本发明公开了一种有效提高超声波探头接收信号强度的定位装置及其方法。它包括定位装置、控制系统，定位装置包括管道、第一超声波探头、第二超声波探头、滑块、轨道固定器、步进电机、齿条、齿轮；第二超声波探头直接安装在管道上，第一超声波探头安装在滑块上，滑块通过轨道固定器安装在管道上，滑块上端有齿条，步进电机安装在轨道固定器上，步进电机通过齿轮与齿条的啮合与滑块连接，控制系统与步进电机、第一超声波探头、第二超声波探头连接。本发明用于解决超声波传播路径随流体流速变化引起的超声波探头接收信号强度减弱问题，有效提高超声波探头接收信号强度。
1.一种有效提高超声波探头接收信号强度的方法，其所使用的装置中包括定位装置、控制系统(9)，定位装置包括管道(1)、第一超声波探头(2)、第二超声波探头(3)、滑块(4)、轨道固定器(5)、步进电机(6)、齿条(7)、齿轮(8)；第二超声波探头(3)直接安装在管道(1)上，第一超声波探头(2)安装在滑块(4)上，滑块(4)通过轨道固定器(5)安装固定在管道(1)上，滑块(4)上端有齿条(7)，步进电机(6)安装在轨道固定器(5)上，步进电机(6)通过齿轮(8)与齿条(7)的啮合与滑块(4)连接，控制系统(9)与步进电机(6)、第一超声波探头(2)、第二超声波探头(3)连接；其特征在于，它的步骤如下：
1)在流体流速为零时准确修正超声波探头位置，确定第一超声波探头(2)的初始位置；
2)通过控制系统采集上一时刻第一超声波探头(2)和第二超声波探头(3)之间的顺流传播时间t1和逆流传播时间t2；
3)根据超声波探头间距离L、超声波探头轴线和管道轴线夹角θ以及顺流传播时间t1和逆流传播时间t2计算流体中的声速
4)根据计算得到的声速c、流体平均线速度v，以及管径D、超声波探头轴线和管道轴线夹角θ，计算超声波信号最大接收强度位置的偏移量
5)由计算得到的偏移量s分析判断最佳测量位置B位于第一超声波探头(2)初始位置的上游或下游s处；
6)控制系统(9)控制步进电机(6)的转动带动第一超声波探头(2)移动至最佳测量位置B，使测量过程中超声波探头接收信号始终最强。
2.根据权利要求1所述的一种有效提高超声波探头 接收信号强度的方法，其特征在于，所述的步骤1)为：将第一超声波探头(2)和第二超声波探头(3)安装在管道(1)上，保持第二超声波探头(3)不动，并持续发射超声波信号；控制系统通过步进电机(6)控制第一超声波探头沿管道(1)轴向移动，并不断采集超声波传播时间t；分析比较不同位置超声波传播时间t,超声波传播时间t最小处即为第一超声波探头(2)的初始位置。
3.根据权利要求1所述的一种有效提高超声波探头 接收信号强度的方法，其特征在于，所述的步骤5)为：当第二超声波探头(3)用于接收超声波信号时，最佳测量位置B位于第一超声波探头(2)初始位置的下游s处；当第二超声波探头(3)用于发射超声波信号时，最佳测量位置B位于第一超声波探头(2)初始位置的上游s处。
4.根据权利要求1所述的一种有效提高超声波探头 接收信号强度的方法，其特征在于所述的控制系统的电路为：
核心处理单元STM32F103芯片I/O管脚与时间数字转换器TDC-GP22的7端、8端、9端、10端、11端、12端、13端相连；STM32F103芯片I/O管脚与步进电机驱动芯片THB7128的2端、3端、
时间数字转换器TDC-GP22的3端、14端、22端、25端、26端、29端与电源VCC相连；时间数字转换器TDC-GP22的4端、21端、28端、31端与地相连；时间数字转换器TDC-GP22的1端与电阻R3、晶振Y1、电容C3的一端相连；时间数字转换器TDC-GP22的2端与电容C4的一端相连，与电阻R3、晶振Y1的另一端相连；电容C3的另一端、C4的另一端接地；时间数字转换器TDC-GP22的5端与电阻R2的一端相连；时间数字转换器TDC-GP22的6端与电阻R1的一端相连；时间数字转换器TDC-GP22的15端与电阻R4、晶振Y2、电容C6的一端相连；时间数字转换器TDC-GP22的16端与电容C5的一端相连，与电阻R4、晶振Y2的另一端相连；电容C5的另一端、C6的另一端接地；时间数字转换器TDC-GP22的27端与电容C1的一端相连；电容C1的另一端与电阻R1的另一端、第一超声波探头(2)的一端相连；时间数字转换器TDC-GP22的30端与电容C2的一端相连；电容C2的另一端与电阻R2的另一端、第二超声波探头(3)的一端相连；第一超声波探头(2)的另一端、第二超声波探头(3)的另一端接地；
