基于离散小波变换与多零交叉的超声波回波起始精确定位算法——面向液位与浓度测量的飞行时间方法

《Sensors and Actuators A: Physical》：A precise ultrasonic echo-onset positioning algorithm using discrete wavelet transform and multi-zero-crossing for time-of-flight measurement of liquid level and concentration

　　

• 提出了一种精确的超声回波起始定位算法，用于在强换能器振铃干扰下进行飞行时间（TOF）测定。
• 基于自制的 PZT-4 压电陶瓷超声换能器构建了一套非侵入式脉冲回波测量系统。
• 所提出的算法可用于精确测量液位和浓度。
• 测量了 10 μm 的液位变化，以评估所提出算法的液位分辨率。
• 测量了连续升降过程中的液位变化，以验证所提出算法在动态液位测量中的适用性。

引言
液位和浓度是化工处理和应用医疗中常规监测的两个重要参数。液位测量容器中储存的液体量，浓度与溶液的物理化学状态相关。液位测量误差可能导致溢出或欠流 [1]，而浓度测量不准确可能影响物料配比和产品质量 [2]。因此，可靠地测量这两个参数对于液体储存和处理系统至关重要 [3]。
电容、电感和光学传感方法已被广泛用于测量液位和浓度。电容传感方法通过等效电容的变化来确定液位或浓度 [4]。Ren 等人 [5] 开发了一种具有柔性叉指电极的非接触式电容液位传感器，用于小试管。Osouli Tabrizi 等人 [6] 使用 CMOS 电容传感器阵列表征了一系列浓度下的水 - 乙醇和水 - 甲醇液滴。然而，电容传感器的响应强烈依赖于介质的介电属性 和传感结构 [7]。因此，容器壁厚、寄生电容和电磁干扰可能会引入测量误差。在电感传感方法中，液体参数也是从传感器响应的变化中确定的，主要包括电感、阻抗或电磁耦合的变化 [8]。Areekath 等人 [9] 基于平面 PCB 线圈和水柱的涡流响应开发了一种电感 - 电容水位传感器。Ding 等人 [10] 使用平面线圈和 PQCR-L 电路非接触测量盐水浓度。由于电感传感器的响应受液体电导率和液体与线圈之间电磁耦合的影响 [11]，该方法可能不适用于所有液体。在光学方法中，液位或浓度是根据折射率、透射光强度或光谱响应的变化来确定的 [12]。例如，Dejband 等人 [13] 将光纤布拉格光栅与深度神经网络结合，以预测多个点的液位。Cai 等人 [14] 开发了一种利用热透镜效应和机器学习的快速浓度测量方法。这些方法通常需要稳定的光谱采集和校准的特征模型，从而增加了测量系统和数据处理程序的复杂性 [15]。与电气和光学方法不同，超声传感不直接依赖于液体的介电属性或光学透明度。因此，它适用于不透明液体、封闭容器和其他复杂测量条件 [16]。在超声测量中，飞行时间（TOF）指声学传播时间，是用于确定液位和浓度的主要参数。
超声 TOF 测定方法已逐渐从模拟检测转向数字信号处理。早期的 TOF 测定主要基于阈值检测和峰值检测方法 [17]。阈值检测方法通常使用比较器实现。设定固定的电压阈值将连续模拟回波转换为数字边缘信号，并将第一次阈值穿越时间作为 TOF [18]。峰值检测方法通常使用峰值检测或包络提取电路实现。识别接收回波的最大振幅点，并将相应时间用作 TOF [19]。这两种方法的 TOF 测定都基于与振幅相关的特征，因此结果易受信噪比（SNR）和回波波形质量变化的影响。强噪声或回波波形畸变会移动峰值位置和阈值穿越点，降低 TOF 测定精度 [20]。随着数字信号处理技术的发展，由于其对噪声的鲁棒性，互相关方法已被广泛用于超声 TOF 测定 [21]。然而，该方法需要一个稳定的参考信号，并且在接收信号和参考信号之间执行全波形相关 [22]。因此，计算复杂度相对较高，并且在实际测量中也难以获得稳定的参考信号。随着高速模数转换和子样本级定时分析的进步，过零法已被越来越多地用于 TOF 测定。TOF 根据回波的过零位置确定，这些位置与其相位特性相关。由于过零位置对信号振幅不太敏感，该方法在增益变化下相对稳定 [23]。然而，实际超声测量通常在激励后显示逐渐衰减的换能器振铃。当回波的早期部分被振铃尾部掩盖时，准确识别回波起始点变得困难，从而导致 TOF 的不确定性。
为了解决这个问题，本文提出了一种由两个阶段组成的 TOF 测定算法。在第一阶段，使用离散小波变换（DWT）将超声信号分解为不同的尺度，然后执行自适应子带阈值去噪以抑制换能器振铃。该过程产生具有高信噪比的降噪窄带信号。在第二阶段，根据正向过零点将降噪信号划分为分段。然后使用分段长度来评估每个分段的频率和周期一致性。通过这种评估，识别出回波的相位锁定区域（PLR），并粗略定位回波起始点。使用最小二乘法对 PLR 内的连续正向过零点进行拟合，以获得子样本级精度的 TOF。最后，通过液位和浓度测量实验验证了所提出算法的高测量精度。

