恒定聲壓fsk超聲波渡越時間精確測量方法
【專利摘要】本發明公開了一種恒定聲壓FSK超聲波渡越時間精確測量方法，有效地克服了超聲波振子機械慣性和阻尼效應所帶來的測量誤差（將機械慣性和阻尼效應穩定在一個固定的值上）。可以有效地提高超聲波測距的精度，實驗表明，采用此方法測量誤差穩定在0.1mm的數量級上。遠遠優于同類技術所能達到的技術水平。
【專利說明】恒定聲壓FSK超聲波渡越時間精確測量方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種超聲波渡越時間精確測量方法，具體是一種恒定聲壓FSK超聲波渡越時間精確測量方法。
【背景技術】
[0002]人耳最高只能感覺到大約20kHz的聲波，頻率在20kHz以上的的聲波就是超聲波，超聲波屬于機械波的范疇。
[0003]超聲波遵循一般機械波在彈性介質中的傳播規律，如在介質的分界面處會發生反射和折射現象，在進入介質后被介質吸收而發生衰減。超聲波的頻率可以非常高，達到兆赫級，因此，超聲波在介質中傳播時能量可以集中在很小的范圍內，具有良好的成束性，方向性好。
[0004]理論研究表明，在振幅相同的情況下，一個物體振動的能量跟振動頻率的二次方成正比。超聲波在介質中傳播時,介質質點振動的頻率可以很高,因而能量很大。
[0005]利用超聲波能量大這一特點，可以對介質產生諸如機械作用、空化作用、熱效應和化學效應，可進行超聲焊接、鉆孔、固體的粉碎、乳化、霧化、脫氣、除塵、去鍋垢、清洗、滅菌、促進化學反應和進行生物學研究等，在工礦業、農業、醫療等各個部門獲得了廣泛應用。
[0006]超聲波的另一個顯著特點是沿直線傳播，可以定向發射。超聲波在同一介質中的傳播速度基本恒定，因此利用測量超聲波在該介質中經過一段距離所用的時間，可以實現非接觸式測距。對于不同的介質，超聲波傳播的速度不同，利用這一特性，也可以測定介質的特性，如測定酒精的濃度，測量鍋爐中空氣的溫度等等。如果測定了不同介質的超聲波傳播特性，則可以測定不同物質的類型，如蔗糖溶液、酒精溶液、各種酒類的品質特性等等。
[0007]為了測量不同介質對于超聲波速度的細微變化(差別)，必須精確測量超聲波在介質中所經過的時間(渡越時間)，渡越時間的精確測量決定了識別介質特征的準確度。
[0008]如果漁船載有水下超聲波發生器,它旋轉著向各個方向發射超聲波,超聲波遇到魚群會反射回來，漁船探測到反射波就知道魚群的位置了，這種儀器叫做聲納，聲納也可以用來探測水中的暗礁、敵人的潛艇，測量海水的深度。根據同樣的道理也可以用超聲波探測金屬、陶瓷混凝土制品，甚至水庫大壩，檢查內部是否有氣泡、空洞和裂紋，實現無損探測。人體各個內臟的表面對超聲波的反射能力是不同的，健康內臟和病變內臟的反射能力也不一樣。平常說的“B超”就是根據內臟反射的超聲波進行造影，幫助醫生分析體內的病變。
[0009]隨著傳感器和單片機控制技術的不斷發展，非接觸式檢測技術已被廣泛應用于多個領域。目前，典型的非接觸式測距方法有超聲波測距、CCD探測、雷達測距、激光測距等。其中，CCD探測具有使用方便、無需信號發射源、同時獲得大量的場景信息等特點，但CCD測距需要額外的計算開銷。雷達測距具有全天候工作，適合于惡劣的環境中進行短距離、高精度測距的優點，但容易受電磁波干擾。激光測距具有高方向性、高單色性、高亮度、測量速度快等優勢，尤其是對雨霧有一定的穿透能力，抗干擾能力強，但其成本高、數據處理復雜。[0010]與前幾種測距方式相比，超聲波測距可以直接測量近距離目標，縱向分辨率高，適用范圍廣，方向性強，并具備不受光線、煙霧、電磁干擾等因素影響，且覆蓋面較大等優點。目前，超聲波測距已普遍應用在液位測量、移動機器人定位和避障等領域，應用前景廣闊。
[0011]在醫學上，如果將B型超聲波回波時間的測量精度提高ー個數量級，則可大大提高B超圖像的清晰度，減少醫生的誤判概率。
[0012]近年來超聲測試技術已明顯表現出下列趨向:
