Hermann Inaki Schlaberg

(華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102206)

0 引言

聲波在不同的介質(zhì)中傳播會(huì)表現(xiàn)出不同的傳播性質(zhì)，所以通過(guò)測(cè)量聲波不同的傳播參數(shù)可以反映介質(zhì)的物理狀態(tài)。在此過(guò)程中，精確地測(cè)量聲波的傳播參數(shù)至關(guān)重要[1-3]?，F(xiàn)有的大多數(shù)傳感器都是固定頻率、窄帶寬，且傳感器之間的信號(hào)有較長(zhǎng)的回響時(shí)間。為解決這些問(wèn)題，一些學(xué)者采用靜電式換能器，不僅能提供較大的帶寬，且在較高溫度下也能正常工作[4]。

普通的超聲傳感器在液體測(cè)量方面信號(hào)比較清楚，傳播時(shí)間的測(cè)量可以通過(guò)閾值法獲得[5]。然而，如果在氣體中應(yīng)用，接收端的聲波信號(hào)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，且會(huì)產(chǎn)生多個(gè)疊加信號(hào)，信號(hào)初始位置不易分辨。這使得利用窄帶寬精確測(cè)量傳播時(shí)間愈發(fā)困難[6-7]。

1 傳播時(shí)間測(cè)量方法

本文提出的方法是應(yīng)用現(xiàn)有廉價(jià)的窄帶寬超聲傳感器，通過(guò)兩個(gè)頻率接近的超聲信號(hào)的收發(fā)，獲得聲波在兩傳感器之間的傳播時(shí)間。由于聲速不隨聲波的頻率改變而改變，因此兩個(gè)頻率下的聲波具有相同的傳播時(shí)間t0，盡管t0很難從實(shí)際測(cè)量中直接獲取。

通過(guò)計(jì)數(shù)器記錄的接收信號(hào)電壓值由負(fù)到正經(jīng)過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間曲線如圖1所示。由圖1可以看出，由于聲波頻率的不同，從t0開始，兩個(gè)聲波經(jīng)過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間差隨著周期數(shù)的增加而增大。

圖1 聲波信號(hào)過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間曲線

實(shí)際測(cè)量時(shí)初始時(shí)刻兩個(gè)頻率的聲波經(jīng)過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間很難準(zhǔn)確分辨(如圖1中虛線所示)，而經(jīng)過(guò)一定數(shù)量的脈沖周期后，可以分辨出兩個(gè)聲波的時(shí)間差(如圖1中實(shí)線和點(diǎn)劃線所示部分)。因此將圖1中兩聲波經(jīng)過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間提取出來(lái)作為橫坐標(biāo)，再將第一個(gè)頻率的聲波經(jīng)過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間作為縱坐標(biāo)，即可得到擬合確定的傳播時(shí)間。擬合曲線如圖2所示。

圖2 擬合曲線

如圖2所示，實(shí)線上的點(diǎn)代表可以測(cè)量的點(diǎn)，虛線上的點(diǎn)表示無(wú)法分辨的點(diǎn)。通過(guò)線性擬合方法將這些可測(cè)點(diǎn)用精確的直線連接。因?yàn)閮蓚€(gè)頻率的聲波到達(dá)接收端的時(shí)間相同，直線延長(zhǎng)至x=0處所對(duì)應(yīng)的時(shí)間即為第一個(gè)聲波脈沖到達(dá)接收端的時(shí)間，也就是聲波在傳感器間傳播的時(shí)間t0。

2 硬件系統(tǒng)

為了驗(yàn)證本文提出的方法，建立了如圖3所示的硬件測(cè)量系統(tǒng)。發(fā)射信號(hào)由現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(field programmable gate array，F(xiàn)PGA)產(chǎn)生，然后經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路以一定的頻率發(fā)出包含若干個(gè)周期的脈沖信號(hào)，信號(hào)的時(shí)間分辨率為20 ns。

