超声波测速装置及其测速方法与流程

本发明属于超声波流量检测技术领域，尤其涉及超声波测速装置及其测速方法。

背景技术：

目前，公知的超声波计量芯片中，用于进行超声波回波识别的比较器都采用固定的电压补偿值，在超声波检测中，识别首波是非常重要的一个步骤，若采用固定的电压补偿值，在外界干扰的情况下很可能误判，当补偿值过低时，可能会不能过滤一些噪声信号，会将噪声信号误判为超声波信号，当补偿值过高，则可能过滤掉超声波信号方波的首波，造成测量结果偏差。当水质过差或传感器探头被污染或覆盖，比如长时间使用时造成传感器探头结垢的情况下，超声波测试信号衰减会很严重，首波脉冲信号会随着结垢的厚度增加，其幅值越来越小，采用固定补偿值时，幅值太小的首波会无法识别，使计量结果产生很大误差，综上所述，现有技术中存在采用固定的电压补偿值会造成计量结果产生很大误差的缺陷。

技术实现要素：

本发明实施例提供的超声波测速装置及测速方法，以解决现有技术中存在采用固定的电压补偿值会造成计量结果产生很大误差的缺陷。

本发明实施例第一方面提供一种超声波测速装置，所述超声波测速装置包括时间数字转换模块、超声波换能器、补偿调整模块、比较器以及脉冲宽度检测模块；

所述时间数字转换模块的输出端连接所述超声波换能器的输入端，所述超声波换能器的输出端连接所述比较器的第一输入端，所述比较器的输出端连接所述脉冲宽度检测模块的输入端和所述时间数字转换模块的输入端，所述脉冲宽度检测模块的输出端连接所述补偿调整模块的输入端，所述补偿调整模块的输出端连接所述比较器的第二输入端；

所述时间数字转换模块向所述超声波换能器输出开始信号并开始计时；

所述超声波换能器根据所述开始信号向所述比较器输出超声波正弦波信号；

所述比较器将所述超声波正弦波与所述补偿调整模块输出的第一补偿信号进行比较后输出方波信号；

所述脉冲宽度检测模块根据所述方波信号判定信号衰减率超过预设值时输出补偿调整信号给所述补偿调整模块；

所述补偿调整模块根据所述补偿调整信号输出第二补偿信号给所述比较器；

所述比较器将所述超声波正弦波与所述第二补偿信号进行比较，以对所述方波信号的首波进行过滤以获取首波信号，并输出首波信号与其后面的方波信号构成的序列方波给所述时间数字转换模块；

所述时间数字转换模块根据所述开始信号和所述序列方波信号获取超声波传播时间差。

本发明实施例第二方面提供一种超声波测速装置的测速方法，其特征在于，所述超声波测速装置包括时间数字转换模块、超声波换能器、补偿调整模块、比较器以及脉冲宽度检测模块；

所述时间数字转换模块的输出端连接所述超声波换能器的输入端，所述超声波换能器的输出端连接所述比较器的第一输入端，所述比较器的输出端连接所述脉冲宽度检测模块的输入端和所述时间数字转换模块的输入端，所述脉冲宽度检测模块的输出端连接所述补偿调整模块的输入端，所述补偿调整模块的输出端连接所述比较器的第二输入端；

所述测速方法包括以下步骤：

所述时间数字转换模块向所述超声波换能器输出开始信号并开始计时；

所述超声波换能器根据所述开始信号向所述比较器输出超声波正弦波信号；

所述比较器将所述超声波正弦波与所述补偿调整模块输出的第一补偿信号进行比较后输出方波信号；

所述脉冲宽度检测模块根据所述方波信号判定信号衰减率超过预设值时输出补偿调整信号给所述补偿调整模块；

所述补偿调整模块根据所述补偿调整信号输出第二补偿信号给所述比较器；

所述比较器将所述超声波正弦波与所述第二补偿信号进行比较，以对所述方波信号的首波进行过滤以获取首波信号，并输出首波信号与其后面的方波信号构成的序列方波给所述时间数字转换模块；

