门限检测，找出振幅 最大的脉冲，送入微分和过零检测模块进行微分和过零检测，找出振幅最大脉冲的峰值点， 该峰值点就是接收到的组成"菱形"超声波接收脉冲串的若干个脉冲中与超声波脉冲串激 励信号的最后一个方形脉冲激励方向相同的振幅最大的脉冲的峰值点。 本发明的技术方案既达到了相位差法的高精度，又克服了相位差法只能短距离应 用的缺陷，突破传统，应用广阔。
图1为接收的超声波脉冲串波形示意图。
图2为本发明检测装置组成与工作流程图。
图3、4、5、6、7、8为本发明实施例电路图。
具体实施例方式
—种检测超声波渡越时间的方法，如图2所示，由超声波发生器6产生占空比为 50%的方形波超声波脉冲串激励信号，该超声波脉冲串激励信号所含方形脉冲个数以接收 到的超声波脉冲串波形仍呈图1所示的"菱形"为上限，因为，该超声波脉冲串激励信号的 最后一个方形脉冲的下降沿准确对应于接收到的组成"菱形"超声波接收脉冲串的若干个 脉冲中与该超声波脉冲串激励信号的最后一个方形脉冲激励方向相同的振幅最大的脉冲 的峰值点，而且不会漂移，所以，在该超声波脉冲串激励信号的最后一个方形脉冲的下降沿 启动一个计时器，该超声波脉冲串激励信号经超声波发射头高电压差分驱动模块7的功率 放大后驱动超声波发射头8发射超声波，将超声波接收头9接收到的超声波脉冲串，送入差 分放大器10进行初步放大，采用差分放大的形式是为了更好的抑制共模噪声提高信噪比， 经差分放大后，送入增益控制放大器11进一步放大到所要求的幅度，经增益控制放大后， 送入高Q值带通滤波器12进行高Q值带通滤波，滤除带外噪音，同时降低偏离主频的信号 幅度，经高Q值带通滤波后，送入半波整流器13进行半波整流，去掉负半周后，送入变指数 放大器14，作为一个固定电压的指数对该固定电压进行变指数放大，变指数放大的目的，是 在不改变剩下的正半周各脉冲峰值点相对时间位置的情况下，拉开各脉冲峰值点的振幅差距，同时使各脉冲峰值点两侧更加陡峭，方便识别振幅最大的脉冲及其峰值点的准确位置，
经变指数放大后，送入门限比较模块15进行门限检测，找出振幅最大的脉冲后，送入微分
和过零检测模块16进行微分和过零检测，找出振幅最大脉冲的峰值点，该峰值点就是接收
到的组成"菱形"超声波接收脉冲串的若干个脉冲中与上述超声波发生器6产生的超声波
脉冲串激励信号的最后一个方形脉冲激励方向相同的振幅最大的脉冲的峰值点，在该峰值
点上关闭上述计时器，该计时器记录的时间值就是准确的超声波渡越时间值。 —种检测超声波渡越时间的装置，如图2所示，检测装置由以下各部分组成超声
波发射间隔控制模块1，计数启、闭控制模块2，计数用振荡器3，计数、显示模块4，超声波脉
冲个数控制设置模块5，超声波发生器6，超声波发射头高电压差分驱动模块7，超声波发射
头8，超声波接收头9，差分放大器IO，增益控制放大器ll，高Q值带通滤波器12，半波整流
器13，变指数放大器14，门限比较模块15，微分和过零检测模块16。 如图2所示，检测装置各部分连接关系如下超声波发射间隔控制模块1的输出端 分别与计数启、闭控制模块2和超声波脉冲个数控制设置模块5相连接，计数启、闭控制模 块2的输出端和计数、显示模块4相连接，计数用振荡器3的输出端和计数启、闭控制模块2 相连接，超声波脉冲个数控制设置模块5的输出端分别与计数启、闭控制模块2和超声波发 生器6相连接，超声波发生器6的输出端和超声波发射头高电压差分驱动模块7相连接，超 声波发射头高电压差分驱动模块7的输出端和超声波发射头8相连接，超声波接收头9的 输出端和差分放大器IO相连接，差分放大器10的输出端和增益控制放大器11相连接，增 益控制放大器11的输出端和高Q值带通滤波器12相连接，高Q值带通滤波器12的输出端 和半波整流器13相连接，半波整流器13的输出端和变指数放大器14相连接，变指数放大 器14的输出端和门限比较模块15相连接，门限比较模块15的输出端与微分和过零检测模 块16相连接，微分和过零检测模块16的输出端与计数启、闭控制模块2相连接，
