检测飞行时间的方法、飞行时间转换器、超声波流量计以及光学设备与流程

检测飞行时间的方法、飞行时间转换器、超声波流量计以及光学设备
1.本发明涉及检测飞行时间的方法、飞行时间转换器、超声波流量计以及光学设备。
2.一个应用领域是使用传输时间或飞行时间(tof)方法的超声波流量计量。tof能够用于测量各种参数，例如液体和气体的流动速度、流动速率和热流量。基于tof的超声波流量计在工业和法定计量中具有各种应用，例如，对诸如超声波的安全检测。此外，tof也能够用于光学应用，光学应用包括红外线ir、可见光vis和紫外线uv辐射。光学tof能够用于例如距离测量和3d成像。
3.超声波流量计测量通过诸如气体或液体的介质的流量。测量原理依赖于对沿着流动的上游和下游方向引入到测量体积中的超声波信号的tof进行比较。为了获得准确的tof读数，单独的tof测量应该与稳健的参考相关，以便允许可靠的比较。通常，评估接收信号的过零点。在通常的应用中，接收信号的特征在于几个波周期和过零点。因此，稳定且可重复的测量通常会在接收信号内的相同的相对位置处评估过零点的明确子集。
4.更详细地，关于流速的信息包括在超声信号串例如脉冲串的传输时间中，并且通过比较沿例如管中的测量体积的上游和下游方向测量的传输时间来提取。为了比较传输时间，定义信号串中的参考位置。超声信号串受温度、流速、流体压力、流体混合物和测量装置例如在线装置的设计的影响。在所列参数和系统寿命的定义范围内，测量应该是稳定的。
5.首次检测到的过零点通常会触发所谓的第一命中。在超声波流量计应用中建立的方法包括：第一命中电平、时间延迟触发器和相关方法。每种方法都有其自身的困难。第一命中电平依赖于在达到某一接收的幅度阈值电平，即所谓的第一命中电平fhl之后，通过使用过零点来定义固定的第一命中位置。然而，该方法缺乏抵抗波串幅度变化的鲁棒性。时间延迟触发器使用可调时间延迟来掩盖不期望的较早过零。这种方法需要复杂的计算来跟踪上游和下游的波串。与其他流量测量技术相比，这两种方法都以较低的功耗用于流量计应用中。第三种变型——相关方法——广泛使用，但却具有高功耗，这在像家用流量计的电池供电设备中是一个障碍。
6.本发明的目的是提供一种检测飞行时间的方法、飞行时间转换器、超声波流量计和光学设备，它们允许可靠的飞行时间测量。
7.该目的通过独立权利要求的主题来实现。在从属权利要求中描述了另外的发展和实施例。
8.应当理解，除非明确地描述为替代，否则下文关于任何一个实施例描述的任何特征可以单独使用，或者与下文描述的其他特征组合使用，并且还可以与任何其他实施例的一个或更多个特征组合使用，或者与任何其他实施例的任何组合使用。此外，在不偏离如所附权利要求中限定的检测飞行时间的方法、飞行时间转换器、超声波流量计和光学设备的范围的情况下，还可以采用下面未描述的等效物和修改。
9.以下涉及飞行时间tof检测领域中的改进的概念。该改进的概念采用为例如在超声流量计或光学设备中的tof检测建立鲁棒且稳定的参考的方式。例如，相移被添加到发射的信号，例如激发脉冲串(fire pulse)。改进的概念允许通过检测作为参考标记的添加的
相移来确定接收的信号串例如接收的脉冲内的由过零、例如第一命中表示的波周期的相对位置。相移存在于时域中，并且在接收到的信号串内在时间上保持在同一相对位置处。检测相移比接收波的幅度更稳定地抵抗外部影响。这种影响包括发射的和接收的信号串所经过的介质(例如气体或液体)的吸收特性的变化。另外的示例包括的流体流速变化或由老化引起的用于产生激发脉冲串的源(例如，超声波发生器或接收器)的工作特性的变化。因此，接收的信号串的例如成比例电信号的绝对幅度可以改变到一个电平，在该电平上可以检测几个交叉点之一或者甚至根本检测不到交叉点。
10.相移能够设置在0
°
至180
°
，例如大约90
°
，以在不会太多地干扰信号序列的情况下达到时间上的偏移。相移能够借助于例如包括飞行时间转换器的定时块来检测。通过分配相对于相移和它们在接收的信号串中的预期出现的波周期，可以建议应该在接收的脉冲串中的何处设置第一命中。然而，相移检测也能够与第一命中电平和/或时间触发检测方法一起用作附加的安全余量。例如，为了得到改进的或校正的时间值，飞行时间转换器能够被配置为参考相移重新计算飞行时间信号。事实上，在测量的原因期间发生第一命中的跳跃的情况下，其能够在所计算出的相移时间中被可视化，并且能够相应地校正tof和。
11.在至少一个实施例中，一种检测飞行时间信号的方法包括以下步骤。首先，通过介质发射信号串。所发射的信号串包括第一组波的或第一组波周期和第二组波的或第二组波周期的序列。所述组根据预定的相移在时域中被移位。接收发射的信号串作为接收的信号串并且作为时间的函数。发射的信号串通过介质被改变，并在穿过介质之后被认为是接收的信号串。检测接收的信号串中的相移。然后，使用所检测的相移作为参考，将接收的信号串的波周期分配给第一组的各个波周期。最后，分别根据第一组波的序列和所接收的信号串的分配的波周期来确定飞行时间信号序列。
12.介质包括例如液体或气体。相移能够被认为是两个连续波周期或其特征(例如峰值或过零点)之间的相对位移。因此，第一组波和第二组波的序列在时间上能够被认为是间隔开的。该间隔由相移确定。例如，第一组的最后一个波周期发生在某个时间点，而第二组的第一个波周期发生在某个不同的时间点。这些时间点根据相移在时间上间隔开。在一些实施例中，第一组的波周期可以不与第二组的波周期重叠。然而，通常，第一组和第二组是可互换的，即，使用检测到的相移作为参考将接收的信号串的波周期分配给第一组的各个波周期是个命名问题。
13.发射的信号串穿过介质，并且根据介质的材料特性而改变，例如由于多普勒效应。因此，接收的信号串的波周期可以具有不同的形状或波形。然而，接收的信号串的波周期具有发射的信号串中的相应对应的波周期。因此，第一组的波周期和第二组的波周期能够用它们在接收的信号串中的对应部分来识别。事实上，相移在时间上保持在相同的相对位置处，因此能够在接收的信号串中被检测到。在这种意义上，能够使用检测到的相移作为参考将接收的信号串的波周期分配给第一组的各个波周期。
14.例如，发射的信号串在第一组中具有五个波周期，随后在第二组中具有三个波周期。因此，当检测到相移时，它用作参考标记以识别接收的信号串中的波周期。在该示例中，相移之前的接收波周期能够被分配给第一组波周期，并且相移之后的接收波周期能够被分配给第二组波周期。发射的信号串和接收的信号串二者都是时间的函数。采用时间相关性以分别根据第一组的波序列和分配的接收的信号串的波周期来构建飞行时间信号序列。
