检测飞行时间的方法、超声波流量计及光学设备与流程

1.本技术实施例涉及光学设备技术领域，特别涉及检测飞行时间的方法、超声波流量计及光学设备。


背景技术：

2.飞行时间的测量常被用于测量距离以及测量流体速度中。一般通过在两点间放置成对的换能器，将激励电信号(一般是连续多个方波形式的脉冲信号)转化为在介质中传播的超声波信号，经过一段时间后被另一端的换能器接收，重新转换为电信号，然后通过对飞行时间的测量，可计算出两点间的距离，或是介质流体本身的流速。
3.超声波流量计计量是测量通过气体或液体介质的流量，测量原理依赖于超声波信号在介质中的飞行时间，飞行时间为上行飞行时间(tup)和下行飞行时间(tdn)的时间差，通过时间差即可计算得出流速，进而得到流量值。目前超声波飞行时间测量主要是通过对换能器接收端进行首波检测来进行测量，以及通过首波过后的几个过零检测波形来判断飞行时间的结束点，获取飞行时间，从而来计算出介质内流体的速度或飞行距离等。首波检测一般通过设置开放时间窗口，并寻找一个有较大阈值范围的判决电平来尽量减小误判的可能。然而，首波检测往往随着流体温度变化，以及流体中偶尔出现的杂质、气泡等首波位置会发生偏差，从而有错波现象，进而给飞行时间的检测带来很大的测量误差，影响到测量精度。


技术实现要素：

4.本技术实施例的目的在于提供一种检测飞行时间的方法、超声波流量计及光学设备，解决首波位置发生偏差导致的飞行时间的检测出现误差的问题。
5.为解决上述技术问题，本技术的实施例提供了一种检测飞行时间的方法，包括以下步骤：在发射端发送第一电信号，所述第一电信号包括至少两个连续的特征电信号序列，所述特征电信号序列具有第一脉冲信号和恒定电平信号，且所述特征电信号序列具有特征周期；在接收端接收第二电信号，所述第二电信号由所述第一电信号转换为声波信号后在介质中传输后进行声电转换形成；基于所述第二电信号的时域波形，获取特征时间点，所述特征时间点为所述时域波形中相邻且具有所述特征周期的波形区域的交界点对应的时间点；基于所述特征时间点，获取首波位置；基于所述首波位置，获取飞行时间。
6.另外，所述第一电信号还包括第二脉冲信号；相邻的所述特征电信号序列拼接形成拼接序列，所述拼接序列与所述第二脉冲信号拼接。
7.另外，所述第一电信号为：
[0008][0009]
其中，λ1为一个整周期的第一脉冲信号，λ2为一个整周期的第二脉冲信号，γ为1/n周期的恒定电平信号，m1为第一脉冲信号的周期个数，m2为第二脉冲信号的周期个数，n为1/n周期的恒定电平信号的个数，为序列的拼接，为特征电信号序列，k为特征电
信号序列的个数，n≥1，k≥2。
[0010]
另外，所述第一电信号还包括第三脉冲信号；所述拼接序列的首端与所述第三脉冲信号拼接，所述拼接序列的尾端与所述第二脉冲信号拼接。
[0011]
另外，所述第一电信号为：
[0012][0013]
其中，λ1为一个整周期的第一脉冲信号，λ2为一个整周期的第二脉冲信号，λ3为一个整周期的第三脉冲信号，γ为1/n周期的恒定电平信号，n≥1，m1为第一脉冲信号的周期个数，m2为第二脉冲信号的周期个数，l为第三脉冲信号的周期个数，n为1/n周期的恒定电平信号的个数，为序列的拼接，为特征电信号序列，k为特征电信号序列的个数，n≥1，k≥2。
[0014]
另外，所述第一脉冲信号、所述第二脉冲信号、所述第三脉冲信号均为方波脉冲信号；所述恒定电平信号为高电平恒定信号或低电平恒定信号。
[0015]
另外，所述基于所述第二电信号的时域波形，获取特征时间点，包括：基于包络波幅度检测方法，获取所述第二电信号的时域波形的包络波曲线；基于所述包络波曲线，获取特征时间点。
