融合多物理信息的超聲波測量系統(tǒng)研究

任思源 劉 石 宋 燦 閆 勇

(華北電力大學(xué)能源動力與機(jī)械工程學(xué)院1，北京 102206；華北電力大學(xué)控制與計算機(jī)學(xué)院2，北京 102206)

融合多物理信息的超聲波測量系統(tǒng)研究

任思源1劉 石2宋 燦2閆 勇2

(華北電力大學(xué)能源動力與機(jī)械工程學(xué)院1，北京 102206；華北電力大學(xué)控制與計算機(jī)學(xué)院2，北京 102206)

對于工業(yè)工程中的距離與溫度測量，非侵入、無干擾式測量方法日顯重要。為此，利用超聲波飛渡時間與相位差兩種非侵入方法，對距離與溫度的同時測量進(jìn)行了研究。采用單片機(jī)作為核心，結(jié)合外圍電路，構(gòu)建了超聲波測量系統(tǒng)硬件，并用Monte Carlo方法對硬件系統(tǒng)進(jìn)行了仿真與誤差分析。實驗結(jié)果顯示，該系統(tǒng)的測量相對誤差不超過3%，為Monte Carlo方法的工業(yè)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

超聲波 單片機(jī) 溫度測量 距離測量 Monte Carlo方法

0 引言

在工業(yè)測量中，距離與溫度是人們廣泛關(guān)注的兩個物理量。距離測量是多種機(jī)械應(yīng)用與控制應(yīng)用的依據(jù)，如物位測量、機(jī)器人視覺識別、管道尺寸、汽車防撞等[1]。同樣地，溫度測量對于大型鍋爐的在線監(jiān)測、優(yōu)化燃燒、降低污染以及保障設(shè)備安全運行都具有極其重要的意義[2]。

超聲波測量技術(shù)是一種典型的非接觸式測量方法，它通過超聲波的產(chǎn)生、在介質(zhì)中傳播及接收回波的物理過程來實現(xiàn)[3]。由于超聲波為機(jī)械波，對外界光線和電磁場不敏感，因此可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強等惡劣環(huán)境中。同時，超聲波傳感器價格低廉、安裝簡單，特別適用于發(fā)電廠、變電站等電磁干擾強的電力工業(yè)測量中。

基于超聲波測量的諸多優(yōu)點，同時為滿足電力工業(yè)中對距離與溫度測量的需要，本文提出一種超聲波距離、溫度綜合測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)能應(yīng)用于多種電力工業(yè)的多種測量場合，可滿足多種應(yīng)用需求。

1 測量方法

應(yīng)用超聲波進(jìn)行測量主要采用兩種方法：飛渡時間法[4]與相位差測量法[5]。這兩種方法均可測量距離與溫度。

1.1 飛渡時間法

飛渡時間法是通過硬件測量出超聲傳感器發(fā)射端至接收端的飛行時間，如果要測量距離，則需確定測量時的溫度。根據(jù)熱力學(xué)中氣體狀態(tài)方程和聲波運動方程，推導(dǎo)出超聲波在氣體中的傳播速度c和氣體的溫度T之間的關(guān)系，從而確定環(huán)境聲速，如式(1)所示[6-8]。

(1)

式中：c為聲速；Z為氣體組成決定的常數(shù)，對空氣而言，其值為20.045[9]。

由運動學(xué)公式得出測量距離，如式(2)所示。

L=ct

(2)

式中：L為測量區(qū)域距離；t為飛渡時間。

由于待測區(qū)域尺寸規(guī)格已知，則由式(3)可得出聲速。

c=L/t

(3)

由式(1)、式(3)可得出測量溫度，如式(4)所示。

T=(L/Zt)2

(4)

由上述分析可知，無論是測量距離，還是測量溫度，得到準(zhǔn)確的飛渡時間是測量的關(guān)鍵。

1.2 相位差測量法

假設(shè)超聲發(fā)射端與超聲接收端的距離為L，超聲波波長為λ，超聲波信號頻率為f，整波長數(shù)即完整周期數(shù)為N，不完整波長即測量相位設(shè)為φ，則有：

L=(N+φ)λ

(5)

又由聲速c與波長頻率的關(guān)系可得出：

L=(N+φ)c/f

(6)

根據(jù)超聲傳感器的最佳性能區(qū)間，選取2個不同的頻率f1、f2，則由式(7)表示不同頻率時的測量結(jié)果：

(7)

通過選取相近的頻率，可將相位差調(diào)整在一個周期之內(nèi)，即N1=N2，則由式(7)可推出[10]：

LΔf=cΔφ

(8)

式中：Δf=f2-f1；Δφ=φ2-φ1。在溫度穩(wěn)定的測量條件下，根據(jù)式(1)與式(8)，可最終確定距離測量值，如式(9)所示。

(9)

