一種基于ad轉(zhuǎn)換的超聲波傳達(dá)檢測方法

一種基于ad轉(zhuǎn)換的超聲波傳達(dá)檢測方法

1超聲波到達(dá)時段的檢測方法在測量超聲波技術(shù)的距離、流量、定位、液位、溫度等參數(shù)時，通常需要準(zhǔn)確測量介質(zhì)中超聲波的傳輸時間，并通過工程變換直接或手工測量進(jìn)行測量。傳輸時間是發(fā)射器發(fā)射的超聲波信號到達(dá)接收器的傳播時間,超聲波發(fā)射時刻可通過內(nèi)部同步信號、射頻信號產(chǎn)生。受傳輸介質(zhì)的密度、溫度、流動等因素的影響,對超聲波信號的衰減較大,采用傳統(tǒng)的閾值比較法的時間測量誤差較大?；谙嚓P(guān)函數(shù)和基于小波變換的檢測方法能夠在低信噪比條件下提高超聲波到達(dá)時刻的精度,但要求系統(tǒng)具有高速采樣率和實時處理能力。郭綱提出了在多徑環(huán)境下基于雙指數(shù)模型和倒譜方法的TOF(timeofflight)估計算法,該算法能抑制噪聲干擾,但存在運算量大、定位精度受采樣率影響等缺點。張興紅基于A/D采樣和直線擬合技術(shù),利用過零點兩側(cè)的采樣點實現(xiàn)超聲波到達(dá)時刻的高精度檢測,該方法精度較高,但該方法是基于超聲波最大幅度來確定超聲波到達(dá)時刻的,由于超聲波的最大幅度受接收角度、回波角度、發(fā)射或傳播介質(zhì)以及噪聲干擾的影響,最大幅度不是固定的。趙海鳴和段惠芳等人利用雙比較法(雙閾值法)提出了超聲波回波檢檢測方法,該方法相對單閾值方法精度較高,但也存在因接收信號幅度變化較大用固定閾值電壓去檢測超聲信號的到達(dá)時刻,誤差較大。在實際工程應(yīng)用中,影響超聲波接收信號的幅度因素較多,造成超聲信號的幅度變化較大,研究一種與接收信號幅度變化無關(guān)的超聲波到達(dá)時刻檢測方法具有實際應(yīng)用價值。本文利用A/D轉(zhuǎn)換技術(shù),基于超聲波接收信號波形特征,在超聲波形數(shù)據(jù)中找到超聲波形的上升階段的穩(wěn)定特征點,從而精確地確定超聲波到達(dá)時刻。2超聲波檢測周期的精確算法2.1超聲發(fā)射電路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以TI公司TMS320VC5402DSP為核心,原理框圖如圖1所示,圖(a)為發(fā)射器原理框圖,圖(b)為接收和采集電路原理框圖。圖1中,A/D轉(zhuǎn)換器采用TLV1562,4通道10b并行A/D轉(zhuǎn)換器,單路最高采樣率為4MSPS(millionsamplespersecond),信號輸入電壓范圍為0~5V。圖1(a)中,紅外與超聲同時發(fā)射信號,由于紅外以光速傳播,傳播時間可以忽略,因此,系統(tǒng)中用紅外信號作為接收同步信號,接收到紅外信號后開始采集超聲信號。圖1(b)中,A/D轉(zhuǎn)換器TLV1562配置為雙通道模式,分別處理超聲和紅外信號。紅外和超聲發(fā)射均采用脈沖驅(qū)動,紅外脈沖采用窄脈沖,脈沖寬度范圍為5~10μs,驅(qū)動電路采用三極管電流驅(qū)動,采集電路通過A/D轉(zhuǎn)換器對紅外采樣,DSP通過判斷紅外脈沖接收數(shù)據(jù)的中心位置,確定紅外的到達(dá)時刻,將該時刻作為超聲信號計時的基準(zhǔn)。超聲發(fā)射電路采用脈沖變壓器驅(qū)動,超聲脈沖寬度為超聲信號周期的一半。