时差式超声测量回波信号处理研究*

成 俊，张 金，王伯雄

(清华大学精密仪器与机械学系精密测试技术及仪器国家重点实验室，北京100084)

0 引言

针对我国重点行业中工业过程控制对流量传感器的迫切需求，科技部在国家高技术研究发展计划(“863”计划)典型行业高性能传感器专项中提出了“过程控制流量传感器及系统”重点课题，主要研究和解决电磁流量传感器、超声流量传感器、科氏质量流量传感器的高性能、高稳定、工程化及规模化生产与应用等关键技术。其中，超声传感器系统部分将超声回波到达时刻定位研究列为重点工作之一。

超声回波到达时刻定位涉及到超声回波处理的整个过程，而超声回波到达时刻的定位方法是关键。目前，超声回波到达时刻的定位主要是将超声回波经过处理后利用比电路或者采集回波信号后通过软件计算实现，已有相对成熟的方法。要提高超声回波到达时刻定位精度，需加强整个超声回波处理系统的研究。

本文针对时差式超声流量测量回波信号处理，提出一种软件与硬件、模拟电路和数字电路相结合的超声回波信号到达时刻定位方法，来实现回波信号的自适应跟踪锁定，避免定位误差和误触发与漏触发，提高超声回波到达时刻的定位精度。

1 时差式超声测量原理

典型时差式超声流量系统原理如图1所示，一对超声换能器交互发射/接收超声波，通过测量超声传播路径上顺流和逆流超声波飞行时间差Δt得到流体流速，从而积算出体积流量［1，2］。

设流体流速为u，超声波的静止传播速度为c0，管径为D，换能器间距离为L，θ为管道轴线与声道之间的夹角，则超声在2个换能器间传播时间t1，t2

图1 时差式超声测量原理图Fig 1 Principle diagram of time-differencing ultrasonic measurement

由此推算出时间差

一般情况下，在水流体中被测流体流速要远远小于声速，从而有u2≪c20，式(3)可简写为

则由式(4)可知流体流速为

由于式(5)中含有声速c0，而温度的变化会导致声速的变化，从而大大影响测量精度，为此，对式(1)和式(2)进行变换可得

从而可以得到超声波传播路径上的线平均流速

由式(7)可以看出:u只和超声波在顺逆流的飞行时间差有关，而和声速c0、液体组分、温度、压力等无关，减小了环境条件变化对测量精度的影响。

发射脉冲开始时同步给出回波飞行时间前沿起点，接收回波达到一定强度时得到回波飞行时间后沿终点，前后沿之间的时间间隔为回波飞行时间。如图2所示，T1为精确的回波飞行时间，T1'为实际测得的回波飞行时间，T1与T1'之间总是存在测量误差［3］。

超声发射脉冲一般是信噪比较高的规则波形，计时启动时刻很容易确定。而由于压电换能器的谐振特性和流体传播介质的干扰噪声，接收回波信号到达时刻的定位却非常困难，是领域内的一个长期研究课题［4］，也是引起回波飞行时间测量误差的一个重要因素。

设计高性能信号调理电路，与接收换能器阻抗完全匹配，从复杂噪声背景中识别出由发射换能器经流体介质传导过来的超声回波信号，并经自动增益控制(auto gain control，AGC)电路将回波幅值稳定在一定范围内。将信号调理模块输出的信号经高速、高精度采样模块转换成数字信号，并通过数字检波技术检出回波信号的第1峰值点、第2峰值点、第3峰值点，用以判定回波确实到达，避免误触发。基于回波信号的整体包络线形状不变的特点，对峰值检波得到的第1峰值点和第2峰值点做均值处理，得到跟随回波前沿峰值包络变化的阈值，利用该阈值作为触发阈值，检测该触发时刻之后的负过零点，将测得的回波飞行时间减去2个固定周期，就得到待测回波飞行时间，系统组成框图如图3所示。

图2 阈值比较法测量原理Fig 2 Measurement principle of threshold comparison method

图3 回波信号到达时刻判断组成框图Fig 3 Constitution block diagram of echo signal arriving time judgement

2 系统硬件设计

超声回波信号调理模块用于提取从接收换能器得到的原始超声波信号，并转换成后续处理电路易于处理的稳定回波信号。信号调理模块组成框图如图4所示。

图4 信号调理模块组成框图Fig 4 Constitution block diagram of signal conditioning module

压电超声换能器将接收到的机械能转换成电能，产生一个微弱的回波信号，其幅值约为10～20 mV，而换能器的阻抗却高达106Ω以上，因此，需要高输入阻抗的放大器与之匹配。选择低噪、高速运算放大器AD8021作为前置放大器。AD8021的高输入阻抗、宽带、低噪声放大特性使得前置放大电路能从噪声背景中识别出超声回波信号。

