成 俊，張 金，王伯雄

(清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密測試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084)

0 引言

針對(duì)我國重點(diǎn)行業(yè)中工業(yè)過程控制對(duì)流量傳感器的迫切需求，科技部在國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃)典型行業(yè)高性能傳感器專項(xiàng)中提出了“過程控制流量傳感器及系統(tǒng)”重點(diǎn)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(zhì)量流量傳感器的高性能、高穩(wěn)定、工程化及規(guī)模化生產(chǎn)與應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)。其中，超聲傳感器系統(tǒng)部分將超聲回波到達(dá)時(shí)刻定位研究列為重點(diǎn)工作之一。

超聲回波到達(dá)時(shí)刻定位涉及到超聲回波處理的整個(gè)過程，而超聲回波到達(dá)時(shí)刻的定位方法是關(guān)鍵。目前，超聲回波到達(dá)時(shí)刻的定位主要是將超聲回波經(jīng)過處理后利用比電路或者采集回波信號(hào)后通過軟件計(jì)算實(shí)現(xiàn)，已有相對(duì)成熟的方法。要提高超聲回波到達(dá)時(shí)刻定位精度，需加強(qiáng)整個(gè)超聲回波處理系統(tǒng)的研究。

本文針對(duì)時(shí)差式超聲流量測量回波信號(hào)處理，提出一種軟件與硬件、模擬電路和數(shù)字電路相結(jié)合的超聲回波信號(hào)到達(dá)時(shí)刻定位方法，來實(shí)現(xiàn)回波信號(hào)的自適應(yīng)跟蹤鎖定，避免定位誤差和誤觸發(fā)與漏觸發(fā)，提高超聲回波到達(dá)時(shí)刻的定位精度。

1 時(shí)差式超聲測量原理

典型時(shí)差式超聲流量系統(tǒng)原理如圖1所示，一對(duì)超聲換能器交互發(fā)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(shí)間差Δt得到流體流速，從而積算出體積流量［1，2］。

設(shè)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(gè)換能器間傳播時(shí)間t1，t2

圖1 時(shí)差式超聲測量原理圖Fig 1 Principle diagram of time-differencing ultrasonic measurement

由此推算出時(shí)間差

一般情況下，在水流體中被測流體流速要遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(huì)導(dǎo)致聲速的變化，從而大大影響測量精度，為此，對(duì)式(1)和式(2)進(jìn)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(shí)間差有關(guān)，而和聲速c0、液體組分、溫度、壓力等無關(guān)，減小了環(huán)境條件變化對(duì)測量精度的影響。

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

超聲發(fā)射脈沖一般是信噪比較高的規(guī)則波形，計(jì)時(shí)啟動(dòng)時(shí)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(zhì)的干擾噪聲，接收回波信號(hào)到達(dá)時(shí)刻的定位卻非常困難，是領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)長期研究課題［4］，也是引起回波飛行時(shí)間測量誤差的一個(gè)重要因素。

設(shè)計(jì)高性能信號(hào)調(diào)理電路，與接收換能器阻抗完全匹配，從復(fù)雜噪聲背景中識(shí)別出由發(fā)射換能器經(jīng)流體介質(zhì)傳導(dǎo)過來的超聲回波信號(hào)，并經(jīng)自動(dòng)增益控制(auto gain control，AGC)電路將回波幅值穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。將信號(hào)調(diào)理模塊輸出的信號(hào)經(jīng)高速、高精度采樣模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并通過數(shù)字檢波技術(shù)檢出回波信號(hào)的第1峰值點(diǎn)、第2峰值點(diǎn)、第3峰值點(diǎn)，用以判定回波確實(shí)到達(dá)，避免誤觸發(fā)?；诨夭ㄐ盘?hào)的整體包絡(luò)線形狀不變的特點(diǎn)，對(duì)峰值檢波得到的第1峰值點(diǎn)和第2峰值點(diǎn)做均值處理，得到跟隨回波前沿峰值包絡(luò)變化的閾值，利用該閾值作為觸發(fā)閾值，檢測該觸發(fā)時(shí)刻之后的負(fù)過零點(diǎn)，將測得的回波飛行時(shí)間減去2個(gè)固定周期，就得到待測回波飛行時(shí)間，系統(tǒng)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(hào)到達(dá)時(shí)刻判斷組成框圖Fig 3 Constitution block diagram of echo signal arriving time judgement

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

超聲回波信號(hào)調(diào)理模塊用于提取從接收換能器得到的原始超聲波信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成后續(xù)處理電路易于處理的穩(wěn)定回波信號(hào)。信號(hào)調(diào)理模塊組成框圖如圖4所示。

圖4 信號(hào)調(diào)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(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，產(chǎn)生一個(gè)微弱的回波信號(hào)，其幅值約為10～20 mV，而換能器的阻抗卻高達(dá)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(yùn)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(shí)別出超聲回波信號(hào)。