在進(jìn)行多次測量時,DSP通過A/D轉(zhuǎn)換器獲得超聲信號的幅度,后續(xù)測量時,根據(jù)幅度對超聲電路的增益進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整,避免接收到的信號出現(xiàn)飽和失真或信號太小(信噪比低)。2.2超聲到達(dá)時段的確定本算法基于圖1所示的采集系統(tǒng),發(fā)射器同時發(fā)射超聲和紅外信號,超聲波信號頻率為40kHz,接收器接收到的紅外信號為單脈沖信號,接收到超聲波信號點典型波形如圖2所示。在超聲傳感器靈敏度確定的前提下,接收到的波形受發(fā)射信號的入射角度不同,受激振動到達(dá)最大峰值的時間不同,圖2給出2種典型的超聲波信號,圖(a)為6個周期達(dá)到最大峰值的超聲波形圖,峰峰值約為2.7V,圖(b)為5個周期達(dá)到最大峰值的超聲波形圖,峰峰值約為1.6V。接收到的超聲波信號的幅度及波形特征受超聲波傳播距離、溫度、濕度以及接收角度影響較大。傳統(tǒng)的單閾值和雙閾值比較法判斷超聲波到達(dá)時刻僅依據(jù)信號幅度進(jìn)行判斷,設(shè)置固定的電平,當(dāng)接收到的信號超過該電平時,則認(rèn)為超聲波到達(dá),信號幅度不同,其到達(dá)時刻也不同。顯然,信號幅度直接決定了超聲波到達(dá)時刻的檢測精度,而實際應(yīng)用中,很難保證超聲波信號的幅度保持不變,如圖2中的超聲信號波形,因此,單閾值和雙閾值比較法無法實現(xiàn)超聲波到達(dá)時刻的高精度檢測。由于采用固定閾值判斷超聲信號到達(dá)受信號幅度影響較大,本文采用動態(tài)閾值來判斷超聲波的到達(dá),基本思想是搜索存儲在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)的超聲信號的最大幅度(峰值),按照最大幅度的某一比例確定超聲信號到達(dá)的判決門限電平,由于接收到的超聲信號幅度受溫度、角度、距離等因素的影響,最大幅度是變化的,因此判決門限電平也是隨最大幅度變化而變化,即為動態(tài)閾值。由于超聲波信號波形變化較大,如幅度、振動波形變化,采用固定比例的門限電平會出現(xiàn)超過一個超聲波周期甚至更大的誤差,如圖2中2個典型超聲波形,若采用相對各自信號最大幅度相同的比例,就會出現(xiàn)一個周期的誤差,因此,確定動態(tài)閾值的比例是問題的關(guān)鍵。在圖2中,每個超聲波周期的峰值點用“□”表示,圖中“*”表示每個周期峰值點相對前一周期的變化值(相當(dāng)于速度變化)。由于第1個周期超聲信號幅度較小,且變化較小,特征不明顯。第2個周期超聲信號特征明顯,本文將通過檢測第2個周期的超聲信號來實現(xiàn)超聲波到達(dá)時刻的檢測。圖2(a)中變化最大的峰值為第4個周期的峰值,變化最小的峰值點為第1個周期的峰值和最大峰值處,圖2(a)中的波形到達(dá)最大峰值處需要經(jīng)過6個周期,可以推算出第1個峰值小于最大峰值的1/6,而第2個周期峰值大于最大峰值的1/6,因此,設(shè)置最大峰值的1/6作為超聲波到達(dá)時刻的門限電平。同理,圖2(b)中的波形到達(dá)最大峰值處需要經(jīng)過5個周期,可以推算出第1個峰值小于最大峰值的1/5,而第2個周期峰值大于最大峰值的1/5,因此,設(shè)置最大峰值的1/5作為超聲波到達(dá)時刻的門限電平。