技术领域

本发明是一种超声波调频声速计，属于超声波应用技术领域。

背景技术

传统的声速计多采用时差法，即通过超声波收发一段短脉冲然后记录从发送到接收到信号的时间差，这种方式的测量精度受限于计时定时器的精度、传感器的温度漂移、传感器的振动启动时间等影响，需要对测量系统进行温度补偿，在低频超声波段很难达到高精度的测量效果。

专利号为CN201510852058.3、专利名称为基于实测声速的超声波测距方法及超声波传感器的专利，其有益效果为：

1、该发明摒弃传统的用测量温度去补偿声速的方法，采用直接测量声速的方式，因此能克服在超声波测距中因受到空气温度、压力、湿度、空气质量等方面的影响，而造成的测量精度误差和不稳定性，能大大提高测量精度和抗外界环境干扰的能力。

2、该发明超声波测距的方法中，声速测量完全使用直接测量方式，且测量声速和测量待测物采用的是分时或者独立测量，因此与对比文件CN204214517U相比，具有这更高的测量精 度，抗环境干扰能力和抗虚假回波的干扰能力。

上述专利采用了直接测量声速的方式，但是器件本身便会带来延时，产生误差，且直接测量方式需要超声波传感器具备较高精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对以上不足，提供一种超声波调频声速计，采用变频连续超声波信号，通过测量相对相位来检测声速，避免了对高精度计时器的需求，避免了因传感器的启动延时、解调电路的延时、温度的影响造成的测量结果不准确问题。

为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种超声波调频声速计，包括MCU模块和电源模块，MCU模块连接有DDS模块和信号输入输出模块，DDS模块连接有功率驱动模块，功率驱动模块连接有鉴相器模块，鉴相器模块连接有信号处理模块，信号输入输出模块连接功率驱动模块和信号处理模块，电源模块为各模块供电；

所述MCU负责控制DDS产生变频超声波信号和接收解调信号并进行数据运算，功率驱动负责传感器T的阻抗匹配和能量输出，传感器R用于接收经过空气传播的变频超声波信号，滤波器用于针对超声波的频率范围进行滤波，鉴相器用于对本振相位和接收到的超声波相位进行解调。

进一步的，所述MCU模块包括芯片U11，芯片U11的型号为STM32微处理器，芯片U11的 1脚连接有电容C26一端，电容C26另一端接地，芯片U11的7脚连接有电容C28一端和电阻R33一端，电容C28另一端接地，电阻R33另一端接+3.3V，芯片U11的19脚连接有电容C38一端，电容C38另一端接地，芯片U11的13脚连接有电容C29一端，电容C29另一端接地，芯片U11的30脚连接有电容C52一端，电容C52另一端接地，芯片U11的32脚连接有电容C53一端，电容C53另一端接地，芯片U11的48脚连接有电容C36一端，电容C36另一端接地，芯片U11的64脚连接有电容C27一端，电容C27另一端接地，芯片U11的60脚连接有电阻R32一端，电阻R32另一端接地。

进一步的，所述DDS模块包括芯片U2，芯片U2的型号为AD9833，芯片U2的1脚连接有电容C2一端，电容C2另一端接+3.3V，芯片U2的2脚接+3.3V，芯片U2的3脚连接有电容C11一端和电容C12一端，电容C11另一端和电容C12另一端接地，芯片U2的5脚连接有变频器X1的3脚，变频器X1的4脚连接有电容C16一端和电阻R8一端，电容C16另一端和变频器X1的2脚接地，电阻R8另一端接+3.3V；

所述芯片U2的6脚连接有芯片U11的36脚，芯片U2的7脚连接有芯片U11的34脚，芯片U2的8脚连接有芯片U11的33脚，芯片U2的10脚连接有电容C7一端，并连接功率驱动模块，电容C7另一端接地。

进一步的，所述功率驱动模块包括放大器U1A，放大器U1A的1脚连接有电阻R3一端，电阻R3另一端连接有电阻R2一端、电容C6一端和放大器U1A的2脚，并接地，电容C6另一端和放大器U1A的8脚接+14V，电阻R2另一端连接有电容C3一端，电容C3另一端连接有芯片U2的10脚，放大器U1A的3脚连接有电阻R6一端，电阻R6另一端接地，放大器U1A的4脚连接有电容C14一端，并接-14V；

