恒定声压fsk超声波渡越时间精确测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种恒定声压FSK超声波渡越时间精确测量方法，有效地克服了超声波振子机械惯性和阻尼效应所带来的测量误差（将机械惯性和阻尼效应稳定在一个固定的值上）。可以有效地提高超声波测距的精度，实验表明，采用此方法测量误差稳定在0.1mm的数量级上。远远优于同类技术所能达到的技术水平。
【专利说明】恒定声压FSK超声波渡越时间精确测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种超声波渡越时间精确测量方法，具体是一种恒定声压FSK超声波渡越时间精确测量方法。
【背景技术】
[0002]人耳最高只能感觉到大约20kHz的声波，频率在20kHz以上的的声波就是超声波，超声波属于机械波的范畴。
[0003]超声波遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，如在介质的分界面处会发生反射和折射现象，在进入介质后被介质吸收而发生衰减。超声波的频率可以非常高，达到兆赫级，因此，超声波在介质中传播时能量可以集中在很小的范围内，具有良好的成束性，方向性好。
[0004]理论研究表明，在振幅相同的情况下，一个物体振动的能量跟振动频率的二次方成正比。超声波在介质中传播时,介质质点振动的频率可以很高,因而能量很大。
[0005]利用超声波能量大这一特点，可以对介质产生诸如机械作用、空化作用、热效应和化学效应，可进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化、雾化、脱气、除尘、去锅垢、清洗、灭菌、促进化学反应和进行生物学研究等，在工矿业、农业、医疗等各个部门获得了广泛应用。
[0006]超声波的另一个显著特点是沿直线传播，可以定向发射。超声波在同一介质中的传播速度基本恒定，因此利用测量超声波在该介质中经过一段距离所用的时间，可以实现非接触式测距。对于不同的介质，超声波传播的速度不同，利用这一特性，也可以测定介质的特性，如测定酒精的浓度，测量锅炉中空气的温度等等。如果测定了不同介质的超声波传播特性，则可以测定不同物质的类型，如蔗糖溶液、酒精溶液、各种酒类的品质特性等等。
[0007]为了测量不同介质对于超声波速度的细微变化(差别)，必须精确测量超声波在介质中所经过的时间(渡越时间)，渡越时间的精确测量决定了识别介质特征的准确度。
[0008]如果渔船载有水下超声波发生器,它旋转着向各个方向发射超声波,超声波遇到鱼群会反射回来，渔船探测到反射波就知道鱼群的位置了，这种仪器叫做声纳，声纳也可以用来探测水中的暗礁、敌人的潜艇，测量海水的深度。根据同样的道理也可以用超声波探测金属、陶瓷混凝土制品，甚至水库大坝，检查内部是否有气泡、空洞和裂纹，实现无损探测。人体各个内脏的表面对超声波的反射能力是不同的，健康内脏和病变内脏的反射能力也不一样。平常说的“B超”就是根据内脏反射的超声波进行造影，帮助医生分析体内的病变。
[0009]随着传感器和单片机控制技术的不断发展，非接触式检测技术已被广泛应用于多个领域。目前，典型的非接触式测距方法有超声波测距、CCD探测、雷达测距、激光测距等。其中，CCD探测具有使用方便、无需信号发射源、同时获得大量的场景信息等特点，但CCD测距需要额外的计算开销。雷达测距具有全天候工作，适合于恶劣的环境中进行短距离、高精度测距的优点，但容易受电磁波干扰。激光测距具有高方向性、高单色性、高亮度、测量速度快等优势，尤其是对雨雾有一定的穿透能力，抗干扰能力强，但其成本高、数据处理复杂。[0010]与前几种测距方式相比，超声波测距可以直接測量近距离目标，纵向分辨率高，适用范围广，方向性強，并具备不受光线、烟雾、电磁干扰等因素影响，且覆盖面较大等优点。目前，超声波测距已普遍应用在液位測量、移动机器人定位和避障等领域，应用前景广阔。
[0011]在医学上，如果将B型超声波回波时间的測量精度提高ー个数量级，则可大大提高B超图像的清晰度，减少医生的误判概率。