實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)無源RLC濾波電路，電路等效模型如圖5所示。

采用雙AD603設(shè)計(jì)一種低噪聲串聯(lián)型AGC自動(dòng)增益放大電路［5］，用于超聲回波信號(hào)幅值的自動(dòng)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(dāng)管腳1的電壓逐漸升高時(shí)，第一片AD603會(huì)首先起到增益調(diào)節(jié)作用，待第一片AD603達(dá)到最大增益時(shí)，第二片AD603開始起增益調(diào)節(jié)作用。管腳1為輸出取樣電壓，有效調(diào)節(jié)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(lián)型AGC電路Fig 6 Dual AD603 series AGC circuit

以高速高精度AD876和THS5651為核心設(shè)計(jì)高速高精度A/D采樣電路，用于實(shí)現(xiàn)回波信號(hào)高速不失真采樣和自適應(yīng)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(zhuǎn)換器，采用當(dāng)前最流行的流水線(pipelined，or subranging，multistage，multistep)結(jié)構(gòu)，級(jí)聯(lián)4級(jí)3 bit Flash式ADC對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，內(nèi)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(zhuǎn)換器，將經(jīng)均值運(yùn)算后得的自適應(yīng)數(shù)字閾值轉(zhuǎn)換為模擬閾值，觸發(fā)后續(xù)特征點(diǎn)比較電路。

對(duì)超聲脈沖信號(hào)進(jìn)行閾值和過零比較，若元器件選擇不當(dāng)，將會(huì)出現(xiàn)畸變和延時(shí)。本文采用超快速比較器MAX903設(shè)計(jì)超聲回波信號(hào)比較電路。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

超聲回波信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理模塊預(yù)處理后，一路送高速高精度A/D采樣電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，由現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)檢出回波包絡(luò)前沿峰值點(diǎn)，計(jì)算出隨幅值波動(dòng)的自適應(yīng)閾值;一路送快速比較電路進(jìn)行過零比較和閾值比較。閾值比較與過零比較結(jié)果經(jīng)軟件運(yùn)算后檢出回波到達(dá)時(shí)刻，主程序流程如圖7所示。

硬件平臺(tái)選用Xilinx公司Virtex?—5 LX110T ML505實(shí)驗(yàn)開發(fā)板。軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)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(fā)工具可以完成Xilinx FPGA/CPLD主流產(chǎn)品的設(shè)計(jì)輸入、編譯、功能仿真、時(shí)序仿真優(yōu)化和設(shè)計(jì)文件下載等功能。

圖7 回波信號(hào)到達(dá)時(shí)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(shí)序產(chǎn)生、超聲波觸發(fā)脈沖形成、A/D采樣、峰值檢出、自適應(yīng)閾值運(yùn)算、D/A轉(zhuǎn)換、回波到達(dá)時(shí)刻判定等功能。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過設(shè)計(jì)時(shí)差式超聲測量系統(tǒng)，對(duì)超聲測量回波信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不同工況的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 回波信號(hào)到達(dá)時(shí)刻示意圖1Fig 8 Schematic diagram 1 of echo signal arriving time

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:本文中超聲測量回波信號(hào)處理技術(shù)能夠跟蹤回波幅值波動(dòng)，給出自適應(yīng)閾值，并鎖定回波到達(dá)時(shí)刻，具備一定的適應(yīng)性，當(dāng)模擬不同工況改變介質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)時(shí)仍能正常工作。

圖9 回波信號(hào)到達(dá)時(shí)刻示意圖2Fig 9 Schematic diagram 2 of echo signal arriving time

5 結(jié)束語

采用軟硬件相結(jié)合的技術(shù)措施，基于回波幅值波動(dòng)但包絡(luò)形狀一定的特征，剔除了瞬時(shí)大幅值干擾引起誤觸發(fā)和大氣泡等阻斷聲程引起的漏觸發(fā)。由FPGA鎖相穩(wěn)頻技術(shù)提供超聲觸發(fā)脈沖，結(jié)合閾值和過零比較，通過回波脈沖過零點(diǎn)來確定信號(hào)到達(dá)時(shí)刻，消除了相位誤差，能實(shí)現(xiàn)回波信號(hào)到達(dá)時(shí)刻的準(zhǔn)確定位，為飛行時(shí)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(shí)差法超聲波流量計(jì)的設(shè)計(jì)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，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(shí)測量精度的主要影響因素分析［J］.聲學(xué)技術(shù)，2008，27(2):210-213.

［4］張 濤，蒲 誠，趙宇洋.傳播時(shí)間法超聲流量計(jì)信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)展述評(píng)［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2009，36(4):1-7.

［5］張 金.電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2011:50-59.

［6］王躍科.現(xiàn)代動(dòng)態(tài)測試技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2003:152-155.