張興紅,陳 鑫,蔣洪慶

(重慶理工大學，時柵傳感及先進檢測技術重慶市重點實驗室，機械檢測技術與裝備教育部工程研究中心，重慶 400054)

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分布式超聲波漿液密度精密測量儀設計

張興紅,陳 鑫,蔣洪慶

(重慶理工大學，時柵傳感及先進檢測技術重慶市重點實驗室，機械檢測技術與裝備教育部工程研究中心，重慶 400054)

實時的漿液密度測量是灌漿工藝中不可缺少的環(huán)節(jié)，超聲波測量技術也日益廣泛地被用來精密檢測漿液密度。在傳播距離一定時，利用超聲波在介質中傳播時傳播速度受介質密度影響的特性，提出一種通過測量超聲波在介質中的傳播時間來間接求得被測介質密度的方法，設計出能夠實時、精確檢測漿液密度的分布式密度測量儀。在灌漿輸送管道中，漿液密度多分布不均勻，檢測裝置采用分布式測頭，將多對測頭均勻布置在裝有被測介質的管道外壁，多通道的測量使得測量結果更加準確可靠。研究中采用的高速信號處理電路以及數(shù)字插補算法，確保了ns級的時間測量，使得超聲波漿液密度測量儀實現(xiàn)分辨率優(yōu)于0.01 kg/m3的高精度密度測量。

漿液密度；分布式；超聲波；數(shù)字插補；高精度

0 引言

在灌漿工程中，一般采用稀漿開灌，然后逐級變濃的方法進行灌漿。漿液的水灰比隨著地層等情況而改變，必須隨時測量水灰比的大小[1]。當?shù)貙拥牧严洞?、可灌性較好時，單孔灌漿所需的水泥量即達幾十t，由于儀器的測量精度所造成的偏差是相當驚人的。因此動態(tài)、精確檢測漿液的密度(即水灰比)變化[2]，并不斷地適時調節(jié)漿液的成分，對保證灌漿質量、減少工程耗材起著舉足輕重的作用[3]。

由于介質密度不能直接轉換成電信號，必須先轉換成浮力、壓力、聲速、相位、振動頻率等，然后才能轉換成電信號進行處理[4]?？紤]到介質的流動性以及其他不穩(wěn)定因素，這些勢必給密度的在線測量增加了很大的難度。近年來,隨著高新技術的飛躍發(fā)展,提出了利用超聲法測量液體密度的新思路[4]。超聲波在液體介質中只能以縱波(壓縮波)的形式傳播，其傳播特性均受介質聲學特性影響[5]，因此可通過分辨超聲波在液體中的傳播性質來達到間接測量液體密度的目的。超聲檢測無損、快速、精確、易于實現(xiàn)自動化和實時控制。如果將其與控制系統(tǒng)連接，就可以隨時控制液體的密度，使得密度測量保持一定的均勻性[6]。超聲波式密度傳感器較之其他現(xiàn)代液體密度傳感器測量方法，價格低廉，而且能測量高濃度液體或在光不透明環(huán)境中進行檢測[7]。

1 測量儀的工作原理

1.1 測量原理

當超聲波在介質中傳播時，其傳播速度與介質的密度有關，當介質密度發(fā)生變化時，超聲波傳播速度也會發(fā)生改變。因此，可以通過測量超聲波在介質中的傳播速度來間接測量介質密度。在已知液體介質的彈性模量和聲速后，就可求出液體的密度。式(1)為超聲波的傳播介質為液體時，傳播速度、彈性模量與介質密度的關系式：

(1)

式中：c為超聲波在介質中的傳播速度，m/s；ρ為介質的密度,kg/m3；k為介質的彈性模量，Pa。

介質一旦確定彈性模量即視為常量。對介質密度的測量即轉變?yōu)閷Τ暡▊鞑ニ俣鹊臏y量。

又由聲速法的工作原理：已知在固定聲程的前提下，精確測量超聲波從發(fā)射到接收所需的時間，即可計算出超聲波在被測液體中傳播的速度[8]。超聲波傳播速度與傳播時間的關系式為

(2)