所述时间数字转换模块根据所述开始信号和所述序列方波信号获取超声波传播时间差。

本发明提供的超声波测速装置及其测速方法，根据补偿信号和超声波正弦波获得方波信号，对方波信号进行检测，当方波信号衰减率过大时，输出补偿调整信号给补偿调整模块，使补偿调整模块输出调整后的补偿信号，以对方波信号进行过滤并获取首波信号，根据首波信号与其后面的方波信号构成的序列方波可以准确判断超声波信号到来的时间，克服传了统超声波计量中对首波的不可靠检测所造成的误差，同时可以有效的解决由于探头结垢造成首波检测不可靠，导致流速计算错误的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种实施例提供的超声波测速装置的结构示意图；

图2是本发明一种实施例提供的超声波测速装置中比较器获取方波信号的示意图；

图3是本发明一种实施例提供的超声波测速装置中比较器获取首波信号的示意图；

图4是本发明一种实施例提供的超声波测速装置中补偿调整模块的电路图；

图5是本发明一种实施例提供的超声波测速装置中时间数字转换模块的电路图；

图6是本发明一种实施例提供的超声波水表测水流速的原理图；

图7是本发明另一种实施例提供的超声波测速装置的测速方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例用以解释本发明，并不用于限定本发明。为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

本发明实施例提供一种超声波测速装置，如图1所示，超声波测速装置包括时间数字转换模块101、超声波换能器102、补偿调整模块103、比较器104以及脉冲宽度检测模块105；

时间数字转换模块101的输出端连接超声波换能器102的输入端，超声波换能器102的输出端连接比较器104的第一输入端，比较器104的输出端连接脉冲宽度检测模块105的输入端和时间数字转换模块101的输入端，脉冲宽度检测模块105的输出端连接补偿调整模块103的输入端，补偿调整模块103的输出端连接比较器104的第二输入端；

时间数字转换模块101向超声波换能器102输出开始信号并开始计时；

超声波换能器102根据开始信号向比较器104输出超声波正弦波信号；

比较器104将超声波正弦波与补偿调整模块103输出的第一补偿信号进行比较后输出方波信号；

脉冲宽度检测模块105根据方波信号判定信号衰减率超过预设值时输出补偿调整信号给补偿调整模块103；

补偿调整模块103根据补偿调整信号输出第二补偿信号给比较器104；

比较器104将超声波正弦波与第二补偿信号进行比较，以对方波信号的首波进行过滤以获取首波信号，并输出首波信号与其后面的方波信号构成的序列方波给时间数字转换模块101；

时间数字转换模块101根据开始信号和序列方波信号获取超声波传播时间差。

对于时间数字转换模块101，具体的，时间数字转换模块101可以为基于延迟环的高精度时间数字转换器，其用于向超声波换能器102输出开始信号并开始计时。

对于超声波换能器102，具体的，超声波换能器102包括两个换能器，相互之间传输超声波信号，每一个超声波换能器102包括超声波信号源和超声波传感器，超声波信号源产生驱动超声波传感器发射超声波信号的高压脉冲信号，该高压脉冲信号周期是超声波传感器的共振频率，发射高压脉冲信号驱动超声波传感器，接收端的超声波传感器探头接收到超声波信号后，将超声波信号转换为电信号，该信号是正弦波信号。

对于比较器104，具体的，如图2所示，其首先对超声波正弦波信号和第一补偿信号进行比较，其中，将第一补偿信号的offset(补偿)值设置为寄存器可配，比如范围为-35mV到+35mV，当超声波正弦波信号进入后，offset值首先可以过滤掉幅值小的噪声信号，只有一定强度的信号才可以被识别，比较器104根据设定的offset值输出方波信号。

对于脉冲宽度检测模块105，具体的，如图3所示，脉冲宽度检测模块105根据方波信号的首波检测超声波信号的衰减程度，当超声波信号的衰减很严重时即衰减率过低时，输出补偿调整信号给补偿调整模块103，以再反馈调节offset的值，通过offset设置跳过真实的首波，继续比较之后到来的脉冲幅值，获取首波信号，以超过offset值的脉冲作为首波，之所以可以这样定义相对的首波，是因为在计算飞行时间时，是以相对首波的第N的脉冲为基准计算时间差得到，所以在计算中以相同的脉冲作为首波计算时，飞行时间计算是准确的，通过设置offset过滤掉事实上的首波，以之后幅值较高的脉冲作为首波，在一次时间计算中，只需要以同一序列的序列方波作为时间计算的标准，所以只要选择两次波形中的同一序列脉冲作为首波，则不会影响时间测量的结果，时间数字转换模块101根据开始信号和序列方波获取超声波传播时间差。

