專利名稱：一種測(cè)量超聲回波飛行時(shí)間的方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在超聲流量計(jì)中測(cè)量超聲回波飛4亍時(shí)間的方法以及設(shè) 備，可以應(yīng)用于儀器儀表、高能物理、激光測(cè)距、雷達(dá)測(cè)距或者前端電子 學(xué)等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
超聲波流量計(jì)是一種利用超聲波信號(hào)在流體中傳播時(shí)所載流體的流速 信息來推算流體流量的新型流量?jī)x表，其具有非接觸式測(cè)量、測(cè)量精度高、 測(cè)量范圍寬、安裝維護(hù)方便等特點(diǎn)，特別適合用于臨時(shí)管道流量、大口徑 管道流量以及危險(xiǎn)性流體流量的測(cè)量。根據(jù)超聲流量測(cè)量方程，流量計(jì)算 與管道幾何尺寸和流體流速有直接關(guān)系，而流體流速與超聲波在流體中飛 行時(shí)間成正比關(guān)系。幾何尺寸的測(cè)量手段在目前技術(shù)條件下已十分成熟， 所以流體流速是超聲流量測(cè)量精度的關(guān)鍵決定因素。
超聲流量計(jì)的超聲回波飛行時(shí)間是指超聲波信號(hào)從發(fā)射端通過流體介
質(zhì)到達(dá)接收端所經(jīng)歷的時(shí)間間隔長(zhǎng)度，其測(cè)量原理如圖l所示，其中7;為 精確的飛行時(shí)間，7;為實(shí)際測(cè)得的飛行時(shí)間。測(cè)量原理是在發(fā)射信號(hào)時(shí)開
始計(jì)時(shí)，當(dāng)接收信號(hào)達(dá)到預(yù)定的閾值之后停止計(jì)時(shí)，從而測(cè)出信號(hào)傳播的 時(shí)間間隔。實(shí)際測(cè)量中t;與？；總是存在一定的誤差。
為了降低飛行時(shí)間的測(cè)量誤差，提高超聲波順逆程時(shí)間差的測(cè)量精度， 目前普遍采用的方法有如下幾種
(l)直接計(jì)數(shù)法，其測(cè)量原理如圖2所示，在發(fā)射超聲波信號(hào)時(shí)啟動(dòng) 計(jì)數(shù)器，接收到回波信號(hào)時(shí)停止計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，測(cè)量時(shí)間
r =打7; (l)
該方法在發(fā)射端和接收端的量化誤差分別是at^和Ar2,總量化誤差為 △ = Ar1+Ar2,總量化誤差a的最大值為l個(gè)脈沖周期7;,也就是說該方法的最小分辨力為z;，其大小取決于計(jì)數(shù)器系統(tǒng)能夠提供的計(jì)數(shù)頻率。直接計(jì) 數(shù)法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量范圍寬，通過提高計(jì)數(shù)器時(shí)鐘頻率能直接提高測(cè)量精度。
但是要實(shí)現(xiàn)lOOps的分辨率，其計(jì)數(shù)頻率需要達(dá)到10GHz,信號(hào)達(dá)到微波
段。這樣的信號(hào)不僅難以產(chǎn)生，準(zhǔn)確性難以保證，而且由于分布參數(shù)效應(yīng)，
在普通電路中不易實(shí)現(xiàn)。因此，目前該方法只能達(dá)到ns級(jí)的精度。
(2)模擬內(nèi)插法，也稱時(shí)間放大法，其硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，通過一 個(gè)高速轉(zhuǎn)換開關(guān)在需要測(cè)量的飛行時(shí)間內(nèi)用大恒流源充電，而后用小恒流
源的比值即時(shí)間放大倍數(shù)。
其中，恒流源/,對(duì)電容進(jìn)行充電，恒流源/2對(duì)電容進(jìn)行;汰電，恒流源