[0016]
另外，所述基于所述第二电信号的时域波形，获取特征时间点，包括：基于预设的参考电平，通过过零检测方法获取所述第二电信号中正弦波的周期时间；基于所述电信号中正弦波的周期时间，获取特征时间点。
[0017]
本技术的实施例还提供了一种超声波流量计，包括：至少一个超声换能器以及与所述超声换能器连接的处理器；与所述至少一个处理器连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述任一实施例所述的检测飞行时间的的方法。
[0018]
本技术的实施例还提供了一种光学设备，包括飞行时间转换器以及上述超声波流量计。
[0019]
本技术实施例提供的技术方案至少具有以下优点：
[0020]
本技术实施例提供的检测飞行时间的方法，通过在发射端发送具有特征电信号序列的第一电信号，且特征电信号序列具有特征周期，然后在接收端接收第二电信号，基于第二电信号的时域波形，获取时域波形中相邻且具有特征周期的波形区域的交界点对应的时间点，即特征时间点；接下来基于特征时间点，获取首波位置，再基于首波位置，获取飞行时间。因电信号经过换能器转换后，转换为呈包络形状具有扩散趋势的兰姆波，会影响首波位置的检测，本技术实施例通过在发射端发送具有特征周期的特征电信号序列，然后在第二电信号的时域波形中获取特征周期的波形区域的交界点对应的时间点，获取首波位置。本技术实施例的接收端接收的时域波形中包络波幅度呈周期性变化，其周期与发射端发射的特征电信号序列的周期一致，从而能够准确获取首波位置，因此本技术实施例的检测飞行时间的方法能够减少首波位置的检测偏差，从而可以更准确地测量飞行时间，提高测量准确性和测量精度。
附图说明
[0021]
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说
明并不构成对实施例的限定。
[0022]
图1是相关技术的相位插入的示意图；
[0023]
图2是本技术实施例的检测飞行时间的方法的流程图；
[0024]
图3是本技术实施例的第一电信号的示意图；
[0025]
图4是本技术另一实施例的第一电信号的示意图；
[0026]
图5是本技术实施例的第二电信号的时域波形的示意图；
[0027]
图6是本技术又一实施例的第一电信号的示意图；
[0028]
图7是本技术实施例的光学设备的结构示意图。
具体实施方式
[0029]
由背景技术可知，目前存在首波位置发生偏差容易导致的飞行时间的检测出现误差的问题。
[0030]
首波也称头波，是超声和其它类型信号脉冲式检测领域中一个有效信号的开始。首波的可靠检测和准确定位对这类测量的精度有关键作用。首波位置检测的最大困难是首波的幅度一般很小，非常易于和系统噪声混淆，噪声的存在对首波位置测量的准确性影响很大。而且通常首波的波幅随着信号频率的增大衰减很快，因此在频率较高的测量中，首波位置的检测更加困难，非常容易出现偏差，导致测量准确性较差。
[0031]
为了减小首波位置的偏差，相关技术提出一种相位插入的方法，如图1所示，通过在发射端发送的激励电信号中插入相位，通常相位的插入个数为一个方波脉冲周期的四分之一周期的整数倍；通过改变在发射端发送的激励电信号的时域波形的相位，以便在接收端的电信号的时域波形中找到特征波形，从而确定发射端和接收端的信号相对应关系，减少首波位置检测的偏差，达到提高检测精度的目的。
[0032]
