融合多物理信息的超聲波測量系統研究

任思源 劉 石 宋 燦 閆 勇

(華北電力大學能源動力與機械工程學院1，北京 102206；華北電力大學控制與計算機學院2，北京 102206)

融合多物理信息的超聲波測量系統研究

任思源1劉 石2宋 燦2閆 勇2

(華北電力大學能源動力與機械工程學院1，北京 102206；華北電力大學控制與計算機學院2，北京 102206)

對于工業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行了研究。采用單片機作為核心，結合外圍電路，構建了超聲波測量系統硬件，并用Monte Carlo方法對硬件系統進行了仿真與誤差分析。實驗結果顯示，該系統的測量相對誤差不超過3%，為Monte Carlo方法的工業應用奠定了基礎。

超聲波 單片機 溫度測量 距離測量 Monte Carlo方法

0 引言

在工業測量中，距離與溫度是人們廣泛關注的兩個物理量。距離測量是多種機械應用與控制應用的依據，如物位測量、機器人視覺識別、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測、優化燃燒、降低污染以及保障設備安全運行都具有極其重要的意義[2]。

超聲波測量技術是一種典型的非接觸式測量方法，它通過超聲波的產生、在介質中傳播及接收回波的物理過程來實現[3]。由于超聲波為機械波，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境中。同時，超聲波傳感器價格低廉、安裝簡單，特別適用于發電廠、變電站等電磁干擾強的電力工業測量中。

基于超聲波測量的諸多優點，同時為滿足電力工業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。該系統能應用于多種電力工業的多種測量場合，可滿足多種應用需求。

1 測量方法

應用超聲波進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。根據熱力學中氣體狀態方程和聲波運動方程，推導出超聲波在氣體中的傳播速度c和氣體的溫度T之間的關系，從而確定環境聲速，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，對空氣而言，其值為20.045[9]。

由運動學公式得出測量距離，如式(2)所示。

L=ct

(2)

式中：L為測量區域距離；t為飛渡時間。

由于待測區域尺寸規格已知，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，得到準確的飛渡時間是測量的關鍵。

1.2 相位差測量法

假設超聲發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，整波長數即完整周期數為N，不完整波長即測量相位設為φ，則有：

L=(N+φ)λ

(5)

又由聲速c與波長頻率的關系可得出：

L=(N+φ)c/f

(6)

根據超聲傳感器的最佳性能區間，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果：

(7)

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

LΔf=cΔφ

(8)

式中：Δf=f2-f1；Δφ=φ2-φ1。在溫度穩定的測量條件下，根據式(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，因此本文系統采用單頻率相位差法進行距離測量，即N1=N2=0。

2 硬件系統

根據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。該系統以單片機作為核心，外圍電路包括發射信號放大電路、超聲波換能器選擇電路、超聲波發射和接收電路、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。該系統采用STC12單片機作為核心器件，由其產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與上位機通信傳輸數據。超聲換能器具備發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與多路開關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械波，在空氣中的損耗相當大，接收到的信號衰減嚴重，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，將直接導致測量失準。本系統采用前端放大結合施密特觸發器實現濾波整流。利用觸發器選定電壓閾值法，確定發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相位差測量。超聲波測量系統框圖如圖1所示。

圖1 超聲波測量系統框圖

系統測量時，首先由功能選擇開關選擇進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，因此由多路開關選擇其中一種測量方法進行距離測量。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行; 溫度分布測量則需要多個超聲換能器環繞被測空間截面，由單片機控制多個換能器進行多路測量，并將多組測量信息返回至上位機，由成像算法進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，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 環境誤差，主要由測量時的風速與濕度引起，測量距離時溫度也是環境誤差之一。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進行能量轉換，因此，在超聲波測量時發射與接收時均存在電氣誤差。設發射信號為[11]：

Ae(t)=Asin(ωt+φ0)

(11)

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

ω=2πf

(12)