式中：d為超聲波的傳播距離，m；t為超聲波的傳播時間，s。

綜合式(1)、式(2)可知，在傳播距離一定時，只要測出超聲波在介質中的傳播時間就可以測得介質密度。

1.2 測量儀的總體結構

25 ℃時水的密度為0.997 0×103kg/m3，水灰比0.5∶1的漿液密度為1.837 0×103kg/m3；25 ℃時，超聲波在水中的傳播速度是1 497 m/s，在水灰比為0.5∶1漿液中的傳播速度是3 032 m/s。如果超聲波在管道中的傳輸距離是0.3 m，則在25 ℃時超聲波的在水中傳輸時間是2.004 0×10-4s，在漿液中的傳輸時間是9.894 4×10-5s，在兩種介質中超聲波的傳輸時間差為1.014 6×10-4s，兩種介質的密度差為0.840 0×103kg/m3。要保證測量達到0.01 kg/m3的測量分辨率，要求超聲波傳輸時間測量的分辨率要達到1～2 ns 才能實現(xiàn)。如果用常規(guī)的定時計數(shù)電路測量超聲波的傳輸時間，則時鐘電路的頻率至少要達到1 GHz，這對于儀器開發(fā)來講顯然很難實現(xiàn)。因此本設計采用了如圖1所示的總體結構框圖，通過基于FPGA的高速信號處理電路實現(xiàn)漿液密度的高精度測量。

圖1 測量儀的總體結構框圖

ARM控制現(xiàn)場可編程門陣列FPGA輸出正弦波驅動信號，讓信號依次通過D/A轉換電路和功率放大電路傳輸，使得驅動信號驅動換能器A組中的換能器，使該換能器將輸入信號轉換成機械振動產生超聲波。

超聲波換能器B組中與之對應的換能器接收A組中的換能器所發(fā)出的超聲波信號，并轉換為超聲波回波信號，由放大電路對超聲波回波信號進行放大，再由濾波電路進行濾波后，A/D轉換電路對回波信號進行采樣，采樣數(shù)據(jù)先存儲在構造于FPGA內的存儲區(qū)。

當采樣完成后，ARM根據(jù)FPGA發(fā)射超聲波的數(shù)據(jù)確定超聲波傳播時間起點所對應的時刻，然后從FPGA內讀取超聲波回波信號的A/D采樣數(shù)據(jù)，采用下文所述的數(shù)字插補算法精確計算出超聲波傳播時間終點所對應的時刻，進而確定超聲波在兩個換能器之間介質中的傳輸時間，然后根據(jù)超聲波的傳輸時間即可精密計算出傳播介質的密度。

1.3 傳播時間的精確測量

漿液密度的精密測量取決于時間的精度，而超聲波傳輸時間測量的關鍵是確定傳播時間的起點和終點。圖2(a)、圖2(b)分別是超聲換能器A組發(fā)射和換能器B組接收超聲波信號示意圖；圖2(c)、圖2(d)分別是超聲波傳輸時間起點、終點示意圖。傳播時間的起點可以是換能器發(fā)出的超聲波信號上特定點所對應的時刻，時間的終點是回波信號上與超聲波信號特征點相對應的那一點所對應的時刻。由于FPGA能夠精確控制發(fā)射正弦信號的時間，從而超聲波傳輸時間起點所對應的時刻能夠精確確定。所以超聲波傳輸時間測量的精度依賴于終點的精確確定。

圖2 超聲波信號傳輸示意圖

首先逐點比較A/D采樣點，找出采樣點的最大值就可以確定幅值最大的特征值波形；其次，如圖2所示，確定超聲波傳輸時間終點所對應的過零點P0前一個采樣點P和后一個采樣點P1；最后，以采樣點P和P1兩個點對應的時刻作為基準，用數(shù)字插補算法即可以準確計算出過零點P0所對應的時刻。

超聲波傳播時間的示意圖如圖3所示。設A/D的采樣頻率為fA/D，采樣周期為tA/D；從第一個采樣點到采樣點P之間的采樣數(shù)為N，采樣點P、P1對應的采樣值為V1、V2，采樣點P所對應的時刻為t1；采樣點P與過零點P0之間的時間為t2，過零點P0對應的時刻為tend，超聲波的傳輸時間為t。

圖3 超聲波傳播時間的示意圖

在過零點附近較小的區(qū)域內，正弦波的波形接近于直線，可以根據(jù)直線插補的方法確定t2：

(3)

(4)

則過零點所對應的時刻，即超聲波傳輸時間終點所對應的時刻為

(5)