15.所提出的概念基于时域测量。使用相移作为时间上的参考标记已经证明比使用预定义的幅度水平作为参考更加可靠。光学和超声系统受到外部影响，例如温度、气泡、流速、流体压力、流体混合物和测量装置的设计。因此，所提出的检测飞行时间信号的方法在所列参数和系统寿命的定义范围内更加稳定。例如，超声换能器或管件在时域中具有高稳定性，而物理量如电压电平，即所接收的信号串的幅度，受到系统中的各种物理参数的影响。对于基于电压电平的检测方法，需要付出很大的努力来确保流量计系统在整个参数范围和工作时间上是稳定的，直到重新校准或寿命终止。
16.在至少一个实施例中，在第一组与第二组之间插入相移，使得第一组波比第二组波在时间上更早地被发射。例如，在第一组的多个波周期之后，例如在第一组结束时，插入相移。相移可以覆盖第一组波周期的周期时间的四分之一。换句话说，相移能够设置为0
°
至180
°
。相移可以被设置在90
°
左右以在不会太多地干扰发射波周期的情况下达到最高时移。
17.在至少一个实施例中，分别用第一索引记录发射的信号串的波周期。第一索引分别表示波周期的发射的时间顺序。分别用第二索引记录接收的信号串的波周期。第二索引分别表示波周期的接收的时间顺序。然后，创建具有与第二索引对应的第一索引的发射的波周期和接收的波周期的对。然后根据所创建的对确定飞行时间信号序列。最后，根据飞行时间信号序列的飞行时间信号来计算物理参数。
18.这些索引允许成对地确定飞行时间信号，即，能够在给定波周期的发射与相同波周期的接收之间，但在穿过介质之后，确定飞行时间。这便于将接收的信号串的波周期正确地分配给第一组的各个波周期。可以使用数据寄存器来实现记录，所述数据寄存器使用相应的第一索引和第二索引来保存定时信号。这样，可以在设备基础上进行后续的数据处理，诸如对飞行时间信号序列的校正。
19.在至少一个实施例中，随着发射信号序列来发出时间参考信号。生成分别表示接收波周期的到达时间的多个定时信号。当满足触发条件时，生成定时信号被触发。根据定时信号并相对于时间参考信号来确定飞行时间信号序列。
20.时间参考信号用作时间参考，例如开始信号，即，时间参考信号可以在信号串第一次被发送时作为开始信号被发出，或者可以在每个波周期被发送时被发出。例如，如果发射的信号串包括多个电脉冲，则当生成预定脉冲或脉冲沿时，例如当生成给定脉冲串的第一脉冲时，可以发出时间参考信号。然后，相应的接收波周期的到达时间可以构成停止，使得定时信号根据时间参考信号来指示到达时间。因此，例如，定时信号能够用上面介绍的相同索引来记录。触发条件被设置为用于记录定时信号的标记。如果设置正确，则触发条件防止诸如背景噪声的假象信号被记录为定时信号。否则，错误触发可能降低飞行时间检测的准确性。
21.在至少一个实施例中，在第一波周期已经达到预定的触发信号电平的情况下，满足触发条件。另外地或替代地，当预定的触发延迟时间已经过去时，满足触发条件。
22.两种选择都试图确定稳定的第一命中检测。预定的触发延迟时间基本上掩盖了不期望的较早接收的信号或波周期。可以使用实际经验或系统的知识来调整延迟时间，该系统用于应用检测飞行时间信号的方法，例如飞行时间转换器。例如，延迟时间可以由用户调整以产生鲁棒的第一命中检测。此外，可以根据检测到的相移来调整延迟时间。在这种情况下，延迟时间能够被设置为例如足以检测接收的信号串中的第一、第二等波周期的值。在达
到某个接收幅度阈值电平之后，预定的触发信号电平通过使用下一个波周期例如下一个过零点来定义固定的第一命中位置。这种情况被称为第一命中电平fhl。
23.在至少一个实施例中，使用时间
‑
数字转换将定时信号生成为数字时间戳。通过评估数字时间戳来在时域中检测相移。
24.时间
‑
数字转换提供了一种用于识别事件并提供事件发生的时间的数字表示的手段。例如，作为转换的结果，数字时间戳被生成为每个进入波周期或脉冲的到达时间。在一些实施例中，数字时间戳指示在发出时间参考信号(例如作为开始事件)与在接收的信号串中接收波周期(例如作为停止事件)之间的时间间隔。此外，能够使用以上介绍的索引来记录数字时间戳。时间
‑
数字转换能够由时间
‑
数字转换器tdc实现，tdc以优于1至10ps的分辨率测量从零到毫秒范围的时间间隔。tdc能够被集成以允许紧凑的芯片上解决方案。
25.在至少一个实施例中，第一定时信号被定义为在已经满足触发条件之后在时间上首先被接收到的波周期的第一到达时间。该第一定时信号表示为第一命中。然后，根据检测到的相移确定预测的第一命中。
26.第一命中检测可能不总是正确的，并且可能易于被误检测。例如，取决于触发条件，可能不会检测到应当被认为是第一命中的波周期。例如，这可以在所述波周期的相应幅度被改变使得其不满足用于触发检测的预定的触发信号电平的情况下发生。幅度尤其受到温度、介质中的气泡、流速、流体压力、流体混合物和测量装置的设计的影响。可能导致错误检测的另一种情况是设置太大的触发延迟时间。在这种情况下，可以在已经例如借助于换能器检测到应当被认为是第一命中的波周期之后开始检测。
27.检测到的相移定义了波周期的相对位置，即时间上的相对位置。这提供了额外的系统知识，因为例如使用上面讨论的索引能够识别接收波周期并将其分配给相应的发射波周期。这是可能的，因为第一和第二组的波周期的连续性和数目能够由用户定义，并且因此是已知的。接着，检测到的相移提供了一种手段来预测第一命中的相对位置并评估检测到的第一命中是否对应于预测的第一命中及其在时间上的位置。
28.在至少一个实施例中，在第一命中和预测命中具有相同的到达时间的情况下，该方法继续根据飞行时间信号序列计算物理参数。在第一命中和预测的第一命中具有不同的到达时间的情况下，该方法继续使用预测的第一命中作为第一命中来校正飞行时间信号序列。附加地或替代地，以再次发射信号串开始，重新开始新的测量。此外，在第一命中和预测的第一命中具有不同的到达时间的情况下，该方法继续调整触发条件，使得第一命中对应于接收的信号串中的按照接收的时间顺序首先被记录的波周期。
29.在至少一个实施例中，在第一测量循环期间确定飞行时间信号序列。在第二测量循环期间确定至少另一飞行时间信号序列。最后，根据第一和第二测量循环的飞行时间信号序列确定物理参数。
30.第一测量循环和第二测量循环可以用于实现差分或比较测量概念。例如，超声波流量计通过比较上游的飞行时间和下游的飞行时间来测量流量。相移比例如基于幅度的方法稳定，并且能够用作参考标记。因此，连续测量的比较，例如第一和第二测量循环的飞行时间信号序列的比较，也能够以较高的准确性进行比较。此外，根据差分或比较测量概念确定的物理参数，例如流速，也能够以较高的准确性确定。
31.在至少一个实施例中，发射和接收的信号序列包括诸如可见光、红外线或紫外光
的电磁辐射的波周期。至少一些实施例包括声波周期或超声波周期。因此，能够使用不同类型的辐射来应用所提出的概念。一种使用情况是用于基于传输时间方法的超声波流量测量，该方法也被称为上述的飞行时间方法。另一种使用情况是用于其他飞行时间应用，例如光学距离测量或表面扫描。例如，对于时间
‑
数字转换，为了实现足够的时间分辨率，可以相应地调整波周期或脉冲的连续性。最新的时间
