張興紅 向鳳云 張?zhí)旌?蔡 偉

重慶理工大學機械檢測技術與裝備教育部工程研究中心，重慶，400054

1 超聲波技術在流量測量中的應用

在流量測量中人們利用超聲波在不同流速流體中順流、逆流傳播速度的不同設計了時差法超聲波流量計［1］，如圖1所示。

圖1 時差法超聲波流量計原理圖

圖1中：D為管道直徑；θ為換能器A、B的軸線與管道軸線夾角（聲道角）；v為管道中液體介質的流速；c為超聲波在液體介質中的傳播速度。超聲波換能器A、B均既可以發(fā)射超聲波又可以接收超聲波。則管道中的流量為

式中，t1、t2分別為超聲波沿順流、逆流方向上的傳播時間；Sr為截面積。

由式（1）可知，超聲波傳播時間的測量是時差法超聲波流量計流量測量［2］的關鍵。假設圖1中管徑D＝300mm，聲道角θ＝45°，則超聲波換能器A、B之間的距離約為424.26mm。已知超聲波在潔凈水中的傳播速度約為1450m／s，若水流速為1m／s，則超聲波順流、逆流傳播時間差約為400ns。要保證測量達到0.2%的測量精度，要求測量的傳輸時間差的分辨率至少要小于0.8ns。這么高的時間測量分辨率對傳統(tǒng)的嵌入式儀表測時電路來說很難實現(xiàn)，這也是為什么20世紀30年代初人們就提出利用超聲波來測量流量但直到80、90年代隨著高性能FPGA等集成電路的飛速發(fā)展才研制出高精度超聲波流量計的原因［3］。

本文提出一種通過數(shù)字細分和高分辨率A／D高速采樣來實時精密測量超聲波傳輸時間［4］的新方法，并將這一方法運用于高精度超聲波流量計的研制。

2 超聲波傳輸時間測量方法

如圖2所示，驅動電路給超聲波換能器A供以頻率在超聲波頻率范圍內的周期信號，使換能器A把電信號轉換成周期性振動，產(chǎn)生超聲波信號。換能器B接收到該信號并將其轉換成周期性電信號，該信號稱之為超聲波回波信號，是一個變幅信號。換能器A發(fā)射的超聲波信號上的任意一點與換能器B接收到的回波信號上相對應的那一點之間的時間間隔就是超聲波的傳輸時間。超聲波傳輸時間精密測量的關鍵是確定傳播時間的終點，其精度依賴于終點的精確確定。

圖2 超聲波傳輸時間示意圖

換能器A發(fā)射完一定數(shù)量的超聲波信號后，A／D電路馬上從換能器B上采集超聲波回波信號?；夭ㄐ盘柌杉瓿珊笫紫戎瘘c比較A／D采樣點，找出采樣點的最大值就可以確定幅值最大的特征值波形。然后，如圖3b所示，確定超聲波傳輸時間終點所對應的過零點P0前一個采樣點P和后一個采樣點P＋1，顯然在特征波內采樣點P的采樣值大于零，采樣點P＋1的采樣值小于零。最后，以采樣點P和P＋1兩個點對應的時刻作為基準，用數(shù)字擬合細分插補算法可以準確地計算出過零點P0所對應的時刻。

如圖3所示，設超聲波信號的輸入頻率為fu，A／D的采樣頻率為fA／D，A／D分辨率為RA／D位，相鄰兩個采樣點之間的時間即采樣周期為TA／D。采樣后開始計數(shù)，第一個采樣點計數(shù)為1，采樣點P的采樣點計數(shù)為N，采樣點P對應的采樣值為V1，所對應的時刻為t1：

采樣點P＋1對應的采樣值為V2；采樣點P與過零點P0之間的時間為t2，在過零點附近較小的區(qū)域內，正弦波的波形接近于直線，可以根據(jù)直線插補的方法確定t2：

