用整零分测技术精确检测声传播时间

    0 引言

    在众多超声波仪器仪表中,都需要检测超声波从发送到接收过程中的传播时间。最常用的办法是采用直接时间差法[1-3],即在发送超声波的同时启动单片机或DSP等内部定时器,当接收到超声回波时停止定时器,读出定时器的定时值,即得到了超声波的传播时间。但这样的检测精度是很低的,为常用MCU或DSP等处理器内部定时器的时钟频率都只有几兆赫兹,市面上高速计数器的时钟频率最大也只有50MHz左右,所以直接时间差法的检测精度只能达到0102Ls(1/50 MHz)左右[4],这对于很多需要达到ns级甚至更高精度的检测应用来说不但达不到要求,而且设计高频时钟电路和选择高频器件也是一件困难的事情。另一种常用办法是采用相位差检测法[5],即检测超声回波与发射波的相位差,利用相位差与周期的关系换算出时间差。相位差的检测是用相位比较器完成,它将相位差线性转换为电压输出。假设声波频率为2MHz, 0~360b的相位差转换为0~10 V的电压,用12位的A/D转换器,这样理论时间检测精度可达到01122 ns,检测精度是比较高的。但这种方法也有一个缺点,就是它不能判断相位差是否超出了360b,从而导致测量范围相当窄,只能在360b以内。也有采用锁相技术[6]和循环检测方法[7]的,但这些测试系统不但硬件复杂,精度提高也不多。本文将提出的超声波传播时间的整零分测技术就可以克服前述方法的缺点,达到精确检测声传播时间的目的。

    1 超声波传播时间整零分测技术的基本原理

    可以设想这样一个例子:设有一511 Kg左右的东西,现需要将其准确称量至011 mg,该如何称量?众所周知,量程能达到511 Kg以上的称量工具,其精度却远远达不到011mg,这好比用直接时间差法测超声波传播时间;若用一个精度能达到011 mg的称量工具(如分析天平),可其量程一般都只有几百克,对几千克以上的东西就无法称量,这就好比用相位差法测超声波传播时间。对511 Kg左右的东西,若能想法将其中的5 Kg (整数部分)精确(至少精确到011 mg)分离出来,再用分析天平对剩下的011 Kg左右(零头部分)进行精确称量,最后二者相加,就是对整个东西的精确称量了,并且整体精度达到了011 mg,这就是整零分测的基本原理。

    对于一定重量的东西,要精确分出其整重部分,当然是很难的。但对于超声波的传播时间,精确分出其整数部分是可以实现的。

    如图1所示,声波的传播时间t等于传播时间的整数部分int (周期T的整数倍)与零头部分odd (周期T的小数倍)之和。而整数部分int可以通过对超声波所经历的整周期进行计数,再将计数值(设为N)乘周期T即可,即int=N#T。由于周期T可以确得到,故这样的分整精度是相当高的,其误差可忽略不计。对于零头时间odd,可通过相位差法进行高精度的检测。最后将前二者相加,就可得到声波传播时间的高精度结果。这就是声传播时间整零分测技术的基本原理。