任思源 劉 石 宋 燦 閆 勇

(華北電力大學(xué)能源動(dòng)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(jì)算機(jī)學(xué)院2，北京 102206)

融合多物理信息的超聲波測(cè)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(dòng)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(jì)算機(jī)學(xué)院2，北京 102206)

對(duì)于工業(yè)工程中的距離與溫度測(cè)量，非侵入、無干擾式測(cè)量方法日顯重要。為此，利用超聲波飛渡時(shí)間與相位差兩種非侵入方法，對(duì)距離與溫度的同時(shí)測(cè)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(cè)量系統(tǒng)硬件，并用Monte Carlo方法對(duì)硬件系統(tǒng)進(jìn)行了仿真與誤差分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該系統(tǒng)的測(cè)量相對(duì)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(cè)量 距離測(cè)量 Monte Carlo方法

0 引言

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

超聲波測(cè)量技術(shù)是一種典型的非接觸式測(cè)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(shí)現(xiàn)[3]。由于超聲波為機(jī)械波，對(duì)外界光線和電磁場(chǎng)不敏感，因此可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強(qiáng)等惡劣環(huán)境中。同時(shí)，超聲波傳感器價(jià)格低廉、安裝簡(jiǎn)單，特別適用于發(fā)電廠、變電站等電磁干擾強(qiáng)的電力工業(yè)測(cè)量中。

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

1 測(cè)量方法

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

1.1 飛渡時(shí)間法

飛渡時(shí)間法是通過硬件測(cè)量出超聲傳感器發(fā)射端至接收端的飛行時(shí)間，如果要測(cè)量距離，則需確定測(cè)量時(shí)的溫度。根據(jù)熱力學(xué)中氣體狀態(tài)方程和聲波運(yùn)動(dòng)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(duì)空氣而言，其值為20.045[9]。

由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式得出測(cè)量距離，如式(2)所示。

L=ct

(2)

式中：L為測(cè)量區(qū)域距離；t為飛渡時(shí)間。

由于待測(cè)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(cè)量溫度，如式(4)所示。

T=(L/Zt)2

(4)

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

1.2 相位差測(cè)量法

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

L=(N+φ)λ

(5)

又由聲速c與波長(zhǎng)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(gè)不同的頻率f1、f2，則由式(7)表示不同頻率時(shí)的測(cè)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(gè)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(cè)量條件下，根據(jù)式(1)與式(8)，可最終確定距離測(cè)量值，如式(9)所示。

(9)

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

(10)

針對(duì)距離測(cè)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(cè)量，即N1=N2=0。

2 硬件系統(tǒng)

根據(jù)上述測(cè)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(cè)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(hào)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(hào)濾波整形電路、相位比較電路和接收信號(hào)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(hào)，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(hào)并實(shí)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?yàn)槌暡▽儆跈C(jī)械波，在空氣中的損耗相當(dāng)大，接收到的信號(hào)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(cè)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(shí)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(shí)刻完成時(shí)間差測(cè)量；利用相位比較芯片實(shí)現(xiàn)相位差測(cè)量。超聲波測(cè)量系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 超聲波測(cè)量系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)測(cè)量時(shí)，首先由功能選擇開關(guān)選擇進(jìn)行距離測(cè)量或溫度測(cè)量。距離測(cè)量包括相位差法和飛渡時(shí)間法兩種測(cè)量方法，因此由多路開關(guān)選擇其中一種測(cè)量方法進(jìn)行距離測(cè)量。溫度測(cè)量包含單組溫度測(cè)量和溫度分布測(cè)量?jī)煞N測(cè)量方式。單組溫度測(cè)量只需要一對(duì)超聲波換能器即可進(jìn)行; 溫度分布測(cè)量則需要多個(gè)超聲換能器環(huán)繞被測(cè)空間截面，由單片機(jī)控制多個(gè)換能器進(jìn)行多路測(cè)量，并將多組測(cè)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(duì)于距離與溫度的測(cè)量，無論采用飛渡時(shí)間法還是相位差法，都需要明確測(cè)量中存在的主要誤差。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，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(cè)量電路造成。針對(duì)本測(cè)量系統(tǒng)，主要分為超聲波換能器的電氣誤差與測(cè)量電路的電氣誤差。

② 環(huán)境誤差，主要由測(cè)量時(shí)的風(fēng)速與濕度引起，測(cè)量距離時(shí)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(cè)量時(shí)發(fā)射與接收時(shí)均存在電氣誤差。設(shè)發(fā)射信號(hào)為[11]：

Ae(t)=Asin(ωt+φ0)

(11)

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

ω=2πf

(12)

經(jīng)過測(cè)量區(qū)域后，接收信號(hào)為[9]：

(13)

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

(14)

式中：TE為時(shí)間誤差；T為超聲波一個(gè)周期的時(shí)間。

由此可見，電氣誤差的大小在一定程度上決定著測(cè)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(cè)量誤差也是不容忽視的。需要特別指出的是，在測(cè)量距離時(shí)，溫度影響被認(rèn)為是一種誤差來源，而在測(cè)量溫度時(shí)，正是利用了溫度不同引起的聲速的變化來進(jìn)行溫度測(cè)量。為了驗(yàn)證測(cè)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(yàn)證測(cè)量的準(zhǔn)確性后再進(jìn)行選擇器件及實(shí)際測(cè)量。