章节片段
超声液位和浓度测量原理
本工作中使用超声脉冲回波法测量液位和浓度。测量期间，换能器附着在容器底壁的外表面上，声路径沿着液位高度方向。当换能器由电激励脉冲驱动时，激励通过逆压电效应转换为机械振动，从而产生超声波。然后超声波被传输
实验装置
图 2(a) 展示了液位和浓度超声测量的整体实验平台。测量系统包括超声换能器、脉冲驱动电路、液体容器、数字示波器（UNI-T UTD2152S-E）、温度测量模块和用于数据处理的 PC。图 2(b) 说明了脉冲回波测量过程，包括脉冲激励、超声传输、回波接收和信号采集。在系统
基于 DWT 的自适应子带阈值去噪
DWT 将输入超声信号分解为不同尺度上的近似系数和细节系数。这种分解通常使用 Mallat 递归算法实现 [31]。在此算法中，信号分别由一对正交低通和高通滤波器 h[n] 和 g[n] 滤波，然后在每一级进行下采样。递归分解可以写为：
A_{j+1}[n] = ∑_k h[k-2n] × A_j[k]
D_{j+1}[n] = ∑_k g[k-2n] × A_j[k]
其中 Aj 和 Dj 是近似和细节
结果与讨论
进行了液位和浓度测量实验，以验证所提出算法和测量系统的性能。液位实验包括三部分：静态液位、液位分辨率和动态液位。纯净水和硅油被用作测试液体。硅油是商业二甲基硅油（PMX-200 硅流体，陶氏公司），在 25 °C 下粘度为 100 cSt。在实验过程中，

结论
本文提出了一种基于 DWT 和多过零法的 TOF 测定算法。该算法应用于强换能器振铃存在下的液位和浓度超声测量，实现了 3.736 dB 的 RSR、5.647 dB 的 SRR 和 33.774 dB 的 SNR。此外，开发了一套液位和浓度测量系统，并为该系统设计并制造了一个 PZT-4 压电陶瓷超声换能器。

CRediT 作者贡献声明
Chengcheng Ma：起草原稿，可视化，方法论，数据管理，构思。Tao Wang：审阅与编辑，监督，调查，正式分析，构思。Cai Gao：验证，调查。Fei Wang：验证，调查。Xiujuan Wang：验证，调查。Lichen Su：软件，方法论，数据管理。Hao Tu：软件，方法论，调查。

利益冲突声明
作者声明他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能会影响本文报告的工作。

致谢
本项目得到国家自然科学基金（批准号 52376052）、中国博士后科学基金（批准号 2020M671834）和安徽省博士后科学基金（批准号 2020A397）的支持。

Chengcheng Ma 从中国南京工程学院信息与通信工程学院获得学士学位。目前他正在合肥工业大学攻读博士学位，主要研究重点是超声设备和系统。

Chengcheng Ma|Tao Wang|Lichen Su|Xiujuan Wang|Fei Wang|Cai Gao|Hao Tu