本发明实施例一种超声波测速装置根据补偿信号和超声波正弦波或得方波信号，对方波信号进行检测，当第一方波的信号衰减率过大时，输出补偿调整信号给补偿调整模块，使补偿调整模块输出调整后的补偿信号，以对方波信号进行过滤并获取首波信号，根据首波信号与其后面的方波信号构成的序列方波可以准确判断超声波信号到来的时间，克服传了统超声波计量中对首波的不可靠检测所造成的误差，同时可以有效的解决由于探头结垢造成首波检测不可靠，导致流速计算错误的问题。

进一步的，脉冲宽度检测模块105根据方波信号输出补偿调整信号给补偿调整模块103，具体为：

脉冲宽度检测模块105根据方波信号获取首波脉冲半波宽度和脉冲半波最大宽度；

当判定首波脉冲半波宽度与脉冲半波最大宽度之间的比值低于预设值时，输出补偿调整信号。

具体的，根据方波信号筛选出首波脉冲宽度hwp_firstwave，确定首波后offset值自动变为0，以便可以计算真实的脉冲半波最大宽度hwp_tof，计算hwp_firstwave/hwp_tof的值，这个值会在0～1之间，在水质过差、水中有镜面反射物存在或换能器探头有遮盖物比如结垢等情况下，超声波信号的衰减会很严重，hwp_firstwave/hwp_tof比值在0.5以下时，可输出补偿信号设置offset过滤掉事实上的首波，以之后幅值较高的脉冲作为首波，在一次时间计算中，只需要以同一序列的脉冲作为时间计算的标准，所以只要选择两次波形中的同一序列脉冲作为首波，则不会影响时间测量的结果。

进一步的，脉冲宽度检测模块105根据方波信号获取首波脉冲半波宽度和脉冲半波最大宽度，具体为：

脉冲宽度检测模块105检测到方波信号中方波信号的高电平时开始计数，检测到低电平时停止计数，以获取首波脉冲半波宽度和脉冲半波最大宽度。

其中，脉冲宽度检测模块105为高精度时间测量的时间数字转换模块101(TDC，time to digital converter)，精度可达ps(皮秒)级，在首波脉冲方波高电平到来时开始计数，低电平到来时停止计数，从而计算出此方波的宽度，即首波脉冲半波宽度hwp_firstwave，此后对脉冲半波最大宽度以相同的方法计算hwp_tof。

进一步的，补偿调整模块103可以为电压调整结构，作为其中的一种实施方式，如图4所示，补偿调整模块103包括电流源、多个电阻以及多个开关器件，电流源与多个电阻依次串联，每一电阻并联一个开关器件；

补偿调整模块103根据补偿调整信号输出第二补偿信号给比较器104，具体为：

补偿调整模块103根据补偿调整信号通过调节多个开关获取第二补偿信号。

如图4所示，以调节电阻的数量为4个为例，R0为以获取首波信号，保护电阻，一端接电流源I1，另一端接第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3以及第四电阻R4，可控开关包括第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3以及第四开关S4，分别与第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3以及第四电阻R4并联连接，可以通过控制开关(s1到s4)改变下拉电阻的总值，从而改变offset处的输出电压。在实际电路中，电阻R数量和开关数量不一定为四个，由电路设计拟定。芯片中，调解电阻所对应的开关为软件可配，即可以通过对寄存器的配置来调解此模块下拉电阻的总值，从而起到调解输出电压offset的作用。

进一步的，时间数字转换模块101根据开始信号和序列方波信号获取超声波传播时间差，具体为：

时间数字转换模块101根据开始信号和序列方波信号中相同序列的脉冲信号获取超声波传播时间差。

通过上述方法选择合适的方波(比如第二方波、第三方波等等)作为首波，以选择好的首波为第一方波，再选择之后接收到的某一序列的方波为计算基准，发送端发送出此序列方波到接收端接收到次序列方波的时间就是超声波的传输时间。

如图6所示，为一个基于延迟环的高精度时间数字转换器，延迟环中延迟单元的传播时间延迟理论上为固定值τ，可把开始信号通道开始时间到首波信号通道接收到首波信号之间的间隔转换为二进制数字信号输出。