‑
数字转换器提供了几ns到几ps的分辨率。
32.在至少一个实施例中，飞行时间转换器包括具有用于连接至少一个换能器的至少一个输出端子的发射器前端。飞行时间转换器还包括具有用于接收作为时间的函数的输入信号的至少一个输入端子的定时寄存器块。例如，输入端子被配置为连接到至少一个换能器。这样，同一换能器能够用于发射和接收两者。替选地，输入端子能够被配置为连接到另一换能器。这样，能够实现双换能器设置，例如，其中，一个换能器进行发射并且一个换能器进行接收。在一些实施例中，例如在不同的测量循环期间，发射和接收换能器的角色能够被交换使得例如两个换能器能够以交替的方式用于发射和接收两者。处理单元连接到定时寄存器块，并被配置为接收输入信号。一般而言，处理单元被配置用于输入信号的信号处理，如将在下面讨论的。然而，能够向处理单元分配另外的功能，例如，作为控制单元在工作期间管理其他单元的定时和交互。
33.在工作状态下，飞行时间转换器可以连接到如上所述的一个或更多个换能器。发射器前端生成输出信号，该输出信号驱动至少一个换能器以通过介质发射信号串。所发射的信号串包括第一组波和第二组波的序列。所述组根据预定的相移在时域中移位。发射器前端生成输出信号，并因此生成包括第一组和第二组的发射信号串，并插入相移以便在时间上间隔开这两组。
34.在通过介质发射之后，发射的信号串例如借助于同一换能器或借助于另一换能器最终能够被飞行时间转换器检测。则发射的信号串表示接收的信号串。在任何情况下，检测接收的信号串的换能器生成输入信号。定时寄存器块经由至少一个输入端接收输入信号，并且将其作为时间的函数。处理单元检测输入信号中的相移。此外，处理单元检测所检测到的相移是否对应于预定的相移。然后，使用检测到的相移作为参考将输入信号的波周期分配给第一组的各个波周期。
35.例如，考虑第一组包括相移之前的多个波周期，而第二组包括相移之后的另一数量的波周期。通过检测输入信号中的相移，波周期能够被识别并彼此分配。处理单元还配置成分别根据第一组的波序列和所述接收的输入信号的分配的波周期来确定飞行时间信号序列。
36.所提出的飞行时间转换器允许例如在流量计或光学tof中的飞行时间的时域测量。使用相移作为时间上的参考标记已经证明比使用预定义的幅度水平作为参考更加鲁棒。添加到输出信号的相移生成参考位置，该参考位置能够用于对确定tof时间的开始位置进行反参考。光学和超声系统受到外部影响，例如温度、流速、流体压力、流体混合物和测量装置的设计。因此，所提出的飞行时间转换器在所列参数和系统寿命的定义范围内更稳定。例如，超声换能器或管件在时域中具有高稳定性。而物理量如电压电平，例如所接收的信号串的幅度，受到系统中更多物理参数的影响。对于基于电压电平的检测方法，需要相当大的努力来确保诸如流量计系统的检测系统在整个参数范围和工作时间内正确地工作，例如直到重新校准或寿命终止。此外，改善的稳定性与和其他飞行时间概念例如其他流量测量技
术相比的低功率消耗相结合。因此，所提出的飞行时间转换器能够用于移动设备或电池供电的设备，如家用或工业流量计。
37.在至少一个实施例中，发射器前端包括用于生成输出信号的可配置的信号发生器。信号发生器配置成接收控制信号以用于调整发射的信号串的波形，和/或调整第一组波和/或第二组波的波周期的数量，以及/或者在第一组波与第二组波之间插入相移。
38.信号发生器产生形成飞行时间转换器的输出信号的电信号。信号发生器能够借助于控制信号来配置，所述控制信号可以经由相应的控制端子施加以接收所述控制信号。通常，可能是各种波形，例如正弦或非正弦波形。例如，电信号可以具有脉冲形状并且包括有限数量的电脉冲的脉冲串。信号发生器能够作为频率从20khz到几mhz的超声源工作。在其他实施例中，信号发生器驱动光学换能器，例如光源或传感器模块，以在ir、vis或uv光谱中发射。作为选择，控制信号可以调整输出信号的波形。
39.输出信号例如借助于超声或光学换能器被转换成发射的信号串或脉冲串。因此，输出信号和发射的信号串被分成形成第一组的波序列和形成第二组的波序列，例如第一组脉冲和第二组脉冲。第一组和第二组根据预定的相移在时域中被移位，预定的相移取决于信号发生器的配置而插入在第一组和第二组之间。
40.信号发生器由第二控制信号配置以定义相移值。例如，在第一组与第二组的波周期之间插入相移。能够施加另一控制信号以调整脉冲持续时间、周期和电波周期的数量。例如，控制信号确定第一组的波周期的数量和第二组的波周期的数量。信号发生器的配置允许调整飞行时间转换器以适合预期的应用。此外，该配置构成关于飞行时间转换器的已知信息。例如，结合相移以及关于第一组的波周期的数量和第二组的波周期的数量的知识允许将接收的信号串或输入信号中的相应波周期分配给它们的发射波周期对应部分。
41.在至少一个实施例中，发射器前端包括被配置为发出时间参考信号的时间参考发生器。诸如时间
‑
数字转换器的定时块被配置为产生分别表示接收波周期的到达时间的定时信号。当满足触发条件时，生成定时信号被触发。处理单元被配置为根据定时信号并且相对于时间参考信号来确定飞行时间信号。
42.时间参考信号用作时间参考，例如开始信号，即，当产生输出信号时，时间参考信号可以作为开始信号发出。例如，当产生预定脉冲或脉冲沿时，可以发出时间参考信号。则接收波周期的到达和相应的输入信号可以构成停止信号，使得定时信号根据时间参考信号指示到达时间。触发条件被设置为用于记录定时信号的标记。如果设置正确，则触发条件防止诸如背景噪声的假象信号被记录为定时信号。错误触发可能降低飞行时间检测的准确性。
43.在至少一个实施例中，信号电平检测器被配置成监测接收波周期的信号电平，并且当第一接收波周期已经达到预定的触发信号电平时，发出触发信号以触发定时块。替代地或另外，定时器被配置为在预定的触发延迟时间过去之后发出触发信号以触发定时块。
44.预定的触发延迟时间基本上掩盖了不期望的较早接收的信号或波周期。例如在流量计或光学装置中，该延迟时间可以使用实际经验或知识系统行为来调整。例如，可以基于另一控制信号来调整延迟时间以产生鲁棒的第一命中检测。此外，可以根据检测到的相移来调整延迟时间。在这种情况下，延迟时间能够设置成足以检测例如在检测到接收的信号串时产生的输入信号中的第一、第二等波周期的值。在达到某个接收幅度阈值电平之后，预
定的触发信号电平能够用于通过使用下一个波周期(例如下一个过零点)来定义第一命中位置。这种情况被称为第一命中电平fhl。例如，定时块可以包括用于确定输入信号是否满足预定的触发信号电平的过零检测器。这种过零检测器还可以包括用于设置和改变预定的触发信号电平的控制装置、比较器和用于确定输入信号的信号电平的分析器。预定的触发延迟时间和第一命中电平实现均提供了相对较低的功耗以及对飞行时间信号的可靠检测。
45.在至少一个实施例中，超声波流量计包括根据以上提出的概念的飞行时间转换器。至少一个超声换能器被配置为在至少一个输出端子处接收输出信号和/或在至少一个输入端子处提供输入信号。
