Page 103 - 《应用声学》2021年第2期

第 40 卷 第 2 期 郭涛等： 时差法超声波流量计测量精度的补偿方法 271


如图 2所示，选用一个双通道比较器芯片，将放  r 1 (t) = α 1 s(t − τ 1 ) + n 1 (t),
大滤波后的接收信号接到芯片A通道的INA+ 和B 0 6 t 6 T. (6)
 s 2 (t) = α 2 s(t − τ 2 ) + n 2 (t),
通道的 INB− 上。利用信号锁存使能端 LE 的锁存
功能，进行零点位置的确定。首先通过 A 通道进行 离散化处理后可得 [6]

阈值电压的判断，当接收信号的幅值超过参考电平  r 1 (nT s ) = α 1 s(nT s − N 1 T s ) + n 1 (nT s ),
时，OA端输出锁存为高电平。然后再通过B通道得 (7)
 s 2 (nT s ) = α 2 s(nT s − N 1 T s ) + n 2 (nT s ),
到相邻的下一个出现的过零点，同时进行锁存为高
电平。这样就得到在过零点前保持低电平、过零点 其中，0 6 n 6 N，T s 为采样间隔，T = NT s ，
后保持高电平的波形，便于后续的计时模块进行信 τ 1 = N 1 T s ，τ 2 = N 2 T s 。
在确定r 1 (nT s )、s 2 (nT s )的情况下，对这两个序
号时间处理。具体信号处理过程如图3 所示，其中 r
为阈值电压，V +为参考电压 [5] 。 列进行相关运算，得到
N−1
1 ∑
R rs (τ) = r 1 (kT s )s 2 (kT s + τ), (8)
r N
ଌஆฉॎ k=0
其中，R rs (τ) 为互相关计算结果。通过求解相关函
V⇁
"ᤰ᥋ᣥѣฉॎ 数的最大值，即可求得两信号的时差τ。其具体的工
作原理如图4所示。
V⇁
#ᤰ᥋ᣥѣฉॎ
r↼t↽
τ
V⇁
ፇ౧ฉॎ ̉ᄱТᝠካ

图 3 过零检测信号处理波形图 τ
Fig. 3 Zero-crossing detection signal processing
waveform
s↼t↽
实际中系统不能准确采样到首个过零点，同时，
图 4 互相关算法原理图
当外界对波形产生干扰时，造成阈值电压在判断波
Fig. 4 Schematic diagram of cross-correlation al-
形出现时的时机不当问题，进而影响后面的过零点
gorithm
锁存。
为减少计算量，华志斌 [7] 通过引入极性相关算
2.2 互相关算法
法来达到类似的效果，但在实际系统中仍然运算量
传统的互相关检测法利用互相关计算信号时 较大，系统的实时性不好。
延的原理进行传播时间的计算，对噪声的免疫性是
其最大的优点。其中，传播时间为超声波换能器发 2.3 分析应用
出激发脉冲信号到超声波接收到信号的时间。 对于使用超声波流量计检测的管道内部来说，
基于超声波的特点，典型的超声波信号可以由 液体流速的变化在短时间内不存在突变，相邻两次
公式(5)表述： 的波形对于外部干扰的问题不敏感，对于互相关的
计算存在先天优势。文中将上一次的接收信号存储
r i (t) = α i s(t − τ i ) + n i (t), 0 6 t 6 T, (5)
并作为参考信号，与本次的接收信号进行互相关计
其中，s(t) 为超声波换能器的发射信号，τ i 为时间延 算。在过零检测方法中已经得到一个过零点时间值，
迟，α i 为衰减因子，n i (t) 为与 s(t) 不相关的零均值 结合互相关算法再对这一数据做验证和补偿。具体
高斯白噪声，T 为信号观测时间。 工作原理如图5所示。
对于参考信号和回波接收信号 r 1 (t)、s 2 (t) 可 假设发射换能器的发射波形时间为 t 0 ，由过零
表述为 检测得到的过零点时刻值为 t z ，由互相关算法得到