1、由定性判斷缺陷的有無而發展為對缺陷的位置、大小、形狀、性質進行定量判斷，并且利用各種成像技術直接顯示缺陷的二維、三維圖像；
2、向在線自動檢測和儀器的智能化發展，其中非接觸超聲測試技術取得突破進展:
3、超聲測試技術和材料的物性評價相結合，材料的設計、加工和工程應用迅速發展。
[0013]如圖1所示，超聲波測距的基本原理，超聲波傳感器由脈沖信號激勵發出超聲波，通過傳聲介質傳到被測物體,形成反射波；反射波再通過傳聲介質返回到接收傳感器,傳感器把聲信號轉換成電信號，由系統測量出超聲波從發射到接收所經過的時間(渡越時間)，利用公式:
【權利要求】
1.ー種恒定聲壓FSK超聲波渡越時間精確測量方法，包括如下步驟: (1)載波脈沖發生器產生兩種頻率的脈沖信號/いぶ，當變頻標識脈沖的邏輯電平發生變化時，載波脈沖發生器輸出的頻率就會變化，當變頻標識脈沖為邏輯“I”時，載波脈沖發生器輸出脈沖信號的頻率為ム，當變頻標識脈沖為邏輯“0”時，載波脈沖發生器輸出脈沖信號的頻率為石，載波脈沖發生器輸出的脈沖信號一路送入可編程脈沖放大器I，對脈沖信號進行同相放大，另一路倒相后送入可編程脈沖放大器II，對脈沖信號進行反相放大，此兩路差動功率信號驅動發射器輸出超聲波； (2)超聲波接收器將超聲波輪換為電信號，經放大電路放大后分為兩路，一路經過零觸發器后輸出脈沖信號供計數器測量超聲波的頻率，用于檢測變頻點；另一路經精密檢波電路將接收到的信號強度變成直流電壓，雙限比較器對此直流電壓的大小進行甄別，當信號強度大于設定的接收信號電平上限時，比較器的輸出腳up_H=l，down_L=l ;當信號強度小于設定的接收信號電平下限吋，比較器的輸出腳up_H=0，down_L=0 ;當信號強度介于設定的接收信號電平上、下限之間時，比較器的輸出腳up_H=0，down_L=l ;可逆計數器的工作狀態受up_H、down_L邏輯電平的控制:當up_H=l、down_L=l時,可逆計數器做減計數；當up_H=0、down_L=0時,可逆計數器做加計數；當up_H=0、down_L=l時,可逆計數器維持原來的狀態； (3)所述可編程脈沖放大器的放大倍數正比于可逆計數器的計數值，當超聲波接收器接收到的信號電平較小時，可逆計數器就會做加計數操作，可編程脈沖放大器的輸出信號就會増加，超聲波接收器接收到的信號電平也跟著增加，當此電平大到超過設定的上限電平時(up_H=l, down_L=l),可逆計數器做減計數,接收電平減小,此時up_H=0, down_L=l,可逆計數器停止計數，接收信號電平便穩定在這個電平點上； 若此時測量距離增加，超聲波接收器接收到的信號電平跟著減小，當此電平小于設定的下限電平時(up_H=0, down_L=0),可逆計數器做加計數,接收電平增大,此時up_H=0,down_L=l，可逆計數器停止計數，接收信號電平又穩定在這個電平點上； (4)單片機控制變頻標識脈沖的邏輯電平周期性的發生變化時，載波脈沖發生器輸出的頻率也會周期性地在/jPぶ之間來回變化，當變頻標識脈沖的邏輯電平變化時，就啟動時間測量電路，用以測量接收的脈沖信號端輸出脈沖信號的周期，判斷此信號的變頻點，變頻標識脈沖的邏輯電平變化與接收的脈沖信號端輸出脈沖信號變頻點之間的時間就是超聲波的渡越時間。
2.如權利要求1所述的恒定聲壓FSK超聲波渡越時間精確測量方法，其特征在于:所述可逆計數器的計數值越大，可編程脈沖放大器輸出脈沖信號的幅度也越大。
3.如權利要求1所述的恒定聲壓FSK超聲波渡越時間精確測量方法，其特征在于:當電路正常工作時，超聲波接收器接收到的信號電平總是介于設定電平的上、下限之間，若設定電平的上、下限設置的十分靠近，則超聲波接收器接收到的信號電平是恒定的。
【文檔編號】G04F10/04GK103454643SQ201310408949
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月10日 優先權日:2013年9月10日
【發明者】朱金剛, 徐斌, 王效靈, 蔡領 申請人:浙江工商大學