然而，光学和超声系统极易受到外部干扰的影响，例如温度、气泡、流速、流体压力或流体混合物。超声换能器在时域中具有高稳定性，但是其物理量如电压电平，即所接收的电信号的幅度，容易受到系统中的各种物理参数的影响。由于换能器能量转换的特性，发射端的激励电信号为方波脉冲形式，方波脉冲形式的激励电信号经过换能器后，转换为兰姆波，时域上呈现出包络的形状。相关技术在激励电信号中在插入相位，经过声电转换后形成的电信号的时域波形通常有扩散的趋势，实践中很难精确定位插入的相位点所对应的位置，同样会引起首波位置检测或特征波检测的错位，导致飞行时间的测量误差较大，因此无法解决首波位置发生偏差导致的飞行时间的检测出现误差的问题。
[0033]
为了解决这一技术问题，如图2所示，本技术实施例提供了一种检测飞行时间的方法，包括以下步骤：
[0034]
步骤s101、在发射端发送第一电信号，第一电信号包括至少两个连续的特征电信号序列，特征电信号序列具有第一脉冲信号和恒定电平信号，且特征电信号序列具有特征周期；
[0035]
步骤s102、在接收端接收第二电信号，第二电信号由第一电信号转换为声波信号后在介质中传输后进行声电转换形成；
[0036]
步骤s103、基于第二电信号的时域波形，获取特征时间点，特征时间点为时域波形中相邻且具有特征周期的波形区域的交界点对应的时间点；
[0037]
步骤s104、基于特征时间点，获取首波位置；
[0038]
步骤s105、基于首波位置，获取飞行时间。
[0039]
本技术实施例应用于通过传输时间或飞行时间的测量以对超声波流量计量。测量飞行时间能够用于测量各种参数，例如液体和气体的流动速度、流动速率和热流量。基于飞行时间的超声波流量计在工业和法定计量中具有各种应用，例如，对诸如超声波的安全检测。此外，飞行时间的测量也能够用于光学应用，例如距离测量和3d成像。通常在超声波流量计的计量中，需要测量飞行时间，以对流速、距离等参数进行测量。
[0040]
在一些实施例中，本技术实施例提供的检测飞行时间的方法，第一电信号通过超声换能器被转换为超声波信号，然后超声波信号在介质中传输，到达接收端再次超声换能器进行声电转换形成第二电信号。超声换能器例如可以是压电晶体，可以采用一个超声换能器作为收发器，即发射第一电信号和接收第二电信号，也可以采用两个超声换能器分别作为发射端和接收端的换能器。通常采用飞行时间转换器的输出信号交替地激励超声换能器，并且将超声脉冲信号交替地发送至填充有待测量的流动介质的通道中，以进行飞行时间的测量。
[0041]
如图3所示，本技术实施例首先通过在发射端发送第一电信号，第一电信号包括至少两个连续的特征电信号序列的第一电信号，且特征电信号序列具有特征周期，有助于在接收端接收第二电信号的时域波形中，去获取相邻且具有特征周期的波形区域的交界点对应的时间点，即获取特征时间点；然后使用时间-数字转换(time digital converter，tdc)将特征时间点处的信号生成为数字时间戳。通过数字时间戳来在时域波形中获取首波位置，从而获取上行飞行时间(tup)和下行飞行时间(tdn)，继而获取飞行时间，飞行时间为上行飞行时间和下行飞行时间的时间差，通过飞行时间计算介质的流速，如下式所示：
[0042][0043]
其中，δt为上行飞行时间和下行飞行时间的时间差，c为介质中超声波信号的声速，l为飞行距离。
[0044]
因电信号经过换能器转换后，转换为呈包络形状具有扩散趋势的兰姆波，会影响首波位置的检测，本技术实施例通过在发射端发送具有特征周期的特征电信号序列，然后在第二电信号的时域波形中获取特征周期的波形区域的交界点对应的时间点，获取首波位置。本技术实施例接收端接收的第二电信号的时域波形中包络波幅度呈周期性变化，其周期与发射端发射的特征电信号序列的周期一致，从而能够准确获取首波位置，因此本技术实施例的检测飞行时间的方法能够减少首波位置的检测偏差，从而可以更准确地测量飞行时间，提高测量准确性和测量精度。