比值^^i/為時(shí)間放大倍數(shù)，r為待測(cè)飛行時(shí)間，7;為r放大后的時(shí)間段。
模擬內(nèi)插法的誤差來源于①原理誤差，在將模擬量^r轉(zhuǎn)換成數(shù)字量 7V7;的過程中產(chǎn)生的，無法克服；②時(shí)間擴(kuò)展的非線性，也是最主要的誤差 來源，由于時(shí)間擴(kuò)展采用的都是模擬器件，因此本身存在不可預(yù)測(cè)性；③ 隨機(jī)誤差，如觸發(fā)誤差等；④時(shí)鐘的穩(wěn)定度帶來的誤差；⑤環(huán)境溫度以及 外部干擾等引起的誤差，存在死區(qū)電壓。
模擬內(nèi)插法的優(yōu)點(diǎn)是理論測(cè)量精度高，《值最大可以取到104。但該方 法利用對(duì)一個(gè)電容充放電以進(jìn)行測(cè)量，屬于模擬過程，在集成芯片中難以 采用，可能存在起點(diǎn)死區(qū)、終點(diǎn)死區(qū)和零區(qū)非線性等問題，而且理想的恒 流源也難以實(shí)現(xiàn)，因?yàn)閷?shí)際恒流電路肯定會(huì)受電壓漂浮、溫度變化等因素 的影響，所以模擬過程的非線性不易控制，抖動(dòng)及非線性帶來的誤差可能 高達(dá)幾十ps。
作為一種改進(jìn)，可以在模擬內(nèi)插法中用A/D轉(zhuǎn)換過程代替放電過程， 將極大地減少轉(zhuǎn)換時(shí)間和非線性誤差，提高測(cè)量精度，國(guó)外文獻(xiàn)稱作TVC
(3)延遲時(shí)間內(nèi)插法，即延遲時(shí)間內(nèi)插技術(shù)，又稱時(shí)鐘移相法或量化 時(shí)延法，其主要原理如圖4和圖5所示，利用電子器件單元固有的延時(shí)作
7> ="為測(cè)量時(shí)使用的標(biāo)尺來實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行時(shí)間的測(cè)量。
早期采用的延時(shí)單元(同軸線)為延遲線，但是為了實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量， 需要數(shù)目眾多的抽頭，因而電路龐大，使得這項(xiàng)技術(shù)在當(dāng)時(shí)無法推廣。隨 著集成電路技術(shù)的發(fā)展，集成電路的方便性和超大規(guī)模的特性完全體現(xiàn)了 出來，延時(shí)電路中的延遲線被集成電路中的邏輯單元所取代。
從圖4和圖5中可以看出，飛行時(shí)間被精確定位在5Ar和6Ar之間，時(shí) 間測(cè)量精度可以提高到
J (3)
式中n為內(nèi)插延遲單元數(shù)，本例中選擇為8， Ar為延遲單元延遲時(shí)間， △r為被測(cè)時(shí)間間隔，5為時(shí)間測(cè)量精度(最小量化單位)。
延遲單元的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)有多種方法，無論是采用專用集成電路ASIC實(shí) 現(xiàn)，還是采用可編程器件中的最小邏輯單元，又或是專用半導(dǎo)體光刻線等， 目前半導(dǎo)體工藝的測(cè)量精度均只能達(dá)到ns數(shù)量級(jí)。雖然采用延遲時(shí)間內(nèi)插 法能夠突破ns級(jí)限制，使分辨力達(dá)到ps級(jí)，但是延遲線長(zhǎng)度的增加導(dǎo)致 了積分非線性的增加，并使得溫度變化、壓力波動(dòng)、布線策略等引起的抖 動(dòng)成為不可忽略的因素，要進(jìn)一步提高時(shí)間分辨率必須在延遲線拓樸結(jié)構(gòu) 上采取相應(yīng)措施。 一種改進(jìn)方法是簡(jiǎn)單地將原始延遲單元組成陣列結(jié)構(gòu)， 通過參考時(shí)鐘對(duì)輸入脈沖釆樣，然后將采樣間歇再細(xì)分，該種結(jié)構(gòu)能夠在 400MHz時(shí)鐘速率下達(dá)到2.5ns的分辨率。