如何確定超聲波流量計中的飛行時間值

超聲波憑借其良好的定向性、較強的穿透性和抗腐蝕能力，已廣泛應用于工業領域，例如超聲波測距、超聲波無損檢測和超聲波流量計等。超聲波信號從發射器傳輸到接收器的時間定義為飛行時間（TOP）。TOP包含很多信息，例如TOP反映了距離測量和超聲波流量計中的距離和流量信息等等。因此，準確確定超聲TOP是超聲應用中的關鍵技術。據我們所知，超聲波流量計應用中的TOP測定方法通常可分為三類。

一類包括閾值檢測方法。例如動態閾值方法、雙閾值方法和可變比率閾值方法均被開發用于確定TOP。這些閾值方法是*簡單的方法。但是，它們容易受到噪聲的干擾。此外，這些用于TOP檢測的方法是基于超聲信號上升沿的幅度特性。因此，它們的性能會受到波形變化的影響。

二類包含各種相關方法。這些方法首先應用于雷達領域，然后在1981年引入TOP測定。基本的相關方法計算兩個接收信號之間的相關函數，然后產生一個*峰值，其中時移映射到兩個信號之間的時間差。后來，提出了更好的相關方法，例如基于調頻激勵的互相關、相位相關方法和正弦擬合技術的互相關等方法，將其應用于TOP確定。與閾值方法相比，相關方法受噪聲的影響較小，但其準確性仍然受到采樣率的限制。相關方法的另一個缺點是難以根據不同的應用條件實時更新參考波，從而導致TOP出現偏差檢測。

三類包括基于波形擬合的TOP估計方法。在這些方法中，首先選擇合理的超聲接收信號經驗模型，然后采用有效算法對接收到的超聲信號進行擬合以獲取TOP。這些方法不僅提供了很高的測量精度，而且還提供了強大的抗力。然而，他們需要大量的計算，這需要高成本的數字信號處理，并降低了實時性能。

因此，本文在前人的基礎上，提出了一種基于超聲波信號起伏的簡便易行的飛行時間確定方法。此方法包括兩部分，即尋找超聲信號開始檢測（USO）的大致位置以及在多個獲得的時間值中確定TOP。在*步中，將接收到的信號分為多個段，并且根據標準化頻率和能量的倍數將每個段識別為超聲信號或噪聲信號。通過分析分類結果，可以確定USO的大致位置。在第二步中，可以根據USO與所獲得的零交叉時間值之間的關系，選擇固定的零交叉時間值作為TOP。由于在分類過程中僅使用每個段內的信息，因此該方法對波形變化不敏感。

這項研究提出的新方法與以前建立的方法之間的不同之處在于，新提出的方法的檢測到的TOP僅依賴于當前測量中對超聲信號的分析，而不是依賴于先前方法的兩次連續測量中的信號，且性能將不受兩次測量之間波形相似度的限制，易于實現和適用于嵌入式系統等優勢。