介紹了一種準(zhǔn)確計算超聲波傳播時間的方法———自適應(yīng)雙門限觸發(fā)法。該方法是對雙門限觸發(fā)法的改進，使用 AD 采樣得到接收信號最大峰值之前的每個峰值電壓，通過單片機計算處理，計算出合適的觸發(fā)電平。根據(jù)接收信號包絡(luò)幅值變化，實時控制觸發(fā)電平，有效地避免了因為信號包絡(luò)幅值劇烈變化而誤觸發(fā)的現(xiàn)象。

超聲波流量計具有不擾亂流場、無可動部件、無壓力損失 測量精度高 性能穩(wěn)定可靠及測量范圍寬等特點，廣泛應(yīng)用于流體流量的測量。超聲波流量計按測量原理分為時差法、多普勒效應(yīng)法、相關(guān)法及波普偏移法等，其中時差法應(yīng)用最廣泛。

時差法超聲流量計的關(guān)鍵在于精確地測量超聲波在流體中順逆流傳播的時間差。在實際的超聲波流量計中，發(fā)射信號一般是信噪比較高的方波，計時開始時刻容易確定; 而接收信號時，由于超聲換能器的諧振特性并且超聲傳播過程中存在衰減和噪聲干擾，精確判斷接收信號的到達(dá)時刻比較困難，從而制約著測量精度的提高。

雙門限電平觸發(fā)法是一種確定信號到達(dá)時刻的檢測方法。雙門限電平觸發(fā)原理概括為“前沿檢測與特征點觸發(fā)定時”。在原理上，雙門限電平觸發(fā)法既消除了噪聲電平的影響，也消除了相位誤差。但是，在實際應(yīng)用時雙門限電平觸發(fā)法還存在著不足之處。由于衰減作用和流動噪聲的干擾，特別是在進行氣體流量測量時，接收信號的幅值波動很大，雖然使用自動增益控制電路( AGC)可有效地壓縮信號幅值的波動范圍，使信號基本保持穩(wěn)定，但是因為接收信號的包絡(luò)發(fā)生較大變化，而門限電平為固定電壓值，很易發(fā)生誤觸發(fā)。因此筆者提出一種測量接收信號的實際幅值對觸發(fā)電平進行實時控制的方法———自適應(yīng)

雙門限觸發(fā)法。

1 .方法原理

圖 1 為雙門限電平觸發(fā)法示意圖。該方法預(yù)先設(shè)定一個觸發(fā)電平，當(dāng)接收信號幅值達(dá)到此電平時給出觸發(fā)允許，當(dāng)信號到達(dá)特征點時，作為信號的到達(dá)時刻。圖 1 中的特征點選為觸發(fā)點之后的第一負(fù)過零點。超聲傳播通道的衰減作用和噪聲干擾通常會造成超聲信號形狀畸變，故特征點一般選擇那些被認(rèn)為不易受波形變化影響的位置，如過零點或峰值點等，這樣可以避免因為信號幅值變化而引入相位誤差。圖 1 中發(fā)射信號為脈沖信號，接收信號為棗核形包絡(luò)的一簇正弦波信號，雙門限法的第一門限為觸發(fā)電平，作用是消除噪聲電平的影響。第二門限為過零電平，與接收信號進行比較，起到過零檢測的作用，可以有效地消除相位誤差，提高傳播時間測量的準(zhǔn)確性。

自適應(yīng)雙門限觸發(fā)法是跟隨接收信號包絡(luò)變化實時改變觸發(fā)電平的方法，可減少錯波現(xiàn)象的發(fā)生。自適應(yīng)雙門限觸發(fā)法的關(guān)鍵是準(zhǔn)確計算適當(dāng)?shù)挠|發(fā)電平。采用在兩個連續(xù)峰值之間取值的方法來計算觸發(fā)電平。這兩個連續(xù)峰值的選取基于以下兩個原則: 能夠更有效地消除噪聲電平的影響; 兩個峰值之間有較大電壓差值，并且在包絡(luò)發(fā)生變化時，兩個峰值電壓的幅度相對穩(wěn)定。通過進行大量實驗發(fā)現(xiàn)，在所檢測到的正弦波簇中，第二個和第三個峰值滿足條件。所以，首先需要測量這兩個峰值( 目標(biāo)峰值) ，然后才能通過計算得到適當(dāng)?shù)挠|發(fā)電平。

