一种计时终止电路以及基于该电路的超声波检测系统的制作方法

本实用新型属于超声波流体流量检测技术领域，特别是涉及一种计时终止电路以及基于该电路的超声波检测系统。

背景技术：

超声波计量仪表是一种采用超声波检测技术的全电子式流体流量检测仪表。超声波传播时差法作为一种实现简单、成本低廉的技术实现方式，目前被广泛应用于超声波水表、超声波热量表、超声波燃气表及超声波流量计等产品。超声波计量仪表的流量计量精度主要取决于电路对超声波在流体介质中的传播时间的检测精度。目前，时间-数字转换(TDC)专用集成电路芯片对于时间的计时精度可达20ps～50ps，使用此种芯片可以解决超声波传播时间的计时精度问题，然而计时的起始、停止时刻仍需要外部电路确定。

超声波传感器的原始激励信号一般为方波脉冲序列的数字信号，可直接为即使电路提供计时起始时刻，且计时起始时刻可与此脉冲序列的指定脉冲边沿精确同步。超声波传感器的回波信号为正弦包络的模拟信号，无法直接为计时电路提供计时终止时刻，目前大多采用比较器电路将原始回波信号整形为脉冲序列，依据此脉冲序列的边沿确定计时停止时刻。采用此种方法存在如下不足：其一，采用过零比较法，外界噪声的干扰会导致整形后的脉冲序列宽度发生变换，进而使得计时停止时刻发生变化；其二，采用阈值比较法，虽然可解决外界噪声干扰的问题，但是换能器阻抗的温度漂移特性会导致回波信号幅值的变化，使得不同水温条件下计时停止时刻发生变化；其三，采用阈值与过零比较结合的方法，可解决以上噪声以及温度漂移问题，但是对换能器的阻抗一致性以及阈值动态调整软件算法提出较高要求。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种计时终止电路以及基于该电路的超声波检测系统，通过对回波信号的处理，时间-数字转换芯片的停止计时时刻仅与电路固有参数相关，与输入信号的特性无关，提高计时精度，进一步保证流量检测的精度。

为解决上述技术问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

本实用新型为一种计时终止电路，包括放大电路、相移电路、第一检波电路、第二检波电路、比较电路和时间-数字转换芯片；所述放大电路将原始回波信号进行幅值放大后输出至相移电路和第一检波电路；所述相移电路将放大后的回波信号进行相位平移后输出至第二检波电路；所述第一检波电路和第二检波电路分别对接收的信号进行检波后分别输出至比较电路的正、反相输入端；所述比较电路的输出端与时间-数字转换芯片相连。

进一步地，所述放大电路包括运算放大器U1A和运算放大器U1B；所述运算放大器U1A的正相输入端接收回波信号，正相输入端还通过电阻R7接地，所述运算放大器U1A的反相输入端依次通过电阻R1、电容C3接地，反相输入端还分别通过电阻R2、电容C1与运算放大器U1A的输出端相连；所述运算放大器U1B的正相输入端与运算放大器U1A的输出端相连，运算放大器U1B的反相输入端依次通过电阻R3、电容C4接地，反相输入端还分别通过电阻R4、电容C2与运算放大器U1B的输出端相连，运算放大器U1B的输出端与相移电路、第一检波电路相连。

进一步地，所述相移电路包括电压比较器U3；所述电压比较器U3的正相输入端依次通过电阻R15和电阻R16分别与电压比较器U3的反相输入端相连；所述电阻R15和电阻R16之间引出一条支路与运算放大器U1B的输出端相连；电压比较器U3的正相输入端通过电容C10接地，电压比较器U3的反相输入端和输出端之间连接有电阻R18，电压比较器U3的输出端与第二检波电路相连。

进一步地，所述第二检波电路包括三极管Q1；所述三极管Q1的基极通过电容C6与运算放大器U1B的输出端相连，所述三极管Q1的集电极分别通过电阻R6与三极管Q1的基极相连、通过电阻R5与电源相连、通过电容C5接地，所述三极管Q1的发射极通过电阻R10接地，所述三极管Q1的发射极还依次通过电容C7、电阻R8、电容C8接地，电阻R8和电容C8之间引出一条支路经过电阻R11与比较电路的正相输入端相连；所述第二检波电路设置在电压比较器U3的输出端、比较电路的反相输入端之间，所述第一检波电路与第二检波电路的元器件构成以及连接关系相同。