步进电机驱动芯片THB7128的7端、9端、11端、13端与步进电机相连；步进电机驱动芯片THB7128的14端与12V电源相连；电容C9、C10的一端与电源12V相连；电容C9、C10的另一端接地；步进电机驱动芯片THB7128的5端与电阻R5、R6的一端相连；电阻R5的另一端接电源VCC；
电阻R6的另一端接地；步进电机驱动芯片THB7128的15端接电源VCC；步进电机驱动芯片THB7128的1端、6端、10端接地；电容C7的一端接电源VCC；电容C7的另一端接地；步进电机驱动芯片THB7128的8端与电阻R7的一端相连；电阻R7的另一端接地；步进电机驱动芯片THB7128的12端与电阻R8的一端相连；电阻R8的另一端接地；步进电机驱动芯片THB7128的4端与电容C8的一端相连；电容C8的另一端接地。
有效提高超声波探头接收信号强度的定位装置及其方法
技术领域
[0001] 本发明属于测量、测试技术领域，涉及一种有效提高超声波探头接收信号强度的定位装置及其方法。
背景技术
[0002] 超声波流量计作为常用流量计量方法，以其独有的优势在计量领域开始大量应用，但其也有着抗干扰能力差、可靠性和精度等级不高的缺点。以时差法超声波流量计为例，其主要工作是用超声波探头可靠有效地接收超声波信号并精确测量超声波传播时间，其中重要的一点就是要确保接收信号强度，特别是超声波信号在流体介质传播中衰减、受流体流速分布干扰影响等情况下。
[0003] 在现有技术中主要通过两种方法提高和确保信号强度。一种是改善超声波探头材料和结构以提高信号转换效率，如《一种流量计用超声波传感器》(申请号：CN201410037294.5)通过调整压电元件输出超声波的强度分布，改善超声波接收感度特性的非对称性，以提高超声波信号的信噪比；另一种是通过增大超声波探头驱动信号强度的方法来实现，如《基于TDC-GP22的超大型管径超声波流量计及其信号增强方法》(申请号：
CN201310237599.6)。
[0004] 如图1、图2所示，根据超声波探头的特性，它的信号发射强度随着发射指向角α的变大而减小，在超声波发射平面的法线方向超声波信号最强，因此不同接收位置的超声波信号强度不同；而在流体流速变化的影响下，超声波传播路径会发生改变，因此超声波探头接收信号最强处实时变化，很多情况下已安装的超声波探头并没有接收到最强的超声波信号。前文提到的两种方法对于这种情况没有很好的解决办法。
[0005] 目前鲜有通过对流体介质和流速分布进行分析并移动超声波探头至信号最强处来提高接收信号强度的方法。《一种基于DSP28335的超声波探头自动定位方法及装置》(申请号：CN201410056961.4)虽然也提出了通过移动超声波探头来提高测量精度的方法，但其主要是针对超声波探头初始安装位置的确定与安装，并没有涉及在测量过程中因流体流速不同而对超声波探头位置进行实时调整的方法；同时由于超声波顺逆流传播路径在同一流体流速下的差异性，该专利的方法不能保证这对超声波探头都处在最佳测量位置。
发明内容
[0006] 本发明的目的是为了解决因流体流速分布变化而引起的超声波信号强度减弱的问题，提供一种有效提高超声波探头接收信号强度的定位装置及其方法。
[0007] 本发明的目的是通过如下措施来达到的。
[0008] 有效提高超声波探头接收信号强度的定位装置包括定位装置、控制系统，定位装置包括管道、第一超声波探头、第二超声波探头、滑块、轨道固定器、步进电机、齿条、齿轮；
[0009] 第二超声波探头直接安装在管道上，第一超声波探头安装在滑块上，滑块通过轨道固定器安装固定在管道上，滑块上端有齿条，步进电机安装在轨道固定器上，步进电机通过齿轮与齿条的啮合与滑块连接，控制系统与步进电机、第一超声波探头、第二超声波探头连接。
[0010] 所述的控制系统的电路为：核心处理单元STM32F103芯片I/O管脚与时间数字转换器TDC-GP22的7端、8端、9端、10端、11端、12端、13端相连；STM32F103芯片I/O管脚与步进电机驱动芯片THB7128的2端、3端、16端、17端、18端、19端相连；
