本發(fā)明屬于超聲波流量檢測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及超聲波測速裝置及其測速方法。

背景技術(shù)：

目前，公知的超聲波計量芯片中，用于進行超聲波回波識別的比較器都采用固定的電壓補償值，在超聲波檢測中，識別首波是非常重要的一個步驟，若采用固定的電壓補償值，在外界干擾的情況下很可能誤判，當補償值過低時，可能會不能過濾一些噪聲信號，會將噪聲信號誤判為超聲波信號，當補償值過高，則可能過濾掉超聲波信號方波的首波，造成測量結(jié)果偏差。當水質(zhì)過差或傳感器探頭被污染或覆蓋，比如長時間使用時造成傳感器探頭結(jié)垢的情況下，超聲波測試信號衰減會很嚴重，首波脈沖信號會隨著結(jié)垢的厚度增加，其幅值越來越小，采用固定補償值時，幅值太小的首波會無法識別，使計量結(jié)果產(chǎn)生很大誤差，綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)中存在采用固定的電壓補償值會造成計量結(jié)果產(chǎn)生很大誤差的缺陷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明實施例提供的超聲波測速裝置及測速方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在采用固定的電壓補償值會造成計量結(jié)果產(chǎn)生很大誤差的缺陷。

本發(fā)明實施例第一方面提供一種超聲波測速裝置，所述超聲波測速裝置包括時間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊、超聲波換能器、補償調(diào)整模塊、比較器以及脈沖寬度檢測模塊；

所述時間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接所述超聲波換能器的輸入端，所述超聲波換能器的輸出端連接所述比較器的第一輸入端，所述比較器的輸出端連接所述脈沖寬度檢測模塊的輸入端和所述時間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊的輸入端，所述脈沖寬度檢測模塊的輸出端連接所述補償調(diào)整模塊的輸入端，所述補償調(diào)整模塊的輸出端連接所述比較器的第二輸入端；

所述時間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊向所述超聲波換能器輸出開始信號并開始計時；

所述超聲波換能器根據(jù)所述開始信號向所述比較器輸出超聲波正弦波信號；

所述比較器將所述超聲波正弦波與所述補償調(diào)整模塊輸出的第一補償信號進行比較后輸出方波信號；

所述脈沖寬度檢測模塊根據(jù)所述方波信號判定信號衰減率超過預設(shè)值時輸出補償調(diào)整信號給所述補償調(diào)整模塊；

所述補償調(diào)整模塊根據(jù)所述補償調(diào)整信號輸出第二補償信號給所述比較器；

所述比較器將所述超聲波正弦波與所述第二補償信號進行比較，以對所述方波信號的首波進行過濾以獲取首波信號，并輸出首波信號與其后面的方波信號構(gòu)成的序列方波給所述時間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊；

所述時間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)所述開始信號和所述序列方波信號獲取超聲波傳播時間差。

本發(fā)明實施例第二方面提供一種超聲波測速裝置的測速方法，其特征在于，所述超聲波測速裝置包括時間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊、超聲波換能器、補償調(diào)整模塊、比較器以及脈沖寬度檢測模塊；

所述時間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接所述超聲波換能器的輸入端，所述超聲波換能器的輸出端連接所述比較器的第一輸入端，所述比較器的輸出端連接所述脈沖寬度檢測模塊的輸入端和所述時間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊的輸入端，所述脈沖寬度檢測模塊的輸出端連接所述補償調(diào)整模塊的輸入端，所述補償調(diào)整模塊的輸出端連接所述比較器的第二輸入端；

所述測速方法包括以下步驟：

所述時間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊向所述超聲波換能器輸出開始信號并開始計時；

所述超聲波換能器根據(jù)所述開始信號向所述比較器輸出超聲波正弦波信號；

所述比較器將所述超聲波正弦波與所述補償調(diào)整模塊輸出的第一補償信號進行比較后輸出方波信號；

所述脈沖寬度檢測模塊根據(jù)所述方波信號判定信號衰減率超過預設(shè)值時輸出補償調(diào)整信號給所述補償調(diào)整模塊；

所述補償調(diào)整模塊根據(jù)所述補償調(diào)整信號輸出第二補償信號給所述比較器；

所述比較器將所述超聲波正弦波與所述第二補償信號進行比較，以對所述方波信號的首波進行過濾以獲取首波信號，并輸出首波信號與其后面的方波信號構(gòu)成的序列方波給所述時間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊；

