任思源　李亨濤

【摘 要】聲學(xué)閾值法是應(yīng)用聲學(xué)進(jìn)行溫度、流場(chǎng)等測(cè)量的一種常用手段，在應(yīng)用聲學(xué)閾值法的過(guò)程中，獲得準(zhǔn)確的聲波飛行時(shí)間是保證測(cè)量準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。然而，在實(shí)際測(cè)量時(shí)突變?cè)肼暤碾S機(jī)出現(xiàn)將嚴(yán)重影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。本文針對(duì)聲學(xué)閾值法測(cè)量時(shí)接收信號(hào)的突變?cè)肼晢?wèn)題，提出一種基于硬件控制策略的突變?cè)肼曌R(shí)別及突變誤差修正方法，并通過(guò)仿真驗(yàn)證誤差修正的重要性。

【關(guān)鍵詞】聲學(xué)閾值法;測(cè)量;突變?cè)肼?誤差修正

中圖分類號(hào)： TN406文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）19-0103-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.19.048

0 引言

聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)[1-2]，是一種廣泛應(yīng)用于國(guó)防、醫(yī)療、電力、石油、汽車等各個(gè)工業(yè)及生活領(lǐng)域的先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)。由于聲波可在氣體、液體、固體或它們的混合物中以橫波、縱波、表面波、薄板波等各種方式進(jìn)行傳播，同時(shí)也可在生物體和金屬中傳播的特性;并且具備對(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)境中的優(yōu)勢(shì)，因此聲波具有非常廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域[3]。在聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)的諸多應(yīng)用當(dāng)中，突變?cè)肼晫?duì)測(cè)量信號(hào)的影響不容忽視，在常用的聲學(xué)測(cè)量閾值法中，如果不及時(shí)發(fā)現(xiàn)噪聲并進(jìn)行誤差修正，將會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的重大偏差[4]。

1 聲學(xué)閾值法測(cè)量原理

確定聲波傳播時(shí)間是應(yīng)用聲學(xué)測(cè)量的核心工作，通過(guò)確實(shí)聲波的傳播時(shí)間，結(jié)合測(cè)量空間的尺度，可以間接反應(yīng)測(cè)量區(qū)域內(nèi)的溫度分布、流速流量等物理信息。聲學(xué)閾值法[5]其本質(zhì)是獲取聲波飛行時(shí)間的測(cè)量方法，該方法是通過(guò)劃定信號(hào)閾值，準(zhǔn)確捕捉聲波信號(hào)的收發(fā)時(shí)刻，最終獲得聲波飛行時(shí)間的一種測(cè)量方法。該方法的應(yīng)用如圖1所示。

如圖1所示，通過(guò)劃定閾值，可以有效確定聲波的接收時(shí)刻，而聲波發(fā)射時(shí)刻與接收時(shí)刻的時(shí)間差即為聲波傳輸時(shí)間。在應(yīng)用聲學(xué)測(cè)量的過(guò)程中，硬件電路本身的噪聲誤差是不可避免的，如硬件系統(tǒng)的白噪聲等問(wèn)題，但此類誤差一般具有一定的規(guī)律，且容易通過(guò)前期標(biāo)定來(lái)確定誤差的種類和數(shù)值范圍，有助于后期測(cè)量時(shí)進(jìn)行修正。但是，另一類噪聲為突變?cè)肼?，其?lái)源隨機(jī)，不可預(yù)測(cè)（如測(cè)量電路系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的突發(fā)變化或測(cè)量環(huán)境雜音的突然加入），此類誤差勢(shì)必將導(dǎo)致電信號(hào)在傳輸過(guò)程中產(chǎn)生巨大波動(dòng)，并且很難進(jìn)行前期誤差修正。突變?cè)肼曉诮?jīng)過(guò)放大器（大多數(shù)聲學(xué)測(cè)量硬件包含信號(hào)放大電路）后，極有可能導(dǎo)致時(shí)間計(jì)算錯(cuò)誤，具體如圖2所示。

圖2顯示了突變?cè)肼暤陌l(fā)生，直接導(dǎo)致閾值劃定時(shí)聲波接收時(shí)刻發(fā)生偏差，進(jìn)而獲得錯(cuò)誤的聲波飛行時(shí)間，本文將針對(duì)此類誤差的識(shí)別及修正問(wèn)題進(jìn)行研究，提出一種通過(guò)硬件控制策略識(shí)別突變?cè)肼暤姆椒?，并通過(guò)控制策略進(jìn)行突變?cè)肼曊`差修正。

2 突變?cè)肼曌R(shí)別及誤差修正

能影響測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性的突變?cè)肼暤奶攸c(diǎn)是幅值大、隨機(jī)出現(xiàn)、離散不連續(xù)，針對(duì)這些特點(diǎn)，在測(cè)量控制策略上對(duì)此類噪聲進(jìn)行識(shí)別，將有效提高測(cè)量效率。本文以單片機(jī)為聲波發(fā)射及接收設(shè)備，因此，應(yīng)當(dāng)在單片機(jī)測(cè)量程序上對(duì)此類誤差直接進(jìn)行修正，具體方案原理如圖3所示。

圖3顯示了突變?cè)肼暤淖R(shí)別與修正方法的原理，測(cè)量時(shí)采用單片機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡或其他可編程控制器均可，首先設(shè)定接收反饋的數(shù)字端口為低電平，當(dāng)測(cè)量信號(hào)超過(guò)閾值電壓后，接收反饋端口將變?yōu)楦唠娖?。在?shí)現(xiàn)閾值劃定時(shí)可利用比較器劃定閾值電壓，在得到聲波測(cè)量信號(hào)后，根據(jù)劃定的閾值，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后的測(cè)量信號(hào)會(huì)變成圖3 中的反饋信號(hào)。

