基于窄带宽超声传感器的传播时间测量方法

Hermann Inaki Schlaberg

(华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室,北京 102206)

0 引言

声波在不同的介质中传播会表现出不同的传播性质，所以通过测量声波不同的传播参数可以反映介质的物理状态。在此过程中，精确地测量声波的传播参数至关重要[1-3]。现有的大多数传感器都是固定频率、窄带宽，且传感器之间的信号有较长的回响时间。为解决这些问题，一些学者采用静电式换能器，不仅能提供较大的带宽，且在较高温度下也能正常工作[4]。

普通的超声传感器在液体测量方面信号比较清楚，传播时间的测量可以通过阈值法获得[5]。然而，如果在气体中应用，接收端的声波信号持续时间较长，且会产生多个叠加信号，信号初始位置不易分辨。这使得利用窄带宽精确测量传播时间愈发困难[6-7]。

1 传播时间测量方法

本文提出的方法是应用现有廉价的窄带宽超声传感器，通过两个频率接近的超声信号的收发，获得声波在两传感器之间的传播时间。由于声速不随声波的频率改变而改变，因此两个频率下的声波具有相同的传播时间t0，尽管t0很难从实际测量中直接获取。

通过计数器记录的接收信号电压值由负到正经过零点的时间曲线如图1所示。由图1可以看出，由于声波频率的不同，从t0开始，两个声波经过零点的时间差随着周期数的增加而增大。

图1 声波信号过零点的时间曲线

实际测量时初始时刻两个频率的声波经过零点的时间很难准确分辨(如图1中虚线所示)，而经过一定数量的脉冲周期后，可以分辨出两个声波的时间差(如图1中实线和点划线所示部分)。因此将图1中两声波经过零点的时间提取出来作为横坐标，再将第一个频率的声波经过零点的时间作为纵坐标，即可得到拟合确定的传播时间。拟合曲线如图2所示。

图2 拟合曲线

如图2所示，实线上的点代表可以测量的点，虚线上的点表示无法分辨的点。通过线性拟合方法将这些可测点用精确的直线连接。因为两个频率的声波到达接收端的时间相同，直线延长至x=0处所对应的时间即为第一个声波脉冲到达接收端的时间，也就是声波在传感器间传播的时间t0。

2 硬件系统

为了验证本文提出的方法，建立了如图3所示的硬件测量系统。发射信号由现场可编程门阵列(field programmable gate array，FPGA)产生，然后经过驱动电路以一定的频率发出包含若干个周期的脉冲信号，信号的时间分辨率为20 ns。

图3 硬件系统框图

FPGA的组成示意图如图4所示。为了与主机良好地连接通信，FPGA板中包含1个基于RS-232 通信协议的电压电平转换电路[8]。FPGA板中还合成了1个通用异步收发器(universal asynchronous receiver/transmitter，UART)和1个8位微处理器。该处理器主要用于接收参数设置指令、收发数据等[9]。

图4 FPGA组成示意图

系统在传感器接收端收到信号后，首先对信号进行放大处理，然后传输给过零比较器。当电压从负值变到正值时，过零比较器输出一个持续保持的正信号，直到输入电压从正值变回负值。过零比较器的输出端连接到FPGA。在一个采集过程中，发射端发出一次脉冲，系统同时启动一个时钟脉冲频率为50 MHz的计数器，用来记录过零比较器每次输出到FPGA的正信号的时间，该数据将存储到先入先出(first in first out，FIFO)存储器中。当经过一个采集周期，所有经过零点的时间都被存储到FIFO存储器中。计算机发送指令给FPGA，存储需要的信息，然后进行另一个频率声波的发射与接收。最后计算机会记录声波信号经过零点的时间，以便数据的后期处理。

3 数据测量与结果分析

通过本文建立的硬件系统，利用两个相距545.7 mm的超声传感器，获取用于计算声波传播时间的试验数据。两个声波频率分别为39.9 kHz和39.3 kHz，系统环境温度为23 ℃，对应的声速为345.17 m/s，数据处理采用Matlab软件[10]。采集数据中提取的部分声波脉冲到达接收端的时间及时间差曲线如图5所示。这些数据点不包括第一个声波脉冲，即声波传播时间t0。

图5 两个频率信号到达接收端的时间及时间差曲线

从图5(a)可以看到,随着周期数的增加，测量时间呈明显的线性增长趋势;同时，仔细观察可以看出两个频率纵坐标上的差距在逐渐增大。从图5(b)可以看出，两个频率声波到达接收端的时间差随周期数的增加而增大。若将图5(a)两直线反向延伸至交点处，则该交点的纵坐标即为声波在传感器间的传播时间。需要注意的是，图5中只提取了25对数据点计算传播时间，未使用初始时刻的测量数据。具体原因分析如下。