如果距離已知，需要測量溫度，則由式(1)與式(8)最終測定溫度，如式(10)所示。

(10)

針對距離測量，由于Δφ存在誤差疊加問題，因此本文系統(tǒng)采用單頻率相位差法進(jìn)行距離測量，即N1=N2=0。

2 硬件系統(tǒng)

根據(jù)上述測量原理與方法，本文提出一種融合距離、溫度、溫度分布多物理信息的超聲波綜合測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)以單片機(jī)作為核心，外圍電路包括發(fā)射信號放大電路、超聲波換能器選擇電路、超聲波發(fā)射和接收電路、接收信號濾波整形電路、相位比較電路和接收信號反饋電路等。該系統(tǒng)采用STC12單片機(jī)作為核心器件，由其產(chǎn)生超聲波換能器的使能信號，控制超聲波換能器選擇電路、處理濾波整形后的接收反饋信號并實現(xiàn)與上位機(jī)通信傳輸數(shù)據(jù)。超聲換能器具備發(fā)射與接收超聲波兩種功能，這兩種功能的選擇分工由單片機(jī)與多路開關(guān)共同組成的控制電路來完成。超聲波接收端的濾波整形電路必不可少，這是因為超聲波屬于機(jī)械波，在空氣中的損耗相當(dāng)大，接收到的信號衰減嚴(yán)重，而且隨著距離的增加，衰減呈比例增加。如果不加入濾波整形，幾乎很難消除噪聲的影響，將直接導(dǎo)致測量失準(zhǔn)。本系統(tǒng)采用前端放大結(jié)合施密特觸發(fā)器實現(xiàn)濾波整流。利用觸發(fā)器選定電壓閾值法，確定發(fā)射波與接收波的起始時刻完成時間差測量；利用相位比較芯片實現(xiàn)相位差測量。超聲波測量系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 超聲波測量系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)測量時，首先由功能選擇開關(guān)選擇進(jìn)行距離測量或溫度測量。距離測量包括相位差法和飛渡時間法兩種測量方法，因此由多路開關(guān)選擇其中一種測量方法進(jìn)行距離測量。溫度測量包含單組溫度測量和溫度分布測量兩種測量方式。單組溫度測量只需要一對超聲波換能器即可進(jìn)行; 溫度分布測量則需要多個超聲換能器環(huán)繞被測空間截面，由單片機(jī)控制多個換能器進(jìn)行多路測量，并將多組測量信息返回至上位機(jī)，由成像算法進(jìn)行溫度分布圖像重建。

3 誤差分析

對于距離與溫度的測量，無論采用飛渡時間法還是相位差法，都需要明確測量中存在的主要誤差。在實際測量時，如果不考慮人為誤差，主要的客觀誤差分為電氣誤差和環(huán)境誤差兩類。

① 電氣誤差，主要由選取的硬件及測量電路造成。針對本測量系統(tǒng)，主要分為超聲波換能器的電氣誤差與測量電路的電氣誤差。

② 環(huán)境誤差，主要由測量時的風(fēng)速與濕度引起，測量距離時溫度也是環(huán)境誤差之一。其中電氣誤差中超聲換能器帶來的誤差不容忽視。由于系統(tǒng)采用壓電式超聲換能器，其工作原理是利用壓電材料的壓電效應(yīng)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，因此，在超聲波測量時發(fā)射與接收時均存在電氣誤差。設(shè)發(fā)射信號為[11]：

Ae(t)=Asin(ωt+φ0)

(11)

式中：φ0為發(fā)射信號初始相位；Ae為發(fā)射信號；A為發(fā)射信號幅值；ω為發(fā)射信號角頻率。

ω=2πf

(12)

經(jīng)過測量區(qū)域后，接收信號為[9]：

(13)

式中：Ar(t)為接收波信號；Ar為接收波幅值；L為測量區(qū)域距離；c為聲速；φc為信號經(jīng)過電路引起的電氣誤差。由式(14)得出測量時間誤差。

(14)

式中：TE為時間誤差；T為超聲波一個周期的時間。

由此可見，電氣誤差的大小在一定程度上決定著測量結(jié)果的精確度。此外，風(fēng)速和濕度等環(huán)境因素帶來的測量誤差也是不容忽視的。需要特別指出的是，在測量距離時，溫度影響被認(rèn)為是一種誤差來源，而在測量溫度時，正是利用了溫度不同引起的聲速的變化來進(jìn)行溫度測量。為了驗證測量的準(zhǔn)確性，在充分考慮上述誤差來源的情況下，本文首先采用MonteCarlo方法進(jìn)行仿真，在驗證測量的準(zhǔn)確性后再進(jìn)行選擇器件及實際測量。