在設(shè)計中，使用峰值保持電路對信號進行峰值保持，同時對峰值信號進行高速 AD 采樣，然后在單片機中對數(shù)據(jù)進行處理，得到目標(biāo)峰值電壓。

有兩種峰值保持電路，一種電路允許接收信號全部通過，稱為峰值保持電路 1。接收信號經(jīng)過此電路后，能夠獲得正弦波簇的包絡(luò)頂點前的全部峰值信號，如圖 2 所示。在發(fā)射激勵脈沖信號后，開始對峰值保持電路 1 的信號進行高速 AD 采樣，能夠獲得正弦波簇中最大峰值前的每個峰值的電壓值，即圖 2 中的 Ua0  ～ Ua7 。另一種電路控制接收信號部分通過，稱為峰值保持電路 2。接收信號經(jīng)過此電路后，能夠獲得正弦波簇的包絡(luò)最大值前的部分峰值信號，如圖 3 所示。在設(shè)計中，此電路使用了 3 個，分別用來保持接收信號中的連續(xù) 3 個峰值。在接收信號通過之后，對3個峰值保持電路2 的信號依次進行 AD 采樣，能夠分別獲得觸發(fā)電平后 3 個峰值的電壓值，即3中的 Ub1 、Ub2 、Ub3。

在雙門限觸發(fā)法中，峰值保持電路采用的只是峰值保持電路 1。這種方法在自適應(yīng)雙門限觸發(fā)法的使用中存在缺點，當(dāng)圖 2 中正弦波簇中的正弦波數(shù)量發(fā)生變化或者包絡(luò)最大值附近峰值幅度產(chǎn)生飽和時，在對信號進行高速 AD 采樣得到的數(shù)據(jù)中準(zhǔn)確找到目標(biāo)峰值比較困難。因此，為了在峰值保持電路 1的信號采樣得到的數(shù)據(jù)中找到目標(biāo)峰值，增加了3 路峰值保持電路2作為判斷依據(jù)。

每次接收信號經(jīng)過 3 路峰值保持電路 2，能夠獲得圖 3 中峰值 Ub1 、Ub2 、Ub3 對應(yīng)的3個電壓值，同時，峰值保持電路 1 的信號中也包含這 3 個值。Ub1 、Ub2 、Ub3 能夠為在峰值保持電路1 的信號中找到目標(biāo)峰值提供判斷依據(jù)。把 Ub1、Ub2 、Ub3對應(yīng)的電壓值與峰值保持電路 1 的信號高速 AD采樣得到的數(shù)值進行比對，就能在其中找到對應(yīng)的數(shù)值，其中圖 3 中的峰值 Ub1 、Ub2 、Ub3 即對應(yīng)圖2 中目標(biāo)峰值 2 的電壓值 Ua3 、Ua4 、Ua5 ，繼而在峰值保持電路 1 的信號 AD 采樣值中往前遞推找到目標(biāo)峰值 1 對應(yīng)的電壓值 Ua2 ，這樣就找到了這兩個目標(biāo)峰值 Ua2 和 Ua3 

找到兩個目標(biāo)峰值，通過加權(quán)平均法計算出觸發(fā)電平，轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的數(shù)字電位器控制碼，控制數(shù)字電位器的阻值，根據(jù)電阻分壓的原理，對下一次測量時接收信號到來前的觸發(fā)電平進行調(diào)整，使其始終保持在兩個目標(biāo)峰值之間。

2.設(shè)計實現(xiàn)