所述時間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)所述開始信號和所述序列方波信號獲取超聲波傳播時間差。

本發(fā)明提供的超聲波測速裝置及其測速方法，根據(jù)補償信號和超聲波正弦波獲得方波信號，對方波信號進行檢測，當方波信號衰減率過大時，輸出補償調(diào)整信號給補償調(diào)整模塊，使補償調(diào)整模塊輸出調(diào)整后的補償信號，以對方波信號進行過濾并獲取首波信號，根據(jù)首波信號與其后面的方波信號構(gòu)成的序列方波可以準確判斷超聲波信號到來的時間，克服傳了統(tǒng)超聲波計量中對首波的不可靠檢測所造成的誤差，同時可以有效的解決由于探頭結(jié)垢造成首波檢測不可靠，導致流速計算錯誤的問題。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發(fā)明一種實施例提供的超聲波測速裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明一種實施例提供的超聲波測速裝置中比較器獲取方波信號的示意圖；

圖3是本發(fā)明一種實施例提供的超聲波測速裝置中比較器獲取首波信號的示意圖；

圖4是本發(fā)明一種實施例提供的超聲波測速裝置中補償調(diào)整模塊的電路圖；

圖5是本發(fā)明一種實施例提供的超聲波測速裝置中時間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊的電路圖；

圖6是本發(fā)明一種實施例提供的超聲波水表測水流速的原理圖；

圖7是本發(fā)明另一種實施例提供的超聲波測速裝置的測速方法的流程圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。為了說明本發(fā)明所述的技術(shù)方案，下面通過具體實施例來進行說明。

本發(fā)明實施例提供一種超聲波測速裝置，如圖1所示，超聲波測速裝置包括時間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊101、超聲波換能器102、補償調(diào)整模塊103、比較器104以及脈沖寬度檢測模塊105；

時間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊101的輸出端連接超聲波換能器102的輸入端，超聲波換能器102的輸出端連接比較器104的第一輸入端，比較器104的輸出端連接脈沖寬度檢測模塊105的輸入端和時間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊101的輸入端，脈沖寬度檢測模塊105的輸出端連接補償調(diào)整模塊103的輸入端，補償調(diào)整模塊103的輸出端連接比較器104的第二輸入端；

時間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊101向超聲波換能器102輸出開始信號并開始計時；

超聲波換能器102根據(jù)開始信號向比較器104輸出超聲波正弦波信號；

比較器104將超聲波正弦波與補償調(diào)整模塊103輸出的第一補償信號進行比較后輸出方波信號；

脈沖寬度檢測模塊105根據(jù)方波信號判定信號衰減率超過預設(shè)值時輸出補償調(diào)整信號給補償調(diào)整模塊103；

補償調(diào)整模塊103根據(jù)補償調(diào)整信號輸出第二補償信號給比較器104；

比較器104將超聲波正弦波與第二補償信號進行比較，以對方波信號的首波進行過濾以獲取首波信號，并輸出首波信號與其后面的方波信號構(gòu)成的序列方波給時間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊101；

時間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊101根據(jù)開始信號和序列方波信號獲取超聲波傳播時間差。

對于時間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊101，具體的，時間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊101可以為基于延遲環(huán)的高精度時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其用于向超聲波換能器102輸出開始信號并開始計時。

對于超聲波換能器102，具體的，超聲波換能器102包括兩個換能器，相互之間傳輸超聲波信號，每一個超聲波換能器102包括超聲波信號源和超聲波傳感器，超聲波信號源產(chǎn)生驅(qū)動超聲波傳感器發(fā)射超聲波信號的高壓脈沖信號，該高壓脈沖信號周期是超聲波傳感器的共振頻率，發(fā)射高壓脈沖信號驅(qū)動超聲波傳感器，接收端的超聲波傳感器探頭接收到超聲波信號后，將超聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號，該信號是正弦波信號。