2 測量儀的傳感器設計

漿液密度測量儀傳感器的結構設計示意圖如圖4(a)所示，測頭都安裝在漿液輸送管道的垂直輸送段，實時檢測漿液密度，以供隨時調整漿液成分。為了保證漿液充滿整個管道且含有盡可能少的氣體，漿液自下而上流經管道，避免了在水平輸送段可能出現(xiàn)的漿液層流和紊流問題，確保了采集到的漿液密度信息的可靠性。

圖4 傳感器的設計示意圖

換能器A組、B組中各有多個測頭，圖4(b)以3個測頭為例示意。兩組中三個測頭分別為：E11、E12、E13和E21、E22、E23。3對測頭兩兩相對、均勻安裝在管道外側的等高線處。如前所述，換能器A組中的E11經驅動電路驅動后發(fā)射的超聲波信號被換能器B組中的E21接收，又通過基于FPGA的高速信號處理電路可測得一個漿液密度值ρ1；通道切換電路進行通道切換使得超聲波驅動電路得以驅動換能器A組中的下一個換能器E21，并完成又一次的超聲波信號的發(fā)射和接收以及超聲波回波信號的數(shù)據(jù)采集，測得另一個密度值ρ2，同理可測得ρ3。最終，漿液密度測量值為

(6)

分布式的測頭設計，構成多通道測量，充分考慮了漿液密度可能分布不均的狀況，多方位采集信息，利用平均效應消除了測量中的隨機誤差，以達到密度測量的最佳效果。

圖示的超聲波密度測量儀采用非接觸測量方式，測量探頭直接安裝在過漿管道外壁上，不受漿液的流速、壓力、溫度、粘稠腐蝕等因素的影響。灌漿管道即測量管道，直接檢測漿液密度信息，不經過其他中間環(huán)節(jié)，使得測量結果更加可靠。

3 測量儀硬件電路設計

信號處理電路是整個硬件電路設計部分的重點，其設計的合理性直接影響密度測量儀運行的可靠程度。信號處理電路部分主要包括信號放大電路，濾波電路，A/D轉換電路，F(xiàn)PGA電路和ARM處理器等。

3.1 放大濾波電路

圖5 放大濾波電路

3.2 A/D電路

超聲波回波信號經過放大濾波處理后，得到可用的模擬信號。為實現(xiàn)其與FPGA部分的信息傳送，需要進行模數(shù)轉換。A/D轉換電路用來完成漿液密度測量儀傳輸時間的數(shù)據(jù)采集工作。A/D 芯片是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能指標的核心器件，高分辨率的A/D轉換器為超聲波傳輸時間精密測量提供了硬件保障。圖6為A/D的電路設計圖，ADC12DL040的兩條輸入通道可以互相抑制來自對方的信號干擾，而且兩者之間的信號抑制率高達90 dB，因此兩條通道的信號不會互相干擾。

圖6 A/D電路

3.3 FPGA電路

FPGA電路控制A/D轉換電路對回波信號進行實時、高速采集，采集到的數(shù)據(jù)存儲在FPGA內部構造的RAM內存中。圖7是FPGA的功能框圖。其主要功能有2個：第一個功能是產生間斷的數(shù)字正弦信號，第二是完成接收的超聲波回波信號的高速采樣，并把采樣數(shù)據(jù)存儲在構建于FPGA內部的RAM存儲區(qū)內。

圖7 FPGA結構框圖

FPGA是硬件設計的重點。因為若超聲波信號的頻率為1 MHz，A/D電路的采樣頻率為32 MHz，采樣周期為31.25 ns，必須在31.25 ns的時間完成采樣數(shù)據(jù)的存儲。若采用一般傳統(tǒng)的處理器直接進行采樣數(shù)據(jù)存儲，受主頻和資源限制，無法達到高速數(shù)據(jù)采樣、大數(shù)據(jù)量存儲的目的。以目前主頻較大(100 MHz)的ARM處理器為例說明。ARM的時鐘周期TARM=10 ns，ARM實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲至少需要5個時鐘周期，無法完成所要求的采樣數(shù)據(jù)存儲。而FPGA利用硬件并行的優(yōu)勢，打破了順序執(zhí)行的模式，在每個時鐘周期內完成更多的處理任務；在硬件層面使用硬件描述語言控制輸入和輸出，提供更短的響應時間、更快的響應速度來滿足設計需求，即時性很強，能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速采樣和實時存儲。