另外一種改進(jìn)方法是通過延遲鎖 相環(huán)來細(xì)分固定延遲單元，在80MHz時(shí)鐘下能夠達(dá)到80ps的最小量化分 辨率，但是這種結(jié)構(gòu)增加了讀出編碼電路的復(fù)雜性。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是要提供一種在超聲流量計(jì)中測(cè) 量超聲回波飛行時(shí)間的方法以及設(shè)備，能夠使用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而達(dá)到很 高的時(shí)間測(cè)量精度。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種測(cè)量超聲回波飛行時(shí)間的方法， 包括以下步驟由發(fā)射的超聲波產(chǎn)生一個(gè)Start脈沖，并由經(jīng)過流體后接收
6的超聲回波產(chǎn)生 一個(gè)Stop脈沖；用直接計(jì)數(shù)法對(duì)Start脈沖和Stop脈沖之 間的邊沿間隔計(jì)算出粗計(jì)時(shí)結(jié)果；用兩層細(xì)分的延遲時(shí)間內(nèi)插法計(jì)算出計(jì) 時(shí)量化誤差；結(jié)合粗計(jì)時(shí)結(jié)果和計(jì)時(shí)量化誤差計(jì)算出超聲回波飛行時(shí)間。
本發(fā)明的有益效果是，該方法采用時(shí)間分層內(nèi)插的方法，第一層采用 直接計(jì)數(shù)法擴(kuò)大了時(shí)間測(cè)量范圍，而在第二層采用延遲時(shí)間內(nèi)插法，并將 被測(cè)飛行時(shí)間的計(jì)時(shí)量化誤差再進(jìn)行兩層細(xì)分，從而可以達(dá)到非常高的時(shí) 間測(cè)量精度。
為了實(shí)現(xiàn)該方法，本發(fā)明還提供了 一套測(cè)量超聲回波飛行時(shí)間的設(shè)備， 該設(shè)備主要包括信號(hào)收發(fā)部分、數(shù)字信號(hào)處理部分和人機(jī)交互部分，該數(shù) 字信號(hào)處理部分包括波形跟蹤模塊、測(cè)時(shí)模塊和中央控制器，其中，波形 跟蹤才莫塊由發(fā)射的超聲波產(chǎn)生一個(gè)Start脈沖，并由經(jīng)過流體后接收的超聲 回波產(chǎn)生一個(gè)Stop脈沖，測(cè)時(shí)模塊包括用直接計(jì)數(shù)法對(duì)Start脈沖和Stop 脈沖之間的邊沿間隔計(jì)算出4且計(jì)時(shí)結(jié)果的粗測(cè)單元和用兩層細(xì)分的延遲時(shí) 間內(nèi)插法計(jì)算出計(jì)時(shí)量化誤差的精測(cè)單元，中央控制器結(jié)合粗計(jì)時(shí)結(jié)果和 計(jì)時(shí)量化誤差計(jì)算出超聲回波飛行時(shí)間，在精測(cè)單元中還包括時(shí)間細(xì)分內(nèi) 插矩陣。
由于該套設(shè)備在拓樸結(jié)構(gòu)上采取全新的二維矩陣方式，縮短了延遲線 長(zhǎng)度，從而提高了延遲線的線性。又因?yàn)樵?-2ndLevel采用游標(biāo)延遲線結(jié) 構(gòu)，可以突破ps級(jí)的分辨率限制，因此為得到高精度的飛行時(shí)間測(cè)量結(jié)果 提供了物理?xiàng)l件。