對于比較器104，具體的，如圖2所示，其首先對超聲波正弦波信號和第一補償信號進行比較，其中，將第一補償信號的offset(補償)值設(shè)置為寄存器可配，比如范圍為-35mV到+35mV，當超聲波正弦波信號進入后，offset值首先可以過濾掉幅值小的噪聲信號，只有一定強度的信號才可以被識別，比較器104根據(jù)設(shè)定的offset值輸出方波信號。

對于脈沖寬度檢測模塊105，具體的，如圖3所示，脈沖寬度檢測模塊105根據(jù)方波信號的首波檢測超聲波信號的衰減程度，當超聲波信號的衰減很嚴重時即衰減率過低時，輸出補償調(diào)整信號給補償調(diào)整模塊103，以再反饋調(diào)節(jié)offset的值，通過offset設(shè)置跳過真實的首波，繼續(xù)比較之后到來的脈沖幅值，獲取首波信號，以超過offset值的脈沖作為首波，之所以可以這樣定義相對的首波，是因為在計算飛行時間時，是以相對首波的第N的脈沖為基準計算時間差得到，所以在計算中以相同的脈沖作為首波計算時，飛行時間計算是準確的，通過設(shè)置offset過濾掉事實上的首波，以之后幅值較高的脈沖作為首波，在一次時間計算中，只需要以同一序列的序列方波作為時間計算的標準，所以只要選擇兩次波形中的同一序列脈沖作為首波，則不會影響時間測量的結(jié)果，時間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊101根據(jù)開始信號和序列方波獲取超聲波傳播時間差。

本發(fā)明實施例一種超聲波測速裝置根據(jù)補償信號和超聲波正弦波或得方波信號，對方波信號進行檢測，當?shù)谝环讲ǖ男盘査p率過大時，輸出補償調(diào)整信號給補償調(diào)整模塊，使補償調(diào)整模塊輸出調(diào)整后的補償信號，以對方波信號進行過濾并獲取首波信號，根據(jù)首波信號與其后面的方波信號構(gòu)成的序列方波可以準確判斷超聲波信號到來的時間，克服傳了統(tǒng)超聲波計量中對首波的不可靠檢測所造成的誤差，同時可以有效的解決由于探頭結(jié)垢造成首波檢測不可靠，導致流速計算錯誤的問題。

進一步的，脈沖寬度檢測模塊105根據(jù)方波信號輸出補償調(diào)整信號給補償調(diào)整模塊103，具體為：

脈沖寬度檢測模塊105根據(jù)方波信號獲取首波脈沖半波寬度和脈沖半波最大寬度；

當判定首波脈沖半波寬度與脈沖半波最大寬度之間的比值低于預設(shè)值時，輸出補償調(diào)整信號。

具體的，根據(jù)方波信號篩選出首波脈沖寬度hwp_firstwave，確定首波后offset值自動變?yōu)?，以便可以計算真實的脈沖半波最大寬度hwp_tof，計算hwp_firstwave/hwp_tof的值，這個值會在0～1之間，在水質(zhì)過差、水中有鏡面反射物存在或換能器探頭有遮蓋物比如結(jié)垢等情況下，超聲波信號的衰減會很嚴重，hwp_firstwave/hwp_tof比值在0.5以下時，可輸出補償信號設(shè)置offset過濾掉事實上的首波，以之后幅值較高的脈沖作為首波，在一次時間計算中，只需要以同一序列的脈沖作為時間計算的標準，所以只要選擇兩次波形中的同一序列脈沖作為首波，則不會影響時間測量的結(jié)果。