圖3 硬件系統(tǒng)框圖

FPGA的組成示意圖如圖4所示。為了與主機(jī)良好地連接通信，F(xiàn)PGA板中包含1個(gè)基于RS-232 通信協(xié)議的電壓電平轉(zhuǎn)換電路[8]。FPGA板中還合成了1個(gè)通用異步收發(fā)器(universal asynchronous receiver/transmitter，UART)和1個(gè)8位微處理器。該處理器主要用于接收參數(shù)設(shè)置指令、收發(fā)數(shù)據(jù)等[9]。

圖4 FPGA組成示意圖

系統(tǒng)在傳感器接收端收到信號(hào)后，首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理，然后傳輸給過(guò)零比較器。當(dāng)電壓從負(fù)值變到正值時(shí)，過(guò)零比較器輸出一個(gè)持續(xù)保持的正信號(hào)，直到輸入電壓從正值變回負(fù)值。過(guò)零比較器的輸出端連接到FPGA。在一個(gè)采集過(guò)程中，發(fā)射端發(fā)出一次脈沖，系統(tǒng)同時(shí)啟動(dòng)一個(gè)時(shí)鐘脈沖頻率為50 MHz的計(jì)數(shù)器，用來(lái)記錄過(guò)零比較器每次輸出到FPGA的正信號(hào)的時(shí)間，該數(shù)據(jù)將存儲(chǔ)到先入先出(first in first out，F(xiàn)IFO)存儲(chǔ)器中。當(dāng)經(jīng)過(guò)一個(gè)采集周期，所有經(jīng)過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間都被存儲(chǔ)到FIFO存儲(chǔ)器中。計(jì)算機(jī)發(fā)送指令給FPGA，存儲(chǔ)需要的信息，然后進(jìn)行另一個(gè)頻率聲波的發(fā)射與接收。最后計(jì)算機(jī)會(huì)記錄聲波信號(hào)經(jīng)過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間，以便數(shù)據(jù)的后期處理。

3 數(shù)據(jù)測(cè)量與結(jié)果分析

通過(guò)本文建立的硬件系統(tǒng)，利用兩個(gè)相距545.7 mm的超聲傳感器，獲取用于計(jì)算聲波傳播時(shí)間的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。兩個(gè)聲波頻率分別為39.9 kHz和39.3 kHz，系統(tǒng)環(huán)境溫度為23 ℃，對(duì)應(yīng)的聲速為345.17 m/s，數(shù)據(jù)處理采用Matlab軟件[10]。采集數(shù)據(jù)中提取的部分聲波脈沖到達(dá)接收端的時(shí)間及時(shí)間差曲線如圖5所示。這些數(shù)據(jù)點(diǎn)不包括第一個(gè)聲波脈沖，即聲波傳播時(shí)間t0。

圖5 兩個(gè)頻率信號(hào)到達(dá)接收端的時(shí)間及時(shí)間差曲線

從圖5(a)可以看到,隨著周期數(shù)的增加，測(cè)量時(shí)間呈明顯的線性增長(zhǎng)趨勢(shì);同時(shí)，仔細(xì)觀察可以看出兩個(gè)頻率縱坐標(biāo)上的差距在逐漸增大。從圖5(b)可以看出，兩個(gè)頻率聲波到達(dá)接收端的時(shí)間差隨周期數(shù)的增加而增大。若將圖5(a)兩直線反向延伸至交點(diǎn)處，則該交點(diǎn)的縱坐標(biāo)即為聲波在傳感器間的傳播時(shí)間。需要注意的是，圖5中只提取了25對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)計(jì)算傳播時(shí)間，未使用初始時(shí)刻的測(cè)量數(shù)據(jù)。具體原因分析如下。

聲波頻率隨采樣點(diǎn)增長(zhǎng)的變化趨勢(shì)如圖6所示，縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)該點(diǎn)信號(hào)的周期。從圖6可以看出，聲波初始幾個(gè)周期的信號(hào)在頻率上很不穩(wěn)定，表明聲波頻率不是恒定不變的。傳感器自身特性也會(huì)影響發(fā)射聲波的真實(shí)頻率，需要一定的時(shí)間適應(yīng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