下面将超声波测速装置应用到水表上为例来具体说明本发明实施例：

如图5所示，超声波水表中的计量原理，主要由水管中上下游两个换能器和探头组成，通过计算超声波从上游传播到下游探头，及从下游传播到上游的时间差，由多普勒效应通过时间差计算水流的实时流速，超声波传输时间差Δt＝t_ab-t_ba，水流速为v，介质中超声波速为C，则计算可得：

所以对流速的测量转化为对时间差的测量，为了计算准确两次超声波传播的时间差，则需要以同一个脉冲序列为基准，为了准确识别这个脉冲，就必须准确识别超声波的首波。

超声波换能器102在收到开始信号START后发出超声波正弦波，并开始计时，经过offset值可调节的比较器104后转化为方波信号，即计时停止(STOP)，经过脉冲宽度检测模块105，计算hwp_firstwave和hwp_tof，将调解信号反馈给offset调整模块，自动调节offset值，数字时间转换模块通过计算START信号中和STOP信号中同序列回波信号的时间差，确定超声波飞行时间，再根据上面的公式获取水流速。

本发明另一种实施例提供一种超声波测速装置的测速方法，超声波测速装置包括时间数字转换模块101、超声波换能器102、补偿调整模块103、比较器104以及脉冲宽度检测模块105；

时间数字转换模块101的输出端连接超声波换能器102的输入端，超声波换能器102的输出端连接比较器104的第一输入端，比较器104的输出端连接脉冲宽度检测模块105的输入端和时间数字转换模块101的输入端，脉冲宽度检测模块105的输出端连接补偿调整模块103的输入端，补偿调整模块103的输出端连接比较器104的第二输入端；

如图7所示，该测速方法包括以下步骤：

步骤S201.时间数字转换模块向超声波换能器输出开始信号并开始计时。

步骤S202.超声波换能器根据开始信号向比较器输出超声波正弦波信号。

步骤S203.比较器将超声波正弦波与补偿调整模块输出的第一补偿信号进行比较后输出方波信号。

步骤S204.脉冲宽度检测模块根据方波信号判定信号衰减率超过预设值时输出补偿调整信号给补偿调整模块。

步骤S205.补偿调整模块根据补偿调整信号输出第二补偿信号给比较器。

步骤S206.比较器将超声波正弦波与第二补偿信号进行比较，以对方波信号进行过滤以获取首波信号，并输出首波信号与其后面的方波信号构成的序列方波给时间数字转换模块。

步骤S207.时间数字转换模块根据开始信号和序列方波信号获取超声波传播时间差。

其中，步骤S204具体包括：

步骤S2041.脉冲宽度检测模块根据方波信号获取首波脉冲半波宽度和脉冲半波最大宽度；

步骤S2042.当判定首波脉冲半波宽度与脉冲半波最大宽度之间的比值低于预设值时，输出补偿调整信号。

其中，步骤S2041具体为：

脉冲宽度检测模块检测到方波信号中方波信号的高电平时开始计数，检测到低电平时停止计数，以获取首波脉冲半波宽度和脉冲半波最大宽度。

进一步的，脉冲宽度检测模块包括电流源、多个电阻以及多个开关器件，电流源与多个电阻依次串联，每一电阻并联一个开关器件；

其中，步骤S205具体为：

补偿调整模块根据补偿调整信号通过调节多个开关获取第二补偿信号。

其中，步骤S207具体为：

时间数字转换模块根据开始信号和序列方波信号中相同序列的脉冲信号获取超声波传播时间差。

本发明实施例一种超声波测速装置的测速方法，根据补偿信号和超声波正弦波或得方波信号，对方波信号进行检测，当第一方波的信号衰减率过大时，输出补偿调整信号给补偿调整模块，使补偿调整模块输出调整后的补偿信号，以对方波信号进行过滤并获取首波信号，根据首波信号与其后面的方波信号构成的序列方波可以准确判断超声波信号到来的时间，克服传了统超声波计量中对首波的不可靠检测所造成的误差。

本领域普通技术人员还可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，的程序可以在存储于一计算机可读取存储介质中，的存储介质，包括ROM/RAM、磁盘、光盘等。

本发明实施例方法中的步骤可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。