進一步的，脈沖寬度檢測模塊105根據(jù)方波信號獲取首波脈沖半波寬度和脈沖半波最大寬度，具體為：

脈沖寬度檢測模塊105檢測到方波信號中方波信號的高電平時開始計數(shù)，檢測到低電平時停止計數(shù)，以獲取首波脈沖半波寬度和脈沖半波最大寬度。

其中，脈沖寬度檢測模塊105為高精度時間測量的時間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊101(TDC，time to digital converter)，精度可達ps(皮秒)級，在首波脈沖方波高電平到來時開始計數(shù)，低電平到來時停止計數(shù)，從而計算出此方波的寬度，即首波脈沖半波寬度hwp_firstwave，此后對脈沖半波最大寬度以相同的方法計算hwp_tof。

進一步的，補償調(diào)整模塊103可以為電壓調(diào)整結(jié)構(gòu)，作為其中的一種實施方式，如圖4所示，補償調(diào)整模塊103包括電流源、多個電阻以及多個開關(guān)器件，電流源與多個電阻依次串聯(lián)，每一電阻并聯(lián)一個開關(guān)器件；

補償調(diào)整模塊103根據(jù)補償調(diào)整信號輸出第二補償信號給比較器104，具體為：

補償調(diào)整模塊103根據(jù)補償調(diào)整信號通過調(diào)節(jié)多個開關(guān)獲取第二補償信號。

如圖4所示，以調(diào)節(jié)電阻的數(shù)量為4個為例，R0為以獲取首波信號，保護電阻，一端接電流源I1，另一端接第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3以及第四電阻R4，可控開關(guān)包括第一開關(guān)S1、第二開關(guān)S2、第三開關(guān)S3以及第四開關(guān)S4，分別與第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3以及第四電阻R4并聯(lián)連接，可以通過控制開關(guān)(s1到s4)改變下拉電阻的總值，從而改變offset處的輸出電壓。在實際電路中，電阻R數(shù)量和開關(guān)數(shù)量不一定為四個，由電路設(shè)計擬定。芯片中，調(diào)解電阻所對應的開關(guān)為軟件可配，即可以通過對寄存器的配置來調(diào)解此模塊下拉電阻的總值，從而起到調(diào)解輸出電壓offset的作用。

進一步的，時間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊101根據(jù)開始信號和序列方波信號獲取超聲波傳播時間差，具體為：

時間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊101根據(jù)開始信號和序列方波信號中相同序列的脈沖信號獲取超聲波傳播時間差。

通過上述方法選擇合適的方波(比如第二方波、第三方波等等)作為首波，以選擇好的首波為第一方波，再選擇之后接收到的某一序列的方波為計算基準，發(fā)送端發(fā)送出此序列方波到接收端接收到次序列方波的時間就是超聲波的傳輸時間。

如圖6所示，為一個基于延遲環(huán)的高精度時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，延遲環(huán)中延遲單元的傳播時間延遲理論上為固定值τ，可把開始信號通道開始時間到首波信號通道接收到首波信號之間的間隔轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)字信號輸出。

下面將超聲波測速裝置應用到水表上為例來具體說明本發(fā)明實施例：

如圖5所示，超聲波水表中的計量原理，主要由水管中上下游兩個換能器和探頭組成，通過計算超聲波從上游傳播到下游探頭，及從下游傳播到上游的時間差，由多普勒效應通過時間差計算水流的實時流速，超聲波傳輸時間差Δt＝t_ab-t_ba，水流速為v，介質(zhì)中超聲波速為C，則計算可得：

所以對流速的測量轉(zhuǎn)化為對時間差的測量，為了計算準確兩次超聲波傳播的時間差，則需要以同一個脈沖序列為基準，為了準確識別這個脈沖，就必須準確識別超聲波的首波。

超聲波換能器102在收到開始信號START后發(fā)出超聲波正弦波，并開始計時，經(jīng)過offset值可調(diào)節(jié)的比較器104后轉(zhuǎn)化為方波信號，即計時停止(STOP)，經(jīng)過脈沖寬度檢測模塊105，計算hwp_firstwave和hwp_tof，將調(diào)解信號反饋給offset調(diào)整模塊，自動調(diào)節(jié)offset值，數(shù)字時間轉(zhuǎn)換模塊通過計算START信號中和STOP信號中同序列回波信號的時間差，確定超聲波飛行時間，再根據(jù)上面的公式獲取水流速。