46.超声波流量计通过比较超声波突发信号在上游和下游的飞行时间来测量流量。飞行时间转换器允许提供和分析具有多个波周期或过零点的信号串。由于能够基于插入到输出信号中并由此插入到发射的信号中的相移来识别波周期或过零点的明确定义的子集，因此飞行时间转换器提供稳定且可重复的测量。例如，接收波周期的相同的相对位置能够被分配给相应的发射波周期，从而创建信号对，以高准确度和可重复性确定飞行时间。接收波周期的第一命中、例如过零点可以触发第一命中。飞行时间转换器允许将第一命中位置稳定地保持在接收的信号串的固定相对位置处。
47.超声波流量计基于时域测量。超声换能器的系统行为的特征在于时域中的高稳定性，而诸如接收信号的幅度的电压电平的物理量可能受到系统中的较多物理参数的影响。对于基于电压电平的检测方法，需要付出很大的努力来确保流量计系统在整个参数范围和工作时间内都能正确工作，直到重新校准或寿命终止。
48.在至少一个实施例中，光学传感器设备包括根据以上提出的概念的飞行时间转换器。至少一个光学换能器被配置为在至少一个输出端子处接收输出信号和/或在至少一个输入端子处提供输入信号。
49.该光学设备本质上具有飞行时间转换器的优点，但可应用于其它类型的辐射。例如，一种使用情况是用于其他飞行时间应用，诸如光学距离测量或表面扫描。例如，对于时间
‑
数字转换，为了实现足够的时间分辨率，应当相应地调整波周期或脉冲的连续性。最新的时间
‑
数字转换器提供了几μs到几ps的分辨率。
50.飞行时间转换器、超声流量计和光学设备的其它实施方式可以容易地从检测飞行时间的方法的各种实施方式和实施例得到，反之亦然。
51.下面，参照附图进一步详细描述上面给出的原理，在附图中示出了示例性实施例。
52.在以下实施例和附图的示例中，相似或相同的元件可以各自设置有相同的附图标记。然而，附图中所示的元件及其相互之间的尺寸关系不应视为按比例绘制。相比之下，诸如层、部件和区域的单独元件可以被夸大以便能够更好地说明或改善理解。
53.图1a示出了示例流量测量装置，
54.图1b示出了另一示例流量测量装置，
55.图2示出了飞行时间转换器的示例实施例，
56.图3示出了包括相移的发射的信号串的示例，
57.图4示出了飞行时间检测的示例时序方案，
58.图5示出了定时信号的示例序列，
59.图6示出了飞行时间检测的示例流程图，以及
60.图7示出了使用预定的相移检测到的第一命中的示例跳跃。
61.图1a和图1b示出了示例流量测量装置。在附图中描绘的装置构成用于测量介质m(例如流体或气体)沿管p的流量的超声流量计。在图1a的装置中，两个超声换能器us_down、us_up分别位于下游位置dp和上游位置up。连接两个超声换能器us_down、us_up的连接线cl相对于管p的纵向轴线la具有倾斜角α。在图1b的装置中，两个超声换能器us_down、us_up也位于下游位置dp和上游位置up，但与管p的纵向轴线la平行或成一直线。在图1b的实施例中，倾斜角α为零。为了将超声耦合到管p中以及耦合出管p，两个超声反射器ur位于管内。两个超声反射器ur建立连接两个超声换能器us_down、us_up的u形信号路径。
62.两个超声换能器us_up、us_down被配置为收发器，即它们能够发射和接收超声。例如，超声换能器包括压电晶体。两个换能器us_up、us_down被连接至配置成驱动换能器以发射和/或接收超声波的飞行时间转换器tofc(未示出)。例如，压电晶体被用作超声波的换能器。
63.在典型的测量中，用飞行时间转换器tofc的输出信号交替地激励压电换能器，并且超声脉冲信号交替地发送通过填充有待测量的流动介质m的管p。当用飞行时间转换器tofc的输出信号激励时，压电换能器不发射单个脉冲，例如单个或有限数量的电脉冲。不同地，使晶体以特征谐振频率振荡以发射一连串波周期，下文中将其看作发射的信号串ts，这将在下面进一步详细讨论。
64.在第一测量循环或第一阶段，发射的信号串ts从上游的换能器us_up发送以发射第一信号串ts_down，并作为接收的信号串被下游的换能器us_down接收。该测量的结果是作为时间的函数例如由多个数字时间戳表示的第一接收信号串rs_down。对第一接收信号串rs_down的评估得到表示下游测量的飞行时间的第一飞行时间信号序列tof_down。
65.在下一个测量循环或第二阶段中，测量的方向被反转。因此，发射的信号串ts从下游的换能器us_down发送以发射第二信号串ts_up，并作为接收的信号串被上游的换能器us_up接收。该测量的结果是作为时间的函数例如由多个数字时间戳表示的第二接收信号串rs_up。对第二接收信号串rs_up的评估得到表示上游测量的飞行时间的第二飞行时间信号序列tof_up。例如基于差分运算的对序列tof_up和tof_down的进一步评估是对通过介质m的传输时间的测量。事实上，传输时间是介质m通过管p的流量的函数，并且能够针对表征流量的物理参数进行分析。
66.例如，能够评估飞行时间信号序列tof_up和tof_down以产生作为物理参数的平均流体速度v。对于给定的平均流体速度v、测量路径l(例如两个换能器us_up、us_down之间的信号路径的长度)以及介质m中的声信号的声速c0，信号——例如发射的信号串ts——需要上游路径的时间t
up
(上游延迟时间)和下游路径的时间t
down
(下游延迟时间)。各个时间能够从飞行时间信号序列tof_up和tof_down中获得。根据上面定义的参数，上游延迟时间和下游延迟时间能够表示为：
[0067][0068]
以及
[0069][0070]
也可以从飞行时间信号序列tof_up和tof_down确定的传输时间δt是平均流体速度v的函数。传输时间被确定为上游延迟时间和下游延迟时间的时间差。因此，
[0071][0072]
能够求解该表达式以得到平均流体速度v，其能够被如下近似：
[0073][0074]
当使用图1b中讨论的内嵌装置时，该表达式能够进一步被简化。由于该装置没有倾斜，或者α＝0，因此可以得出：
[0075][0076]
平均流体速度v的计算能够借助于接收飞行时间信号序列tof_up和tof_down的外部计算单元(例如外部微控制器)来执行。然而，飞行时间转换器tofc自身可以包括计算单元，例如处理单元pu，其能够被配置为还在同一芯片上执行延迟时间的处理以及传输时间δt和平均流体速度v的计算。
[0077]
图2示出了飞行时间转换器的示例实施例。飞行时间转换器tofc包括发射器前端tf、定时寄存器块rb和处理单元pu。所有这些部件通常可以彼此分离，或者所有部件或部件中的至少一些被分离到公共集成电路中，即在同一芯片上。
[0078]
