王迪晟，秦會(huì)斌，劉 繼

（1.杭州電子科技大學(xué) 新型電子器件與應(yīng)用研究所，浙江 杭州 310018；2.浙江太古可口可樂飲料有限公司，浙江 杭州 310018）

0 引言

市政給排水工程中，排污管道中的沉積物直接關(guān)系到城市污水處理系統(tǒng)的運(yùn)行。傳統(tǒng)檢測(cè)方法有基于CCD（Charge-coupled Device）圖像傳感器的檢測(cè)方法[1，2]和聲納檢測(cè)方法[3，4]。 基于CCD 圖像傳感器的檢測(cè)方法一般是在履帶式車輛的基礎(chǔ)上，安裝CCD 圖像傳感器，由電機(jī)控制CCD 圖像傳感器做俯仰運(yùn)動(dòng)以擴(kuò)大檢測(cè)范圍。此類在線監(jiān)測(cè)設(shè)備主要包括遠(yuǎn)程操控終端和移動(dòng)平臺(tái)兩個(gè)基本單元。用戶通過終端操控實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)控制、監(jiān)控和測(cè)量等。 基于聲納的檢測(cè)方法為：通過聲納探頭在管道內(nèi)快速旋轉(zhuǎn)并發(fā)射聲納信號(hào)對(duì)管壁進(jìn)行掃描，獲取接收的反射信號(hào)，經(jīng)計(jì)算處理后得到管壁的二維橫截面圖像， 用于判斷管道中沉積面形狀及其范圍。 聲納檢測(cè)方法必須人工現(xiàn)場(chǎng)操作，操作過程較為復(fù)雜，且設(shè)備成本較高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全天候的在線監(jiān)測(cè)。

本文基于超聲導(dǎo)波在傳播過程中遇到介質(zhì)邊界會(huì)發(fā)生反射、 透射以及模式變換等現(xiàn)象這一原理，對(duì)非接觸式管道沉積物檢測(cè)方法進(jìn)行研究。 系統(tǒng)采用STM32F103C8T6 作為主控芯片， 設(shè)計(jì)信號(hào)發(fā)生電路和接收電路，并對(duì)采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，從而得到管道內(nèi)沉積物厚度數(shù)據(jù)。

1 檢測(cè)原理

傳感器陣列按如圖1 所示進(jìn)行擺放。超聲波發(fā)射端放置在管道底部并與管道外壁貼合，多個(gè)傳感器接收端間隔放置在管壁外側(cè)并與管道外壁貼合。

在傳播過程中聲波遇到不同聲阻抗介質(zhì)組成的界面時(shí)，發(fā)生散射使得聲波原傳播方向上的能量減少，即散射衰減。 超聲波由第一介質(zhì)射入到第二介質(zhì)時(shí)，會(huì)在第一介質(zhì)中產(chǎn)生一個(gè)與入射波方向相反的反射波，在第二介質(zhì)中產(chǎn)生一個(gè)與入射方向相同的透射波，反射波與透射波的聲壓和聲強(qiáng)按一定比例分配[5，6]。

聲壓反射率r 是界面上反射波的聲壓pr與入射波聲壓p0的比值[7]。 聲壓反射率r 根據(jù)式（1）計(jì)算：

聲壓透射率t 是界面上透射波的聲壓pt與入射波聲壓p0的比值[7]。 聲壓透射率t 根據(jù)式（2）計(jì)算：

聲強(qiáng)反射率R是界面上反射波的聲強(qiáng)Ir和入射波聲強(qiáng)I0的比值[7]。 聲強(qiáng)反射率R 根據(jù)式（3）計(jì)算：

聲強(qiáng)透射率T 是界面上反射波的聲強(qiáng)Ir和入射波聲強(qiáng)I0的比值[7]。 聲強(qiáng)透射率T 根據(jù)式（4）計(jì)算：