进一步地，所述比较电路包括电压比较器U2，所述电压比较器U2的电源端、输出端之间连接有电阻R9，所述电压比较器U2的输出端与时间-数字转换芯片相连。

一种计时终止电路的超声波检测系统，包括激励信号发生电路、模拟开关、上游超声波传感器、下游超声波传感器以及时间-数字转换芯片；激励信号发生电路产生的方波激励信号经过模拟开关输出至上游超声波传感器或下游超声波传感器，其特征在于：所述激励信号发生电路产生的方波激励信号输出至时间-数字转换芯片启动计时，所述下游超声波传感器和/或上游超声波传感器输出的回波信号依次经过模拟开关、计时终止电路输出至时间-数字转换芯片停止计时。还包括第一三态门和第二三态门，所述激励信号发生电路的输出端与模拟开关的公共端相连，所述激励信号发生电路的输出端通过第一三态门与时间-数字转换芯片相连，所述模拟开关的公共端依次通过计时终止电路、第二三态门与时间-数字转换芯片相连。

一种计时终止方法，其特征在于，包括如下步骤：

(A)将原始回波信号V0进行幅值放大得到放大后的回波信号V1；放大倍数为4～9倍；

(B)将放大后的回波信号V1进行相位平移得到相移后的回波信号V2；放大后的回波信号V1和相移后的回波信号V2之间的相位差为π/64～π/32；

(C)对放大后的回波信号V1、相移后的回波信号V2分别进行检波得到半波包络信号V3、V4；

(D)将两路半波包络信号V3、V4进行幅值比较得到负脉冲宽度信号V5并作为计时停止脉冲输出至时间-数字转换芯片。

本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型通过对回波信号的处理，时间-数字转换芯片的停止计时时刻仅与电路固有参数相关，与输入信号的特性无关，避免了背景技术中述及的不足，提高计时精度，进一步保证流量检测的精度。

当然，实施本实用新型的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的原理框图；

图2为本实用新型的各信号波形图；

图3为本实用新型计时终止电路的电路图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1和所示，本实用新型为一种计时终止电路，包括放大电路51、相移电路52、第一检波电路53、第二检波电路54、比较电路55和时间-数字转换芯片80；放大电路51将原始回波信号进行幅值放大后输出至相移电路52和第一检波电路53；相移电路52将放大后的回波信号进行相位平移后输出至第二检波电路54；第一检波电路53和第二检波电路54分别对接收的信号进行检波后分别输出至比较电路55的正、反相输入端；比较电路55的输出端与时间-数字转换芯片80相连。

其中，放大电路51包括运算放大器U1A和运算放大器U1B；运算放大器U1A的正相输入端接收回波信号，正相输入端还通过电阻R7接地，运算放大器U1A的反相输入端依次通过电阻R1、电容C3接地，反相输入端还分别通过电阻R2、电容C1与运算放大器U1A的输出端相连；运算放大器U1B的正相输入端与运算放大器U1A的输出端相连，运算放大器U1B的反相输入端依次通过电阻R3、电容C4接地，反相输入端还分别通过电阻R4、电容C2与运算放大器U1B的输出端相连，运算放大器U1B的输出端与相移电路52、第一检波电路53相连。

其中，相移电路52包括电压比较器U3；电压比较器U3的正相输入端依次通过电阻R15和电阻R16分别与电压比较器U3的反相输入端相连；电阻R15和电阻R16之间引出一条支路与运算放大器U1B的输出端相连；电压比较器U3的正相输入端通过电容C10接地，电压比较器U3的反相输入端和输出端之间连接有电阻R18，电压比较器U3的输出端与第二检波电路54相连。

其中，第二检波电路54包括三极管Q1；三极管Q1的基极通过电容C6与运算放大器U1B的输出端相连，三极管Q1的集电极分别通过电阻R6与三极管Q1的基极相连、通过电阻R5与电源相连、通过电容C5接地，三极管Q1的发射极通过电阻R10接地，三极管Q1的发射极还依次通过电容C7、电阻R8、电容C8接地，电阻R8和电容C8之间引出一条支路经过电阻R11与比较电路的正相输入端相连；第二检波电路54设置在电压比较器U3的输出端、比较电路55的反相输入端之间，第一检波电路53与第二检波电路54的元器件构成以及连接关系相同。