发射器前端tf包括第一输出端子t1和/或第二输出端子t2。例如，第一输出端子t1能够连接到换能器上游us_up，而第二输出端子t2能够连接到换能器下游us_down。然而，在一些实施例中，发射器前端tf的特征为仅具有单个输出端子t1。单个换能器能够用于检测上游和下游两者，即，单个换能器能够用于改变配置以允许信号的发送和接收。
[0079]
发射器前端tf包括可配置的信号发生器sg。信号发生器sg产生形成飞行时间转换器tofc的输出信号的电信号。信号发生器sg能够借助于控制信号来配置，所述控制信号可以经由用于接收所述控制信号的相应的控制端子(未示出)来施加。一般来说，各种波形例如正弦或非正弦波形都是可能的。通常，电信号具有脉冲形状并且包括有限数量的电脉冲的脉冲串。信号发生器sg能够以例如从20khz到几mhz的频率工作。作为选择，控制信号可以调整输出信号的波形。
[0080]
每个发射的信号串ts或脉冲串被分成形成第一组ts1的波序列和形成第二组ts2的波序列，例如第一组脉冲和第二组脉冲。根据预定的相移ps，第一组ts1和第二组ts2在时域中被移位。第二控制信号能够被施加以限定插入到输出信号中的相移ps的值。例如，相移ps被插入在第一组脉冲ts1与第二组脉冲ts2之间。另一控制信号能够被施加以调整脉冲持续时间、脉冲周期和/或电脉冲的数量。例如，控制信号确定第一组脉冲ts1的脉冲数和第二组脉冲ts2的脉冲数。
[0081]
此外，发射器前端tf包括耦合到信号发生器sg的时间参考发生器rg。时间参考发生器rg被配置为发出时间参考信号tref，例如具有限定的数字时间戳的参考脉冲。当信号发生器sg产生输出信号并且发送相应的信号串ts时，可以发出时间参考信号tref作为开始信号。例如，如果脉冲串包括多个电脉冲，则当生成预定的脉冲或脉冲沿时，例如当生成给定脉冲串的第一脉冲时，可以发出时间参考信号tref。
[0082]
信号发生器sg的输出侧经由第一前置放大器a1和开关网络sw连接到端子t2。端子t1连接到开关网络sw和第二前置放大器a2，并且还连接到定时块tb。发射器前端tf包括定时块tb，该定时块连接到时间参考发生器rg以接收时间参考信号tref。定时块tb包括时间
‑
数字转换器和寄存器块。定时块tb连接到处理单元pu。此外，定时块tb包括用于保存定时信号，例如连同相应的索引的一个或更多个寄存器块。作为另一部件，飞行时间转换器tofc可以具有控制单元(未示出)。控制单元配置成在工作期间管理其他单元的定时和交互。然而，控制单元也可以是例如处理单元pu的一部分。
[0083]
在飞行时间转换器tofc的工作期间，信号发生器sg经由开关网络sw将例如用户配置的脉冲计数和频率的输出信号传输到换能器us_down、us_up之一。然后，输出信号被转换成超声辐射并作为信号串ts进行传输，该信号串包括在时间上被预定的相移ps分开的第一组ts1和第二组ts2的波周期。同时，时间参考发生器rg产生用于定时块tb的时间参考信号tref，通常是脉冲沿。
[0084]
在穿过介质m之后，例如，相同或其他的换能器us_down、us_up将发射的信号串检测为接收的信号串。换能器us_down、us_up将所述信号串转换成输入信号并在输入端子t2处提供所述信号。结果，在输入信号行进通过被测介质m之后，定时块tb从换能器接收该输入信号。然后，定时块tb根据模拟输入信号评估输入信号，以生成定时信号，例如数字时间戳或作为多个命中或脉冲沿。
[0085]
根据其配置，例如来自重复的测量循环的这些脉冲沿中的多个被分配了相应的时间戳，其被收集并保存在寄存器块中。在随后的计算之后，参考由时间参考发生器rg提供的时间参考信号tref，定时信号最终产生飞行时间信号序列tof_up、tof_down。该计算能够由处理单元pu执行，并且将在下面进一步详细讨论。
[0086]
图3示出了包括相移的发射的信号串的示例。如上所述，飞行时间转换器tofc产生输出信号，例如具有有限数量的电脉冲的脉冲串。继而，连接到第一输出端子t1和/或第二输出端子t2的换能器发射超声波的信号串ts。信号串ts沿着测量路径l被引入介质m并穿过介质m。换句话说，输出信号确定发射的信号串ts的函数形状，该发射的信号串ts因此包括第一组波ts1的序列和第二组波ts2的序列。对于许多实际使用情况，所述波具有脉冲形状，并且第一组ts1和第二组ts2均具有如附图中所描绘的多个脉冲。
[0087]
组ts1和ts2根据由信号发生器sg预定的相移ps在时域中移位。相移ps能够被认为是具有相同频率的两个波形的两个对应特征之间的相对位移，两个相应特征例如峰值或过零点。在图中，相移ps被描绘为两个连续脉冲发生之间的时间偏移，所述两个连续脉冲例如第一组ts1的最后一个脉冲和第二组ts2的第一个脉冲。通常，相移ps插入在第一组ts1与第二组ts2之间，使得在时间上第一组脉冲ts1比第二组脉冲ts2早发射。相移ps之前的脉冲被表示为突发前脉冲fbg_burst_pre，相移ps之后的脉冲被表示为突发后脉冲fbg_burst_post。通过施加到信号发生器sg的控制信号能够调整突发前脉冲和突发后脉冲的数量。通
常，如果要使用突发前脉冲来确定飞行时间信号的序列，则这些脉冲的数量较多。然后，突发后脉冲的数量较少，并且这些脉冲用于确定接收的信号中的相移。然而，突发后脉冲也可用于确定飞行时间信号序列。
[0088]
基本上，例如在预定数量的突发前脉冲fbg_burst_pre之后，存在将相移ps插入到发射的信号串ts中的两种变型。这些变型在附图中被描绘为模式＝0和模式＝1。在模式＝0中，相移ps作为信号串的低相位被插入。在模式＝1中，相移ps作为信号串ts的高相位被插入。相移ps能够设置在0
°
与180
°
之间。为了减少干扰，相移ps设置在90
°
附近以在不过多地干扰所发射的超声波的情况下达到最高时移。相移ps的度数借助于信号发生器sg来设置，即通过施加相应的控制信号来设置。
[0089]
图4示出了飞行时间检测的示例时序方案。图4中的图都是时间t的函数。完成该方案限定了例如针对上游方向和下游方向的一个测量循环或阶段。
[0090]
图的第一行示出了作为时间的函数的发射的信号串ts。仅示意性地示出了所发射的信号串ts或发射的脉冲串。其特性源自以上关于图3所讨论的更一般的概念。产生发射的信号串ts的输出信号的各个波周期或脉冲以第一索引i记录在寄存器块中，该第一索引表示波周期的发射的时间顺序。
[0091]
图的第二行示出了作为时间的函数的接收的信号串rs。接收的信号串rs包括多个正弦波形的波周期。连续脉冲的激发脉冲，即发射的信号串，在穿过介质m时会发生变化。通常，波周期的波形被改变为具有正弦形式。尽管如此，接收的信号串或接收的波的波周期能够分配给激发脉冲串或发射的信号串ts的相应波周期或脉冲。接收的信号串rs的波周期在过零电平zcl附近振荡，并由正弦包络包围。实际上，接收的信号串rs包括两组波周期，所述波周期首先具有增加的幅度，随后一些波周期通常具有或多或少恒定的最大幅度，最后波周期具有减小的幅度。波周期的峰值幅度形成接收脉冲串的包络函数。
