识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
[0029] 如图1所示，所述超声波飞行时间测量方法所采用的硬件系统包括：上位机、信号 发生器、电源驱动模块、示波器、信号调理模块、超声波发射换能器和超声波接收换能器。所 述上位机采用网线通过路由器网络接口分别与示波器网线接口和信号发生器网线接口连 接，在NI MAX中，选择增添相应的网络地址，实现示波器和信号发生器分别与上位机的通 信，信号发生器的信号输出端口与电源驱动模块信号输入端口连接，电源驱动模块信号输 出端口与超声波发射换能器的输入端口连接，超声波发射换能器将接收到的电信号转换为 机械能。超声波发射换能器和超声波接收换能器之间进行信号转换，超声波接收换能器将 机械能转换为电能，超声波接收换能器的输出端口与信号调理模块输入端口连接，信号调 理模块输出端口与示波器进行信号传递。
[0030] 运用所述测量系统，基于双回波包络的超声波飞行时间测量方法，包括以下步 骤：
[0031] 1)在LabVIEW软件控制平台设置两种波形信息，第一种为η个正弦波脉冲发射信 号，第二种为m个正弦波脉冲发射信号。将第一种波形信息传递给信号发生器，信号发生器 产生波形信号y n (t)，经过时间△ t后，将第二种波形信息传递给信号发生器，信号发生器产 生波形信号Yni(t)。所产生的波形信号y n(t)和波形信号yni(t)依次经过电源驱动模块、超 声波发射换能器、超声波接收换能器和信号调理模块传送至示波器并显示，最后在上位机 接收存储的波形信号y n(t)和波形信号yjt)。LabVIEW软件控制平台同步显示接收到的波 形，同时将示波器采集到的波形数据y n(t)和yni(t)存储在指定目录下。
[0032] 超声波信号发射和接收过程中，超声波发射换能器将接收到的电信号转换为机械 波信号，即超声波信号。超声波信号经过飞行路径后由超声波接收换能器接收该机械波信 号，并将机械波信号转换为电信号传送至信号调理模块。
[0033] 2)利用希尔伯特变换分别求取采集到的波形数据yn(t)和yjt)对应的实际回波 包络A [yn⑴]和A [ym⑴]。
[0034] 3)超声波回波包络模型函数为
其中，A。为波形信 号的幅度；τ为超声波回波波到时刻；T和α为超声波回波包络形状参数；u(t)为阶跃函 数，t为时间变量。运用超声波回波包络模型函数分别对实际回波包络A[yn (t)]和Atyni⑴] 上升沿进行拟合，并对这两个实际回波包络的包络模型特征参数向量θη, 行估计，分 别得到θη= [A'。，τ'，Τ'，α']，θη= [A"。，τ "，Τ"，α "]。运用最小二乘法建立目标优 化函数
其中y(i)为步骤2中实际回波包络A[yn(t)]和 AEyni(t)]的采样数据，i为第i个采样点，[a，b]为拟合区间。
[0035] 4)采用粒子群优化算法进行全局寻优。求得使Α( Θ，i)达到最小值时的包络模型 特征参数向量9"和θ n即为最优估计结果。
[0036] 5)在LabVIEW软件平台根据优化得到的包络模型特征参数向量Θ JP θ n，由超声 波回波包络模型函数得到双回波包络拟合曲线，获取双回波包络上升沿分离点并确定双回 波包络的上升沿分离时刻。根据确定的对应的发射波起始时刻，由双回波包络的上升沿分 离时刻减去发射波起始时刻，最终求得超声波飞行时间。
[0037] 实验中，通过测量超声波发射与接收换能器之间路径的平均温度来证明超声波飞 行时间的测量精度。利用平均温度函数
计算超声波发射与接收换能 器之间路径的平均温度，从而将超声波飞行时间转化为飞行路径上的平均温度值；其中L 为实际测得的超声波发射与接收换能器之间的距离，单位为m ;T为测量路径上气体的平均 温度，单位为"€ ;k为绝热指数且值为I. 4 ;R为气体常数且值为287,单位为J/Kg · k ;t为 超声波飞行时间，单位为ms。
[0038] 温度仪测量值为25. 4°C，通过求取超声波飞行时间而求得的超声波发射与接收换 能器之间路径的平均温度与温度仪之间的误差值在±2°C之内，即证明该测量方法得到的 超声波飞行时间测量精度为ns级。