所述功率驱动模块还包括放大器U1B，放大器U1B的7脚连接有电阻R11一端，电阻R11另一端连接有放大器U1B的6脚和电阻R10一端，电阻R10另一端接地，放大器U1B的5脚连接有电阻R13一端，电阻R13另一端连接有电容C3一端，放大器U1B的8脚接+14V，放大器U1B的4脚接-14V。

进一步的，所述功率驱动模块还包括放大器U4A，放大器U4A的3脚连接有电阻R1一端，电阻R1另一端接地，放大器U4A的4脚连接有电容C1一端，并接-14V，放大器U4A的8脚连接有电容C5一端，并接+14V，放大器U4A的2脚连接有电阻R4一端和电阻R5一端，电阻R4另一端连接有电容C8一端，电容C8另一端连接有放大器U1A的1脚，电阻R5另一端连接放大器U4A的1脚，放大器U4A的1脚连接信号输入输出模块；

所述功率驱动模块还包括放大器U4B，放大器U4B的4脚接-14V，放大器U4B的8脚接+14V，放大器U4B的5脚连接有电阻R12一端，电阻R12另一端接地，放大器U4B的6脚连接有电阻R7一端和电阻R9一端，电阻R9另一端连接放大器U4B的7脚，电阻R7另一端连接有电容C13一端，电容C13另一端连接有放大器U1B的7脚和电阻R45一端，电阻R45另一端连接鉴相器模块。

进一步的，所述鉴相器模块包括芯片U6，芯片U6的型号SN74LVC1G86，芯片U6的4脚连接有电阻R44一端，电阻R44另一端连接芯片U11的14脚，芯片U6的5脚接+5V，芯片U6的2脚连接有电容C17一端，电容C17另一端连接有电阻R45另一端，芯片U6的1脚连接有电容C54一端，电容C54另一端连接有电阻R46一端，电阻R46另一端连接有信号处理模块。

进一步的，所述信号处理模块包括放大器U7B，放大器U7B的6脚连接有电阻R25一端和电阻R22一端，电阻R25另一端连接信号输入输出模块，电阻R22另一端连接有电容C22一端和放大器U7B的7脚，电容C22另一端连接有电阻R23一端，电阻R23另一端连接有电阻R24一端和放大器U7A的2脚，电阻R24另一端连接放大器U7A的1脚，放大器U7A的1脚连接有电阻R46另一端，放大器U7B的5脚连接有电阻R26一端，电阻R26另一端接地，放大器U7B的4脚连接有电容C25一端，并接-14V，电容C25另一端接地，放大器U7B的8脚连接有电容C21一端，并接+14V，电容C21另一端接地。

进一步的，所述信号输入输出模块包括芯片U3,芯片U3的型号为DG409，芯片U3的1脚连接有芯片U11的55脚，芯片U3的2脚连接有芯片U11的50脚，芯片U3的3脚连接有电容C15一端，并接-14V，电容C15另一端接地，芯片U3的8脚连接有放大器U4A的1脚，芯片U3的9脚连接有放大器U4B的7脚；

所述芯片U3的4脚连接有接插件P1的1脚和芯片U8的4脚，芯片U3的13脚连接有接插件P1的2脚和芯片U8的13脚，芯片U3的5脚连接有接插件P2的1脚和芯片U8的5脚，芯片U3的12脚连接有接插件P2的2脚和芯片U8的12脚，芯片U3的6脚连接有接插件P3的1脚和芯片U8的6脚，芯片U3的11脚连接有接插件P3的2脚和芯片U8的11脚，芯片U3的7脚连接有接插件P4的1脚和芯片U8的7脚，芯片U3的10脚连接有接插件P4的2脚和芯片U8的10脚；

所述信号输入输出模块还包括芯片U8，芯片U8的型号为DG409，芯片U8的1脚连接有芯片U11的58脚，芯片U8的16脚连接有芯片U11的59脚，芯片U8的2脚连接有芯片U11的57脚，芯片U8的3脚连接有电容C23一端，并接-14V，芯片U8的14脚连接有电容C20一端，并接+14V，电容C23另一端和电容C20另一端接地，芯片U8的9脚连接有电阻R25另一端。