圖1是超聲回波飛行時(shí)間的測(cè)量原理示意圖2是直接計(jì)數(shù)法的原理示意圖3是模擬內(nèi)插法的硬件結(jié)構(gòu)示意圖4是延遲時(shí)間內(nèi)插法的硬件結(jié)構(gòu)示意圖5是圖4所示延遲時(shí)間內(nèi)插法的時(shí)序圖6是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的超聲回波飛行時(shí)間測(cè)量設(shè)備的結(jié)構(gòu)原 理圖；圖7是圖6所示的超聲回波飛行時(shí)間測(cè)量設(shè)備的工作原理示意圖； 圖8是圖6所示的超聲回波飛行時(shí)間測(cè)量設(shè)備的時(shí)間細(xì)分內(nèi)插矩陣的 拓樸結(jié)構(gòu)圖9是圖6所示的超聲回波飛行時(shí)間測(cè)量設(shè)備的延遲單元的工作原理 示意圖；以及
圖10是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的細(xì)分飛行時(shí)間的原理示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。 圖6示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的超聲回波飛行時(shí)間測(cè)量設(shè)備 的結(jié)構(gòu)，該測(cè)量設(shè)備主要由三部分組成，第一部分是信號(hào)收發(fā)部分601, 負(fù)責(zé)超聲信號(hào)的發(fā)射、接收、通道切換、時(shí)序控制、接收信號(hào)預(yù)處理等功 能；第二部分是數(shù)字信號(hào)處理部分602,負(fù)責(zé)對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，而后 進(jìn)行數(shù)字濾波、去噪、增強(qiáng)、邊沿跟蹤等處理，并完成超聲飛行時(shí)間測(cè)量 功能；第三部分是人機(jī)交互部分603，負(fù)責(zé)進(jìn)行顯示、鍵盤等人機(jī)接口的 控制以及其它服務(wù)功能，如通信等輔助模塊。
超聲波信號(hào)在流體中順流的傳播時(shí)間^和逆流的傳播時(shí)間/2分別為
丄 "
f i =-=-
c。+vcos(9 sini9(c。 + vcosi9) ("
_ 丄 — D c。 _vcos6* sin6^(c。 -vcosS) ( 5 )
其中，v為流體的流速，c。為超聲波的傳播速度，^為換能器的安裝角， 丄為兩個(gè)換能器之間的距離，Z)為管道直徑。
由此可以計(jì)算出時(shí)間差
, 2Dvcos^ = ,， _ = ■
sin6^(c。 _v cos 6) ("
一般情況下，聲波在流體中傳播速度c。在1000m/s以上，而多數(shù)工業(yè)系 統(tǒng)中流體流速遠(yuǎn)小于聲速，即一《c。2，所以時(shí)間差可以近似筒化為
sin 6. c。 ( 7 )
8則
c， sin ^ A
式(8)中含有聲速c。，由于溫度的變化會(huì)引起聲速的變化，例如對(duì)于
流體水而言，20。C時(shí)超聲波在水中傳播速度為1482m/s,而50。C時(shí)傳播速
度為1543m/s，所以聲速變化可能極大地影響測(cè)量的準(zhǔn)確度。因此，對(duì)(4)
(5)兩式另做變換可以得到
11 — 2vcos6
," Z (9)
由此可以推導(dǎo)出在超聲脈沖傳播路徑上的流體線平均流速v為
丄2 Af
v =
2叫 (10) 其中，jc = Icos^。
由于流體的流動(dòng)一般分為兩種狀態(tài) 一種是層流狀態(tài)，即管內(nèi)的流體 的流動(dòng)主要是軸向的運(yùn)動(dòng)；另一種是紊流狀態(tài)，即管內(nèi)的流體的流動(dòng)不僅 有軸向的運(yùn)動(dòng)，還有劇烈的才黃向流動(dòng)。這兩種不同流動(dòng)狀態(tài)對(duì)應(yīng)管內(nèi)的速 度分布也不同，為此加上一個(gè)流速分布補(bǔ)償系數(shù)1/^，,人而得修正后的流
量方程為