[0045]
在一些实施例中，所述第一电信号还包括第二脉冲信号，相邻的所述特征电信号序列拼接形成拼接序列，所述拼接序列与所述第二脉冲信号拼接。
[0046]
在一些实施例中，请继续参看图3，两个特征电信号序列首尾拼接后形成拼接序列，拼接序列的尾端与第二脉冲信号进行拼接。特征电信号序列包括第一脉冲信号与恒定电平信号的拼接序列，第一脉冲信号、第二脉冲信号例如可以是方波脉冲信号，恒定电平信号例如可以是高电平恒定信号或低电平恒定信号，图3是以三个方波脉冲信号与低电平恒定信号拼接形成特征电信号序列，两个特征电信号序列拼接后与两个第二脉冲信号进行拼
接为例进行示意。本技术实施例以第二脉冲信号序列作为稳定振荡序列，将特征电信号序列第二脉冲信号序列进行拼接，起到降低干扰的作用。
[0047]
在一些实施例中，所述第一电信号为：
[0048][0049]
其中，λ1为一个整周期的第一脉冲信号，λ2为一个整周期的第二脉冲信号，γ为1/n周期的恒定电平信号，m1为第一脉冲信号的周期个数，m2为第二脉冲信号的周期个数，n为1/n周期的恒定电平信号的个数，为序列的拼接，为特征电信号序列，k为特征电信号序列的个数，n≥1，k≥2。
[0050]
参见图4，以第一脉冲信号、第二脉冲信号均为方波脉冲信号，恒定电平信号为低电平恒定信号，m1＝3，n＝3，k＝3，m2＝3，n＝4为例进行示意，三个特征电信号序列首尾拼接后形成拼接序列，拼接序列的尾端与三个第二脉冲信号进行拼接。
[0051]
可以理解的是，m1、n、m2、n可以是其他大于1的数值。
[0052]
请继续参看图4，以一个方波脉冲信号的周期为一个周期，插入的低电平恒定信号为0.75个周期(0.75t)，那么特征电信号序列的特征周期为三个方波脉冲信号加上插入的低电平恒定信号，在获取首波位置时通过在接收端接收的第二电信号的时域波形图中找到相邻的且具有上述特征周期的波形区域的交界点对应的时间点，即得特征周期所对应的特征时间点；因为在接收端接收的第二电信号的时域波形中，包络波的幅度呈周期性变化，包络波的周期与发射端中发送的第一电信号中插入的特征电信号序列的周期一致。如图5所示，若在接收端接收的第二电信号的时域波形中采用包络幅度检测方法，可以获取与特征电信号序列周期一致的呈周期性变化的包络波，可以容易的找出特征时间点，进而准确的定位真实首波位置，获取飞行时间。
[0053]
在一些实施例中，所述第一电信号还包括第三脉冲信号，所述拼接序列的首端与所述第三脉冲信号拼接，所述拼接序列的尾端与所述第二脉冲信号拼接。
[0054]
在一些实施例中，请参看图6，三个特征电信号序列首尾拼接后形成拼接序列，拼接序列的首端与第三脉冲信号进行拼接，拼接序列的尾端与第二脉冲信号进行拼接。特征电信号序列包括第一脉冲信号与恒定电平信号的拼接序列，第一脉冲信号、第二脉冲信号例如可以是方波脉冲信号，恒定电平信号例如可以是高电平恒定信号或低电平恒定信号，图6是以三个方波脉冲信号与低电平恒定信号拼接形成特征电信号序列，三个特征电信号序列拼接后，其首端与两个第三脉冲信号进行拼接，其尾端与三个第二脉冲信号进行拼接为例进行示意。因部分换能器q值较低，初次起振过程可能需要较多个第一脉冲信号的激励电信号才能达到稳定振荡状态，第一脉冲信号的周期数量一般较小，因此不能充分使能换能器，因此需要设计一个较长的稳定振荡序列来满足高精度测量，以精确测量稳定振荡状态下的周期时间值，因此本技术实施例在特征电信号序列的拼接序列之前，在拼接序列的首端拼接第三脉冲信号序列，作为稳定振荡序列，降低干扰，使干扰最小化。