声波频率随采样点增长的变化趋势如图6所示，纵坐标对应该点信号的周期。从图6可以看出，声波初始几个周期的信号在频率上很不稳定，表明声波频率不是恒定不变的。传感器自身特性也会影响发射声波的真实频率，需要一定的时间适应驱动信号。

图6 声波频率随采样点增长的变化趋势

本文所用驱动信号由1 252和1 272个脉冲时钟组成，每个时钟的周期为20 ns，即驱动信号的周期为25.04 ms和25.44 ms。从图6可以看出，经过一定时间后声波信号的周期才趋于稳定，此时实际信号与驱动信号的周期吻合良好，可以作为计算t0的数据。

接收信号与驱动信号相位差曲线如图7所示。

图7 接收信号与驱动信号相位差曲线

采用相位差法可以准确地判断声波周期是否稳定。该方法将驱动信号作为参考值，对比接收信号与驱动信号之间的相位差。当该相位差不再改变时，可以确定声波信号趋于稳定，以便获取采样数据。从图7可以看到，大约30个采样点后的声波周期趋于恒定。因此，可以使用该点之后的若干个信号作为计算传播时间的数据。

将两个信号的时间差与信号到达传感器接收端时间作为横纵坐标，对测量数据点进行线性拟合，结果如图8所示。拟合直线与y轴的交点为第一个声波到达传感器接收端的时间，即传播时间t0。

图8 信号到达时间的拟合结果

图8(a)与图8(b)的不同之处为是否使用了初始时刻的测量数据。对比图8(a)与图8(b)，得到两个不同的t0，即1.564 ms和1.520 ms。相对于真实值1.581 ms，初始时刻波动的数据对测量结果会造成一定的影响。这就是不使用初始时刻采样数据的原因。

初始时刻声波频率的不稳定性是超声传感器自身固有的特性，需要短暂的时间来适应驱动信号的频率，该特性与声速的大小无关。当声波周期达到稳定时，可以用测量得到的数据计算声波的传播时间。实际应用中，在已知两传感器之间距离和环境温度的条件下，可以对测量系统进行相应的修正，再将得到的修正系数应用于以后的测量，保证测量系统的精度。

4 结束语

本文提出了一种通过窄带宽超声传感器收发声波信号获取声波在传感器之间传播的时间的方法。为了

对该方法进行验证，开发了一套硬件系统，主要包括FPGA板、超声传感器、驱动电路等。通过对两个声波频率信号的线性拟合获得了准确的传播时间。在实际测量中，超声信号的频率需要一定的时间达到稳定，初始时刻的信号频率与驱动频率之间存在较大的差异，在提取采样数据时，应避免使用这些导致最终结果不准确的采样点。通过已知距离、环境条件下的测量可以对系统进行校准，并最终将该方法用于声波在传感器间传播时间的实际测量。

[1] 李言钦,陈世英,周怀春,等.基于先验知识的炉内速度场声波法测量研究[J].动力工程学报,2012,32(4):261-267.

[2] 蔡勇,樊炜,张祝军,等.声学法海底热液口测温方法及其关键技术[J].自动化仪表,2010,31(11):1-4.

[3] 颜华,陈冠男,杨奇,等.声学CT复杂温度场重建研究[J].声学学报,2012,37(4):370-377.

[4] Cadet G,Vakles J,Mitchell J W.Ultrasonic time of flight method for online quantitation of semi-conductor gas[C]//Proceedings of IEEE Ultrasonic Symposium，1991:295-300.

[5] 张禾,李俊兰,葛亮，等.传播时间法超声流量计信号处理技术进展述评[J].化工自动化及仪表,2012,33(2):61-64.

[6] Roosnek N.Novel digital signal processing techniques for ultrasonic gas flow measurements[J].Flow Measurement and Instrumentation,2000,11(3):89-99.

[7] Tsai W Y.An ultrasonic air temperature measurement system with self-correction functions for humidity[J].Measurement Science and Technology,2005,16:548-555.

[8] 葛磊蛟,毛一之,李歧,等.基于C语言的RS232串行接口通信实现[J].河北工业大学学报,2008,37(6):11-16.

[9] 陈永刚,杨海兴.基于FPGA的通用异步收发器的设计[J].兰州交通大学学报,2010,29(1):16-20.

[10]刘卫国.MATLAB程序设计与应用[M].2版.北京：高等教育出版社,2006:148-150.