&4 (11) 式中，"為體積流量，v為管道流體流速，f為累計(jì)測(cè)量時(shí)間，D為管 道直徑。
本發(fā)明提出的超聲回波飛行時(shí)間測(cè)量方法基本思路是將直接計(jì)數(shù)法和
延遲時(shí)間內(nèi)插法相結(jié)合，并分層次測(cè)量超聲回波飛行時(shí)間r。
如圖2所示的直接計(jì)數(shù)法，被測(cè)的飛行時(shí)間r為
r = "7; + A^-Ar2 (12)
式中m為計(jì)數(shù)結(jié)果，Tp為計(jì)數(shù)器周期，A7V Ar2為量化誤差。 根據(jù)圖7所示的超聲回波飛行時(shí)間的測(cè)量原理，發(fā)射的超聲波和經(jīng)過 流體后接收的超聲回波經(jīng)波形跟蹤模塊跟蹤后分別產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)Start脈 沖和一個(gè)stop脈沖，然后將Start脈沖和Stop脈沖輸入測(cè)時(shí)模塊后啟動(dòng)第一層次測(cè)時(shí)-用粗測(cè)單元的高時(shí)鐘頻率計(jì)數(shù)器對(duì)Start脈沖和Stop脈沖之
間的邊沿間隔進(jìn)^亍4且計(jì)時(shí)，得到"rP，而對(duì)于計(jì)時(shí)量化誤差A(yù)ri、 ^72在第 二層次利用精測(cè)單元測(cè)量，最后將測(cè)量結(jié)果經(jīng)過標(biāo)定校正電路進(jìn)行數(shù)字校 正后輸出到中央控制器計(jì)算被測(cè)時(shí)間間隔，從而可以提高測(cè)時(shí)精度。 精測(cè)模塊采用矩陣拓樸結(jié)構(gòu)降低延遲線的非線性，從而提高分辨率。
矩陣拓樸結(jié)構(gòu)如圖8所示，時(shí)間細(xì)分內(nèi)插矩陣基本單元是由緩沖器和鎖存
器組成的游標(biāo)延遲單元，這個(gè)延遲矩陣共用一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。采用帶復(fù)位的 行列矩陣結(jié)構(gòu)，有效解決了延遲線長(zhǎng)度、分辨率以及由此帶來的溫度變化、
壓力波動(dòng)和非線性誤差問題。圖9 (a)示出了超聲回波飛行時(shí)間測(cè)量延遲 單元與時(shí)序圖，將輸入寬波形轉(zhuǎn)換成固定窄脈沖，如圖9(b)所示的游標(biāo) 延遲單元包括一個(gè)緩沖延遲器和一個(gè)鎖存器延遲單元，而圖9 (c)為測(cè)量 時(shí)間間隔量化誤差兩層細(xì)分時(shí)序圖。
時(shí)間細(xì)分內(nèi)插矩陣對(duì)輸入脈沖提供了垂直和水平兩條傳輸路徑，垂直 傳輸路徑延遲為^=、，水平傳輸路徑延遲時(shí)間為r,，,-r,-、，其中的r,和^
分別是延遲矩陣中D鎖存器和緩沖器單元的延遲時(shí)間(假設(shè)水平和垂直方 向通過D鎖存器的傳輸時(shí)間相同)。通過延遲矩陣的拓樸結(jié)構(gòu)可以將時(shí)間間 隔細(xì)分成如圖9(c)所示的雙層最小分辨位寬。 該時(shí)間細(xì)分內(nèi)插矩陣的大致工作步驟如下 (1)初始時(shí)所有鎖存器輸出均為邏輯低電平0; (2 )輸入脈沖由延遲矩陣所有鎖存器延遲單元傳輸； (3)鎖存器時(shí)鐘端時(shí)鐘信號(hào)上升沿來到時(shí)，輸入脈沖將無法通過該鎖
存器；
(4 )時(shí)間間隔可通過輸入脈沖通過的延遲單元的行數(shù)"和列數(shù)m計(jì)算出來。
當(dāng)輸入脈沖與時(shí)鐘信號(hào)時(shí)間間隔大于r 時(shí)，信號(hào)將沿垂直方向 一行一 行地向下傳遞，每經(jīng)過一行，其時(shí)間間隔將減去r/，當(dāng)剩下的時(shí)間間隔小 于^時(shí)，信號(hào)將沿水平方向的延遲單元傳輸，每經(jīng)過一個(gè)延遲單元就可以 分辨出r",,直至?xí)r間間隔小于、。