进一步的，所述电源模块包括芯片U15，芯片U15的型号为HX3608,芯片U15的4脚、5脚和6脚均连接有电容C47一端、电容C48一端、电容C49一端和电感L3一端，电容C47另一端、电容C48另一端和电容C49另一端接地，电感L3另一端连接有芯片U15的1脚、电容C50一端和电容C51一端，电容C50另一端和电容C51另一端连接有电感L4一端和二极管D3一端，电感L4另一端接地，二极管D3另一端连接有电容C46一端和电容C44一端，电容C46另一端和电容C44另一端接地，芯片U15的3脚连接有电阻R35一端、稳压二极管D1一端、电阻R41一端和电容C35一端，电容C35另一端连接有电阻R40一端，电阻R40另一端和电阻R41另一端接+14V，电阻R35另一端和稳压二极管D1另一端接地。

所述电源模块还包括芯片U14，芯片U14的型号为BL8033，芯片U14的2脚连接有电感L1一端和电容C41一端，电感L1另一端连接有电阻R37一端和电容C40一端，并接+5V，电容C41另一端连接芯片U14的6脚，电阻R37另一端连接有电阻R42一端和芯片U14的4脚，电阻R42另一端和电容C40另一端接地，芯片U14的5脚连接有电阻R43一端，电阻R43另一端连接芯片U14的3脚和电容C39一端，并接+14V，电容C39另一端接地。

进一步的，所述电源模块还包括芯片U12，芯片U12的型号为BL8064，芯片U12的3脚连接有电容C30一端，并接+5V，电容C30另一端接地，芯片U12的2脚连接有电容C31一端和电容C32一端，并输出+3.3V，电容C31另一端和电容C32另一端接地；

所述电源模块还包括芯片U13，芯片U13的型号为TPS5430，芯片U13的7脚连接有电容C37一端和电容C42一端，并接+14V，电容C37另一端连接芯片U13的6脚和9脚，并接-14V，电容C42另一端接地，芯片U13的1脚连接有电容C45一端，芯片U13的4脚连接有电阻R34一端和电阻R38一端电阻R34另一端连接有二极管D2一端、电容C33一端和电容C34一端，并接-14V，电容C33另一端和电容C34另一端接地，电阻R38另一端接地，二极管D2另一端连接有电感L2一端、电容C45另一端和芯片U13的8脚，电感L2另一端接地。

本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：

本发明采用变频连续超声波信号测量声速，对超声波传感器的要求较低，采用低频的超声波传感器即可获得较高的测量精度。

本发明相比于其他时差法或时间测量方法的声速计来说，由于避免了由于器件本身延时所带来的误差，具有精度高、易于实现、对于器件的性能参数要求宽松等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明中一种超声波调频声速计的运行原理图；

图2为本发明中MCU模块的电路图；

图3为本发明中DDS模块的电路图；

图4为本发明中功率驱动模块的电路图；

图5为本发明中鉴相器模块的电路图；

图6为本发明中信号处理模块的电路图；

图7-图9为本发明中信号输入输出模块的电路图；

图10-图13为本发明中电源的电路图。

具体实施方式

实施例1，一种超声波调频声速计，包括MCU模块和电源模块，MCU模块连接有DDS模块和信号输入输出模块，DDS模块连接有功率驱动模块，功率驱动模块连接有鉴相器模块，鉴相器模块连接有信号处理模块，信号输入输出模块连接功率驱动模块和信号处理模块，电源模块为各模块供电。

所述MCU负责控制DDS产生变频超声波信号和接收解调信号并进行数据运算，功率驱动负责传感器T的阻抗匹配和能量输出，传感器R用于接收经过空气传播的变频超声波信号，滤波器用于针对超声波的频率范围进行滤波，鉴相器用于对本振相位和接收到的超声波相位进行解调。

如图2所示，所述MCU模块包括芯片U11，芯片U11的型号为STM32微处理器，芯片U11的 1脚连接有电容C26一端，电容C26另一端接地，芯片U11的7脚连接有电容C28一端和电阻R33一端，电容C28另一端接地，电阻R33另一端接+3.3V，芯片U11的19脚连接有电容C38一端，电容C38另一端接地，芯片U11的13脚连接有电容C29一端，电容C29另一端接地，芯片U11的30脚连接有电容C52一端，电容C52另一端接地，芯片U11的32脚连接有电容C53一端，电容C53另一端接地，芯片U11的48脚连接有电容C36一端，电容C36另一端接地，芯片U11的64脚连接有电容C27一端，电容C27另一端接地，芯片U11的60脚连接有电阻R32一端，电阻R32另一端接地。

