一種基于tof技術(shù)的聲速剖面儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于TOF技術(shù)的聲速剖面儀，包括以TDC_GP22芯片為核心的時間、溫度測量模塊，外接換能器、溫度傳感器，TDC_GP22芯片發(fā)射脈沖信號至換能器，換能器發(fā)射出超聲波并接收回波信號，返回給TDC_GP22芯片，通過該芯片的第一波檢測功能檢測到所需的回波信號，得出回波的往返時間，完成時間測量；TDC_GP22芯片通過放電時間測量得出溫度傳感器的電阻變化量，完成溫度測量。本發(fā)明采用TOF技術(shù)，通過TDC_GP22芯片來實現(xiàn)，通過檢測超聲波往返時間，就可計算出聲速值；由于該芯片具有極高的時間檢測分辨率“ps級”，因此，僅單次測量的數(shù)據(jù)精度就比換“環(huán)鳴法”多次測量平均所得到的數(shù)據(jù)精度高。
【專利說明】
-種基于TOF技術(shù)的聲速剖面儀
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種聲速剖面儀，尤其是一種基于T0F技術(shù)的聲速剖面儀。
【背景技術(shù)】
[0002] 聲速剖面儀是一種測量水中不同深度聲波傳播速度的精密測量儀器，通過內(nèi)部的 溫度、壓力傳感器等器件可W快速準(zhǔn)確的測得當(dāng)前水層的聲速、溫度、深度等數(shù)據(jù)，其中所 測得的聲速數(shù)據(jù)更是聲納設(shè)備所需的一個重要參數(shù)，被廣泛應(yīng)用于水深測量等工作。然而， 隨著各種聲納設(shè)備的升級，其對聲速的精度要求也越來越高，因此傳統(tǒng)的基于"環(huán)鳴法"ii 量聲速的儀器已經(jīng)無法滿足高精度聲速測量的要求。
[0003] 為了提高聲速剖面儀的測量精度，基于"時間飛躍"技術(shù)的聲速剖面儀不再采用傳 統(tǒng)的"環(huán)鳴法"進(jìn)行聲速測量，而是采用目前國際上最先進(jìn)的"時間飛躍(Time Of Fli曲tr 技術(shù)進(jìn)行聲速測量，T0F(Time of Fli曲t)測量原理又稱回波測距原理，是非接觸測距的一 種方法，當(dāng)前廣泛應(yīng)用于物位測量中。其原理是:安裝在聲速剖面儀基座上的換能器向反射 面發(fā)射超聲波，當(dāng)超聲波傳播到反射面上時，反射并返回到換能器上被接收。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有的缺陷，提供一種基于T0F技術(shù)的聲速剖面 儀，可W提高聲速測量精度。
[0005] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了如下的技術(shù)方案：
[0006] 本發(fā)明一種基于T0F技術(shù)的聲速剖面儀，該聲速剖面儀包括WTDC_GP22忍片為核 屯、的時間、溫度測量模塊，外接換能器、溫度傳感器，TDC_GP22忍片發(fā)射脈沖信號至換能器， 換能器發(fā)射出超聲波并接收回波信號，返回給TDC_GP22忍片，通過TDC_GP22忍片的第一波 檢測功能檢測到所需的回波信號，得出回波的往返時間，完成時間測量;TDC_GP22忍片通過 放電時間測量得出溫度傳感器的電阻變化量，完成溫度測量。
[0007] 進(jìn)一步地，該聲速剖面儀還包括W單片機(jī)為核屯、的數(shù)據(jù)處理模塊，用于控制TDC_ GP22忍片工作，將時間測量結(jié)果傳回給單片機(jī)進(jìn)行聲速值的精確計算。
[000引進(jìn)一步地，時間測量過程中超聲波的發(fā)射和接收采用共用一個換能器。
[0009] 進(jìn)一步地，TDC_GP22忍片有一個PIC0STRAIN基礎(chǔ)的溫度測量單元。
[0010] 進(jìn)一步地，溫度值的計算公式如下：
[0011]
[0012] 其中，A和B是銷電阻的已知參數(shù)，其量級分別為10-3和ΙΟΛΚο是〇°C時銷電阻的阻 抗值，Rrtd是當(dāng)前溫度下銷電阻的阻抗值，T是要測的溫度。