如图2所示，检测装置工作流程如下超声波发射间隔控制模块1按一定的时间间 隔发出启动信号，该启动信号分为两路，该启动信号的一路启动超声波脉冲个数控制设置 模块5控制超声波发生器6产生占空比为50%方形波的一组超声波脉冲串激励信号，该组 超声波脉冲串激励信号包含的脉冲个数由超声波脉冲个数控制设置模块5预先设定，设定 个数以接收到的超声波脉冲串波形呈图l所示的"菱形"为原则；该启动信号的另一路送入 计数启、闭控制模块2，启动信号直接解除计数启、闭控制模块2的计数启动控制部分的复 位状态进入工作状态，等待该组超声波脉冲串激励信号最后一个方形脉冲的下降沿通过计 数启、闭控制模块2的计数启动控制部分启动计数、显示模块4的计数器计数，在计数启、闭 控制模块2的内部由该启动信号的上升沿触发产生一个被展宽了的复位信号，使计数启、 闭控制模块2的计数关闭控制部分复位，展宽复位时间，仅允许反射回来的超声波脉冲串 通过计数启、闭控制模块2的计数关闭控制部分关闭计数、显示模块4的计数器计数，避免 了超声波发射头8泄露的超声波脉冲串直接进入超声波接收头9非正常关闭计数、显示模 块4的计数器计数，超声波脉冲个数控制设置模块5在控制超声波发生器6产生上述一组 超声波脉冲串激励信号的同时，在该组超声波脉冲串激励信号最后一个方形脉冲的下降沿 通过计数启、闭控制模块2的计数启动控制部分启动计数、显示模块4的计数器计数，该组 超声波脉冲串激励信号经超声波发射头高电压差分驱动模块7的功率放大后，送入超声波 发射头8，驱动超声波发射头8发射超声波，将超声波接收头9接收到的超声波脉冲串，送入
9差分放大器10进行初步放大，采用差分放大的形式是为了更好的抑制共模噪声提高信噪 比，经差分放大后，送入增益控制放大器11进一步放大到所要求的幅度，经增益控制放大 后，送入高Q值带通滤波器12进行高Q值带通滤波，滤除带外噪音，同时降低偏离主频的信 号幅度，经高Q值带通滤波后，送入半波整流器13进行半波整流，去掉负半周后，送入变指 数放大器14，作为一个固定电压的指数对该固定电压进行变指数放大，变指数放大的目的， 是在不改变剩下的正半周各脉冲峰值点相对时间位置的情况下，拉开各脉冲峰值点的振幅 差距，同时使各脉冲峰值点两侧更加陡峭，方便识别振幅最大的脉冲及其峰值点的准确位 置，经变指数放大后，送入门限比较模块15进行门限检测，找出振幅最大的脉冲后，送入微 分和过零检测模块进行微分和过零检测，找出振幅最大脉冲的峰值点，在该峰值点上，通过 计数启、闭控制模块2的计数关闭控制部分关闭计数、显示模块4的计数器计数，计数、显示 模块4的计数器计数值乘以计数用振荡器3的振荡周期就是准确的超声波渡越时间值。
实施例图3、4、6、7、8为本发明的实施例电路图，与图2的对应关系如下图3中 的集成电路U1D、U1C、电容C2、电阻R2、R3组成了图2的超声波发射间隔控制模块l，其中， 电容C2、电阻R3的值决定了超声波发射间隔时间的长短。图3中的集成电路U2、U3的左半 部份、拨码开关Sl、二极管Dl、 D2、电阻R6组成了图2的超声波脉冲个数控制设置模块5， 其中，拨码开关S1用于调整每一组超声波脉冲串激励信号的脉冲个数，二极管D1、D2、电阻 R6用于保证超声波发生器6产生的每组超声波脉冲串激励信号的最后一个方形脉冲的完 整性。图3中的集成电路U4A、U4B、电容C8、电阻R7、R8、可调电阻RV1、二极管D4、D5组成 了图2的超声波发生器6，其中，RV1用于调整超声波频率，二极管D4、D5用于保证超声波发 生器6的振荡器第一个周期与随后周期的一致性，图3中的集成电路U4C、 U4D和图4中的 集成电路U5、电容C9、 C10、 C12、 C13、 C14、 C15组成了图2的超声波发射头高电压差分驱动 模块7。图3中的集成电路U3的右半部份、U1A、电阻R5、二极管D3、电容C6和图5中的集 成电路U6、U7、三极管Q2、电阻R9、 R10、R11组成了图2的计数启、闭控制模块2，调整其中 的R5、 C6的值可以调整计数关闭控制展宽复位时间。图5中的集成振荡器模块0SC1组成 了图2的计数用振荡器3。