圖6 聲波頻率隨采樣點(diǎn)增長(zhǎng)的變化趨勢(shì)

本文所用驅(qū)動(dòng)信號(hào)由1 252和1 272個(gè)脈沖時(shí)鐘組成，每個(gè)時(shí)鐘的周期為20 ns，即驅(qū)動(dòng)信號(hào)的周期為25.04 ms和25.44 ms。從圖6可以看出，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后聲波信號(hào)的周期才趨于穩(wěn)定，此時(shí)實(shí)際信號(hào)與驅(qū)動(dòng)信號(hào)的周期吻合良好，可以作為計(jì)算t0的數(shù)據(jù)。

接收信號(hào)與驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位差曲線如圖7所示。

圖7 接收信號(hào)與驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位差曲線

采用相位差法可以準(zhǔn)確地判斷聲波周期是否穩(wěn)定。該方法將驅(qū)動(dòng)信號(hào)作為參考值，對(duì)比接收信號(hào)與驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間的相位差。當(dāng)該相位差不再改變時(shí)，可以確定聲波信號(hào)趨于穩(wěn)定，以便獲取采樣數(shù)據(jù)。從圖7可以看到，大約30個(gè)采樣點(diǎn)后的聲波周期趨于恒定。因此，可以使用該點(diǎn)之后的若干個(gè)信號(hào)作為計(jì)算傳播時(shí)間的數(shù)據(jù)。

將兩個(gè)信號(hào)的時(shí)間差與信號(hào)到達(dá)傳感器接收端時(shí)間作為橫縱坐標(biāo)，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖8所示。擬合直線與y軸的交點(diǎn)為第一個(gè)聲波到達(dá)傳感器接收端的時(shí)間，即傳播時(shí)間t0。

圖8 信號(hào)到達(dá)時(shí)間的擬合結(jié)果

圖8(a)與圖8(b)的不同之處為是否使用了初始時(shí)刻的測(cè)量數(shù)據(jù)。對(duì)比圖8(a)與圖8(b)，得到兩個(gè)不同的t0，即1.564 ms和1.520 ms。相對(duì)于真實(shí)值1.581 ms，初始時(shí)刻波動(dòng)的數(shù)據(jù)對(duì)測(cè)量結(jié)果會(huì)造成一定的影響。這就是不使用初始時(shí)刻采樣數(shù)據(jù)的原因。

初始時(shí)刻聲波頻率的不穩(wěn)定性是超聲傳感器自身固有的特性，需要短暫的時(shí)間來(lái)適應(yīng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率，該特性與聲速的大小無(wú)關(guān)。當(dāng)聲波周期達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，可以用測(cè)量得到的數(shù)據(jù)計(jì)算聲波的傳播時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中，在已知兩傳感器之間距離和環(huán)境溫度的條件下，可以對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的修正，再將得到的修正系數(shù)應(yīng)用于以后的測(cè)量，保證測(cè)量系統(tǒng)的精度。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種通過(guò)窄帶寬超聲傳感器收發(fā)聲波信號(hào)獲取聲波在傳感器之間傳播的時(shí)間的方法。為了

對(duì)該方法進(jìn)行驗(yàn)證，開發(fā)了一套硬件系統(tǒng)，主要包括FPGA板、超聲傳感器、驅(qū)動(dòng)電路等。通過(guò)對(duì)兩個(gè)聲波頻率信號(hào)的線性擬合獲得了準(zhǔn)確的傳播時(shí)間。在實(shí)際測(cè)量中，超聲信號(hào)的頻率需要一定的時(shí)間達(dá)到穩(wěn)定，初始時(shí)刻的信號(hào)頻率與驅(qū)動(dòng)頻率之間存在較大的差異，在提取采樣數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)避免使用這些導(dǎo)致最終結(jié)果不準(zhǔn)確的采樣點(diǎn)。通過(guò)已知距離、環(huán)境條件下的測(cè)量可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，并最終將該方法用于聲波在傳感器間傳播時(shí)間的實(shí)際測(cè)量。

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