結(jié)合粗測(cè)單元的計(jì)數(shù)器輸出， 一旦時(shí)間細(xì)分內(nèi)插矩陣得到如圖10所示7;,即計(jì)時(shí)量化誤差7;,就可以計(jì)算
出超聲回波飛行時(shí)間r:
r = (^+i)7;— ; = (^+1)7;—("T"+mr",) (13 )
其中，《+i為粗測(cè)計(jì)數(shù)器輸出，r。為計(jì)數(shù)器脈沖寬度，7;由輸入脈沖在
時(shí)間細(xì)分內(nèi)插矩陣中傳輸?shù)男袛?shù)w和列數(shù)w決定。
時(shí)間細(xì)分內(nèi)插矩陣的行列數(shù)與時(shí)間觀察窗口 r。BS有確定關(guān)系，r。flS定義
為矩陣延遲單元允許輸入脈沖通過的活動(dòng)時(shí)間，即最大輸入脈沖與參考時(shí) 鐘的脈沖寬度的一半相等，即7^,=7;=7;/2,所以矩陣最大行數(shù)aa必須滿
足下式
臉Z^
r" ( 14 )
當(dāng)經(jīng)過行傳輸剩下的時(shí)間間隔小于^時(shí)，輸入脈沖沿水平方向順序通 過游標(biāo)延遲單元r ,直到其被參考時(shí)鐘邊沿捕獲，因此時(shí)間內(nèi)插矩陣最大列
數(shù)M必須滿足下式
r"'巧'—幾 (15) 在理想情況下，當(dāng)超聲回波飛行時(shí)間間隔大于鎖存器延遲時(shí)間時(shí)，輸 入脈沖將沿垂直方向向下傳輸，否則將沿著水平方向向右經(jīng)游標(biāo)延遲單元 傳輸，當(dāng)輸入脈沖傳入下一行時(shí)，認(rèn)為不會(huì)對(duì)延遲單元產(chǎn)生失配，這一點(diǎn) 對(duì)那些離參考時(shí)鐘邊沿時(shí)間較長(zhǎng)的輸入脈沖尤為重要。這種情況下相同的 輸入脈沖有可能在時(shí)間細(xì)分內(nèi)插矩陣的多條游標(biāo)延遲線中存在，從而導(dǎo)致 讀數(shù)錯(cuò)誤或者重復(fù)檢測(cè)同一個(gè)脈沖。為克服該問題，本發(fā)明在矩陣的每行 插入一個(gè)如圖9 (a)所示的行間復(fù)位脈沖發(fā)生器，在每次檢測(cè)到新的輸入 脈沖時(shí)均產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)2.5ns的脈沖信號(hào)以復(fù)位所有行的延遲單元，從而可 以確保不會(huì)有兩個(gè)連續(xù)行保存的是同 一個(gè)輸入脈沖的數(shù)據(jù)，因此可以起到 保證測(cè)量穩(wěn)定性和結(jié)果有效性的作用。
根據(jù)本發(fā)明的矩陣式多層超聲回波飛行時(shí)間測(cè)量方法的輸出結(jié)果為標(biāo) 準(zhǔn)溫度計(jì)編碼，讀出計(jì)數(shù)器無需復(fù)雜的解碼，為后續(xù)編程提供了方便。
該超聲回波飛行時(shí)間測(cè)量設(shè)備釆用分層內(nèi)插的測(cè)量方法，第 一層采用 直接計(jì)數(shù)法擴(kuò)大了時(shí)間測(cè)量范圍，而在第二層采用延遲時(shí)間內(nèi)插法，并在其拓樸結(jié)構(gòu)上采取全新的二維矩陣方式，將被測(cè)飛行時(shí)間的計(jì)時(shí)量化誤差 再進(jìn)行兩層細(xì)分，縮短了延遲線長(zhǎng)度，從而提高了延遲線的線性。更進(jìn)一
步地，在2-2nd Level采用游標(biāo)延遲線結(jié)構(gòu)，突石皮了 ps級(jí)分辨率限制。在 仿真實(shí)驗(yàn)中，采用賽林思Virtex 5 FPGA硬件資源來實(shí)現(xiàn)該方法所必需的 時(shí)間細(xì)分內(nèi)插矩陣，其延遲線由Virtex內(nèi)置的固定延遲單元組成，由于延 遲矩陣拓樸結(jié)構(gòu)合理，有效避免了布局布線以及溫度變化和電壓波動(dòng)帶來 的時(shí)間抖動(dòng)。多次仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在200MHz參考時(shí)鐘下，該方法最 小分辨位寬可以小于20ps。
