高广林

中国石油集团渤海石油装备制造公司，天津 300280

0 引言

超声波传感器目前已经广泛应用于距离，风速，流量的测量等众多工业领域中。其中最主要的应用原理就是超声波传播时间的测量，即超声波从发射端发射开始，经过传播媒质后到达接收端的时间。常用的测量方法为脉冲转换后计数法[1][2]，此方法成本较低，且易于实现，但是测量精度不高。还有其他一些方法是通过AD采集原始波形后进行Hilbert变换来提取超声波包络，进而设置阈值求出飞行时间，但此方法对噪声的抑制能力并不理想。本文提出一种利用全数字信号处理的窗口Fourier变换（WFT）来计算超声波传播时间，可以有效克服噪声影响并提高精度。

1 超声波理论介绍

超声波通过超声波换能器发送后，在流体介质中传播。在经过一段传播时间后，到达接收端，并将振动信号转化为电压信号。在超声波传播过程中，信号会被一定程度衰减，并且在接收电路中还会引入噪声，这些都会对测量精度造成影响。

我们假设s（t）是发送信号，那么经过一段传播时间Td后的接收到的信号为：

其中α为衰减系数，n（t）是零均值噪声。我们使用频率和相位的方法来表示为

其中fr和φr分别为谐振频率和相位偏转角，而A（t）表示信号的包络。

参数u由探头特性决定，而m的范围为区间（1，3）[1]。

因此，必须准确检测到接收波形的起始位置，才可以正确计算出超声波的传播时间。

2 窗口傅立叶变换介绍

要准确计算声波起始位置，则需要提取信号包络。……