[0012]近年来超声测试技术已明显表现出下列趋向:
1、由定性判断缺陷的有无而发展为对缺陷的位置、大小、形状、性质进行定量判断，并且利用各种成像技术直接显示缺陷的二维、三维图像；
2、向在线自动检测和仪器的智能化发展，其中非接触超声测试技术取得突破进展:
3、超声测试技术和材料的物性评价相结合，材料的设计、加工和工程应用迅速发展。
[0013]如图1所示，超声波测距的基本原理，超声波传感器由脉冲信号激励发出超声波，通过传声介质传到被测物体,形成反射波；反射波再通过传声介质返回到接收传感器,传感器把声信号转换成电信号，由系统测量出超声波从发射到接收所经过的时间(渡越时间)，利用公式:
【权利要求】
1.ー种恒定声压FSK超声波渡越时间精确测量方法，包括如下步骤: (1)载波脉冲发生器产生两种频率的脉冲信号/いぶ，当变频标识脉冲的逻辑电平发生变化时，载波脉冲发生器输出的频率就会变化，当变频标识脉冲为逻辑“I”时，载波脉冲发生器输出脉冲信号的频率为ム，当变频标识脉冲为逻辑“0”时，载波脉冲发生器输出脉冲信号的频率为石，载波脉冲发生器输出的脉冲信号一路送入可编程脉冲放大器I，对脉冲信号进行同相放大，另一路倒相后送入可编程脉冲放大器II，对脉冲信号进行反相放大，此两路差动功率信号驱动发射器输出超声波； (2)超声波接收器将超声波轮换为电信号，经放大电路放大后分为两路，一路经过零触发器后输出脉冲信号供计数器測量超声波的频率，用于检测变频点；另一路经精密检波电路将接收到的信号强度变成直流电压，双限比较器对此直流电压的大小进行甄别，当信号强度大于设定的接收信号电平上限时，比较器的输出脚up_H=l，down_L=l ;当信号強度小于设定的接收信号电平下限吋，比较器的输出脚up_H=0，down_L=0 ;当信号強度介于设定的接收信号电平上、下限之间时，比较器的输出脚up_H=0，down_L=l ;可逆计数器的工作状态受up_H、down_L逻辑电平的控制:当up_H=l、down_L=l时,可逆计数器做减计数；当up_H=0、down_L=0时,可逆计数器做加计数；当up_H=0、down_L=l时,可逆计数器维持原来的状态； (3)所述可编程脉冲放大器的放大倍数正比于可逆计数器的计数值，当超声波接收器接收到的信号电平较小时，可逆计数器就会做加计数操作，可编程脉冲放大器的输出信号就会増加，超声波接收器接收到的信号电平也跟着增加，当此电平大到超过设定的上限电平时(up_H=l, down_L=l),可逆计数器做减计数,接收电平减小,此时up_H=0, down_L=l,可逆计数器停止计数，接收信号电平便稳定在这个电平点上； 若此时测量距离增加，超声波接收器接收到的信号电平跟着减小，当此电平小于设定的下限电平时(up_H=0, down_L=0),可逆计数器做加计数,接收电平增大,此时up_H=0,down_L=l，可逆计数器停止计数，接收信号电平又稳定在这个电平点上； (4)单片机控制变频标识脉冲的逻辑电平周期性的发生变化时，载波脉冲发生器输出的频率也会周期性地在/jPぶ之间来回变化，当变频标识脉冲的逻辑电平变化时，就启动时间测量电路，用以测量接收的脉冲信号端输出脉冲信号的周期，判断此信号的变频点，变频标识脉冲的逻辑电平变化与接收的脉冲信号端输出脉冲信号变频点之间的时间就是超声波的渡越时间。
2.如权利要求1所述的恒定声压FSK超声波渡越时间精确测量方法，其特征在于:所述可逆计数器的计数值越大，可编程脉冲放大器输出脉冲信号的幅度也越大。
3.如权利要求1所述的恒定声压FSK超声波渡越时间精确测量方法，其特征在于:当电路正常工作时，超声波接收器接收到的信号电平总是介于设定电平的上、下限之间，若设定电平的上、下限设置的十分靠近，则超声波接收器接收到的信号电平是恒定的。
【文档编号】G04F10/04GK103454643SQ201310408949
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年9月10日 优先权日:2013年9月10日
【发明者】朱金刚, 徐斌, 王效灵, 蔡领 申请人:浙江工商大学