圖3 特征波過零點示意圖

t2對應的時間分辨率為

如果把正的最大值和負的最大值之間的波形近似看作直線，則有

而超聲波傳輸時間tu為

由于t1是A／D采樣電路的采樣頻率的整數(shù)倍，故其分辨率依賴于器件的性能；t2是由特征波中過零點對應的時刻決定的，根據(jù)采樣數(shù)據(jù)由數(shù)字細分插補得到，其分辨率主要取決于超聲波信號的頻率和A／D采樣電路的分辨率。

由上述分析可以得出如下推論：①在A／D電路分辨率一定的情況下，超聲波信號的頻率fu越高，超聲波傳輸時間測量的分辨率R越高；②當超聲波輸入頻率fu為定值時，選用的A／D電路的分辨率RA／D位數(shù)越高，超聲波傳輸時間測量的分辨率R越高。

3 換能器驅動電路

超聲波換能器驅動電路原理如圖4所示，其主要功能是給超聲波換能器供電，使之發(fā)射超聲波信號。CPU控制FPGA電路內的信號發(fā)生器產(chǎn)生數(shù)字信號，經(jīng)D／A電路轉換成模擬信號，由功率放大電路進行功率放大后驅動換能器發(fā)射超聲波信號。

圖4 換能器驅動電路原理框圖

信號發(fā)生器產(chǎn)生的數(shù)字信號要確定以下參數(shù)：

（1）頻率。如上所述，超聲波信號的頻率是影響超聲波傳輸時間測量分辨率的重要因素，與驅動電路的頻率相同。為實現(xiàn)高精度的超聲波傳輸時間測量，超聲波信號的頻率越高越好。合理選擇超聲波信號的頻率對實現(xiàn)經(jīng)濟合理的高精度流量測量十分重要。

（2）信號的周期數(shù)。如果換能器A發(fā)射的超聲波信號周期數(shù)太多，則超聲波信號不停地作用于換能器B，換能器B上產(chǎn)生的超聲波回波信號的幅值先是逐漸增大，到達額定值后就不再增大，直到?jīng)]有超聲波信號作用于其上后，其幅值才逐漸減小。這樣形成回波信號的波形中幅值最大值（額定值）的波有很多個，不利于確定特征波；如果發(fā)射的超聲波信號的周期數(shù)太少，則超聲波回波信號幅值最大的那個波的振幅不能達到或接近于換能器的額定值，也不利于確定特征波，因此要合理確定超聲波信號的周期數(shù)。

4 超聲波回波信號處理電路

超聲波回波信號處理電路原理如圖5所示。圖5a是常規(guī)的信號處理電路，圖5b是在FPGA電路內構建隨機存儲區(qū)（RAM）的信號處理電路。

圖5 超聲波回波信號處理電路原理框圖

常規(guī)的信號采集電路中，超聲波回波信號經(jīng)放大電路和濾波電路處理后輸入A／D電路，CPU發(fā)出數(shù)據(jù)采集指令控制A／D進行數(shù)據(jù)采集，每采一個數(shù)據(jù)，CPU都要從A／D讀取數(shù)據(jù)，然后存入高速RAM。所有數(shù)據(jù)采集完成后，CPU再從高速RAM中讀取數(shù)據(jù)，進行特征波查找，計算超聲波傳輸時間。這種采樣電路適合于低速采樣，當采樣頻率較高時就無法完成采樣。例如采樣頻率為40MHz時，假設CPU的時鐘頻率為100MHz，由于采樣一個數(shù)據(jù)需要讀、存兩條指令，至少需要8個時鐘周期，即80ns，而采樣時間只有25ns，顯然來不及采樣［5－6］。

為此設計了圖5b所示的信號處理電路，在FPGA電路中構建RAM和數(shù)據(jù)采集控制器。采樣時，CPU向FPGA電路發(fā)出開始采樣指令，數(shù)據(jù)采集控制器控制A／D電路進行采樣，將采樣數(shù)據(jù)存儲于FPGA電路中構建的RAM中。采樣完成后，數(shù)據(jù)采集控制器向CPU發(fā)出數(shù)據(jù)采集結束信號，CPU從FPGA電路中讀取數(shù)據(jù)，進行特征波查找，計算超聲波傳輸時間。由于采樣數(shù)據(jù)的讀、存主要由FPGA電路中的硬件電路完成，可以大大提高采樣頻率。