式中：Z1為第一介質(zhì)聲阻抗，Z2為第二介質(zhì)聲阻抗；ρ1和ρ2分別為第一介質(zhì)和第二介質(zhì)的密度；c1和c2分別為聲波在第一介質(zhì)和第二介質(zhì)中的傳播速度。 一般來說，固體、液體、氣體的密度依次減小， 并且氣體的密度遠(yuǎn)小于固體和液體的密度，超聲波在固體、液體、氣體中的傳播速度依次遞減。因此，氣體介質(zhì)聲阻抗一般情況下遠(yuǎn)小于固體和液體介質(zhì)聲阻抗，液體介質(zhì)聲阻抗略小于固體介質(zhì)聲阻抗。 當(dāng)介質(zhì)1 為氣體，介質(zhì)2 為固體時(shí)，ρ1·c1<<ρ2·c2，由式（1）到式（4）推斷可得，分界面處聲波幾乎全反射，反射聲波強(qiáng)度約等于入射聲波強(qiáng)度；當(dāng)介質(zhì)1 為液體，介質(zhì)2 為固體時(shí)，ρ1·c1<ρ2·c2，此時(shí)分界面處聲波發(fā)生反射和透射，反射和透射后聲波信號(hào)強(qiáng)度根據(jù)介質(zhì)物理特性決定。

針對(duì)本文實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，利用COMSOL Multiphysics 軟件建立管道二維模型并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。設(shè)置管道材料為PVC 材質(zhì)，管壁厚度為6mm，管道內(nèi)徑為80cm，建立二維平面仿真模型如圖2 所示。測(cè)點(diǎn)1 放置超聲波發(fā)射端，測(cè)點(diǎn)2~測(cè)點(diǎn)7 為超聲波接收端。 當(dāng)測(cè)點(diǎn)1 發(fā)生40kHz 的超聲波信號(hào)后，仿真分析各個(gè)接收端的接收信號(hào)曲線。

測(cè)點(diǎn)1~測(cè)點(diǎn)4 接收信號(hào)與激勵(lì)信號(hào)曲線如圖3 所示。 測(cè)點(diǎn)2 和測(cè)點(diǎn)3 位于管道固-液分界面以下位置，測(cè)點(diǎn)4 位于管道固-液分界面。 可見，測(cè)點(diǎn)2 和測(cè)點(diǎn)3 兩處接收信號(hào)幅值大致相同，測(cè)點(diǎn)4 接收信號(hào)衰減幅度較為明顯。

測(cè)點(diǎn)4~測(cè)點(diǎn)7 接收信號(hào)曲線如圖4 所示。 這些測(cè)點(diǎn)均位于管道固-液分界面以上位置?？梢姡S著測(cè)點(diǎn)與固-液分界面距離的增加， 接收信號(hào)的幅度不斷衰減。 經(jīng)過仿真驗(yàn)證，通過比較回波信號(hào)強(qiáng)度估算管道內(nèi)部沉積物狀況在理論上可行。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)采用STM32F103C8T6 作為控制單元，以諧振頻率為40kHz 的壓電薄膜為核心設(shè)計(jì)信號(hào)發(fā)生電路，AD8602 運(yùn)算放大器和MIC 硅麥克風(fēng)為核心設(shè)計(jì)接收電路，對(duì)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的接收信號(hào)幅值進(jìn)行采樣。 系統(tǒng)整體框圖如圖5 所示。

2.2 信號(hào)發(fā)生電路

超聲波信號(hào)發(fā)生電路如圖6 所示。 UST1 為壓電薄膜， 本文選用MEAS 公司生產(chǎn)的諧振頻率為40kHz 的壓電薄膜。 L1和L2為電感，Q1和Q2為三極管。 該電路由UST（Ultrasonic Transducer）引腳輸入的PWM（Pulse Width Modulation）波驅(qū)動(dòng)。 系統(tǒng)工作時(shí)壓電薄膜UST1 可等效為一個(gè)pF 級(jí)的電容，該電路等效為一個(gè)RLC 并聯(lián)諧振電路，根據(jù)式（5）計(jì)算得到諧振頻率：

式中：C 為壓電薄膜等效電容，約為1200pF；L為圖6 中L1和L2串聯(lián)等效電感，約為11mH。 計(jì)算得到電路諧振頻率約為43.8kHz。

2.3 信號(hào)接收電路

信號(hào)接收電路分為選頻放大電路和峰值檢波電路兩部分。 選頻放大電路如圖7 所示，其中MIC為硅麥克風(fēng)，OPA1 和OPA2 構(gòu)成級(jí)聯(lián)MFB（Multiple Feedback）帶通濾波器[8]，選頻放大電路的主要功能是從硅麥克風(fēng)接收到的信號(hào)中分理出40kHz的回波信號(hào)。