[0011] 时间数字转换器TDC-GP22的3端、14端、22端、25端、26端、29端与电源VCC相连；时间数字转换器TDC-GP22的4端、21端、28端、31端与地相连；时间数字转换器TDC-GP22的1端与电阻R3、晶振Y1、电容C3的一端相连；时间数字转换器TDC-GP22的2端与电容C4的一端相连，与电阻R3、晶振Y1的另一端相连；电容C3的另一端、C4的另一端接地；时间数字转换器TDC-GP22的5端与电阻R2的一端相连；时间数字转换器TDC-GP22的6端与电阻R1的一端相连；时间数字转换器TDC-GP22的15端与电阻R4、晶振Y2、电容C6的一端相连；时间数字转换器TDC-GP22的16端与电容C5的一端相连，与电阻R4、晶振Y2的另一端相连；电容C5的另一端、C6的另一端接地；时间数字转换器TDC-GP22的27端与电容C1的一端相连；电容C1的另一端与电阻R1的另一端、第一超声波探头的一端相连；时间数字转换器TDC-GP22的30端与电容C2的一端相连；电容C2的另一端与电阻R2的另一端、第二超声波探头的一端相连；第一超声波探头的另一端、第二超声波探头的另一端接地；
[0012] 步进电机驱动芯片THB7128的7端、9端、11端、13端与步进电机相连；步进电机驱动芯片THB7128的14端与12V电源相连；电容C9、C10的一端与电源12V相连；电容C9、C10的另一端接地；步进电机驱动芯片THB7128的5端与电阻R5、R6的一端相连；电阻R5的另一端接电源VCC；电阻R6的另一端接地；步进电机驱动芯片THB7128的15端接电源VCC；步进电机驱动芯片THB7128的1端、6端、10端接地；电容C7的一端接电源VCC；电容C7的另一端接地；步进电机驱动芯片THB7128的8端与电阻R7的一端相连；电阻R7的另一端接地；步进电机驱动芯片THB7128的12端与电阻R8的一端相连；电阻R8的另一端接地；步进电机驱动芯片THB7128的4端与电容C8的一端相连；电容C8的另一端接地。
[0013] 有效提高超声波探头接收信号强度的方法的步骤如下：
[0014] 1)在流体流速为零时准确修正超声波探头位置，确定第一超声波探头的初始位置；
[0015] 2)通过控制系统采集上一时刻第一超声波探头和第二超声波探头之间的顺流传播时间t1和逆流传播时间t2；
[0016] 3)根据超声波探头间距离L、超声波探头轴线和管道轴线夹角θ以及顺流传播时间t1和逆流传播时间t2计算流体中的声速
[0017]
[0018] 流体平均线速度
[0019]
[0020] 4)根据计算得到的声速c、流体平均线速度v，以及管径D、超声波探头轴线和管道轴线夹角θ，计算超声波信号最大接收强度位置的偏移量
[0021]
[0022] 5)由计算得到的偏移量s分析判断最佳测量位置B位于第一超声波探头初始位置的上游或下游s处；
[0023] 6)控制系统控制步进电机的转动带动第一超声波探头移动至最佳测量位置B，使测量过程中超声波探头接收信号始终最强。
[0024] 所述的步骤1)为：将第一超声波探头和第二超声波探头安装在管道上，保持第二超声波探头不动，并持续发射超声波信号；控制系统通过步进电机控制第一超声波探头沿管道轴向移动，并不断采集超声波传播时间t；分析比较不同位置超声波传播时间t,超声波传播时间t最小处即为第一超声波探头的初始位置。
[0025] 所述的步骤5)为：当第二超声波探头用于接收超声波信号时，最佳测量位置B位于第一超声波探头初始位置的下游s处；当第二超声波探头用于发射超声波信号时，最佳测量位置B位于第一超声波探头初始位置的上游s处。
[0026] 本发明选用的步进电机驱动芯片THB7128具有128细分，能够精确平稳的控制步进电机，且控制简单，稳定性强；采用齿轮和齿条的啮合推动滑块移动，体积小巧且定位精确；
[0027] 本发明能够依据当前流体流速分布变化实时调整超声波探头至最佳测量位置，始终确保超声波接收信号最强，有效提高超声波探头测量信号强度，减少流体流速分布对测量精度的影响。
附图说明
[0028] 图1是超声波探头发射信号强度和指向角关系图；