实现高Q值带通滤波有很多种电路形式，为降低功耗，减小带宽，提高Q值，设计无源RLC滤波电路，电路等效模型如图5所示。

采用双AD603设计一种低噪声串联型AGC自动增益放大电路［5］，用于超声回波信号幅值的自动控制，电路原理如图6所示。通过选择合适的分压电阻R5，R6，R7使得两片AD603的管脚2电压相差1 V，当管脚1的电压逐渐升高时，第一片AD603会首先起到增益调节作用，待第一片AD603达到最大增益时，第二片AD603开始起增益调节作用。管脚1为输出取样电压，有效调节范围为5～7 V。

图5 高Q值带通滤波电路等效模型Fig 5 Equivalent model of high Q band-pass filtering circuit

图6 双AD603串联型AGC电路Fig 6 Dual AD603 series AGC circuit

以高速高精度AD876和THS5651为核心设计高速高精度A/D采样电路，用于实现回波信号高速不失真采样和自适应阈值的模拟［6］。AD876是+5 V单电源供电，CMOS，低功耗，10 bit，20 MSPBSA/D转换器，采用当前最流行的流水线(pipelined，or subranging，multistage，multistep)结构，级联4级3 bit Flash式ADC对信号进行转换，内置输出校正逻辑，确保工作过程中无失码。THS5651是低功耗、CMOS型10 bit电流型D/A转换器，将经均值运算后得的自适应数字阈值转换为模拟阈值，触发后续特征点比较电路。

对超声脉冲信号进行阈值和过零比较，若元器件选择不当，将会出现畸变和延时。本文采用超快速比较器MAX903设计超声回波信号比较电路。

3 系统软件设计

超声回波信号经信号调理模块预处理后，一路送高速高精度A/D采样电路转换成数字信号，由现场可编程门阵列(FPGA)检出回波包络前沿峰值点，计算出随幅值波动的自适应阈值;一路送快速比较电路进行过零比较和阈值比较。阈值比较与过零比较结果经软件运算后检出回波到达时刻，主程序流程如图7所示。

硬件平台选用Xilinx公司Virtex®—5 LX110T ML505实验开发板。软件设计平台ISE(integrated software environment)12.0具有电路原理图，ABEL，Verilog-HDL，VHDL硬件描述语言输入方式，并支持硬件描述语言和原理图的混合编程方式。利用ISE系列开发工具可以完成Xilinx FPGA/CPLD主流产品的设计输入、编译、功能仿真、时序仿真优化和设计文件下载等功能。

图7 回波信号到达时刻处理主程序流程图Fig 7 Main program flow chart of echo signal arriving time processing

软件主要完成分频、时序产生、超声波触发脉冲形成、A/D采样、峰值检出、自适应阈值运算、D/A转换、回波到达时刻判定等功能。

4 实验结果

通过设计时差式超声测量系统，对超声测量回波信号处理系统进行实验，不同工况的实验结果如图8和图9所示。

图8 回波信号到达时刻示意图1Fig 8 Schematic diagram 1 of echo signal arriving time

实验结果表明:本文中超声测量回波信号处理技术能够跟踪回波幅值波动，给出自适应阈值，并锁定回波到达时刻，具备一定的适应性，当模拟不同工况改变介质流动状态时仍能正常工作。

图9 回波信号到达时刻示意图2Fig 9 Schematic diagram 2 of echo signal arriving time

5 结束语

采用软硬件相结合的技术措施，基于回波幅值波动但包络形状一定的特征，剔除了瞬时大幅值干扰引起误触发和大气泡等阻断声程引起的漏触发。由FPGA锁相稳频技术提供超声触发脉冲，结合阈值和过零比较，通过回波脉冲过零点来确定信号到达时刻，消除了相位误差，能实现回波信号到达时刻的准确定位，为飞行时间测量提供可靠的终止边沿。

［1］肖 海，王亚非，高椿明.基于FPGA的时差法超声波流量计的设计［J］.传感器与微系统，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 艳，王润田，梁鸿翔.声时测量精度的主要影响因素分析［J］.声学技术，2008，27(2):210-213.

［4］张 涛，蒲 诚，赵宇洋.传播时间法超声流量计信号处理技术进展述评［J］.化工自动化及仪表，2009，36(4):1-7.

［5］张 金.电子系统设计基础［M］.北京:电子工业出版社，2011:50-59.

［6］王跃科.现代动态测试技术［M］.北京:国防工业出版社，2003:152-155.