MonteCarlo方法的基本思想是：將某個事件的概率，通過某種實驗的方法得出該事件發(fā)生的頻率，再通過頻率得到問題的解。MonteCarlo方法的關(guān)鍵步驟在于隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生，因為影響事件的因素有時是不可預(yù)測的，比如溫度測量中隨時變化的風(fēng)速、濕度等環(huán)境因素。因此，由計算機(jī)產(chǎn)生一組符合事件發(fā)生概率的偽隨機(jī)數(shù)，也可以近似地將其作為真實的隨機(jī)數(shù)使用。應(yīng)用高斯分布函數(shù)產(chǎn)生偽隨機(jī)數(shù)，近似模擬風(fēng)速、濕度變化引起的環(huán)境誤差發(fā)生概率，基本符合實際應(yīng)用情況下的數(shù)學(xué)統(tǒng)計規(guī)律。

根據(jù)上述硬件結(jié)構(gòu)，在仿真中加入超聲測量系統(tǒng)的各部分誤差：

① 放大器芯片產(chǎn)生的白噪聲范圍，電氣誤差；

② 超聲波換能器的電氣誤差；

③ 濕度、風(fēng)速等不確定的環(huán)境誤差。

在考慮上述所有誤差的情況下，分別以飛渡時間法與相位差法在相同溫度下進(jìn)行模擬，當(dāng)超聲波在空氣中傳播時，超聲傳感器之間距離固定為20cm，溫度為20 ℃時，聲速約為326.68m/s。取1 000組隨機(jī)樣本，按照電氣誤差引起的不同測量結(jié)果進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖2所示。

圖2 超聲波速度測量仿真圖

圖2中，mu為數(shù)學(xué)期望，std為方差。從圖2可以明顯看出，在環(huán)境誤差存在的情況下，超聲波換能器及測量電路帶來的電氣誤差將對測量結(jié)果產(chǎn)生不容忽視的影響。從圖2(a)和圖2(b)可以看出，當(dāng)利用飛渡時間法進(jìn)行測量時，由超聲換能器及測量電路造成的電氣誤差對時間測量相對誤差在1%時(即本仿真樣本情況中時間偏差為6.12 μs時)，速度測量誤差不足1%；而當(dāng)時間測量相對誤差達(dá)到10%時(即本樣本中時間偏差為61.2 μs時)，本系統(tǒng)聲速測量出現(xiàn)明顯偏差，誤差將超過10%。由圖2(c)和圖2(d)得出，當(dāng)存在5°的偏差時，聲速的測量結(jié)果產(chǎn)生嚴(yán)重偏差(在采用相位差方法測量時，需要采用相移電路來消除電氣誤差[10-11])。超聲波相位差法測量過程中，由于需要調(diào)整兩個不同頻率的完整周期相等，因此，在測量時本身就帶有局限性。而最重要的是，對于兩個頻率的單頻測量值φ1與φ2所存在的誤差，最終轉(zhuǎn)化為Δφ，會造成誤差疊加，對測量的準(zhǔn)確度有很大影響。因此，相位差測量方法對超聲波換能器的電氣誤差要求非常嚴(yán)格。

4 系統(tǒng)測量實驗

4.1 距離測量實驗

通過上述誤差分析，明確了測量中對測量結(jié)果的影響因素。因此，在距離測量實驗過程中，為了減小環(huán)境因素對測量結(jié)果的影響，采用防風(fēng)罩減小外界環(huán)境風(fēng)速的影響，通過溫度計監(jiān)測實驗過程的溫度，基本穩(wěn)定在28.6 ℃。除此之外，通過熱線風(fēng)速儀監(jiān)測防風(fēng)罩內(nèi)空氣流動狀況。在完成實驗準(zhǔn)備工作后，利用電動平移臺，進(jìn)行精確距離測量，設(shè)定電動平移臺步進(jìn)0.08 mm，測量距離為0～51.2 mm，采用40 kHz作為超聲波發(fā)射波頻率，100 mm作為預(yù)熱波傳播距離(在此距離下完全消除了盲區(qū)的影響)。測量中采用的相位差比較芯片為超聲波相位差法距離測量系統(tǒng)的核心器件。在實際測量時，相位差比較芯片工作基本正常，但由于實際測量時環(huán)境的影響與電氣誤差的存在，芯片輸出電壓與理想值存在波動，符合仿真結(jié)果。通過相位差比較芯片的輸出電壓與相位差之間的關(guān)系計算得出，實際測量時芯片相位差信息與理論值偏差應(yīng)在30°以內(nèi)，最大偏差60°左右；距離測量結(jié)果的相對誤差應(yīng)在3%左右，最大相對誤差不超過6%。實際測量值如圖3所示。