【主权项】
1. 一种基于双回波包络的超声波飞行时间测量方法，其特征在于： 所述超声波飞行时间测量方法所采用的硬件系统包括：上位机、信号发生器、电源驱动 模块、示波器、信号调理模块、超声波发射换能器和超声波接收换能器；所述上位机采用网 线通过路由器网络接口分别与示波器网线接口和信号发生器网线接口连接；在NIMAX中， 选择增添相应的网络地址，实现示波器和信号发生器分别与上位机的通信；信号发生器的 信号输出端口与电源驱动模块信号输入端口连接；电源驱动模块信号输出端口与超声波发 射换能器的输入端口连接，超声波发射换能器将接收到的电信号转换为机械能；超声波发 射换能器和超声波接收换能器之间进行信号转换；超声波接收换能器将机械能转换为电 能，超声波接收换能器的输出端口与信号调理模块输入端口连接；信号调理模块输出端口 与示波器输入端口连接，进行信号传递； 超声波信号发射和接收过程中，超声波发射换能器将接收到的电信号转换为机械波信 号，即超声波信号；超声波信号经过飞行路径后由超声波接收换能器接收该机械波信号，并 将机械波信号转换为电信号传送至信号调理模块； 运用所述硬件系统，基于双回波包络的超声波飞行时间测量方法，包括W下步骤； 1) 在UbVIEW软件控制平台设置两种波形信息，第一种为η个正弦波脉冲发射信号， 第二种为m个正弦波脉冲发射信号；将第一种波形信息传递给信号发生器，信号发生器产 生波形信号y"(t);经过时间At后，将第二种波形信息传递给信号发生器，信号发生器产 生波形信号ym(t);所产生的波形信号7。(*)和波形信号ym(t)依次经过电源驱动模块、超 声波发射换能器、超声波接收换能器和信号调理模块传送至示波器并显示，最后在上位机 接收存储的波形信号y"(t)和波形信号ym(t) ;LabVIEW软件控制平台同步显示接收到的波 形，同时将示波器采集到的波形数据y"(t)和ym(t)存储在指定目录下； 2) 利用希尔伯特变换分别求取采集到的波形数据y"(t)和ym(t)对应的实际回波包络 A[yn(t)]和A[ym(t)]; 3) 超声波回波包络模型函数为其中，A。为波形信号 的幅度；τ为超声波回波波到时刻；T和α为超声波回波包络形状参数；u(t)为阶跃 函数；运用超声波回波包络模型函数分别对实际回波包络A[y"(t)]和A[ym(t)]上升沿 进行拟合，并对运两个实际回波包络的包络模型特征参数向量Θ。，进行估计，分别得 到目。=[A'。，τ'，Τ'，α']，0m= [A"。，τ"，Τ"，α"];运用最小二乘法建立目标优化 函数其中y(i)为步骤2中实际回波包络A[y"(t)]和 A[ym(t)]的采样数据，i为第i个采样点，[曰，b]为拟合区间； 4) 采用粒子群优化算法进行全局寻优；求得使A(Θ，i)达到最小值时的包络模型特征 参数向量Θ。和Θm即为最优估计结果； 5) 在UbVIEW软件平台根据优化得到的包络模型特征参数向量Θ。和Θm，由超声波回 波包络模型函数得到双回波包络拟合曲线，获取双回波包络上升沿分离点并确定双回波包 络的上升沿分离时刻；根据确定的对应的发射波起始时刻，由双回波包络的上升沿分离时 刻减去发射波起始时刻，最终求得超声波飞行时间。
【专利摘要】本发明提出了一种基于双回波包络的超声波飞行时间测量方法,解决超声波飞行时间精确测量的要求。该方法基于LabVIEW软件控制平台设计了虚拟仪器超声波飞行时间测量系统，对采集的信号波形先求取包络，以提取超声波回波总体特征走势，采用粒子群优化算法计算得到更为精确的超声波飞行时间，依据超声波测温原理计算超声波飞行路径温度平均值，并与温度仪实际测量值比较，将其温度误差值转换为超声波飞行时间误差。经过理论分析与实验验证，该方法测量的超声波飞行时间精度达到ns级。
【IPC分类】G01S7/52, G01S15/02
【公开号】CN105319548
【申请号】CN201510620835
【发明人】熊庆宇, 贾睿玺, 王楷, 王丽洁, 高旻, 梁山
【申请人】重庆大学
【公开日】2016年2月10日
【申请日】2015年9月25日