图5中的集成电路U8、 U9、 UIO、 Ull和图6中的集成电路U12、 U13、U14、U15、数码管SM1、 SM2、 SM3、 SM4组成了图2的计数、显示模块4，为节省版面，图中 仅画了4位计数显示，读者可仿造图中的连结(联级)方法扩展到所需位数。另外，图3中 的集成电路U1B、电阻R1、 R4和三极管Q1为数码管显示省电设计，可省去。图7中的集成 电路U16、电阻R12、 R13、 R14、 R15、 R16、 R17、 R18、电容C29、 C30、 C31、 C32、 C33组成了图2 的差分放大器10，其中的电阻R12、 R13、 R14、 R15、电容C29、 C30、 C31、 C32、 C33组成了无源 滤波器用于抑制带外噪声，R14、R15同时为U16输入偏置电流提供一个DC返回路径。图7 中的集成电路U17、电阻R19、 R20、 R21、电位器RV2、电容C38、 C39、 C40、 C41、 C42、 C43、 C44 组成了图2的增益控制放大器ll，其中，RV2用于调整放大增益。图8中的集成电路U18、 电阻R22、R23、R24、R25、R26、R27、R28、R29、电容C47、C48组成了图2的高Q值带通滤波器 12。图8中的二极管D6、电阻R30组成了图2的半波整流器13。图8中的集成电路U19、 电阻R31、R32、R33、电容C53、精密电压基准DV1组成了图2的变指数放大器14。图8中的 集成电路U20、电阻R34、R35、电容C58组成了图2的门限比较模块15。图8中的集成电路 U21、电阻R36、 R37、 R38、 R39、电容C60、三极管Q3组成了图2的微分和过零检测模块16。
未说明的电容均为电源旁路电容，集成电路U1型号为CD4093，U2型号为CD4017，
10U3型号为CD4013, U4型号为CD4011， U5型号为MAX232， U6型号为6N137, U7型号为74HC74, U8、 U9、 UIO、 Ull型号为74LS160, U12、 U13、 U14、 U15型号为74LS248, U16型号为AD830， U17型号为AD605, U18型号为恵275， U19型号为VCA810， U20型号为LM360, U21型号为 LM361。
权利要求
一种检测超声波渡越时间的方法，其特征在于由超声波发生器(6)产生占空比为50％的方形波超声波脉冲串激励信号，该超声波脉冲串激励信号所含方形脉冲个数以接收到的超声波脉冲串波形仍呈“菱形”为上限，在该超声波脉冲串激励信号的最后一个方形脉冲的下降沿启动一个计时器，该超声波脉冲串激励信号经超声波发射头高电压差分驱动模块(7)的功率放大后驱动超声波发射头(8)发射超声波，将超声波接收头(9)接收到的超声波脉冲串，送入差分放大器(10)，经差分放大后，送入增益控制放大器(11)，经增益控制放大后，送入高Q值带通滤波器(12)，经高Q值带通滤波后，送入半波整流器(13)进行半波整流，去掉负半周后，送入变指数放大器(14)，作为一个固定电压的指数对该固定电压进行变指数放大，在不改变剩下的正半周各脉冲峰值点相对时间位置的情况下，拉开各脉冲峰值点的振幅差距，同时使各脉冲峰值点两侧更加陡峭，经变指数放大后，送入门限比较模块(15)进行门限检测，找出振幅最大的脉冲后，送入微分和过零检测模块(16)进行微分和过零检测，找出振幅最大脉冲的峰值点，在该峰值点上关闭上述计时器，该计时器记录的时间值即为超声波渡越时间值。
2. —种检测超声波渡越时间的装置，其特征在于检测装置包括以下各部分超声波 发射间隔控制模块(1)，计数启、闭控制模块(2)，计数用振荡器(3)，计数、显示模块(4)， 超声波脉冲个数控制设置模块(5)，超声波发生器(6)，超声波发射头高电压差分驱动模块 (7)，超声波发射头(8)，超声波接收头(9)，差分放大器(IO)，增益控制放大器(ll)，高Q值 带通滤波器(12)，半波整流器(13)，变指数放大器(14)，门限比较模块(15)，微分和过零检 测模块(16)，检测装置各部分连接关系如下超声波发射间隔控制模块(1)的输出端分别与计数 启、闭控制模块(2)和超声波脉冲个数控制设置模块(5)相连接，计数启、闭控制模块(2) 