一般規(guī)則為:若超聲波振動到最大峰值的需要Nh個周期(含最大值周期),最大峰值為Vmax,則設(shè)置門限電平值Vth=Vmax/Nh,如在圖2(a)中Nh=6,圖2(b)中Nh=5。超聲波門限電平確定后,對于圖2中的波形,利用各自門限電平即可確定超聲波的第2個周期觸發(fā)門限電平。定義第2個周期后的第1個過零點作為超聲波到達(dá)時刻,利用過兩點前后的2個采樣數(shù)據(jù),通過直線擬合的方法便可計算出超聲波的到達(dá)時刻。設(shè)A/D轉(zhuǎn)換器的采樣周期為TS,采樣頻率為fs,超聲波信號頻率fC=40kHz。以圖2給出的超聲信號波形為例,闡述超聲波到達(dá)時刻的精確檢測算法。檢測算法的基本過程如下:1)DSP收到紅外同步信號后,連續(xù)采集并存儲超聲信號,存儲空間為Buf;2)在整個超聲信號存儲空間搜索,找到每個超聲波周期的峰值點,在圖3中用“□”表示,并開辟空間Bhigh存儲每個峰值點的數(shù)值和其在存儲空間的地址;3)在Bhigh內(nèi)搜索,找到超聲波信號的最大值點,記為Vmax,其地址記為Vmaxad;4)在Bhigh內(nèi)搜索,到達(dá)最大值點有幾個峰值點,峰值點數(shù)記為Nh(含最大值周期)。如在圖2(a)中Nh=6,圖2(b)中Nh=5。執(zhí)行本步驟操作時,考慮到噪聲的存在,在Bhigh內(nèi)搜索時要求峰值大于某一噪聲電平,提高算法的穩(wěn)定性;5)設(shè)置門限電平值Vth=Vmax/Nh,在Buf內(nèi)搜索第一個大于Vth的峰值點,記為Vcom,如圖3所示;6)在Buf存儲空間內(nèi),自Vcom向后搜索得到第1個過零點前后2個采樣點,用P1、P2表示,保存2個采樣點的數(shù)值和存儲地址,分別記為V1、V2和AD1、AD2,其中AD2=AD1+1。用時間表示P1(t1,V1)、P2(t1+TS,V2),其中t1=AD1·TS,V1>0,V2<0,如圖4所示,圖4中P0為實際信號的過零點;7)定義通過P1、P2兩點的直線與時間軸的交點為超聲波到達(dá)時刻,記為tcom。利用P1、P2兩點的采樣值和存儲地址,采用直線擬合方法可得:通過步驟1~7,僅通過對存儲空間的搜索及簡單的計算,便可檢測到超聲波到達(dá)時刻tcom。圖3中,已知TS=1/680KSPS=1.470588μs,通過上述步驟,計算得到tcom=998.8649、TS=1468.91897μs。2.3超聲信號的正弦波和第1個周期波形由式(2)可知,超聲波傳播時間tcom與P1的存儲地址、V2/V1及系統(tǒng)的采樣率決定。由于V1和V2引起的誤差具有相同性質(zhì),通過二者相除(即V2/V1),由此引起的tcom誤差可以抵消,下面僅對P1的存儲地址和A/D采樣率引起的誤差進(jìn)行分析。為分析簡便,將超聲信號用正弦波的第1個周期波形表示,如圖5所示。過零點前后2個相鄰采樣點P1、P2表示成位移P1(x1,V1)、P2(x2,V2),經(jīng)過P1、P2兩點的直線與x軸的交點為P(x,0),定義為計算得到的過零點。為計算分析簡便,假設(shè)實際過零點的坐標(biāo)P0(π,0),可知π-2πfTs≤x1≤π,π≤x2≤π+2πfTs,其中Ts為采樣周期。根據(jù)式(2),可得:因為P1,P2同時也為超聲信號曲線(圖5中的正弦波形)上的點,可得:將式(4)、(5)代入到式(3)中,可得:根據(jù)式(6)計算得到的過零點與實際過零點的誤差為:3超聲波到達(dá)+測試若超聲信號頻率為fc=40kHz,設(shè)采樣率fs=N·fc,N為整數(shù)。