本發(fā)明另一種實施例提供一種超聲波測速裝置的測速方法，超聲波測速裝置包括時間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊101、超聲波換能器102、補償調(diào)整模塊103、比較器104以及脈沖寬度檢測模塊105；

時間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊101的輸出端連接超聲波換能器102的輸入端，超聲波換能器102的輸出端連接比較器104的第一輸入端，比較器104的輸出端連接脈沖寬度檢測模塊105的輸入端和時間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊101的輸入端，脈沖寬度檢測模塊105的輸出端連接補償調(diào)整模塊103的輸入端，補償調(diào)整模塊103的輸出端連接比較器104的第二輸入端；

如圖7所示，該測速方法包括以下步驟：

步驟S201.時間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊向超聲波換能器輸出開始信號并開始計時。

步驟S202.超聲波換能器根據(jù)開始信號向比較器輸出超聲波正弦波信號。

步驟S203.比較器將超聲波正弦波與補償調(diào)整模塊輸出的第一補償信號進行比較后輸出方波信號。

步驟S204.脈沖寬度檢測模塊根據(jù)方波信號判定信號衰減率超過預設(shè)值時輸出補償調(diào)整信號給補償調(diào)整模塊。

步驟S205.補償調(diào)整模塊根據(jù)補償調(diào)整信號輸出第二補償信號給比較器。

步驟S206.比較器將超聲波正弦波與第二補償信號進行比較，以對方波信號進行過濾以獲取首波信號，并輸出首波信號與其后面的方波信號構(gòu)成的序列方波給時間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊。

步驟S207.時間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)開始信號和序列方波信號獲取超聲波傳播時間差。

其中，步驟S204具體包括：

步驟S2041.脈沖寬度檢測模塊根據(jù)方波信號獲取首波脈沖半波寬度和脈沖半波最大寬度；

步驟S2042.當判定首波脈沖半波寬度與脈沖半波最大寬度之間的比值低于預設(shè)值時，輸出補償調(diào)整信號。

其中，步驟S2041具體為：

脈沖寬度檢測模塊檢測到方波信號中方波信號的高電平時開始計數(shù)，檢測到低電平時停止計數(shù)，以獲取首波脈沖半波寬度和脈沖半波最大寬度。

進一步的，脈沖寬度檢測模塊包括電流源、多個電阻以及多個開關(guān)器件，電流源與多個電阻依次串聯(lián)，每一電阻并聯(lián)一個開關(guān)器件；

其中，步驟S205具體為：

補償調(diào)整模塊根據(jù)補償調(diào)整信號通過調(diào)節(jié)多個開關(guān)獲取第二補償信號。

其中，步驟S207具體為：

時間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)開始信號和序列方波信號中相同序列的脈沖信號獲取超聲波傳播時間差。

本發(fā)明實施例一種超聲波測速裝置的測速方法，根據(jù)補償信號和超聲波正弦波或得方波信號，對方波信號進行檢測，當?shù)谝环讲ǖ男盘査p率過大時，輸出補償調(diào)整信號給補償調(diào)整模塊，使補償調(diào)整模塊輸出調(diào)整后的補償信號，以對方波信號進行過濾并獲取首波信號，根據(jù)首波信號與其后面的方波信號構(gòu)成的序列方波可以準確判斷超聲波信號到來的時間，克服傳了統(tǒng)超聲波計量中對首波的不可靠檢測所造成的誤差。

本領(lǐng)域普通技術(shù)人員還可以理解，實現(xiàn)上述實施例方法中的全部或部分步驟是可以通過程序來指令相關(guān)的硬件來完成，的程序可以在存儲于一計算機可讀取存儲介質(zhì)中，的存儲介質(zhì)，包括ROM/RAM、磁盤、光盤等。

本發(fā)明實施例方法中的步驟可以根據(jù)實際需要進行順序調(diào)整、合并和刪減。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下做出若干等同替代或明顯變型，而且性能或用途相同，都應當視為屬于本發(fā)明由所提交的權(quán)利要求書確定的專利保護范圍。