[0029] 图2是超声波流量计超声波信号收发示意图；
[0030] 图3是有效提高超声波探头接收信号强度的定位装置的结构示意图；
[0031] 图4(a)是本发明的定位装置结构的主视图；
[0032] 图4(b)是本发明的定位装置结构的侧视图；
[0033] 图4(c)是本发明的定位装置结构的俯视图；
[0034] 图5是本发明的控制系统电路图；
[0035] 图6是本发明实施例1的信号最强处位置示意图；
[0036] 图7是本发明实施例2的信号最强处位置示意图。
具体实施方式
[0037] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0038] 如图3所示，有效提高超声波探头接收信号强度的定位装置包括定位装置、控制系统9，定位装置包括管道1、第一超声波探头2、第二超声波探头3、滑块4、轨道固定器5、步进电机6、齿条7、齿轮8；
[0039] 第二超声波探头3直接安装在管道1上，第一超声波探头2安装在滑块4上，滑块4通过轨道固定器5安装固定在管道1上，滑块4上端有齿条7，步进电机6安装在轨道固定器5上，步进电机6通过齿轮8与齿条7的啮合与滑块4连接，控制系统9与步进电机6、第一超声波探头2、第二超声波探头3连接。
[0040] 所述的控制系统的电路为：核心处理单元STM32F103芯片I/O管脚与时间数字转换器TDC-GP22的7端、8端、9端、10端、11端、12端、13端相连；STM32F103芯片I/O管脚与步进电机驱动芯片THB7128的2端、3端、16端、17端、18端、19端相连；
[0041] 时间数字转换器TDC-GP22的3端、14端、22端、25端、26端、29端与电源VCC相连；时间数字转换器TDC-GP22的4端、21端、28端、31端与地相连；时间数字转换器TDC-GP22的1端与电阻R3、晶振Y1、电容C3的一端相连；时间数字转换器TDC-GP22的2端与电容C4的一端相连，与电阻R3、晶振Y1的另一端相连；电容C3的另一端、C4的另一端接地；时间数字转换器TDC-GP22的5端与电阻R2的一端相连；时间数字转换器TDC-GP22的6端与电阻R1的一端相连；时间数字转换器TDC-GP22的15端与电阻R4、晶振Y2、电容C6的一端相连；时间数字转换器TDC-GP22的16端与电容C5的一端相连，与电阻R4、晶振Y2的另一端相连；电容C5的另一端、C6的另一端接地；时间数字转换器TDC-GP22的27端与电容C1的一端相连；电容C1的另一端与电阻R1的另一端、第一超声波探头2的一端相连；时间数字转换器TDC-GP22的30端与电容C2的一端相连；电容C2的另一端与电阻R2的另一端、第二超声波探头3的一端相连；第一超声波探头2的另一端、第二超声波探头3的另一端接地；
[0042] 步进电机驱动芯片THB7128的7端、9端、11端、13端与步进电机相连；步进电机驱动芯片THB7128的14端与12V电源相连；电容C9、C10的一端与电源12V相连；电容C9、C10的另一端接地；步进电机驱动芯片THB7128的5端与电阻R5、R6的一端相连；电阻R5的另一端接电源VCC；电阻R6的另一端接地；步进电机驱动芯片THB7128的15端接电源VCC；步进电机驱动芯片THB7128的1端、6端、10端接地；电容C7的一端接电源VCC；电容C7的另一端接地；步进电机驱动芯片THB7128的8端与电阻R7的一端相连；电阻R7的另一端接地；步进电机驱动芯片THB7128的12端与电阻R8的一端相连；电阻R8的另一端接地；步进电机驱动芯片THB7128的4端与电容C8的一端相连；电容C8的另一端接地。
[0043] 控制系统9的核心处理单元可采用意法半导体公司的STM32F103芯片，该芯片使用ARM 32位的Cortex-M3内核，最高工作频率为72MHz，能够满足本发明装置所需；控制系统9的步进电机驱动模块可采用东芝公司的THB7128驱动器，该驱动器使用H桥双极恒相流驱动，最大支持128细分驱动，能够平稳精确驱动步进电机，有效满足装置的定位精度要求。步进电机6选用57BYG步进电机，步距角1.8°，电流3A，静力矩1.8N·M，能够满足本发明装置的定位精度和输出功率要求；控制系统9的时间数字转换器采用TDC-GP22，该芯片最高分辨率可达22ps，测量范围从500ns到4ms，能够有效满足超声波流量计测量需求。
