一种基于多探头超声波的波浪检测方法与流程

1.本发明涉及声波测量技术领域，尤其涉及一种基于多探头超声波的波浪检测方法。


背景技术：

2.超声波是一种波长极短的机械波，在空气中波长一般短于2cm（厘米），其必须依靠介质进行传播，无法存在于真空中。超声波在水中传播距离比空气中远，但因其波长短，在空气中则极易损耗，容易散射，不如可听声和次声波传得远，不过波长短更易于获得各向异性的声能，可用于清洗、碎石、杀菌消毒等。在医学、工业上有很多的应用，传统的波浪测量方式主要以接触式为主，在某些研究领域不能对波浪和流场产生干扰，就需要用到非接触式测波技术，目前现有的非接触式测波技术是采用单一探头实现测波的，但是通过对超声波测波方式进行详细研究发现，单一探头测波时会出现测量波浪边缘斜坡时发射出的声波因反射角度过大而无法有效接收的问题，如图1所示。


技术实现要素：

3.本发明提供一种基于多探头超声波的波浪检测方法。
4.本发明通过以下技术方案实现：一种基于多探头超声波的波浪检测方法，采用具有tn个发射探头的超声波传感器发射超声波，其中发射探头t1发射频率为f1的超声波，同时启动计时器1开始计时，间隔时间t后由发射探头t2发射频率为f2的超声波，同时启动计时器2开始计时，发送端每隔时间t就发送一个频率的超声波，当检测到反射后的超声波频率为f1时，计时器1停止计时，读取计时器1的时间即为超声波频率f1的飞行时间，以此类推得到超声波频率f2、f3
…
fn的飞行时间，将每一个频率超声波的飞行时间分别与当前温度下的声速相乘得到超声波探头到不同反射点的距离数据，组合所有的距离数据即得到波浪的曲线。
5.进一步的，所述发射探头至少包括两个，两个所述发射探头以球弧形安装且两个探头之间设置有10
°
的夹角。
6.进一步的，每个所述发射探头发出的声波频率均由fpga产生。
7.进一步的，所述fpga产生一串稳定变化的声波频率，所述声波频率由fpga控制的发射驱动模块按照时间间隔依次发射。
8.进一步的，所述声波频率的选择范围为探头谐振频率附近连续的3~10个频点。
9.进一步的，所述的时间间隔设置在1ms内，当发射探头发射声波产生的余波时长在2ms~10ms时，则采用增加发射探头的方式缩短射波发射的时间间隔。
10.进一步的，所述接收声波由接收探头进行耦合后经放大滤波电路进入fpga。
11.进一步的，所述fpga内部设置有用于检测声波频率的频率计数器。
12.进一步的，所述频率计数器的测量精确度为1hz。
13.本发明的有益效果：
本发明提出的一种基于多探头超声波的波浪检测方法，采用多探头超声波传感器进行检测，通过多探头超声波传感器从多个角度发射声波，当每一束声波遇到反射面，会有一个探头发出的声波反射回传感器方向，从而接收到回波而测出探头距离反射面的距离，提高超声波测量响应频率以比较高的采样频率去测量每一个采样点的距离，将数据组合到一起即可得到波浪的曲线。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
15.图1为本发明背景技术中提到的单探头超声波传感器测波示意图；图2为本发明提出的一种基于多探头超声波的波浪检测方法的多探头超声波传感器测波示意图一；图3为本发明提出的一种基于多探头超声波的波浪检测方法的多探头超声波传感器测波示意图二。
具体实施方式
16.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
17.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
18.实施例1参考图2，一种基于多探头超声波的波浪检测方法，采用多个发射探头的超声波传感器发射声波，每个发射探头分别发射不同固定频率的超声波，且在每个发射探头发射超声波后开始计时，发射的超声波遇到目标返回并由接收探头完成接收，由测量器测量反射超声波的固定频率，当反射超声波的固定频率与发射超声波的固定频率相同时停止计时，所述开始计时到所述停止计时的时间段即为探头发出超声波的飞行时间，将所述飞行时间带入测量距离公式即可测算出距离，所述发射探头至少包括两个，两个所述发射探头以球弧形安装且两个探头之间设置有10
°
的夹角，解决了测波时出现测量波浪边缘斜坡时发射出的超声波因反射角度过大而无法有效接收的问题，每个所述发射探头发出的超声波频率均由fpga产生，所述fpga产生一串稳定变化的超声波频率，所述超声波频率由fpga控制的发射驱动模块按照时间间隔依次发射，所述超声波频率的选择范围为探头谐振频率附近连续的3~10个频点，所述的时间间隔设置在1ms内，当发射探头发射超声波产生的余波时长在2ms~10ms时，则采用增加发射探头的方式缩短超声波发射的时间间隔，所述反射超声波由接收探头进行耦合后经放大滤波电路进入fpga，所述fpga内部设置有用于检测超声波频率
的频率计数器，所述频率计数器的测量精确度为1hz即可满足接收检波要求，对计数器的要求极低，易于实现。
19.实施例2本实施例在实施例1的基础上，提出一种基于多探头超声波的波浪检测方法的具体实施方式。
20.进一步的，具体实施方式如下。
21.fpga根据每个发射探头的谐振频率产生一串发送频率序列，例如谐振频率为200khz时，发送频率序列为199.5khz、199.6khz、199.7khz、199.8khz、199.9khz、200.0khz、200.1khz、200.2khz、200.3khz、200.4khz以此类推，其中发送频率的间隔只要满足接收检波测频电路的分辨即可，超声波通过发射驱动模块依次发射，其中每两个频点之间的发送时间间隔设置在1ms以内，当发射探头的余波持续时间较长达到2ms~10ms时，采用增加发射探头的方式来缩短发送时间间隔。
22.参考图3，由fpga产生一个发送频率f1,经由发射探头t1发出，同时启动计时器1开始计时，间隔时间t以后fpga产生一个发送频率f2经由发射探头t2发出，同时启动计时器2开始计时，依次类推，发送端每隔时间t便发送一个频率的声波，其中声波频率范围为探头谐振频率附近选择3~10个频点即可且频率可重复使用。
23.在接收端接收到的声波由接收探头耦合，经过放大滤波电路进入fpga，fpga内部设计有频率计数器可准确测量出声波频率，声波频率精确到1hz即可，当测到频率f1时，计时器1停止计时，读取计时器1的时间即为声波频率f1的飞行时间，以此类推测出f2、f3
……
的飞行时间，通过测量距离公式即可计算出测量距离。
24.此方式等同于每隔时间t，即可进行一次测量，时间间隔t可以设置到1ms以内，而且不受测量距离的影响，从而提高了超声波测距的测量响应频率。
25.测量距离=每一个频率声波的飞行时间*当前温度下的声速；其中t表示两个频点之间的时间间隔，此时间间隔需要大于发送声波的余波时间长度；t1 t2表示频率f1从探头t1发送开始到接收探头r接收到频率f1的总的时长；v表示当前环境温度下测量时的声速；d表示探头到目标反射面的距离；所述测量距离；由于电路谐振原因发射探头发射一个声波会有余波产生，余波的时间长度视发射声波频率及波数而不同，频率越高，波数越少，余波时间也会越短，一般200khz频率左右，10个周期波的余波不大于1ms，采用多探头发射，最主要的功能就是为了避开余波而提高测量响应频率，提高测量的实时性。
26.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。