的输出端和计数、显示模块(4)相连接，计数用振荡器(3)的输出端和计数启、闭控制模块 (2)相连接，超声波脉冲个数控制设置模块(5)的输出端分别与计数启、闭控制模块(2)和 超声波发生器(6)相连接，超声波发生器(6)的输出端和超声波发射头高电压差分驱动模 块(7)相连接，超声波发射头高电压差分驱动模块(7)的输出端和超声波发射头(8)相连 接，超声波接收头(9)的输出端和差分放大器(10)相连接，差分放大器(10)的输出端和增 益控制放大器(11)相连接，增益控制放大器(11)的输出端和高Q值带通滤波器(12)相连 接，高Q值带通滤波器(12)的输出端和半波整流器(13)相连接，半波整流器(13)的输出 端和变指数放大器(14)相连接，变指数放大器(14)的输出端和门限比较模块(15)相连 接，门限比较模块(15)的输出端与微分和过零检测模块(16)相连接，微分和过零检测模块(16) 的输出端和计数启、闭控制模块(2)相连接。
3. 根据权利要求1所述的检测超声波渡越时间的装置，其特征在于在检测装置中，超 声波发射间隔控制模块(1)按时间间隔发出启动信号，该启动信号分为两路，该启动信号 的一路启动超声波脉冲个数控制设置模块(5)控制超声波发生器(6)产生占空比为50% 方形波的一组超声波脉冲串激励信号，该组超声波脉冲串激励信号包含的脉冲个数由超声 波脉冲个数控制设置模块(5)预先设定，设定个数以接收到的超声波脉冲串波形呈"菱形" 为原则该启动信号的另一路送入计数启、闭控制模块(2)，启动信号直接解除计数启、闭 控制模块(2)的计数启动控制部分的复位状态进入工作状态，等待该组超声波脉冲串激励 信号最后一个方形脉冲的下降沿通过计数启、闭控制模块(2)的计数启动控制部分启动计数、显示模块(4)的计数器计数，在计数启、闭控制模块(2)的内部由该启动信号的上升沿 触发产生一个被展宽了的复位信号，使计数启、闭控制模块(2)的计数关闭控制部分复位， 超声波脉冲个数控制设置模块(5)在控制超声波发生器(6)产生上述一组超声波脉冲串 激励信号的同时，在该组超声波脉冲串激励信号最后一个方形脉冲的下降沿通过计数启、 闭控制模块(2)的计数启动控制部分启动计数、显示模块(4)的计数器计数，该组超声波 脉冲串激励信号经超声波发射头高电压差分驱动模块(7)的功率放大后，送入超声波发射 头(8)，驱动超声波发射头(8)发射超声波，将超声波接收头(9)接收到的超声波脉冲串， 送入差分放大器(IO)，经差分放大后，送入增益控制放大器(ll)，经增益控制放大后，送入 高Q值带通滤波器(12)，经高Q值带通滤波后，送入半波整流器(13)进行半波整流，去掉负 半周后，送入变指数放大器(14)，作为一个固定电压的指数对该固定电压进行变指数放大， 在不改变剩下的正半周各脉冲峰值点相对时间位置的情况下，拉开各脉冲峰值点的振幅差 距，同时使各脉冲峰值点两侧更加陡峭，经变指数放大后，送入门限比较模块(15)进行门 限检测，找出振幅最大的脉冲后，送入微分和过零检测模块进行微分和过零检测，找出振幅 最大脉冲的峰值点，在该峰值点上，通过计数启、闭控制模块(2)的计数关闭控制部分关闭 计数、显示模块(4)的计数器计数，计数、显示模块(4)的计数器计数值乘以计数用振荡器 (3)的振荡周期就是超声波渡越时间值。
全文摘要
本发明涉及一种检测超声波渡越时间的方法及其装置，由超声波发生器产生占空比为50％的方形波超声波脉冲串激励信号，该激励信号所含方形脉冲个数以接收到的超声波脉冲串波形仍呈“菱形”为上限，在该激励信号的最后一个方形脉冲的下降沿启动计时器，接收到的超声波脉冲串经差分放大、增益控制、高“Q”值带通滤波、半波整流、变指数放大、门限比较、微分和过零检测，找出振幅最大脉冲的峰值点，在该峰值点上关闭计时器，该方法既达到了相位差法的高精度，又克服了相位差法只能短距离应用的缺陷，突破传统，应用广阔。
文档编号G01H7/00GK101769782SQ201010102819
公开日2010年7月7日 申请日期2010年1月29日 优先权日2010年1月29日
发明者李发贵, 高任翔, 高胜国, 黄修桥 申请人:中国农业科学院农田灌溉研究所