時差式超聲測量回波信號處理研究*

成 俊，張 金，王伯雄

(清華大學精密儀器與機械學系精密測試技術及儀器國家重點實驗室，北京100084)

0 引言

針對我國重點行業中工業過程控制對流量傳感器的迫切需求，科技部在國家高技術研究發展計劃(“863”計劃)典型行業高性能傳感器專項中提出了“過程控制流量傳感器及系統”重點課題，主要研究和解決電磁流量傳感器、超聲流量傳感器、科氏質量流量傳感器的高性能、高穩定、工程化及規模化生產與應用等關鍵技術。其中，超聲傳感器系統部分將超聲回波到達時刻定位研究列為重點工作之一。

超聲回波到達時刻定位涉及到超聲回波處理的整個過程，而超聲回波到達時刻的定位方法是關鍵。目前，超聲回波到達時刻的定位主要是將超聲回波經過處理后利用比電路或者采集回波信號后通過軟件計算實現，已有相對成熟的方法。要提高超聲回波到達時刻定位精度，需加強整個超聲回波處理系統的研究。

本文針對時差式超聲流量測量回波信號處理，提出一種軟件與硬件、模擬電路和數字電路相結合的超聲回波信號到達時刻定位方法，來實現回波信號的自適應跟蹤鎖定，避免定位誤差和誤觸發與漏觸發，提高超聲回波到達時刻的定位精度。

1 時差式超聲測量原理

典型時差式超聲流量系統原理如圖1所示，一對超聲換能器交互發射/接收超聲波，通過測量超聲傳播路徑上順流和逆流超聲波飛行時間差Δt得到流體流速，從而積算出體積流量［1，2］。

設流體流速為u，超聲波的靜止傳播速度為c0，管徑為D，換能器間距離為L，θ為管道軸線與聲道之間的夾角，則超聲在2個換能器間傳播時間t1，t2

圖1 時差式超聲測量原理圖Fig 1 Principle diagram of time-differencing ultrasonic measurement

由此推算出時間差

一般情況下，在水流體中被測流體流速要遠遠小于聲速，從而有u2?c20，式(3)可簡寫為

則由式(4)可知流體流速為

由于式(5)中含有聲速c0，而溫度的變化會導致聲速的變化，從而大大影響測量精度，為此，對式(1)和式(2)進行變換可得

從而可以得到超聲波傳播路徑上的線平均流速

由式(7)可以看出:u只和超聲波在順逆流的飛行時間差有關，而和聲速c0、液體組分、溫度、壓力等無關，減小了環境條件變化對測量精度的影響。

發射脈沖開始時同步給出回波飛行時間前沿起點，接收回波達到一定強度時得到回波飛行時間后沿終點，前后沿之間的時間間隔為回波飛行時間。如圖2所示，T1為精確的回波飛行時間，T1'為實際測得的回波飛行時間，T1與T1'之間總是存在測量誤差［3］。

超聲發射脈沖一般是信噪比較高的規則波形，計時啟動時刻很容易確定。而由于壓電換能器的諧振特性和流體傳播介質的干擾噪聲，接收回波信號到達時刻的定位卻非常困難，是領域內的一個長期研究課題［4］，也是引起回波飛行時間測量誤差的一個重要因素。

設計高性能信號調理電路，與接收換能器阻抗完全匹配，從復雜噪聲背景中識別出由發射換能器經流體介質傳導過來的超聲回波信號，并經自動增益控制(auto gain control，AGC)電路將回波幅值穩定在一定范圍內。將信號調理模塊輸出的信號經高速、高精度采樣模塊轉換成數字信號，并通過數字檢波技術檢出回波信號的第1峰值點、第2峰值點、第3峰值點，用以判定回波確實到達，避免誤觸發。基于回波信號的整體包絡線形狀不變的特點，對峰值檢波得到的第1峰值點和第2峰值點做均值處理，得到跟隨回波前沿峰值包絡變化的閾值，利用該閾值作為觸發閾值，檢測該觸發時刻之后的負過零點，將測得的回波飛行時間減去2個固定周期，就得到待測回波飛行時間，系統組成框圖如圖3所示。

圖2 閾值比較法測量原理Fig 2 Measurement principle of threshold comparison method

圖3 回波信號到達時刻判斷組成框圖Fig 3 Constitution block diagram of echo signal arriving time judgement

2 系統硬件設計

超聲回波信號調理模塊用于提取從接收換能器得到的原始超聲波信號，并轉換成后續處理電路易于處理的穩定回波信號。信號調理模塊組成框圖如圖4所示。

圖4 信號調理模塊組成框圖Fig 4 Constitution block diagram of signal conditioning module

壓電超聲換能器將接收到的機械能轉換成電能，產生一個微弱的回波信號，其幅值約為10～20 mV，而換能器的阻抗卻高達106Ω以上，因此，需要高輸入阻抗的放大器與之匹配。選擇低噪、高速運算放大器AD8021作為前置放大器。AD8021的高輸入阻抗、寬帶、低噪聲放大特性使得前置放大電路能從噪聲背景中識別出超聲回波信號。