如上所述，A／D電路的分辨率RA／D位數(shù)過高，則超聲波傳輸時間測量的分辨率越高，但價格也越昂貴，因此要合理選擇A／D電路的分辨率。

A／D電路的采樣頻率對超聲波傳輸時間測量的分辨率沒有影響。但從采樣的角度講，首先要保證在一個信號周期內的采樣點數(shù)能夠足以反映信號的自身規(guī)律；其次，采樣頻率越高，就越有利于確定特征波，因此要合理確定采樣頻率。

5 超聲波流量計工作原理

根據(jù)以上方法設計的超聲波流量計的原理如圖6所示。

圖6 流量計原理框圖

首先，F(xiàn)PGA產(chǎn)生數(shù)字正弦激勵信號，經(jīng)D／A數(shù)字模擬信號轉換電路轉換成為模擬量，這一模擬量被功率放大電路放大，F(xiàn)PGA將發(fā)射通道切換控制切換到換能器A的通道，從而激勵換能器A發(fā)射超聲波并在液體介質中傳播。

超聲波在液體介質中傳播時疊加上了液體介質的信號，被換能器B接收后轉換為超聲波回波信號。CPU發(fā)出指令，使FPGA控制A／D轉換電路對回波信號進行實時高速采集，采集到的數(shù)據(jù)存儲在FPGA內部構造的RAM內存中。

采樣結束后，CPU從FPGA中讀取采集到的數(shù)據(jù)進行實時數(shù)據(jù)處理，根據(jù)采樣數(shù)據(jù)計算出超聲波順流傳輸時間。

同理，F(xiàn)PGA控制通道切換邏輯使換能器B發(fā)射超聲波，換能器A接收超聲波，可以計算出超聲波逆流傳輸時間，從而可以計算出超聲波順流、逆流傳輸時間差，進而計算出相關的流速和流量信息，并且控制流速和流量等不同數(shù)據(jù)的LCD顯示。

高分辨率的A／D轉換器和高速FPGA信號采集是保證超聲波傳輸時間精密測量的硬件保障，也是信號處理電路的核心部分。本流量計中，正弦信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號頻率為1MHz，A／D電路的分辨率為12位，采樣頻率為32MHz，則超聲波傳輸時間的理論分辨率為

這樣，如上所述，在流體流速大于1m／s時，流量計的流量測量分辨率可優(yōu)于0.1%。若采用更高的超聲波信號頻率和選用分辨率更高的A／D電路，還可實現(xiàn)更高分辨率的測量［7－8］。

采用以上參數(shù)設計的管道直徑為300mm、聲道角為45°的超聲波流量計樣機在被測介質為潔凈水的情況下經(jīng)中國四聯(lián)儀器儀表集團流量儀表分公司標定，流量測量精度為0.6%，有良好的線性和重復性。

6 結論

（1）提出了用數(shù)字細分方法處理超聲波信號的采樣數(shù)據(jù)的方法，在硬件要求不高的情況下可大大提高超聲波傳輸時間測量的分辨率。在超聲波信號的頻率為1MHz，A／D電路的分辨率為12位，采樣頻率為32MHz的情況下，超聲波傳輸時間的理論分辨率高達0.122ns，有利于實現(xiàn)高精度的測量。根據(jù)這一方法設計的超聲波流量計，測量精度達到0.6%，有良好的線性和重復性。

（2）在FPGA電路中構建RAM存儲區(qū)，大大縮短了采樣數(shù)據(jù)的儲存時間，順利實現(xiàn)了高頻信號的實時采樣。

（3）在精密測量超聲波傳輸時間的方法中，超聲波信號的頻率和A／D電路的分辨率是影響測量分辨率的兩個重要因素。

（4）超聲波傳輸時間的終點是通過綜合整個超聲波回波信號全部采樣數(shù)據(jù)，先找到特征波然后在特征波中從波峰到波谷的半個周期內通過插補算法精確確定的，它所對應的超聲波傳輸時間也是綜合所有回波信號數(shù)據(jù)得到的，有很好的穩(wěn)定性。

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