其中，比较电路55包括电压比较器U2，电压比较器U2的电源端、输出端之间连接有电阻R9，电压比较器U2的输出端与时间-数字转换芯片80相连。

一种计时终止电路的超声波检测系统，包括激励信号发生电路10、模拟开关20、上游超声波传感器30、下游超声波传感器40以及时间-数字转换芯片80；激励信号发生电路10产生的方波激励信号经过模拟开关20输出至上游超声波传感器30或下游超声波传感器40，激励信号发生电路10产生的方波激励信号输出至时间-数字转换芯片80启动计时，下游超声波传感器30和/或上游超声波传感器40输出的回波信号依次经过模拟开关20、计时终止电路50输出至时间-数字转换芯片80停止计时。还包括第一三态门60和第二三态门70，激励信号发生电路10的输出端与模拟开关20的公共端相连，激励信号发生电路10的输出端通过第一三态门60与时间-数字转换芯片80相连，模拟开关20的公共端依次通过计时终止电路50、第二三态门70与时间-数字转换芯片80相连。

一种计时终止方法，包括如下步骤：

(A)将原始回波信号V0进行幅值放大得到放大后的回波信号V1；放大倍数为4～9倍；

(B)将放大后的回波信号V1进行相位平移得到相移后的回波信号V2；放大后的回波信号V1和相移后的回波信号V2之间的相位差为π/64～π/32；

(C)对放大后的回波信号V1、相移后的回波信号V2分别进行检波得到半波包络信号V3、V4；

(D)将两路半波包络信号V3、V4进行幅值比较得到负脉冲宽度信号V5并作为计时停止脉冲输出至时间-数字转换芯片80。

参阅图1、图2，一种计时终止方法，包括如下步骤：(A)将原始回波信号V0进行幅值放大得到放大后的回波信号V1；(B)将放大后的回波信号V1进行相位平移得到相移后的回波信号V2；(C)对放大后的回波信号V1、相移后的回波信号V2分别进行检波得到半波包络信号V3、V4；(D)将两路半波包络信号V3、V4进行幅值比较得到负脉冲宽度信号V5并作为计时停止脉冲输出至时间-数字转换芯片80。图2中以一种回波信号为示例，详细描述了各个步骤所处理得到的波形图，该方法中，从波形图我们也可以看出，负脉冲宽度信号V5的下降沿时刻由两路半波包络信号V3、V4之间的延时决定，而两路半波包络信号V3、V4的延时由步骤B中进行相位平移的相移电路52的相移特性决定，因此，经过一系列的处理后，时间-数字转换芯片80的停止计时时刻仅与电路固有参数有关，与输入信号特性无关。

放大倍数过小，不宜后续的处理，放大倍数过大，容易产生失真，因此本实施例中优选地所述的步骤A中，放大倍数为4～9倍。所述的步骤B中，放大后的回波信号V1和相移后的回波信号V2之间的相位差为π/64～π/32。

参阅图1、图3，本实用新型还公开了一种计时终止电路，包括放大电路51，放大电路51将原始回波信号进行幅值放大后输出至相移电路52和第一检波电路53，相移电路52将放大后的回波信号进行相位平移后输出至第二检波电路54，第一、二检波电路53、54对接收的信号进行检波后分别输出至比较电路55的正、反相输入端，比较电路55的输出端与时间-数字转换芯片80相连。这里各电路的设置，就是实现前述方法中的各中处理，包括幅值放大、相移、检波、比较，原始回波信号经过计时终止电路中各子电路的处理后，输出一个负脉冲宽度信号至时间-数字转换芯片80来终止计时，保证计时的准确性。

具体地，所述的放大电路51包括运算放大器U1A、U1B；运算放大器U1A的正相输入端接收回波信号，正相输入端还通过电阻R7接地，运算放大器U1A的反相输入端依次通过电阻R1、电容C3接地，反相输入端还分别通过电阻R2、电容C1与运算放大器U1A的输出端相连；运算放大器U1B的正相输入端与运算放大器U1A的输出端相连，运算放大器U1B的反相输入端依次通过电阻R3、电容C4接地，反相输入端还分别通过电阻R4、电容C2与运算放大器U1B的输出端相连，运算放大器U1B的输出端与相移电路52、第一检波电路53相连。这里通过两个运算放大器U1A、UAB，组成两级放大电路，对输出的回波信号进行无失真幅值放大，放大倍数由配置的电阻、电容参数决定，一般单个放大电路的放大倍数为2-3倍之间，整个放大电路51的放大倍数在4-9倍之间。