以上所披露的僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，當(dāng)然不能以此來限定本發(fā)明 的權(quán)利保護(hù)范圍?？梢岳斫?，依據(jù)本發(fā)明所附權(quán)利要求中限定的實(shí)質(zhì)和范 圍所作的等同變化，仍屬于本發(fā)明所涵蓋的范圍。
1權(quán)利要求
1.一種測(cè)量超聲回波飛行時(shí)間的方法，其特征在于，包括以下步驟由發(fā)射的超聲波產(chǎn)生一個(gè)Start脈沖，并由經(jīng)過流體后接收的超聲回波產(chǎn)生一個(gè)Stop脈沖；用直接計(jì)數(shù)法對(duì)所述Start脈沖和所述Stop脈沖之間的邊沿間隔計(jì)算出粗計(jì)時(shí)結(jié)果；用兩層細(xì)分的延遲時(shí)間內(nèi)插法計(jì)算出計(jì)時(shí)量化誤差；結(jié)合所述粗計(jì)時(shí)結(jié)果和所述計(jì)時(shí)量化誤差計(jì)算出所述超聲回波飛行時(shí)間。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量超聲回波飛行時(shí)間的方法，其特征在于， 所述兩層細(xì)分的延遲時(shí)間內(nèi)插法包括以下步驟對(duì)于所述粗計(jì)時(shí)結(jié)果與所述超聲回波飛行時(shí)間之間的時(shí)間間隔，以第 一延遲時(shí)間為標(biāo)尺計(jì)算其延遲所需要的第 一延遲單元數(shù)和剩余時(shí)間間隔；以第二延遲時(shí)間為標(biāo)尺計(jì)算所述剩余時(shí)間間隔延遲所需要的第二延遲 單元數(shù)；結(jié)合所述第一延遲時(shí)間、所述第一延遲單元數(shù)、所述第二延遲時(shí)間和 所述第二延遲單元數(shù)計(jì)算出所述計(jì)時(shí)量化誤差，其中，所述第一延遲時(shí)間大于所述第二延遲時(shí)間。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的測(cè)量超聲回波飛行時(shí)間的方法，其特征在于， 所述兩層細(xì)分的延遲時(shí)間內(nèi)插法包括采用由排列成垂直和水平兩條傳輸路 徑的游標(biāo)延遲單元構(gòu)成的時(shí)間細(xì)分內(nèi)插矩陣來設(shè)定延遲時(shí)間，其中每一個(gè) 所述游標(biāo)延遲單元的垂直方向的延遲時(shí)間為所述第 一延遲時(shí)間，每一個(gè)所 述游標(biāo)延遲單元的水平方向的延遲時(shí)間為所述第二延遲時(shí)間。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量超聲回波飛行時(shí)間的方法，其特征在于， 所述產(chǎn)生一個(gè)Start脈沖和所述產(chǎn)生一個(gè)Stop脈沖是采用波形跟蹤的方法。