[0013] 本發(fā)明的有益效果:該聲速剖面儀采用T0F技術(shù)，該技術(shù)具體通過TDC_GP22忍片來 實現(xiàn)，通過檢測超聲波往返時間，就可計算出聲速值；由于TDC_GP22忍片具有極高的時間檢 測分辨率"PS級"，因此，僅單次測量的數(shù)據(jù)精度，就比換"環(huán)鳴法"多次測量平均所得到的數(shù) 據(jù)精度高。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本發(fā)明采用T0F技術(shù)進(jìn)行聲速測量的原理圖；
[0015] 圖2為本發(fā)明聲速剖面儀的電路原理簡圖。
【具體實施方式】
[0016] 本發(fā)明所列舉的實施例，只是用于幫助理解本發(fā)明，不應(yīng)理解為對本發(fā)明保護(hù)范 圍的限定，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明思想的前提下，還可W對 本發(fā)明進(jìn)行改進(jìn)和修飾，運(yùn)些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求保護(hù)的范圍內(nèi)。
[0017] 1、時間的測量
[0018] 時間的測量是聲速剖面儀測量的關(guān)鍵，該時間測量精度決定了聲速測量精度。 TDC_GP22忍片1是最新一代的高精度時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器。該忍片具有PS級的測量精度，并在內(nèi) 部集成了發(fā)射頻率和相位都可調(diào)的脈沖發(fā)生器，因此使用該忍片可W滿足高精度設(shè)計要 求。
[0019] 在基于T0F技術(shù)的聲速剖面儀中，為了簡化結(jié)構(gòu)，發(fā)射和接收采用共用一個換能器 2的方法，并利用T0F技術(shù)原理進(jìn)行聲速的測量。具體方法如下：
[0020] 如圖1所示，在距離換能器2S處固定一個反射平面4,在外圍單片機(jī)的控制下，TDC_ GP22忍片發(fā)送出頻率、個數(shù)一定的脈沖信號，該信號被換能器2接收后向反射平面4發(fā)射超 聲波，超聲波經(jīng)反射平面4反射生成回波信號并通過換能器2返回給TDC_GP22忍片，通過忍 片的第一波檢測功能檢測到所需的回波信號，從而得出回波的往返時間，聲速值C = 2S/T， 其中S為換能器2到反射平面4的距離，T為超聲波一次往返的時間。
[00別]2、溫度的測量
[0022] 溫度作為聲速剖面儀的一個重要參數(shù)用來校準(zhǔn)測得的聲速值，因為聲速和溫度具 有很大的關(guān)系，因此高精度的溫度測量在聲速剖面儀的設(shè)計過程中是非常重要的。TDC_ GP22忍片1有一個PIC0STRAIN基礎(chǔ)的溫度測量單元，可實現(xiàn)高精度和低功耗的溫度測量。其 原理主要是基于電阻對電容的放電時間的。由于溫度傳感器RTD 3的電阻值與溫度有直接 關(guān)系，TDC_GP22忍片1將會直接測量溫度傳感器RTD 3的電阻變化量，通過內(nèi)部非常精確的 時間測量完成。實際測量過程中，會選用一個溫度穩(wěn)定的參考電阻和溫度傳感器RTD 3的電 阻分別對同一個電容進(jìn)行充放電，根據(jù)它們放電時間的比率可W得出溫度傳感器RTD 3的 電阻，具體計算過程見公式(1):
[0023] Q)
[0024] 內(nèi)部比較器在3.0V時，增益糾正系數(shù)gainf actor為0.9931，3日是0°(：時銷電阻的 阻抗值。
[0025] 根據(jù)銷電阻溫度計的電阻值和溫度的關(guān)系如下公式(2):
[0026] Rrtd = R〇*(1+A*T-B*t2) (2)
[0027] 可得出：
[0028]
(63)
[0029] 其中，A和B是正常數(shù)值，其量級分別為10-3和10-7,對于正規(guī)的銷電阻產(chǎn)品運(yùn)些參 數(shù)都是已知的。Rrtd是當(dāng)前溫度下銷電阻的阻抗值，Τ是要測的攝氏溫度。通過W上計算公式 即可得到所需的溫度值。
[0030] 3、基于T0F技術(shù)的聲速剖面儀的電路設(shè)計
[0031] 基于T0F技術(shù)的聲速剖面儀的電路設(shè)計主要分為兩個部分，第一部分是WTDC_ GP22忍片1為核屯、的時間、溫度測量模塊，需要外接換能器2、溫度傳感器RTD 3等外圍器件。 第二部分是WSTM32單片機(jī)為核屯、的數(shù)據(jù)處理模塊，該部分主要是負(fù)責(zé)控制TDC_GP22忍片1 工作，將時間測量結(jié)果傳回給單片機(jī)進(jìn)行聲速值的精確計算。