如图3所示，所述DDS模块包括芯片U2，芯片U2的型号为AD9833，芯片U2的1脚连接有电容C2一端，电容C2另一端接+3.3V，芯片U2的2脚接+3.3V，芯片U2的3脚连接有电容C11一端和电容C12一端，电容C11另一端和电容C12另一端接地，芯片U2的5脚连接有变频器X1的3脚，变频器X1的4脚连接有电容C16一端和电阻R8一端，电容C16另一端和变频器X1的2脚接地，电阻R8另一端接+3.3V。

所述芯片U2的6脚连接有芯片U11的36脚，芯片U2的7脚连接有芯片U11的34脚，芯片U2的8脚连接有芯片U11的33脚，芯片U2的10脚连接有电容C7一端，并连接功率驱动模块，电容C7另一端接地。

如图4所示，所述功率驱动模块包括放大器U1A，放大器U1A的1脚连接有电阻R3一端，电阻R3另一端连接有电阻R2一端、电容C6一端和放大器U1A的2脚，并接地，电容C6另一端和放大器U1A的8脚接+14V，电阻R2另一端连接有电容C3一端，电容C3另一端连接有芯片U2的10脚，放大器U1A的3脚连接有电阻R6一端，电阻R6另一端接地，放大器U1A的4脚连接有电容C14一端，并接-14V。

所述功率驱动模块还包括放大器U1B，放大器U1B的7脚连接有电阻R11一端，电阻R11另一端连接有放大器U1B的6脚和电阻R10一端，电阻R10另一端接地，放大器U1B的5脚连接有电阻R13一端，电阻R13另一端连接有电容C3一端，放大器U1B的8脚接+14V，放大器U1B的4脚接-14V。

所述功率驱动模块还包括放大器U4A，放大器U4A的3脚连接有电阻R1一端，电阻R1另一端接地，放大器U4A的4脚连接有电容C1一端，并接-14V，放大器U4A的8脚连接有电容C5一端，并接+14V，放大器U4A的2脚连接有电阻R4一端和电阻R5一端，电阻R4另一端连接有电容C8一端，电容C8另一端连接有放大器U1A的1脚，电阻R5另一端连接放大器U4A的1脚，放大器U4A的1脚连接信号输入输出模块。

所述功率驱动模块还包括放大器U4B，放大器U4B的4脚接-14V，放大器U4B的8脚接+14V，放大器U4B的5脚连接有电阻R12一端，电阻R12另一端接地，放大器U4B的6脚连接有电阻R7一端和电阻R9一端，电阻R9另一端连接放大器U4B的7脚，电阻R7另一端连接有电容C13一端，电容C13另一端连接有放大器U1B的7脚和电阻R45一端，电阻R45另一端连接鉴相器模块。

如图5所示，所述鉴相器模块包括芯片U6，芯片U6的型号SN74LVC1G86，芯片U6的4脚连接有电阻R44一端，电阻R44另一端连接芯片U11的14脚，芯片U6的5脚接+5V，芯片U6的2脚连接有电容C17一端，电容C17另一端连接有电阻R45另一端，芯片U6的1脚连接有电容C54一端，电容C54另一端连接有电阻R46一端，电阻R46另一端连接有信号处理模块。

如图6所示，所述信号处理模块包括放大器U7B，放大器U7B的6脚连接有电阻R25一端和电阻R22一端，电阻R25另一端连接信号输入输出模块，电阻R22另一端连接有电容C22一端和放大器U7B的7脚，电容C22另一端连接有电阻R23一端，电阻R23另一端连接有电阻R24一端和放大器U7A的2脚，电阻R24另一端连接放大器U7A的1脚，放大器U7A的1脚连接有电阻R46另一端，放大器U7B的5脚连接有电阻R26一端，电阻R26另一端接地，放大器U7B的4脚连接有电容C25一端，并接-14V，电容C25另一端接地，放大器U7B的8脚连接有电容C21一端，并接+14V，电容C21另一端接地。

如图7-图9所示，所述信号输入输出模块包括芯片U3,芯片U3的型号为DG409，芯片U3的1脚连接有芯片U11的55脚，芯片U3的2脚连接有芯片U11的50脚，芯片U3的3脚连接有电容C15一端，并接-14V，电容C15另一端接地，芯片U3的8脚连接有放大器U4A的1脚，芯片U3的9脚连接有放大器U4B的7脚。