經過測量區域后，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為測量區域距離；c為聲速；φc為信號經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果的精確度。此外，風速和濕度等環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行溫度測量。為了驗證測量的準確性，在充分考慮上述誤差來源的情況下，本文首先采用MonteCarlo方法進行仿真，在驗證測量的準確性后再進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生的頻率，再通過頻率得到問題的解。MonteCarlo方法的關鍵步驟在于隨機數的產生，因為影響事件的因素有時是不可預測的，比如溫度測量中隨時變化的風速、濕度等環境因素。因此，由計算機產生一組符合事件發生概率的偽隨機數，也可以近似地將其作為真實的隨機數使用。應用高斯分布函數產生偽隨機數，近似模擬風速、濕度變化引起的環境誤差發生概率，基本符合實際應用情況下的數學統計規律。

根據上述硬件結構，在仿真中加入超聲測量系統的各部分誤差：

① 放大器芯片產生的白噪聲范圍，電氣誤差；

② 超聲波換能器的電氣誤差；

③ 濕度、風速等不確定的環境誤差。

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行模擬，當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組隨機樣本，按照電氣誤差引起的不同測量結果進行仿真，結果如圖2所示。

圖2 超聲波速度測量仿真圖

圖2中，mu為數學期望，std為方差。從圖2可以明顯看出，在環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果產生不容忽視的影響。從圖2(a)和圖2(b)可以看出，當利用飛渡時間法進行測量時，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%；而當時間測量相對誤差達到10%時(即本樣本中時間偏差為61.2 μs時)，本系統聲速測量出現明顯偏差，誤差將超過10%。由圖2(c)和圖2(d)得出，當存在5°的偏差時，聲速的測量結果產生嚴重偏差(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，最終轉化為Δφ，會造成誤差疊加，對測量的準確度有很大影響。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格。

4 系統測量實驗

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果的影響因素。因此，在距離測量實驗過程中，為了減小環境因素對測量結果的影響，采用防風罩減小外界環境風速的影響，通過溫度計監測實驗過程的溫度，基本穩定在28.6 ℃。除此之外，通過熱線風速儀監測防風罩內空氣流動狀況。在完成實驗準備工作后，利用電動平移臺，進行精確距離測量，設定電動平移臺步進0.08 mm，測量距離為0～51.2 mm，采用40 kHz作為超聲波發射波頻率，100 mm作為預熱波傳播距離(在此距離下完全消除了盲區的影響)。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，符合仿真結果。通過相位差比較芯片的輸出電壓與相位差之間的關系計算得出，實際測量時芯片相位差信息與理論值偏差應在30°以內，最大偏差60°左右；距離測量結果的相對誤差應在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進行測量，其中一個作為發射器，另一個作為接收器。發射器與接收器正面相對放置，且兩者之間的距離為25 cm。逐步改變恒溫箱內的溫度，以熱電偶測量溫度為基準算出參考時間，驗證本超聲波溫度測量系統的測量精度。根據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，且在測量范圍內，超聲波測量值與熱電偶參考值的相對偏差不超過3%。

5 結束語

為滿足工業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。該系統可應用于多種工業測量場合，如物位測量、管道尺寸測量、大型鍋爐的在線監測、優化燃燒等。同時，由于超聲波為機械波，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境中，特別適合用于發電廠、變電站等電磁干擾強的電力工業測量環境。系統可分別采用超聲波飛渡時間法與相位差法，實現對距離尺寸及溫度的測量。針對系統的硬件設計，基于Monte Carlo方法進行了模擬仿真與誤差分析，得出了系統測量的誤差范圍，并進行了距離與溫度的測量試驗。試驗表明，該系統針對距離測量相對誤差在3%以內，溫度測量的相對偏差不超過3%。

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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

教育部高等學校學科創新引智計劃基金資助項目(編號：B13009)；

中央高?；究蒲袠I務費專項資金資助項目(編號：JB2014200)。

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

TH89

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201509007

修改稿收到日期：2015-01-06。