具体地，所述的相移电路52包括电压比较器U3，电压比较器U3的正相输入端依次通过电阻R15、R16与电压比较器U3的反相输入端相连，电阻R15、R16之间引出一条支路与运算放大器U1B的输出端相连；电压比较器U3的正相输入端通过电容C10接地，电压比较器U3的反相输入端和输出端之间连接有电阻R18，电压比较器U3的输出端与第二检波电路54相连。在相移电路52中，其输入正弦信号与输出正弦信号之间的相位差由配置的电容C10以及反馈电阻R18的参数来决定，一般相位差为π/64～π/32。

具体地，所述的第一检波电路53包括三极管Q1，三极管Q1的基极通过电容C6与运算放大器U1B的输出端相连，三极管Q1的集电极分别通过电阻R6与三极管Q1的基极相连、通过电阻R5与电源相连、通过电容C5接地，三极管Q1的发射极通过电阻R10接地，三极管Q1的发射极还依次通过电容C7、电阻R8、电容C8接地，电阻R8和电容C8之间引出一条支路经过电阻R11与比较电路的正相输入端相连；第二检波电路54设置在电压比较器U3的输出端、比较电路55的反相输入端之间，且第二检波电路54与第一检波电路53的元器件构成以及连接关系相同。通过三极管即外围连接的电阻、电容构成正弦信号包络检波电路，可输出放大或相移后的回波信号的包络波形。

具体地，所述的比较电路55包括电压比较器U2，电压比较器U2的电源端、输出端之间连接有电阻R9，电压比较器U2的输出端与时间-数字转换芯片80相连。

以上各电路的具体结构是本实用新型中优选的实施方式，其他能够实现放大、相移、检波、比较功能的电路也是可以的。

本实用新型还提供了一种基于前述电路的超声波检测系统，这里说的前述电路就是前面述及的计时终止电路50，该超声波检测系统包括激励信号发生电路10、模拟开关20、上游超声波传感器30、下游超声波传感器40以及时间-数字转换芯片80，激励信号发生电路10产生的方波激励信号经过模拟开关20输出至上游超声波传感器30或下游超声波传感器40，激励信号发生电路10产生的方波激励信号输出至时间-数字转换芯片80启动计时，下游超声波传感器30或上游超声波传感器40输出的回波信号依次经过模拟开关20、计时终止电路50输出至时间-数字转换芯片80停止计时。在检测时，激励信号发生电路10首先产生方波激励信号，该方波激励信号一路输出至时间-数字转换芯片80启动计时，另一路经过模拟开关20输出至上游超声波传感器30或下游超声波传感器40，上游超声波传感器30或下游超声波传感器40接收到方波激励信号后产生超声波信号。当检测超声波的顺流时长时，上游超声波传感器30发出超声波，下游超声波传感器40接收超声波并产生回波信号；当检测超声波的逆流时长时，下游超声波传感器40发出超声波，上游超声波传感器30接收超声波并产生回波信号。上游超声波传感器30或下游超声波传感器40接收到回波信号后经过模拟开关20、计时终止电路50输出至时间-数字转换芯片80停止计时。由于这里的回波信号经过了计时终止电路50处理后再输出至时间-数字转换芯片80，保证时间-数字转换芯片80能够及时停止计时，避免外界噪声干扰以及超声波传感器阻抗特性的影响。

优选地，包括第一、第二三态门60、70，激励信号发生电路10的输出端与模拟开关20的公共端相连，激励信号发生电路10的输出端通过第一三态门60与时间-数字转换芯片80相连，模拟开关20的公共端依次通过计时终止电路50、第二三态门70与时间-数字转换芯片80相连。通过设置两个三态门，通过输出高阻状态切断无效的信号：当激励信号发生电路10产生方波激励信号至时间-数字转换芯片80启动计时，第二三态门70是高阻状态；当回波信号经过模拟开关20、计时终止电路50输出至时间-数字转换芯片80停止计时，第一三态门60是高阻状态。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本实用新型优选实施例只是用于帮助阐述本实用新型。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本实用新型。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。