[发明专利]一种自适应超声波的回波信号检测电路

说明书

本发明公开了一种自适应超声波的回波信号检测电路，前置通道电路对接的回波信号进行放大和滤波处理，主通道电路进行再放大处理、过零比较，产生包含干扰脉冲在内的主通道信号；辅助通道电路预接收信号进行峰值检波并按照一定比例衰减得到比较电平，正式接收信号与比较电平进行触发比较，产生第一脉冲串信号，并依据其第一个脉冲的下降沿，产生选通信号与主通道信号进行与操作，输出第二脉冲串信号触发计时模块停止计时得到时间差。本发明采用峰值检波电路并配合连续两次收发信号的工作模式，动态跟踪预接收信号并灵活调整比较电平，解决了脉冲串跳波问题；此外，选通信号的作用，避免了主通道噪声脉冲对时间测量的影响，主通道采用过零比较器，解决脉冲串在四分之一周期内发生相位超前或滞后的问题。

技术领域

本发明属于超声波气体流量测量技术领域，更为具体地讲，涉及一种自适应超声波的回波信号检测电路。

背景技术

近年来，超声波气体流量测量技术得到飞速发展，带动了超声波气体流量计产业的快速发展。超声波气体流量计相对传统流量计有着测量范围广、精度高、稳定性强等诸多优点，非常适用于工业及民用级气体测量。

基于时差法的超声波气体流量计，其瞬时流量的精度主要取决于测量回波信号时间的精度。在超声波气体流量测量中，随着气体流速的不断增强以及管道流场不均匀等因素，接收的回波信号会受到不同程度的衰减。电路系统在不同气流下，如何准确的检测第n波回波信号，从而测得回波时间，是超声波流量计的一个关键技术。

超声波收发传感器，通常采用正逆压电式效应原理设计而成。其工作系统是一个谐振系统，因此在外部激励信号的作用下，接收波形呈现为冲激震荡的谐振波形，如图1所示。由图1可知，共震荡频率为超声波传感器固有工作频率，其震荡幅度呈现出逐渐上升，当幅值达到最大值后，又逐渐减小的特点。

精确测量接收的回波信号的到达时刻，通常需要将传感器接收的调幅震荡波通过比较器，转换成矩形脉冲波信号。如果接收的回波信号中的每个正弦波都参与比较触发，则通过比较器后的接收的回波信号是矩形脉冲串，如图2所示。此时，若将超声波接收端的第一个接收回波到来的时刻作为回波时间设为Δt，则第二个接收回波的传输时间为Δt+T₀，第三个接收回波的传输时间为Δt+2T₀，…，第k个接收回波时间为Δt+(k-1)T₀。其中，k正整数，T0为接收的回波信号的周期，超声传感器的固有震荡周期。

为了精确得测量接收的回波信号的传输时间，设置接收波的比较电平从而确定从第几个回波上获取到达时间的参数点是非常重要的。当比较电平固定不变时，接收回波的幅度发生变化将会带来两个问题：一是，信号幅度变化引起发生跳波现象，如图3(a)、(b)、(c)所示；二是，即便不会发生跳波现象，但幅度上升变化的陡峭程度会超前或者滞后一个Δt'，如图4所示。

由图3可知，当接收的回波信号的幅度发生较大变化时，将会发生脉冲串的跳波现象。此时，比较电平由原来的第二个接收波，落在了第一个或者第三个接收波上。跳波现象造成的严重后果是，检测到的传输时间发生粗大误差。粗大误差值为周期T₀的整数倍，这是高精度超声波气体流量计不允许发生的状况。

当接收的回波信号幅度变化较小时，虽然输出脉冲串不会发生严重的跳波现象，但是接收的回波信号的幅度仍会造成正弦波斜率的小幅度变化，这使得脉冲串在正弦波幅度递增的区间(四分之一周期)内发生少许相位超前或者滞后，直接造成回波检测时间误差Δt'。当接收的回波信号幅度增大时，脉冲串发生超前Δt'，如图4(a)所示；当接收的回波信号幅度减小时，会发生脉冲串滞后Δt'，如图4(b)所示。回波检测时间发生超前或滞后的时间Δt'要远小于跳波造成的影响，但在高精度时间测量中仍然不能忽略这个问题。

综上，在现有超声波气体流量测量技术中存在脉冲串跳波问题以及脉冲串在四分之一周期内发生相位超前或滞后的问题。

发明内容