[0055]
在一些实施例中，所述第一电信号为：
[0056][0057]
其中，λ1为一个整周期的第一脉冲信号，λ2为一个整周期的第二脉冲信号，λ3为一个整周期的第三脉冲信号，γ为1/n周期的恒定电平信号，n≥1，m1为第一脉冲信号的周期个数，m2为第二脉冲信号的周期个数，l为第三脉冲信号的周期个数，n为1/n周期的恒定电
平信号的个数，为序列的拼接，为特征电信号序列，k为特征电信号序列的个数，n≥1，k≥2。
[0058]
参见图6，以第一脉冲信号、第二脉冲信号、第三脉冲信号均为方波脉冲信号，恒定电平信号为低电平恒定信号，l＝2，m1＝3，n＝3，k＝3，m2＝3，n＝4为例进行示意。
[0059]
可以理解的是，l、m1、n、m2、n可以是其他大于1的数值。
[0060]
请继续参看图6，三个特征电信号序列首尾拼接后形成拼接序列，拼接序列的首端与两个第三脉冲信号进行拼接，拼接序列的尾端与三个第二脉冲信号进行拼接。以一个方波脉冲信号的周期为一个周期，插入的低电平恒定信号为0.75个周期(0.75t)，那么特征电信号序列的特征周期为三个方波脉冲信号加上插入的低电平恒定信号，在获取首波位置时通过在接收端接收的第二电信号的时域波形图中找到相邻的且具有上述特征周期的波形区域的交界点对应的时间点，即得特征周期所对应的特征时间点；前面提到，因为在接收端接收的第二电信号的时域波形中，包络波的幅度呈周期性变化，包络波的周期与发射端中发送的第一电信号中插入的特征电信号序列的周期一致。通过包络幅度检测方法在第二电信号的时域波形中，可以获取与特征电信号序列周期一致的呈周期性变化的包络波，可以容易的找出特征时间点，进而准确的定位真实首波位置，获取飞行时间。
[0061]
在一些实施例中，所述第一脉冲信号、所述第二脉冲信号、所述第三脉冲信号均为方波脉冲信号；所述恒定电平信号为高电平恒定信号或低电平恒定信号。
[0062]
在一些实施例中，所述基于所述第二电信号的时域波形，获取特征时间点，包括：基于包络波幅度检测方法，获取所述第二电信号的时域波形的包络波曲线；基于所述包络波曲线，获取特征时间点。
[0063]
参见图5，为第二电信号的时域波形图。从图5中可以看出第二电信号的时域波形中包括多个正弦波形的波周期。通常在发射端以连续脉冲的激发脉冲发射的第一电信号，被换能器转化为超声波信号，在介质中传输时会发生变化，本发明实施例的第一电信号包括具有特征周期的特征电信号序列，那么在接收端接收的第二电信号的时域波形中，将每个正弦波的峰值连线，得到包络线曲线，如图5所示，在包络线曲线上寻找相邻的且具有上述特征周期的波形区域的交界点对应的时间点，即可找到特征时间点。例如，在发射端发送如图4形式的第一电信号，第一电信号包括三个连续的特征电信号序列，那么在第二电信号的时域波形上能够找到与三个连续的特征电信号序列相对应的特征时间点，即可准确定位首波位置。本技术实施例通过在发射端发送具有特征周期的特征电信号序列，然后在第二电信号的时域波形中获取特征周期的波形区域的交界点对应的时间点，极大地减少了首波位置的检测偏差，从而可以更准确地测量飞行时间，提高测量准确性和测量精度。
[0064]
在一些实施例中，所述基于所述第二电信号的时域波形，获取特征时间点，包括：基于预设的参考电平，通过过零检测方法获取所述第二电信号中正弦波的周期时间；基于所述电信号中正弦波的周期时间，获取特征时间点。
[0065]