所述芯片U3的4脚连接有接插件P1的1脚和芯片U8的4脚，芯片U3的13脚连接有接插件P1的2脚和芯片U8的13脚，芯片U3的5脚连接有接插件P2的1脚和芯片U8的5脚，芯片U3的12脚连接有接插件P2的2脚和芯片U8的12脚，芯片U3的6脚连接有接插件P3的1脚和芯片U8的6脚，芯片U3的11脚连接有接插件P3的2脚和芯片U8的11脚，芯片U3的7脚连接有接插件P4的1脚和芯片U8的7脚，芯片U3的10脚连接有接插件P4的2脚和芯片U8的10脚。

所述信号输入输出模块还包括芯片U8，芯片U8的型号为DG409，芯片U8的1脚连接有芯片U11的58脚，芯片U8的16脚连接有芯片U11的59脚，芯片U8的2脚连接有芯片U11的57脚，芯片U8的3脚连接有电容C23一端，并接-14V，芯片U8的14脚连接有电容C20一端，并接+14V，电容C23另一端和电容C20另一端接地，芯片U8的9脚连接有电阻R25另一端。

如图10所示，所述电源模块包括芯片U15，芯片U15的型号为HX3608,芯片U15的4脚、5脚和6脚均连接有电容C47一端、电容C48一端、电容C49一端和电感L3一端，电容C47另一端、电容C48另一端和电容C49另一端接地，电感L3另一端连接有芯片U15的1脚、电容C50一端和电容C51一端，电容C50另一端和电容C51另一端连接有电感L4一端和二极管D3一端，电感L4另一端接地，二极管D3另一端连接有电容C46一端和电容C44一端，电容C46另一端和电容C44另一端接地，芯片U15的3脚连接有电阻R35一端、稳压二极管D1一端、电阻R41一端和电容C35一端，电容C35另一端连接有电阻R40一端，电阻R40另一端和电阻R41另一端接+14V，电阻R35另一端和稳压二极管D1另一端接地。

如图11所示，所述电源模块还包括芯片U14，芯片U14的型号为BL8033，芯片U14的2脚连接有电感L1一端和电容C41一端，电感L1另一端连接有电阻R37一端和电容C40一端，并接+5V，电容C41另一端连接芯片U14的6脚，电阻R37另一端连接有电阻R42一端和芯片U14的4脚，电阻R42另一端和电容C40另一端接地，芯片U14的5脚连接有电阻R43一端，电阻R43另一端连接芯片U14的3脚和电容C39一端，并接+14V，电容C39另一端接地。

如图12所示，所述电源模块还包括芯片U12，芯片U12的型号为BL8064，芯片U12的3脚连接有电容C30一端，并接+5V，电容C30另一端接地，芯片U12的2脚连接有电容C31一端和电容C32一端，并输出+3.3V，电容C31另一端和电容C32另一端接地。

如图13所示，所述电源模块还包括芯片U13，芯片U13的型号为TPS5430，芯片U13的7脚连接有电容C37一端和电容C42一端，并接+14V，电容C37另一端连接芯片U13的6脚和9脚，并接-14V，电容C42另一端接地，芯片U13的1脚连接有电容C45一端，芯片U13的4脚连接有电阻R34一端和电阻R38一端电阻R34另一端连接有二极管D2一端、电容C33一端和电容C34一端，并接-14V，电容C33另一端和电容C34另一端接地，电阻R38另一端接地，二极管D2另一端连接有电感L2一端、电容C45另一端和芯片U13的8脚，电感L2另一端接地。

测量原理及方法：

由于超声波在空气中传输存在延迟，假设某一时刻的声速为V，传感器T与传感器R的距离为L，首先由MCU控制DDS变频，使得接收到的超声波相位和发射的超声波相位差为0，此时，整个超声波传输环路的等效长度为波长的整数倍N，记录此时对应的频率为f1,然后MCU开始增大超声波频率，根据 波长R=V/F，此时由于频率的变化造成检测相位差的变化，打破了相位差为0的状态，当频率继续增加至相位差再次为0时，此时计频率f2,此时的超声波传输环路等效长度为波长的N+1倍，根据f1,f2即可计算出波速V。

此种方法使用的是变频超声波信号，使用普通的低频超声波传感器即可达到较高的测量精度。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好的说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。