圖3 超聲波距離測量圖

4.2 溫度測量實驗

針對溫度測量，選取兩個超聲換能器在恒溫箱內(nèi)進(jìn)行測量，其中一個作為發(fā)射器，另一個作為接收器。發(fā)射器與接收器正面相對放置，且兩者之間的距離為25 cm。逐步改變恒溫箱內(nèi)的溫度，以熱電偶測量溫度為基準(zhǔn)算出參考時間，驗證本超聲波溫度測量系統(tǒng)的測量精度。根據(jù)熱電偶測得參考溫度反推出該溫度下的聲速，由式(1)可得出參考時間，與實際測量時間的對比如圖4所示。

圖4 時間測量對比圖

超聲波溫度測量如圖5所示。

圖5 超聲波溫度測量圖

由圖5可看出，熱電偶測量值與超聲波測量值密切相關(guān)，且在測量范圍內(nèi)，超聲波測量值與熱電偶參考值的相對偏差不超過3%。

5 結(jié)束語

為滿足工業(yè)測量中對距離與溫度測量的需要，提出了一種超聲波距離、溫度綜合測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)可應(yīng)用于多種工業(yè)測量場合，如物位測量、管道尺寸測量、大型鍋爐的在線監(jiān)測、優(yōu)化燃燒等。同時，由于超聲波為機(jī)械波，對外界光線和電磁場不敏感，可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強等惡劣環(huán)境中，特別適合用于發(fā)電廠、變電站等電磁干擾強的電力工業(yè)測量環(huán)境。系統(tǒng)可分別采用超聲波飛渡時間法與相位差法，實現(xiàn)對距離尺寸及溫度的測量。針對系統(tǒng)的硬件設(shè)計，基于Monte Carlo方法進(jìn)行了模擬仿真與誤差分析，得出了系統(tǒng)測量的誤差范圍，并進(jìn)行了距離與溫度的測量試驗。試驗表明，該系統(tǒng)針對距離測量相對誤差在3%以內(nèi)，溫度測量的相對偏差不超過3%。

[1] 苑潔.基于STM32單片機(jī)的高精度超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計[D].北京:華北電力大學(xué),2012.

[2] 邵巖聲學(xué)法溫度場圖像重建的研究[D].沈陽:東北大學(xué),2008.

[3] 常太華,蘇杰,田亮.檢測技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:中國電力出版社,2003.

[4] 劉巖,Hermann I S,劉石.基于窄帶寬超聲傳感器的傳播時間測量方法[J].自動化儀表,2014(4):72-78.

[5] Ren S Y,Liu S.Temperature detection circuit system research based on ultrasonic phase difference method[J].Applied Mechanics and Materials，2013(411):1625-1630.

[6] 顏華,崔柯鑫,續(xù)穎.基于少量聲波飛行時間數(shù)據(jù)的溫度場重建[J].儀器儀表學(xué)報,2010,31(2):470-475.

[7] Bramanti M,Salerno E A,Tonazzini A,et al.An acoustic pyrometer system for tomographic thermal imaging in power plant boilers[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,1996,45(1):159-167.

[8] Tsai W Y,Huang C F,Liao T L.New implementation of high-precision and instant-response air thermometer by ultrasonic sensors[J].Sensors and Actuators A,2005(117):88-94.

[9] 顏華,陳冠男,楊奇,等.聲學(xué)CT復(fù)雜溫度場重建研究[J].聲學(xué)學(xué)報,2012,37(4):370-377.

[10]Huang S S,Huang C F,Huang K N,Young M S.A high accuracy ultrasonic distance measurement system using binary frequency shift-keyed signal and phase detection[J].Review of Scientific Instruments,2002,73(10):3671-3677.

[11]沈常宇,郭寶金.相位比較法高精度超聲測距研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報,2010,23(6):893-895.

Research on the Ultrasonic Measurement System Integrating Multiple of Physical Information

In distance and temperature measurement for industrial processes, the non-invasive and non-interference measuring method becomes increasingly important. Therefore, the simultaneous measurement of both distance and temperature by adopting two of the non-invasive methods, i.e., ultrasonic flying time and phase difference methods is researched. With the single chip machine as the core, and combining with peripheral circuits, the hardware of the ultrasonic measurement system is constructed; and the simulation and error analysis for hardware are accomplished by using Monte Carlo method. The experimental results indicate the relative measurement error does not exceed 3%, this laid the foundation of industrial applications for this method.

Ultrasonic wave Single chip computer Temperature measurement Distance measurement Monte Carlo method

教育部高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計劃基金資助項目(編號：B13009)；

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(編號：JB2014200)。

任思源(1982-)，男，現(xiàn)為華北電力大學(xué)工程熱物理專業(yè)在讀博士研究生；主要研究方向為超聲波檢測技術(shù)。

TH89

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201509007

修改稿收到日期：2015-01-06。