當(dāng)N∈,x1∈[0,π],根據(jù)式(7)得到Δ隨采樣周期Ts和x1變化的曲線,如圖6所示。從圖6可知,本文提出的算法精度較高,當(dāng)N=4時,誤差Δ小于0.3μs,當(dāng)N=7時,則誤差Δ小于50μs,可見本文提出的檢測算法精度較高,且隨著采樣率的增加,誤差逐漸減小,精度逐漸增高。過零點前一采樣點P1距離過零點距離為π、π/2、0時誤差Δ為0。采用圖1所示的超聲信號采集系統(tǒng),超聲信號頻率為fc=40kHz,環(huán)境溫度為15℃,則聲速為340m/s,發(fā)射器距離接收器的距離d=1m,經(jīng)校準(zhǔn)后,超聲實際傳播時間為t0=2941.17647μs,當(dāng)N=4、5、6、7、8時,利用上述超聲波達(dá)到時刻檢測算法,每種采樣率檢測10次求平均,測試出的傳播時間tcom及誤差如表1所示。從表1可知,誤差Δ隨采樣率增高逐漸降低,與圖6誤差分析曲線相符。表1中,N=4時誤差最大,其對應(yīng)的距離誤差僅為0.0773mm,驗證了本文所提出的算法具有較高的檢測精度。采用本文提出的超聲波到達(dá)時刻的檢測方法,開發(fā)了超聲波二維定位系統(tǒng),該系統(tǒng)的工作原理如圖7所示。圖中A、B為超聲波接收器,S為兩接收器的距離,L、R分別為信號筆距離接收器A和接收器B的距離,該定位系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)對信號筆的實時定位與跟蹤。在圖7中,信號筆同時發(fā)射超聲波信號和紅外信號,由于紅外信號傳播時間可以忽略,系統(tǒng)以紅外信號作為時間基準(zhǔn),接收器接收到紅外信號后開始采集超聲波信號,根據(jù)采集到的數(shù)據(jù),利用本文算法,分別檢出測電子筆發(fā)射的超聲波到達(dá)接收器A和接收器B的時刻,進(jìn)而得到電子筆到達(dá)接收器A和接收器B的傳播時間,傳播時間乘以超聲波傳播速度,可得到距離L和距離R,在已知接收器A和B之間距離S的情況下,相當(dāng)于已知接收器A、接收器B和信號筆組成的三角形的三邊,根據(jù)三角形原理,可以計算出信號筆的位置,實現(xiàn)對信號筆的定位。為測試本文算法的檢測精度,二維定位系統(tǒng)與投影機構(gòu)成交互控制系統(tǒng)(交互電子白板),定位系統(tǒng)兩接收器之間距離S=14cm,超聲信號采樣頻率為200KSPS(N=5)。投影機將電腦屏幕上的“米字格”圖案(圖案畫板分辨率為65536×65536)投影在定位系統(tǒng)的工作板面上(白板),屏幕分辨率為1024×768,投影尺寸為78英寸(對角線長度1981.2mm,高1188.7mm,寬1585.0mm),投影板面上每個像素的大小為1.55mm×1.55mm,用信號筆在點擊投影面上“米字格”的中心位置,定位系統(tǒng)確定信號筆位置后,用黑色墨跡顯示在電腦屏幕上,如圖8所示。在整個投影面上共點擊80個點,每個定位點檢測10次,對比各點超聲傳播時間的測量誤差,得到的最大誤差小于0.15μs,比表1中N=5時的誤差略大一些,主要原因為信號筆距離接收器較遠(yuǎn)和偏離接收器軸線角度較大時,超聲信號信噪比降低造成的。80個定位點定位結(jié)果如圖9所示,從圖中可知,80個定位點與“米字格”中心一致,定位點的誤差均小于1個像素(實際誤差小于0.05m