以第一級(jí)為例，MFB 帶通濾波器系統(tǒng)函數(shù)由式（6）表示。 MFB 帶通濾波器系統(tǒng)函數(shù)通過改變電路中電阻、 電容值控制濾波器中心頻率和通帶增益。濾波器中心頻率f0和通帶增益H0根據(jù)式（7）和式（8）計(jì)算。

元件參數(shù)選型如表1 所示，根據(jù)式（7）和式（8）計(jì)算得到， 級(jí)聯(lián)濾波器的中心頻率約為43kHz，通帶增益約為55dB。

峰值檢波電路如圖8 所示，該電路主要功能是采集選頻濾波后的窄脈沖信號(hào)的峰值電壓[9]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分包括電路驅(qū)動(dòng)、A/D 采樣和數(shù)值處理計(jì)算。電路驅(qū)動(dòng)主要產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使壓電薄膜發(fā)生諧振，產(chǎn)生40kHz 的超聲波信號(hào)；A/D 采樣主要采集放置在管道外壁各個(gè)測(cè)點(diǎn)的接收信號(hào)幅值；數(shù)值處理計(jì)算主要完成數(shù)字濾波和沉積物厚度計(jì)算。

由于環(huán)境因素會(huì)影響各個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量得到的回波信號(hào)峰值，因此采用去極值平均濾波[10]，對(duì)連續(xù)采樣的N 個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較， 排除最大值和最小值后計(jì)算剩余N-2 個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。 該算法的執(zhí)行流程如圖9 所示，實(shí)際應(yīng)用中隊(duì)列長(zhǎng)度N 取8。

通過上述步驟得到各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)濾波后的電壓值，然后比較各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)所采集的電壓值，可以大致估算管道中沉積物的厚度。但此時(shí)僅能通過檢測(cè)點(diǎn)位置確定沉積物的厚度，無(wú)法對(duì)管道中沉積物厚度進(jìn)行精確計(jì)算。 因此，需要對(duì)超聲波在水中傳播時(shí)信號(hào)的衰減情況進(jìn)行建模。

通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得不同沉積物厚度下，管道外壁所采集的電壓模擬量如圖10 所示。 可見沉積物厚度在5~30cm 的范圍內(nèi)，對(duì)采集的電壓模擬量的影響可以忽略不計(jì)，這與圖3 仿真結(jié)果相符合。因此，設(shè)定沉積物與管道中液體的分界面所對(duì)應(yīng)的電壓模擬量閾值為3.20V：接收端采集得到的電壓值小于3.20V， 認(rèn)為該接收端所在位置的水平線在沉積物和液面分界面上方，否則認(rèn)為該接收端所在位置的水平線在沉積物和液面分界面下方。

通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得，超聲波信號(hào)在水中傳播時(shí)所采集的電壓模擬量和水位深度的關(guān)系如表2 所示。

表2 電壓模擬量和水位深度對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 2 Corresponding relationship between voltage analog quantity and water level depth

通過所測(cè)得的數(shù)據(jù)，利用Matlab 進(jìn)行擬合[11，12]，為了避免出現(xiàn)過擬合，采用一階擬合，其中擬合曲線的函數(shù)模型為：

擬合后函數(shù)曲線如圖11 所示。 獲取放置在分界面以上位置的傳感器所采集的電壓模擬量，通過擬合獲得的函數(shù)模型計(jì)算得到當(dāng)前傳感器所在位置與分界面的距離。 由于傳感器放置的位置現(xiàn)實(shí)已知， 由此可以大致估算當(dāng)前管道內(nèi)部沉積物厚度。

4 系統(tǒng)測(cè)試

在不同沉積物厚度的測(cè)試環(huán)境下進(jìn)行了多次測(cè)量并取均值，具體測(cè)量數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果匯總Table 3 Summary of measurement data results

測(cè)試結(jié)果顯示，當(dāng)管道沉積物厚度在30cm 以內(nèi)時(shí)，測(cè)量結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確，系統(tǒng)整體的測(cè)量誤差在±2cm 左右，基本滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于MFB 濾波器的非接觸式管道沉積物檢測(cè)系統(tǒng)， 該系統(tǒng)可以對(duì)管道中沉積物厚度進(jìn)行較為準(zhǔn)確的測(cè)量，測(cè)量誤差在2cm 以內(nèi)。 相比于基于CCD 圖像傳感器的檢測(cè)方法和聲納檢測(cè)方法，本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，成本低，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。