在一些实施例中，通过在接收端接收的第二电信号的时域波形中，如图5所示，通过设定的参考电平(一般设置为包络波的中心位置电平)，并通过过零点检测方法，然后使用时间-数字转换(tdc)将特征时间点处的信号生成为数字时间戳，通过数字时间戳来在时域波形中获取首波位置，从而获取飞行时间。实验证明，通过本技术实施例在接收端接收到的第二电信号的时域波形中，能够获取周期性变化的包络波，其各个正弦波的周期时间同
样呈现出周期性的变化特征，根据插入的特征电信号序列的特征周期，在时域波形中寻找相邻的且具有特征周期的波形区域的交界点对应的时间点，找出特征时间点，进而准确的定位真实首波位置，获取飞行时间。
[0066]
本技术实施例提供的检测飞行时间的方法，通过在发射端发送具有特征电信号序列的第一电信号，且特征电信号序列具有特征周期，然后在接收端接收第二电信号，基于第二电信号的时域波形，获取时域波形中相邻且具有特征周期的波形区域的交界点对应的时间点，即特征时间点；接下来基于特征时间点，获取首波位置，再基于首波位置，获取飞行时间。因电信号经过换能器转换后，转换为呈包络形状具有扩散趋势的兰姆波，会影响首波位置的检测，本技术实施例通过在发射端发送具有特征周期的特征电信号序列，然后在第二电信号的时域波形中获取特征周期的波形区域的交界点对应的时间点，获取首波位置。本技术实施例接收端接收的第二电信号的时域波形中包络波幅度呈周期性变化，其周期与发射端发射的特征电信号序列的周期一致，从而能够准确获取首波位置，因此本技术实施例的检测飞行时间的方法能够减少首波位置的检测偏差，从而可以更准确地测量飞行时间，提高测量准确性和测量精度。
[0067]
本技术的实施例还提供了一种超声波流量计，包括：至少一个超声换能器10以及与所述超声换能器10连接的处理器11；与所述至少一个处理器11连接的存储器12；其中，所述存储器12存储有可被所述至少一个处理器11执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器11执行，以使所述至少一个处理器11能够执行上述任一实施例所述的检测飞行时间的的方法。
[0068]
在一些实施例中，存储器12和处理器11采用总线方式连接，总线可以包括任意数量的互联的总线和桥，总线将一个或多个处理器11和存储器12的各种电路连接在一起。总线还可以将诸如外围设备、稳压器和功率管理电路等之类的各种其他电路连接在一起，这些都是本领域所公知的，因此，本文不再对其进行进一步描述。总线接口在总线和收发机之间提供接口。收发机可以是一个元件，也可以是多个元件，比如多个接收器和发送器，提供用于在传输介质上与各种其他装置通信的单元。经处理器11处理的数据通过天线在无线介质上进行传输，进一步，天线还接收数据并将数据传送给处理器11。
[0069]
在一些实施例中，处理器11负责管理总线和通常的处理，还可以提供各种功能，包括定时，外围接口，电压调节、电源管理以及其他控制功能。而存储器12可以被用于存储处理器11在执行操作时所使用的数据。
[0070]
本技术的实施例还提供了一种光学设备，包括飞行时间转换器以及上述超声波流量计。
[0071]
本技术实施例提供的光学设备包括红外线光学设备、可见光光学设备或紫外线uv辐射光学设备，包括飞行时间转换器以及上述超声波流量计，其处理器11能够执行上述任一实施例所述的检测飞行时间的的方法。
[0072]
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施例是实现本技术的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本技术的精神和范围。