基于FFT超声波传输时间测量的误差分析

为精确测量高斯白噪声背景下超声波的传输时间,不仅要考虑传统相位差测量中的高斯噪声误差,还要考虑A／D量化误差所带来的影响。应用误差理论,推导了正弦信号A／D量化误差,并得到了总误差均方根公式,进而得出传输时间误差的计算公式。为了避免电路和传感器的干扰,采用传输距离不同的同源双路正弦发送信号。理论和仿真结果均表明：在超声波信号频率为40kHz、信噪比为25dB、采样点数为2048、A／D位数为11位、采样率为200kHz的情况下,传输时间的测量误差小于10DS;在超声波信号频率未知时,而其他条件相同的情况下,FFT相位差频率校正法也能很好地估计超声波传输时间。该方案的实现为实际工程应用提供了依据。     

超声波传输时间的高精度测量

许多超声检测都需要通过测量超声波的传输时间来实现,传输时间的测量精度直接影响了最终的检测精度。传输时间的传统相位差测量只考虑了信号传输高斯噪声误差,在此基础上,考虑了A/D量化误差所带来的影响。应用误差理论,推导了正弦信号A/D量化误差,并得到最后的总误差均方根公式。针对超声波信号频率已知和未知两种情况,分析比较FFT相位差法和全相位FFT相位差法。为了避免电路和传感器的干扰,采用传输距离不同的同源双路正弦发送信号。理论和仿真结果均表明,在已知信号频率时,FFT相位差法综合效果好,当信号频率为40kHz,信噪比为25dB,采样点数为2048,A/D位数为11位,采样率为200kHz时,测量时间误差小于10ns。在信号频率未知时,全相位FFT相位差法综合效果好。      

一种新的微量气体浓度检测方法

提出一种微量气体浓度检测的方法,利用单一气体中声速与温度关系,在测量温度时避免了直接测温所带来的测量误差。在测温电路中应用了全数字锁相环技术提高了超声波传播时间的测量精确度。以空气中SF6气体浓度为例在MATLAB环境里建立仿真模型,仿真结果表明:该测量方法的微量气体浓度检测精度达到10-6,相对误差不超过1%。