4 測量儀軟件設計

4.1 密度測量的算法設計

在確定了最大特征波形之后，在最大特征波形的數(shù)據(jù)里利用數(shù)字插補算法，確定終點時刻，傳播時間確定后再進一步計算密度。漿液密度的算法流程圖如圖8所示。具體可描述為：經過初始化設置后，一旦接收到來自FPGA的采樣結束信號，ARM就讀取存儲在FPGA中的數(shù)據(jù)，利用數(shù)字插補算法確定傳播時間終點對應的時刻。從而計算得到傳播時間，根據(jù)傳播時間和密度之間的數(shù)學關系即可求得一個密度值。然后，切換通道進行再一次的測量，完成n個通道的測量后，將n次測量結果求平均值，即得最終密度值。

圖8 密度的算法流程圖

4.2 密度測量的分辨率分析

由于傳播時間的起點可以精確確定，只要能精確確定終點時刻就能精確測出超聲波的傳播時間。設超聲波回波信號的頻率為1 MHz；A/D的分辨率是12位，采樣頻率為32 MHz，那么可以將信號的幅值分為4 096份，同時在正弦波正的最大值到負的最大值的半個周期內最多可以采16個點。則超聲波傳輸時間終點所對應時刻的分辨率為

(7)

如式(7)所述，傳播時間的測量分辨率可以達到ns級，進而保障了分辨率優(yōu)于0.01 kg/m3的漿液密度測量。

5 結束語

針對現(xiàn)有的常規(guī)密度測量儀所存在的不足之處，運用新的思路設計了一種高精度的超聲波漿液密度測量儀。該密度測量儀具有以下兩個特點：

(1)采用分布式的結構設計，利用平均效應克服了漿液管道中不同部位密度分布不均的問題。將多對測頭兩兩相對、均勻布置在漿液輸送管道的各個方位，由此獲取多個位置的密度值，取其平均值，消除了隨機誤差帶來的影響，使得測量結果更接近真實值。

(2)高速率A/D轉換電路和數(shù)字插補算法保證了對超聲波傳播時間的精密測量，基于FPGA的硬件電路使得數(shù)據(jù)能被快速采集并處理，使密度測量具有很好的實時性。

經分析，所設計的超聲波密度測量儀可以實現(xiàn)分辨率優(yōu)于ns級的超聲波傳播時間的測量，使超聲波密度測量儀的測量分辨率能達到0.01 kg/m3。

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Design of Distributed Ultrasonic Precision Measuring Instrument for Slurry Density

ZHANG Xing-hong,CHEN Xin,JIANG Hong-qing

(Chongqing University of Technology,Chongqing Key Laboratory of Time-grating Sensing and Advanced Testing Technology, Engineering Research Center of Mechanical Testing Technology and Equipment, Ministry of Education,Chongqing 400054，China)

The real-time measurement of slurry density is an indispensable part of the grouting process, and the ultrasonic technology has been widely used in the high-precision measuring of slurry density.The propagation speed of ultrasonic wave was affected by the density of medium when propagating. A high accurate detection method of density was proposed on the basis of this characteristic by measuring the propagation speed when the propagation distance is certain, to design a distributed densitometer which can realize the real-time and accurate measurement of the density of the slurry. Taking the uneven distribution of slurry density into account, the measuring device used distributed probes, which will be evenly arranged in pipe wall filled with measured media, and multi-channel measuring makes the measurement results more precise and reliable. The high resolution and fast signal processing circuit and the digital interpolation algorithms, which are used to make the measurement of time reach to nanoseconds, ensuring the ultrasonic penetron realize high-precision density measurement with the resolution better than 0. 01 kg/m3.

slurry density; distributed pattern; ultrasonic wave;digital interpolation; high precision

國家自然科學基金資助項目(51275551)；重慶市自然科學基金資助項目(cstc2012jjA70004,cstc2012jjA40062);重慶理工大學研究生創(chuàng)新基金資助項目(YCX2014222)

2014-12-24 收修改稿日期：2015-06-02

TH835

A

1002-1841(2015)11-0021-05

張興紅(1970—)，教授，博士，主要研究方向為計算機輔助測試技術。