[0092]
为了进行飞行时间测量，接收波周期分配有相应的发射波周期，然后分别确定到达时间。出于此目的，如图中第三行所描绘的确定定时信号的序列，表示为原始命中。这些原始命中例如通过定时块tb来确定。在这个特定实施例中，借助于定时块tb使用时间
‑
数字转换将定时信号生成为数字时间戳。例如，当达到预定的触发信号电平(触发条件)时，检测到第一定时信号，或与接收波周期的第一到达时间相对应的第一命中fh1。然后，从第一命中开始按时间顺序对随后的波周期进行计数，用第二索引j进行记录，并且将这两者均存储在寄存器块中。
[0093]
所示的接收的信号串rs具有多个过零点，所述多个过零点相对于由测量系统例如通过内部比较器的参考电压给出的过零电平zcl来定义。以明确的方式将过零点分配给索引j利用了例如能够被认为是阈值电压的触发信号电平。如图4所示，在接收的信号串rs作为飞行时间转换器tofc的输入信号出现之前，触发信号电平被施加。在触发信号电平首先超过接收波周期之后，触发对第一定时信号的检测。通过该事件生成示出为原始命中的数字信号沿，并被表示为第一命中fh1(作为数字定时信号)，并且相应的接收波周期表示为第一接收波周期。在这个事件之后，不再施加触发信号电平，而是被设置为过零电平zcl以产生其他定时信号，例如，作为随后过零处的脉冲沿信号，在下文中表示为命中。这些命中按照时间顺序记录并且使用第二索引j引用第一命中。
[0094]
插入输出信号中的相移ps在输入信号中也是明显的。例如，接收波周期也在时间
上被分成第一组波和第二组波。如从图中显而易见的，在第一组和第二组之间的空间中，接收波周期在一定的时间段内返回到过零电平，这取决于相移ps。然而，通常，接收波周期可能不完全返回到过零电平，而是可能仅通过包络中的较小幅度体现。在这种意义上，图中所描绘的曲线被稍微夸大。相移ps也体现在在原始命中，即定时信号序列中，并因此能够例如基于作为定时信号的数字时间戳通过使用时间
‑
数字转换来估计接收波周期以检测。
[0095]
检测到的相移ps用作参考标记以识别接收的信号串rs中的波周期，并将它们分配给它们相应的发射波周期。例如，能够创建发射波周期和接收波周期对i＝j，其具有对应于第二索引j的第一索引i。相移之前的接收波周期能够分配给第一组ts1的波周期，并且相移之后的接收波周期能够分配给第二组ts2的波周期。
[0096]
附图中的第四行的被称为tdc开始示出了时间参考信号tref。时间参考信号tref用作定时块tb、例如时间
‑
数字转换器的起始信号。第五行示出了飞行时间信号序列tof，被称为tdc停止。例如，飞行时间信号能够被认为是时间
‑
数字转换器相对于时间参考信号tref的停止信号。因此，飞行时间信号表示相应的发射波周期和接收波周期的飞行时间。图中所描绘的飞行时间信号序列tof是根据具有j＝4、6和8的命中建立的。然而，tof信号中能够包括任何其他编号的命中。命中j＝16、18、20和22用于确定相移ps，但是也可以用于tof信号。飞行时间信号是参考它们的波周期对应部分，例如i＝4、6和8等建立的。
[0097]
图5示出了定时信号的示例序列。图中所示的曲线更详细地示出了原始命中的示例。原始命中是例如在一个测量方向(例如上游或下游)发生的过零检测的结果。第一命中的检测触发过零检测。这在满足触发条件(即达到触发信号电平)后用过零电平zcl的下降来表示。使用第二索引j按时间顺序对另外的命中进行编号。
[0098]
然而，不是所有命中都可以用于建立飞行时间信号序列tof。在第一命中被检测到之后，直到第一时间窗tof_start过去，才记录另外的命中。在第二时间窗tof_sum的持续时间内，使用寄存器块来记录以起始命中开始的另外的命中。在附图所示的实施例中，记录了三个命中tof_0、tof_1和tof_2。然后，在第一命中之后的限定数量的命中之后，即在第二时间窗tof_sum之后，三个命中tof_3、tof_4和tof_5被写入寄存器块。最后，在相移ps(未示出)之后以及在经过第三时间窗tof_end之后，四个最终命中tof_6、tof_7、tof8和tof_9被写入结果寄存器中。能够根据结果块中存储的时间值来确定相移。
[0099]
图6示出了飞行时间检测的示例流程图。所提出的方法能够作为软件例如固件来实现，并且由处理单元pu执行。然而，该方法中的至少部分能够在飞行时间转换器tofc的芯片上执行，或者通过外部装置例如专用微处理器或计算机执行。此外，可以通过诸如逻辑单元等的硬件来实现该方法。该方法的执行由上述飞行时间转换器tofc支持。
[0100]
在第一步骤s1中，系统例如飞行时间转换器tofc被初始化。这通常包括将所有参数设置为初始值，删除寄存器块的寄存器，以及复位飞行时间转换器的部件、例如时间参考发生器rg、定时块tb和处理单元pu。
[0101]
在下一步骤s2中，执行飞行时间测量循环。例如，当飞行时间转换器用作超声流量计时，执行上游和下游测量或多个这样的测量。在下一步骤s3中，在飞行时间测量循环的接收的信号串中确定相移。在步骤s4中，通过将检测到的相移与例如借助于信号发生器sg引入到发射的信号串中的预定的相移ps进行比较，来评估检测到的相移。
[0102]
步骤s5涉及是否已经正确地检测到第一命中的判定。例如，由于外部影响，第一命
中位置可能在时间上跳跃并且最终导致错误检测。使用预定的相移ps作为参考标记来做出判定，即，将检测到的第一命中与预测的第一命中进行比较，所述预测的第一命中由其在时间上相对于相移ps的相对位置来定义。检测到的第一命中对应于第一定时信号，该第一定时信号指示在触发条件已被满足之后在时间上首先接收到的波周期的第一到达时间。触发条件可以由预定的触发信号电平和/或预定的触发延迟时间来定义。在第一命中和预测的第一命中具有相同到达时间的情况下，该方法进行到步骤s7。在第一命中和预测的第一命中具有不同的到达时间的情况下，处理单元pu或软件试图通过使用预测的第一命中作为新的第一命中来校正飞行时间信号序列tof。这在步骤s6中完成。
[0103]
在步骤s7中，确定飞行时间信号的校正是否已经成功。在使用检测到的相移作为参考将接收的信号串的波周期分配给第一组的相应波周期在限定的时间范围内匹配的情况下，测量被认为成功。当每个检测或考虑的接收波周期在所述范围内具有发射的信号串中的匹配波周期时，该比较被认为是匹配的。如果是这种情况，则该方法进行至步骤s8，并且根据第一测量循环和第二测量循环——例如在超声波流量测量的情况下针对上游和下游测量——的飞行时间信号序列tof来确定物理参数，例如流速。然后，根据该方法的检测可以进行至步骤s9，并且为新测量循环设置第一命中电平和/或触发延迟时间。然后，过程返回到步骤s2。