實現高Q值帶通濾波有很多種電路形式，為降低功耗，減小帶寬，提高Q值，設計無源RLC濾波電路，電路等效模型如圖5所示。

采用雙AD603設計一種低噪聲串聯型AGC自動增益放大電路［5］，用于超聲回波信號幅值的自動控制，電路原理如圖6所示。通過選擇合適的分壓電阻R5，R6，R7使得兩片AD603的管腳2電壓相差1 V，當管腳1的電壓逐漸升高時，第一片AD603會首先起到增益調節作用，待第一片AD603達到最大增益時，第二片AD603開始起增益調節作用。管腳1為輸出取樣電壓，有效調節范圍為5～7 V。

圖5 高Q值帶通濾波電路等效模型Fig 5 Equivalent model of high Q band-pass filtering circuit

圖6 雙AD603串聯型AGC電路Fig 6 Dual AD603 series AGC circuit

以高速高精度AD876和THS5651為核心設計高速高精度A/D采樣電路，用于實現回波信號高速不失真采樣和自適應閾值的模擬［6］。AD876是+5 V單電源供電，CMOS，低功耗，10 bit，20 MSPBSA/D轉換器，采用當前最流行的流水線(pipelined，or subranging，multistage，multistep)結構，級聯4級3 bit Flash式ADC對信號進行轉換，內置輸出校正邏輯，確保工作過程中無失碼。THS5651是低功耗、CMOS型10 bit電流型D/A轉換器，將經均值運算后得的自適應數字閾值轉換為模擬閾值，觸發后續特征點比較電路。

對超聲脈沖信號進行閾值和過零比較，若元器件選擇不當，將會出現畸變和延時。本文采用超快速比較器MAX903設計超聲回波信號比較電路。

3 系統軟件設計

超聲回波信號經信號調理模塊預處理后，一路送高速高精度A/D采樣電路轉換成數字信號，由現場可編程門陣列(FPGA)檢出回波包絡前沿峰值點，計算出隨幅值波動的自適應閾值;一路送快速比較電路進行過零比較和閾值比較。閾值比較與過零比較結果經軟件運算后檢出回波到達時刻，主程序流程如圖7所示。

硬件平臺選用Xilinx公司Virtex?—5 LX110T ML505實驗開發板。軟件設計平臺ISE(integrated software environment)12.0具有電路原理圖，ABEL，Verilog-HDL，VHDL硬件描述語言輸入方式，并支持硬件描述語言和原理圖的混合編程方式。利用ISE系列開發工具可以完成Xilinx FPGA/CPLD主流產品的設計輸入、編譯、功能仿真、時序仿真優化和設計文件下載等功能。

圖7 回波信號到達時刻處理主程序流程圖Fig 7 Main program flow chart of echo signal arriving time processing

軟件主要完成分頻、時序產生、超聲波觸發脈沖形成、A/D采樣、峰值檢出、自適應閾值運算、D/A轉換、回波到達時刻判定等功能。

4 實驗結果

通過設計時差式超聲測量系統，對超聲測量回波信號處理系統進行實驗，不同工況的實驗結果如圖8和圖9所示。

圖8 回波信號到達時刻示意圖1Fig 8 Schematic diagram 1 of echo signal arriving time

實驗結果表明:本文中超聲測量回波信號處理技術能夠跟蹤回波幅值波動，給出自適應閾值，并鎖定回波到達時刻，具備一定的適應性，當模擬不同工況改變介質流動狀態時仍能正常工作。

圖9 回波信號到達時刻示意圖2Fig 9 Schematic diagram 2 of echo signal arriving time

5 結束語

采用軟硬件相結合的技術措施，基于回波幅值波動但包絡形狀一定的特征，剔除了瞬時大幅值干擾引起誤觸發和大氣泡等阻斷聲程引起的漏觸發。由FPGA鎖相穩頻技術提供超聲觸發脈沖，結合閾值和過零比較，通過回波脈沖過零點來確定信號到達時刻，消除了相位誤差，能實現回波信號到達時刻的準確定位，為飛行時間測量提供可靠的終止邊沿。

［1］肖 海，王亞非，高椿明.基于FPGA的時差法超聲波流量計的設計［J］.傳感器與微系統，2009，28(28):79-80.

［2］Wang Boxiong，Zhang Jin.FPGA-based high-precision measurement algorithm for ultrasonic echo time of flight［J］.Journal of Measurement Science and Instrumentation，2010，1(2):103-107.

［3］周 艷，王潤田，梁鴻翔.聲時測量精度的主要影響因素分析［J］.聲學技術，2008，27(2):210-213.

［4］張 濤，蒲 誠，趙宇洋.傳播時間法超聲流量計信號處理技術進展述評［J］.化工自動化及儀表，2009，36(4):1-7.

［5］張 金.電子系統設計基礎［M］.北京:電子工業出版社，2011:50-59.

［6］王躍科.現代動態測試技術［M］.北京:國防工業出版社，2003:152-155.