超聲流量計測量系統(tǒng)主要包括微處理器模塊( MSP430F249) 、計時模塊( TDC-GP21) 、脈沖發(fā)射與切換模塊、接收切換與信號處理模塊、液晶顯示及存儲器等外圍模塊，其結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。計時模塊所采用的高分辨率測時芯片 TDC-GP21，測量精度可達(dá) 22ps，保證了時間測量的精度要求。

自適應(yīng)雙門限觸發(fā)法的實現(xiàn)流程如圖 5 所示。通過脈沖發(fā)射與切換模塊輪流對換能器 A和 B 發(fā)射激勵脈沖信號。

接收切換與信號處理模塊一方面負(fù)責(zé)將發(fā)射脈沖信號進行降幅，使其通過接收電路，經(jīng)過邏輯處理后得到觸發(fā)計時器開始工作的計時開始信號，另一方面負(fù)責(zé)輪流切換接收換能器 A、B 產(chǎn)生的接收信號，然后經(jīng)過放大、濾波、自增益控制得到峰峰值 Vpp 穩(wěn)定為約 3V 的信號。此信號經(jīng)過門限觸發(fā)、過零比較和邏輯處理得到觸發(fā)計時器停止工作的計時停止信號。峰值檢波模塊工作流程如圖 6 所示，接收信號同時經(jīng)過峰值保持電路 1 和 2 ，對兩路峰值信號分別進行AD 采樣。單次測量完成后，在單片機內(nèi)對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，找到目標(biāo)峰值，計算出適當(dāng)?shù)挠|發(fā)電平，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字電位器碼值。在下一次測量信號到來前，控制數(shù)字電位器，調(diào)整阻值，改變觸發(fā)電平。

為了保證程序穩(wěn)定運行，在程序中限制觸發(fā)電平的變化范圍，并且加入判錯波程序。限制觸發(fā)電平的范圍，可以在流速很大、信號變化很快的條件下時，保證觸發(fā)電平的位置在可控范圍內(nèi)，防止程序失控。判錯波程序的思想是通過對門限電壓值和傳播時間值進行分析，因為流速變化宏觀上是連續(xù)、穩(wěn)定的，所以通過分析，可以對偏差大的錯誤值進行剔除。加入判錯波程序可以保證程序正確運行，保證流量準(zhǔn)確測量。

3.實驗過程和結(jié)果

筆者使用可調(diào)壓中壓濕氣流量測量裝置進行實驗，該裝置由羅茨風(fēng)機供氣，精確度為 1% ，流量范圍為 10 ～ 280m3 /h。在管道中串聯(lián)接入標(biāo)準(zhǔn)表和研發(fā)的 DN50mm 氣超聲流量表。標(biāo)準(zhǔn)表選用 DN100mm 渦輪流量計，標(biāo)定流速范圍為 2 ～36m /s。流量計的各項測量數(shù)據(jù)見表 1、2。其中，表 1 為使用常規(guī)雙門限電平觸發(fā)法所測量的數(shù)據(jù)，表 2 為使用自適應(yīng)雙門限觸發(fā)法所測量的數(shù)據(jù)。表中誤差的計算方法為: 表中誤差 = ( 被校表流量 / 標(biāo)準(zhǔn)表流量 － 1) × 100。

對比兩表數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，使用自適應(yīng)雙門限觸發(fā)法，流量計的測量精度基本達(dá)到 ± 1% ，重復(fù)性0． 2% 。該方法可以有效地解決因為包絡(luò)幅值發(fā)生變化造成錯波的問題。

4.結(jié)束語

針對錯波問題，對雙門限電平觸發(fā)法進行改進，提出了自適應(yīng)雙門限觸發(fā)法。詳細(xì)闡述了自適應(yīng)雙門限觸發(fā)法的原理、具體實現(xiàn)和實驗結(jié)果。設(shè)計了峰值保持電路和自動增益控制電路，通過兩者配合動態(tài)確定比較電路的觸發(fā)閾值，并給出基于峰值判斷的錯波修正方法，提高了測量精度。

實驗結(jié)果表明自適應(yīng)雙門限觸發(fā)法能夠有效地解決信號包絡(luò)發(fā)生變化造成易錯波的問題。