5. —種測(cè)量超聲回波飛行時(shí)間的設(shè)備，包括信號(hào)收發(fā)部分、數(shù)字信號(hào) 處理部分和人機(jī)交互部分，其特征在于，所述數(shù)字信號(hào)處理部分包括波形 跟蹤模塊、測(cè)時(shí)模塊和中央控制器，其中，所述波形跟蹤模塊由發(fā)射的超聲波產(chǎn)生一個(gè)Start脈沖，并由經(jīng)過流體 后接收的超聲回波產(chǎn)生一個(gè)Stop脈沖， 所述測(cè)時(shí)模塊包括粗測(cè)單元，其用直接計(jì)數(shù)法對(duì)所述Start脈沖和所述Stop脈沖之間的邊 沿間隔計(jì)算出粗計(jì)時(shí)結(jié)果；精測(cè)單元，其用兩層細(xì)分的延遲時(shí)間內(nèi)插法計(jì)算出計(jì)時(shí)量化誤差，所 述精測(cè)單元還包括時(shí)間細(xì)分內(nèi)插矩陣，所述中央控制器結(jié)合所述粗計(jì)時(shí)結(jié)果和所述計(jì)時(shí)量化誤差計(jì)算出所述 超聲回波飛行時(shí)間。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的測(cè)量超聲回波飛行時(shí)間的設(shè)備，其特征在于， 所述時(shí)間細(xì)分內(nèi)插矩陣包括排列成垂直和水平兩條傳輸路徑的游標(biāo)延遲單 元，每一個(gè)所述游標(biāo)延遲單元的垂直方向的延遲時(shí)間為所述第 一延遲時(shí)間， 每一個(gè)所述游標(biāo)延遲單元的水平方向的延遲時(shí)間為所述第二延遲時(shí)間。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的測(cè)量超聲回波飛行時(shí)間的設(shè)備，其特征在于， 所述游標(biāo)延遲單元包括緩沖器和鎖存器。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的測(cè)量超聲回波飛行時(shí)間的設(shè)備，其特征在于， 所述時(shí)間細(xì)分內(nèi)插矩陣的每行設(shè)置有一個(gè)行間復(fù)位脈沖發(fā)生器。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的測(cè)量超聲回波飛行時(shí)間的設(shè)備，其特征在于， 所述時(shí)間細(xì)分內(nèi)插矩陣共用 一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)源。
10. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的測(cè)量超聲回波飛行時(shí)間的設(shè)備，其特征在 于，所述粗測(cè)單元包括高時(shí)鐘頻率計(jì)數(shù)器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種測(cè)量超聲回波飛行時(shí)間的方法，該方法采用時(shí)間分層內(nèi)插的方法，第一層采用直接計(jì)數(shù)法擴(kuò)大了時(shí)間測(cè)量范圍，而在第二層采用延遲時(shí)間內(nèi)插法，并在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上采取全新的二維矩陣方式，將被測(cè)飛行時(shí)間的計(jì)時(shí)量化誤差再進(jìn)行兩層細(xì)分，縮短了延遲線長(zhǎng)度，從而提高了延遲線的線性，由于在2-2nd Level采用游標(biāo)延遲線結(jié)構(gòu)，因此突破了ps級(jí)分辨率限制。為了實(shí)現(xiàn)該方法，本發(fā)明還提供了一套測(cè)量設(shè)備，該設(shè)備由信號(hào)收發(fā)部分、數(shù)字信號(hào)處理部分和人機(jī)交互部分等組成，能夠提供高精度的飛行時(shí)間測(cè)量結(jié)果。
文檔編號(hào)G01F1/66GK101655384SQ20091009256
公開日2010年2月24日 申請(qǐng)日期2009年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月11日
發(fā)明者濤 劉, 崔園園, 金 張, 王伯雄, 羅秀芝 申請(qǐng)人:清華大學(xué)