[0032] 由于TDC_GP22忍片1內(nèi)部將各單元的功能高度集成，包括第一波檢測功能，高精度 溫度測量單元，脈沖發(fā)生器，模擬開關(guān)，比較器，窗口功能及時鐘標(biāo)定等，僅需要外部加一個 簡單的單片機(jī)就可進(jìn)行高精度的測量。因此在應(yīng)用過程中可W做到硬件設(shè)計簡化，將外部 元器件的數(shù)量做到最低，從而電路板的尺寸能做到非常小。
[0033] 圖2為簡略的硬件設(shè)計原理圖。TDC_GP22忍片1的溫度測量模塊外圍電路簡單，主 要是因為其內(nèi)部集成了一個施密特觸發(fā)器。圖中R1為溫度穩(wěn)定參考電阻，C1為充放電電容， PT1000為選用的溫度傳感器RTD 3,通過對TDC_GP22寄存器的有效設(shè)置，發(fā)射端會發(fā)送出發(fā) 射信號，傳回的模擬信號經(jīng)過一個內(nèi)部集成的比較器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，給到stop輸入端。 TDC_GP22忍片1還有一個時間延時窗口，該功能可W濾除STOP信號前段的噪聲。再加上該忍 片具有第一波檢測功能，可W有效測得第一個波的脈沖，從而就能得到有效的回波飛行時 間。
[0034] 整個硬件設(shè)計完成后進(jìn)行了初步的實驗，實驗過程中選取了 11組不同溫度下的聲 速數(shù)據(jù)與對應(yīng)溫度的標(biāo)準(zhǔn)聲速進(jìn)行對比，結(jié)果表明數(shù)據(jù)在穩(wěn)定性、精確值和測量精度方面 都能達(dá)到設(shè)計要求。其中所測溫度的精度能達(dá)到±〇.〇5°C，分辨率能達(dá)到O.OOrC，聲速的 測量精度能達(dá)到〇.〇3m/s，分辨率能達(dá)到0.001米/秒。因此，本發(fā)明基于T0F技術(shù)的聲速剖面 儀，其硬件設(shè)計簡單易于實現(xiàn)，實驗數(shù)據(jù)理想，可W應(yīng)用于更高精度的聲速剖面儀設(shè)計中。
【主權(quán)項】
1. 一種基于TOF技術(shù)的聲速剖面儀，其特征在于:所述聲速剖面儀包括以TDC_GP22芯片 (1)為核心的時間、溫度測量模塊，外接換能器(2)、溫度傳感器(3)，TDC_GP22芯片（1)發(fā)射 脈沖信號至換能器（2)，換能器（2)發(fā)射出超聲波并接收回波信號，返回給TDC_GP22芯片 (1)，通過TDC_GP22芯片（1)的第一波檢測功能檢測到所需的回波信號，得出回波的往返時 間，完成時間測量;TDC_GP22芯片（1)通過放電時間測量得出溫度傳感器(3)的電阻變化量， 完成溫度測量。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于T0F技術(shù)的聲速剖面儀，其特征在于:所述聲速剖面儀還 包括以單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)處理模塊，用于控制TDC_GP22芯片（1)工作，將時間測量結(jié)果傳 回給單片機(jī)進(jìn)行聲速值的精確計算。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于T0F技術(shù)的聲速剖面儀，其特征在于:所述時間測量過程 中超聲波的發(fā)射和接收采用共用一個換能器(2)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于T0F技術(shù)的聲速剖面儀，其特征在于:所述TDC_GP22芯片 (1)有一個PICOSTRAIN基礎(chǔ)的溫度測量單元。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于T0F技術(shù)的聲速剖面儀，其特征在于:所述溫度值的計算 公式如下：其中，A和B是鉑電阻的已知參數(shù)，其量級分別為10_3和10_7，R〇是0 °C時鉑電阻的阻抗值， Rrtd是當(dāng)前溫度下鉑電阻的阻抗值，T是要測的溫度。
【文檔編號】G01H5/00GK105823548SQ201610351382
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年5月25日
【發(fā)明人】伊凡
【申請人】無錫市海鷹加科海洋技術(shù)有限責(zé)任公司