MonteCarlo方法的基本思想是：將某個(gè)事件的概率，通過某種實(shí)驗(yàn)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?yàn)橛绊懯录囊蛩赜袝r(shí)是不可預(yù)測(cè)的，比如溫度測(cè)量中隨時(shí)變化的風(fēng)速、濕度等環(huán)境因素。因此，由計(jì)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(shí)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(shí)際應(yīng)用情況下的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)規(guī)律。

根據(jù)上述硬件結(jié)構(gòu)，在仿真中加入超聲測(cè)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(shí)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(shí)，超聲傳感器之間距離固定為20cm，溫度為20 ℃時(shí)，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(cè)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(cè)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(cè)量電路帶來的電氣誤差將對(duì)測(cè)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(shí)間法進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由超聲換能器及測(cè)量電路造成的電氣誤差對(duì)時(shí)間測(cè)量相對(duì)誤差在1%時(shí)(即本仿真樣本情況中時(shí)間偏差為6.12 μs時(shí))，速度測(cè)量誤差不足1%；而當(dāng)時(shí)間測(cè)量相對(duì)誤差達(dá)到10%時(shí)(即本樣本中時(shí)間偏差為61.2 μs時(shí))，本系統(tǒng)聲速測(cè)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(shí)，聲速的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生嚴(yán)重偏差(在采用相位差方法測(cè)量時(shí)，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(cè)量過程中，由于需要調(diào)整兩個(gè)不同頻率的完整周期相等，因此，在測(cè)量時(shí)本身就帶有局限性。而最重要的是，對(duì)于兩個(gè)頻率的單頻測(cè)量值φ1與φ2所存在的誤差，最終轉(zhuǎn)化為Δφ，會(huì)造成誤差疊加，對(duì)測(cè)量的準(zhǔn)確度有很大影響。因此，相位差測(cè)量方法對(duì)超聲波換能器的電氣誤差要求非常嚴(yán)格。

4 系統(tǒng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)

4.1 距離測(cè)量實(shí)驗(yàn)

通過上述誤差分析，明確了測(cè)量中對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響因素。因此，在距離測(cè)量實(shí)驗(yàn)過程中，為了減小環(huán)境因素對(duì)測(cè)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(jì)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)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(cè)防風(fēng)罩內(nèi)空氣流動(dòng)狀況。在完成實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作后，利用電動(dòng)平移臺(tái)，進(jìn)行精確距離測(cè)量，設(shè)定電動(dòng)平移臺(tái)步進(jìn)0.08 mm，測(cè)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(cè)量中采用的相位差比較芯片為超聲波相位差法距離測(cè)量系統(tǒng)的核心器件。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，相位差比較芯片工作基本正常，但由于實(shí)際測(cè)量時(shí)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(dòng)，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(jì)算得出，實(shí)際測(cè)量時(shí)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(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差應(yīng)在3%左右，最大相對(duì)誤差不超過6%。實(shí)際測(cè)量值如圖3所示。

圖3 超聲波距離測(cè)量圖

4.2 溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn)

針對(duì)溫度測(cè)量，選取兩個(gè)超聲換能器在恒溫箱內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，其中一個(gè)作為發(fā)射器，另一個(gè)作為接收器。發(fā)射器與接收器正面相對(duì)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(cè)量溫度為基準(zhǔn)算出參考時(shí)間，驗(yàn)證本超聲波溫度測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度。根據(jù)熱電偶測(cè)得參考溫度反推出該溫度下的聲速，由式(1)可得出參考時(shí)間，與實(shí)際測(cè)量時(shí)間的對(duì)比如圖4所示。

圖4 時(shí)間測(cè)量對(duì)比圖

超聲波溫度測(cè)量如圖5所示。

圖5 超聲波溫度測(cè)量圖

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

5 結(jié)束語(yǔ)

為滿足工業(yè)測(cè)量中對(duì)距離與溫度測(cè)量的需要，提出了一種超聲波距離、溫度綜合測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)可應(yīng)用于多種工業(yè)測(cè)量場(chǎng)合，如物位測(cè)量、管道尺寸測(cè)量、大型鍋爐的在線監(jiān)測(cè)、優(yōu)化燃燒等。同時(shí)，由于超聲波為機(jī)械波，對(duì)外界光線和電磁場(chǎng)不敏感，可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強(qiáng)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(qiáng)的電力工業(yè)測(cè)量環(huán)境。系統(tǒng)可分別采用超聲波飛渡時(shí)間法與相位差法，實(shí)現(xiàn)對(duì)距離尺寸及溫度的測(cè)量。針對(duì)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，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(cè)量的誤差范圍，并進(jìn)行了距離與溫度的測(cè)量試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)針對(duì)距離測(cè)量相對(duì)誤差在3%以內(nèi)，溫度測(cè)量的相對(duì)偏差不超過3%。

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

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

[3] 常太華,蘇杰,田亮.檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:中國(guó)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(shí)間測(cè)量方法[J].自動(dòng)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(shí)間數(shù)據(jù)的溫度場(chǎng)重建[J].儀器儀表學(xué)報(bào),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(chǎng)重建研究[J].聲學(xué)學(xué)報(bào),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(cè)距研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),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(jì)劃基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：B13009)；

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(編號(hào)：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?yàn)槌暡z測(cè)技術(shù)。

TH89

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201509007

修改稿收到日期：2015-01-06。