时差式超声测量回波信号处理研究.pdf

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1、34传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)2012年第3l卷第12期时差式超声测量回波信号处理研究木成俊，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)摘要：研究了一种软、硬件结合的时差式超声测量回波信号处理方法。分析介绍了系统的硬件组成和实现方法，概述了软件设计流程与主要功能。超声回波信号调理模块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。利用现场可编程门阵列(

2、FPGA)的可编程特性设计了数字信号处理模块，得到过零比较信号和阈值比较信号，从而锁定回波到达时刻。关键词：超声测量；回波信号处理；信号调理；阈值比较中图分类号：TP814文献标识码：A文章编号：1000-9787(2012)12--0034--04Studyofechosignalprocessingfortime-diferencingultrasonicmeasurementCHENGJun，ZHANGJin，WANGBo—xiong(StateKeyLaboratoryofPrecisi

3、onMeasurementTechnologyandInstruments，DepartmentofPrecisionInstrumentsandMeehanology，TslnghuaUniversity，Beijing100084，China)Abstract：Anechosignalprocessingmethodcombiningsoftwareandhardwarefortime-differencingultrasonicmeasurementisstudied．Thehardwar

4、econstitutionandrealizationmethod，thesoftwaredesignprocedure，andthemajorfunctionsofthesoftwarearedescribed．Anultrasonicechosignalconditioningmoduleextractsoriginaluhrasonicwavesignalfromthereceivingtransducerandconvertsitintoastableechosignalwhichise

5、asytoprocessbythefollow—upprocessingcircuit．ByusingprogrammablepropertyofFPGA，digitalsignalprocessingmoduleisdesigned，withwhichthezero—crossingcomparisonsignalandthethresholdcomparisonsignalareobtainedtolockupthearrivingtimeofechosigna1．Keywords：ultr

6、asonicmeasurement；echosignalprocessing；signalconditioning；thresholdcomparison0引言本文针对时差式超声流量测量回波信号处理，提出一针对我国重点行业中工业过程控制对流量传感器的迫种软件与硬件、模拟电路和数字电路相结合的超声回波信切需求，科技部在国家高技术研究发展计划(“863”计划)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典型行业高性能传感器专项中提出了“过程控

7、制流量传感的定位精度。器及系统”重点课题，主要研究和解决电磁流量传感器、超1时差式超声测量原理声流量传感器、科氏质量流量传感器的高性能、高稳定、工程典型时差式超声流量系统原理如图1所示，一对超声化及规模化生产与应用等关键技术。其中，超声传感器系统换能器交互发射／接收超声波，通过测量超声传播路径上顺部分将超声回波到达时刻定位研究列为重点工作之一。流和逆流超声波飞行时间差得到流体流速，从而积算出超声回波到达时刻定位涉及到超声回波处理的整个过体积流量。程，而超声回波到达时刻的定位方法是关键。目前，超声

8、回设流体流速为／t，超声波的静止传播速度为C。，管径为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D，换能器间距离为L，0为管道轴线与声道之间的夹角，则路或者采集回波信号后通过软件计算实现，已有相对成熟超声在2个换能器间传播时间t，t的方法。要提高超声回波到达时刻定位精度，需加强整个D⋯—co+u—cos0；，()超声回波处理系统的研究。收稿日期：2012-07-10基金项目：国家“863”计划典型行业高性能传感器专项重点课题资助项目(2008AA042207)第12期成俊，等：时差式超声