[0104]
在第一命中和预测的第一命中具有不同的到达时间并且不可能使用预测的第一命中来校正飞行时间信号序列的情况下，在步骤s9中，通过设置新的第一命中电平和/或新的触发延迟时间来开始新的测量循环。这些电平的设置包括调整触发条件，使得第一命中对应于按照接收的时间顺序首先被记录的接收的信号串的波周期。
[0105]
图7示出了使用预定的相移检测到的第一命中的示例跳跃。信号用500khz超声波气体传感器来测量。该曲线图描绘了以递增的数量进行计数的多个测量循环内以任意单位表示的信号水平s。在该示例中，该数量的范围高达400个测量循环。对于四个过零，已经计算了相对于突发后脉冲fbg_burst_post的预定的相移ps。
[0106]
该图示出了在400次测量中根据发射的信号串ts计算出的四个相移时间的结果(如曲线g1到g4所示)。从一次测量中计算出四次。在所绘制时间的一半之后，即在测量次数200处，发生第一命中电平到较早周期的跳跃。在图中所示的曲线g1到g4中，随着时间的推移，在测量次数200周围出现跳跃是可见的。各个曲线g1到g4对应于不同的移位。
[0107]
当在步骤s5按照如图6所示连续检查时移或跳跃时，飞行时间转换器tofc能够检测一个或更多个周期的跳跃，然后能够例如在步骤s9中相应地调整触发条件。对于500khz超声波气体换能器，以四分之一周期长度的相移计算预定的相移。
[0108]
所提出的方法和飞行时间转换器能够用于超声波流量控制器中。在工业市场和电源行业中，经常需要较先进的技术来进行安全的飞行时间测量。应用领域涉及水计量或气体计量。例如，该方法和飞行时间转换器tofc二者均允许例如用于家用计量市场或其他基于电池的系统的低功率流量计解决方案。尤其是在气体和流体计量市场中，如所建议的，需要较先进的技术用于安全的飞行时间测量。这种流量计可以应用于加热系统。
[0109]
虽然所提出的概念的一个方面是用于利用传输时间方法的超声波流量测量，传输时间也称为飞行时间，但还能够用于其他飞行时间应用。这些其他应用涉及使用光学传感器或表面扫描的光学距离测量。在这些光学应用中，也采用多个发射的信号串作为测量信
号。通常，脉冲或发射波周期的时间尺度需要适应于飞行时间转换器的时间分辨率，例如时间
‑
数字转换器的时间分辨率。
[0110]
附图标记说明
[0111]
α
ꢀꢀꢀꢀꢀ
倾斜角
[0112]
a1
ꢀꢀꢀꢀ
放大器
[0113]
a2
ꢀꢀꢀꢀ
放大器
[0114]
fbg_burst_pre
ꢀꢀꢀꢀꢀ
突发前脉冲
[0115]
fbg_burst_post
ꢀꢀꢀꢀ
突发后脉冲
[0116]
fh1
ꢀꢀꢀ
第一命中
[0117]
fhl
ꢀꢀꢀ
第一命中电平
[0118]
g1至g4
ꢀꢀꢀ
曲线
[0119]
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
索引发射波
[0120]
j
ꢀꢀꢀꢀꢀ
索引接收波
[0121]
la
ꢀꢀꢀꢀ
纵向轴线
[0122]
m
ꢀꢀꢀꢀꢀ
介质
[0123]
p
ꢀꢀꢀꢀꢀ
管
[0124]
pu
ꢀꢀꢀꢀ
处理单元
[0125]
rb
ꢀꢀꢀꢀ
定时寄存器块
[0126]
rs
ꢀꢀꢀꢀ
接收的信号串
[0127]
rs_down
ꢀꢀꢀ
接收的信号串(下游)
[0128]
rs_up
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
接收的信号串(上游)
[0129]
sg
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
信号发生器
[0130]
sw
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
交换网络
[0131]
tf
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
发射器前端
[0132]
tof_0至
[0133]
tof_5
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
命中
[0134]
tofc
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
飞行时间转换器
[0135]
tof_down
ꢀꢀꢀ
飞行时间信号序列(下游)
[0136]
tof_end
ꢀꢀꢀꢀ
第三时间窗
[0137]
tof_start
ꢀꢀ
第一时间窗
[0138]
tof_sum
ꢀꢀꢀꢀ
第二时间窗
[0139]
tof_up
ꢀꢀꢀꢀꢀ
飞行时间信号序列(上游)
[0140]
tref
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
时间参考信号
[0141]
ts
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
发射的信号串
[0142]
ts1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一组波
[0143]
ts2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二组波
[0144]
ts_down
ꢀꢀꢀꢀ
发射的信号串(下游)
[0145]
ts_up
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
发射的信号串(上游)
[0146]
ur
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
超声反射器
[0147]
us_down
ꢀꢀꢀꢀ
下游换能器
[0148]
us_up
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
上游换能器
[0149]
v
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
平均流速
[0150]
zcl
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
过零电平

技术特征：
1.一种检测飞行时间信号的方法，包括以下步骤：
‑
通过介质(m)发射信号串(ts)，其中，发射的信号串(ts)包括第一组波(ts1)和第二组波(ts2)的序列，所述组(ts1、ts2)根据预定的相移(ps)在时域中被移位，
‑
接收所述发射的信号串(ts)作为接收的信号串(rs)并且作为时间的函数，
‑
检测所述接收的信号串(rs)中的相移(ps)，
‑
使用检测到的相移(ps)作为参考，将所述接收的信号串(rs)的波周期分配给第一组波(ts1)的各个波周期，以及