由突變?cè)肼暜a(chǎn)生的反饋信號(hào)，一般來(lái)說(shuō)不連續(xù)，而且其頻率也未必等于測(cè)量信號(hào)的頻率。為了區(qū)分突變?cè)肼暸c正常測(cè)量信號(hào)，針對(duì)此誤差的識(shí)別具體方法如下：

（a）接收反饋信號(hào)后，計(jì)算相鄰兩個(gè)高電平的上升沿時(shí)間差與下降沿時(shí)間差，即圖3中tc-ta與td-tb，原則上應(yīng)當(dāng)有：

tc-ta=td-tb=測(cè)量信號(hào)周期（1）

當(dāng)接收到的反饋信號(hào)不滿足公式（1），則認(rèn)為是噪聲，如恰巧滿足公式（1），則進(jìn)入下一步分析。

（b）檢測(cè)反饋是否連續(xù)，如連續(xù)獲得五組符合公式（1）的反饋，則認(rèn)為測(cè)量所收到的反饋為聲波接收信號(hào)。

（c）如識(shí)別出突發(fā)噪聲，則將第一個(gè)反饋信號(hào)上升沿清空，如不是噪聲，則將第一個(gè)反饋信號(hào)上升沿時(shí)刻作為聲波接收時(shí)刻，計(jì)算聲波飛行時(shí)間。

為實(shí)現(xiàn)上述功能，則需要硬件至少需要兩個(gè)定時(shí)器與一個(gè)計(jì)數(shù)器，并且需要具有存儲(chǔ)運(yùn)算功能的上位機(jī)，具體硬件要求及硬件功能如圖4所示。

按照突變?cè)肼曊`差識(shí)別及修正原理，參照相應(yīng)的硬件進(jìn)行編程，具體的程序流程如圖5所示。

由于有突變?cè)肼曤S機(jī)出現(xiàn)且無(wú)法避免，該方法將采用硬件設(shè)備的兩個(gè)定時(shí)器和一個(gè)計(jì)數(shù)器，定時(shí)器0負(fù)責(zé)測(cè)量聲波飛行時(shí)間Ttof，定時(shí)器1用于計(jì)算接收信號(hào)的間隔，如果間隔不等于發(fā)射信號(hào)的周期，則認(rèn)為此為突變?cè)肼?，?jì)數(shù)器用于計(jì)算符合信號(hào)間隔的個(gè)數(shù)，用以識(shí)別噪聲與正確反饋信號(hào)。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證聲學(xué)法溫度分布測(cè)量在誤差修正前后的效果，本文應(yīng)用超聲波，針對(duì)單峰溫度場(chǎng)進(jìn)行溫度分布測(cè)量，測(cè)量環(huán)直徑21cm，實(shí)驗(yàn)中采用熱風(fēng)機(jī)作為單峰熱源，并且熱源位于測(cè)量環(huán)的中心，距離測(cè)量環(huán)15cm。具體實(shí)驗(yàn)框架如圖6所示。

其中單片機(jī)為核心測(cè)量硬件，在第一次測(cè)量過(guò)程中，程序僅啟用定時(shí)器0，直接采集接收波的第一個(gè)上升沿作為超聲波接收時(shí)刻數(shù)據(jù)，不加入突變誤差識(shí)別及修正，最終的溫度分布測(cè)量圖像如圖7（a）所示，第二次測(cè)量采用圖5所示控制策略及相關(guān)硬件，最終的溫度分布圖像重建結(jié)果如圖7（b）所示。

圖7（a）顯示了未進(jìn)行誤差修正的圖像重建結(jié)果，可以看出，圖像雖能勉強(qiáng)反應(yīng)單峰溫度場(chǎng)的特征，但溫度波動(dòng)較大，邊緣波動(dòng)尤為嚴(yán)重。圖7（b）顯示的是經(jīng)過(guò)突變誤差修正后的結(jié)果，相較于未經(jīng)過(guò)誤差修正的圖像重建結(jié)果有一定改善，但是，重建效果還未達(dá)到最優(yōu)，這是因?yàn)闇y(cè)量過(guò)程中的誤差有很多種，本文僅針對(duì)突變誤差進(jìn)行修正，因此并未達(dá)到最優(yōu)的重建結(jié)果，但是，采用硬件控制策略對(duì)突變誤差進(jìn)行識(shí)別和誤差修正，還是在一定程度上改善了圖像重建質(zhì)量。

4 結(jié)論

在應(yīng)用聲學(xué)閾值法的過(guò)程中，獲得準(zhǔn)確的聲波飛行時(shí)間是保證測(cè)量準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，存在隨機(jī)出現(xiàn)、無(wú)規(guī)律不連續(xù)的突變?cè)肼?，并且突變?cè)肼暤某霈F(xiàn)將勢(shì)必將嚴(yán)重影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。本文針對(duì)聲學(xué)閾值法測(cè)量時(shí)接收信號(hào)的突變?cè)肼晢?wèn)題，提出一種基于硬件控制策略的突變?cè)肼曌R(shí)別及突變誤差修正方法，該方法的核心是應(yīng)用定時(shí)器識(shí)別正常信號(hào)和突變信號(hào)的頻率差別，同時(shí)采用計(jì)數(shù)器和定時(shí)器鎖定正常接收信號(hào)，排除突變信號(hào)。最終，通過(guò)超聲波單峰溫度場(chǎng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文提出突變誤差識(shí)別及修正方法的可行性。

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