[0044] 有效提高超声波探头接收信号强度的方法的步骤如下：
[0045] 1)在流体流速为零时准确修正超声波探头位置，确定第一超声波探头2的初始位置；
[0046] 2)通过控制系统采集上一时刻第一超声波探头2和第二超声波探头3之间的顺流传播时间t1和逆流传播时间t2；
[0047] 3)根据超声波探头间距离L、超声波探头轴线和管道轴线夹角θ以及顺流传播时间t1和逆流传播时间t2计算流体中的声速
[0048]
[0049] 流体平均线速度
[0050]
[0051] 4)根据计算得到的声速c、流体平均线速度v，以及管径D、超声波探头轴线和管道轴线夹角θ，计算超声波信号最大接收强度位置的偏移量
[0052]
[0053] 5)由计算得到的偏移量s分析判断最佳测量位置B位于第一超声波探头2初始位置的上游或下游s处；
[0054] 6)控制系统9控制步进电机6的转动带动第一超声波探头2移动至最佳测量位置B，使测量过程中超声波探头接收信号始终最强。
[0055] 所述的步骤1)为：将第一超声波探头2和第二超声波探头3安装在管道1上，保持第二超声波探头3不动，并持续发射超声波信号；控制系统通过步进电机6控制第一超声波探头沿管道1轴向移动，并不断采集超声波传播时间t；分析比较不同位置超声波传播时间t,超声波传播时间t最小处即为第一超声波探头2的初始位置。
[0056] 所述的步骤5)为：当第二超声波探头3用于接收超声波信号时，最佳测量位置B位于第一超声波探头2初始位置的下游s处；当第二超声波探头3用于发射超声波信号时，最佳测量位置B位于第一超声波探头2初始位置的上游s处。
[0057] 实施例1
[0058] 控制系统9在上一时刻完成对第一超声波探头2、第二超声波探头3的顺逆流传播时间测量，现需对第一超声波探头2、第二超声波探头3下一时刻的顺流传播时间t′1进行测量。根据超声波探头间距离L、超声波探头轴线和管道轴线夹角θ以及顺流传播时间t1和逆流传播时间t2，在控制系统9中计算以下参数：
[0059] 流体中的声速：
[0060]
[0061] 流体平均线速度：
[0062]
[0063] 根据声速c、流体平均线流速v、管径D、超声波探头轴线和管道轴线夹角θ，在控制系统9中计算超声波信号最大接收强度位置的偏移量：
[0064]
[0065] 即超声波探头信号最强处A与第一超声波探头2的初始位置(流体流速为零时超声波探头的位置)相差偏移量为s。
[0066] 由于测量的是顺流传播时间t′1，发送超声波信号的探头为第二超声波探头3。对于第一超声波探头2，信号最强处A位于其初始位置的下游s处。为使接受信号最强，最佳测量位置B即为信号最强处A。因此控制系统9输出控制信号，通过步进电机6的转动带动第一超声波探头2移动至下游s处。到达最佳测量位置B后即可通过控制系统9进行顺流传播时间t′1的测量。
[0067] 实施例2
[0068] 控制系统9在上一时刻完成对第一超声波探头2、第二超声波探头3的顺逆流传播时间测量，现需对第一超声波探头2、第二超声波探头3的逆流传播时间t′2进行测量。根据超声波探头间距离L、超声波探头轴线和管道轴线夹角θ以及顺流传播时间t1和逆流传播时间t2，在控制系统9中计算以下参数：
[0069] 流体中的声速：
[0070]
[0071] 流体平均线速度：
[0072]
[0073] 进而根据声速c、流体平均线流速v、管径D、超声波探头轴线和管道轴线夹角θ，计算超声波信号最大接收强度位置的偏移量：
[0074]
[0075] 即超声波探头信号最强处A与第二超声波探头3位置相差偏移量为s。
[0076] 由于测量的是逆流传播时间t′2，发送超声波信号的探头为第一超声波探头2。对于第二超声波探头3，信号最强处A位于其初始位置的下游s处。因为第二超声波探头3不可移动，为使接受信号最强，此时的最佳测量位置B位于第二超声波探头3初始位置的上游s处。因此控制系统9输出控制信号，通过步进电机6的转动带动第一超声波探头2移动至上游s处。到达最佳测量位置B后即可通过控制系统9进行逆流传播时间t′2的测量。