‑
分别根据所述第一组波(ts1)的序列和所述接收的信号串(rs)的分配的波周期来确定飞行时间信号序列(tof)。2.根据权利要求1所述的方法，其中，在第一组波(ts1)与第二组波(ts2)之间插入相移，使得所述第一组波(ts1)在时间上比所述第二组波(ts2)更早地被发射。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中
‑
分别用第一索引(i)记录所述发射的信号串的波周期，其中，所述第一索引(i)分别表示波周期的发射的时间顺序，
‑
分别用第二索引(j)记录所述接收的信号串的波周期，其中，所述第二索引(j)分别表示波周期的接收的时间顺序，以及
‑
创建发射波周期和接收波周期的对(i＝j)，其中第一索引(i)对应第二索引(j)，
‑
根据所创建的对(i＝j)确定飞行时间信号序列(tof)，以及
‑
根据所述飞行时间信号序列(tof)的飞行时间信号来计算物理参数(p)。4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其中
‑
随着发射信号序列(ts)来发出时间参考信号(tref)，
‑
生成分别表示接收波周期的到达时间的多个定时信号(t)，
‑
当满足触发条件时，生成定时信号(t)被触发，以及
‑
根据所述定时信号(t)并相对于所述时间参考信号(tef)来确定所述飞行时间信号序列(tof)。5.根据权利要求4所述的方法，其中，在以下情况下满足所述触发条件：
‑
第一接收波周期已经达到预定的触发信号电平，和/或
‑
已经过去预定的触发延迟时间。6.根据权利要求4或5所述的方法，其中
‑
使用时间
‑
数字转换将所述定时信号(t)生成为数字时间戳，以及
‑
通过评估所述数字时间戳来在时域中检测所述相移(ps)。7.根据权利要求4至6之一所述的方法，其中
‑
第一定时信号被定义为在满足触发条件之后在时间上首先被接收到的波周期的第一到达时间，所述第一定时信号表示为第一命中(fh1)，
‑
根据检测到的相移(ps)确定预测的第一命中(fh0)，
‑
在所述第一命中(fh1)和预测的第一命中(fh0)具有相同的到达时间的情况下，继续根据所述飞行时间信号序列(tof)计算物理参数(p)，
‑
在所述第一命中(fh1)和预测的第一命中(fh0)具有不同的到达时间的情况下，使用预测的第一命中(fh0)作为第一命中来校正所述飞行时间信号序列(tof)，和/或从再次发
送所述信号串(ts)开始来开始新的测量，以及
‑
在所述第一命中(fh1)和预测的第一命中(fh0)具有不同的到达时间的情况下，调整所述触发条件，使得所述第一命中(fh1)对应于所述接收信号串(rs)中的按照接收的时间顺序首先被记录的波周期。8.根据权利要求3至7之一所述的方法，其中
‑
在第一测量循环期间确定所述飞行时间信号序列(tof)，
‑
在第二测量循环期间确定至少另一飞行时间信号序列(tof)，以及
‑
根据第一和第二测量循环的飞行时间信号序列(tof)确定物理参数。9.根据权利要求1至8之一所述的方法，其中，所述发射信号串和接收信号串(ts、rs)包括电磁辐射的波周期，或者包括声波周期或超声波周期，所述电磁辐射诸如是可见光、红外光或紫外光。10.一种飞行时间转换器，包括：
‑
发射器前端(tf)，其具有用于连接至少一个换能器(tr)的至少一个输出端子(out)，所述发射器前端被配置为生成输出信号以驱动所述至少一个换能器(tr)通过介质(m)发射信号串(ts)，其中，所发射的信号串(ts)包括第一组波(ts1)和第二组波(ts2)的序列，所述组(ts1、ts2)根据预定的相移(ps)在时域中被移位，
‑
定时寄存器块(rb)，其具有用于接收作为时间的函数的输入信号的至少一个输入端子(in)，
‑
处理单元(pu)，其被配置为检测输入信号中的相移，并且使用检测到的相移作为参考，将所述输入信号的波周期分配给第一组波(ts1)的各个波周期，并且所述处理单元(pu)还被配置为分别根据所述第一组波(ts1)的序列和所述接收的输入信号的分配的波周期来确定飞行时间信号序列(tof)。11.根据权利要求10所述的飞行时间转换器，其中，所述发射器前端(tf)包括用于生成输出信号的可配置的信号发生器(sg)，其中，所述信号发生器(sg)被配置为接收控制信号以用于：
‑
调整发射的信号串(ts)的波形，
‑
调整第一组波(ts1)和/或第二组波(ts2)的波周期的数量，
‑
在所述第一组波(ts1)与所述第二组波(ts2)之间插入相移(ps)。12.根据权利要求10或11所述的飞行时间转换器，其中，所述发射器前端(tf)包括
‑
时间参考发生器(rg)，其被配置为发出时间参考信号(tref)，以及
‑
定时块(tb)，例如时间
‑
数字转换器，所述定时块被配置为产生分别表示接收波周期的到达时间的定时信号(t)，其中，当满足触发条件时，生成定时信号(t)被触发，并且其中
‑
所述处理单元被配置为根据所述定时信号并且相对于所述时间参考信号来确定所述飞行时间信号。13.根据权利要求10至12中的一项所述的飞行时间转换器，
‑
包括信号电平检测器(ld)，其配置成监测接收波周期的信号电平并且当第一接收波周期已经达到预定的触发信号电平时发出触发信号以触发所述定时块(tb)，或者
‑
包括定时器(ti)，其用于在预定的触发延迟时间过去之后发出触发信号以触发所述定时块(tb)。
14.一种超声波流量计，包括：
‑
根据权利要求10至13之一所述的飞行时间转换器，以及
‑
至少一个超声换能器(ut1、ut2)，其被配置为在所述至少一个输出端子(out)处接收输出信号和/或在所述至少一个输入端子(in)处所述输入信号。15.一种光学传感器设备，包括：
‑
根据权利要求10至13之一所述的飞行时间转换器，以及
‑
至少一个光学换能器(os)，其被配置为在至少一个输出端子(out)处接收输出信号和/或在至少一个输入端子(in)处提供输入信号。
技术总结
一种检测飞行时间信号的方法，包括以下步骤。首先，通过介质发射信号串。所发射的信号串包括第一组波的或第一组波周期的和第二组波的或第二组波周期的序列。所述组根据预定的相移在时域中被移位。所发射的信号串作为接收的信号串并且作为时间的函数被接收。发射的信号串在通过介质时发生改变，并在穿过介质之后被认为是接收的信号串。检测接收的信号串中的相移。然后，使用所检测的相移作为参考，将接收的信号串的波周期分配给第一组波的各个波周期。最后，分别根据第一组波的序列和所述接收的信号串的分配的波周期来确定飞行时间信号序列。号串的分配的波周期来确定飞行时间信号序列。号串的分配的波周期来确定飞行时间信号序列。


技术研发人员：马提亚
受保护的技术使用者：希奥检测有限公司
技术研发日：2019.11.20
技术公布日：2021/6/29