CN103630288A - 超声循环触发测压装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声循环触发测压装置，可用于非介入式压力检测场合。该发明能有效扩展由于压力引起的超声回波时延变化量，降低微时延测量难度，提高压力测量的精度，对压力设备无介入、无破坏。其功能装置主要包括：超声脉冲收发驱动子系统（电路单元1）、波形预处理及液晶显示接口电路子系统（电路单元2）、TMS320F2812核心控制子系统（电路单元3）以及JM240128图形点阵液晶显示模块等四部分。该发明克服了传统介入式压力检测方法的不足，方便携带，能实时显示被测设备压力。

Description

超声循环触发测压装置与方法

技术领域：

本发明涉及超声波测压技术领域，可用于管道、压力容器及液压系统的压力实时监测场合。

背景技术：

管道、压力容器及液压系统等压力设备的压力监测是保证液压设备、液体输送及储运系统安全、可靠工作的必要条件。为实现压力检测，常用介入式的测量方法，即将压力表或压力传感器接入液压设备，从而实现压力测量。介入式测量方法技术相对成熟，但缺点是破坏了系统的完整性，其次，由于压力表或压力传感器是直接和压力设备内高压液体接触的，且设备内的液体多为腐蚀性液体，易产生腐蚀破坏。

在这种背景下，人们开始寻求非介入式测压方法。国内有关利用超声波进行非介入式管道压力检测方法的研究最早见于1989年，华中理工大学的吴守正和胡庆超提出利用超声纵波脉冲回波进行非介入式管外测压的方法（吴守正，胡庆超.超声波管外压力测量.液压与气动，1989(3)：36-38）。该方法测量的基本原理是管内液体压力的变化引起管壁内拉应力的变化，从而导致超声波在管壁内传播声速的变化，并转化为相位滞后角的变化，最终建立回波幅值与压力的数量关系，实现压力测量。该方法从理论上同时也从实验上对超声波测量管道压力的思路及可行性上进行了探索，并取得了一定成果，为其后超声测压技术的发展提供了借鉴。

1997年，重庆建筑大学的朱晓梅等在《液压管路压力管外测量系统》一文中提出一种以水浸式聚焦和高精度测厚仪为核心的超声波管外测压系统。测量的基本原理也是利用管内液体压力变化引起管壁内部拉应力变化最终导致超声波在管壁内传播时的声速变化。该文进一步从理论上分析了管内压力与管截面上圆周应力的关系，以及超声波声速与油管应力的关系，分别建立了数学模型。在测量系统中采用水浸式聚焦探头和夹持装置，结合超声脉冲测厚仪通过换算实现压力测量。

从研究过程及基本测量原理来看，上述两种方法都采用了基于管壁的压力测量方法。尽管研究者关于声速测量的具体实施方案有所不同，却共同验证了该方法在理论和实践中具有一定的可行性。同时也存在一些问题，如超声波脉冲回波的幅度大小受到较多因素的影响，如发射功率、声导长度、耦合层厚度，管壁厚度等，可能导致在测量相位角滞后量时产生误差，出现测量不准问题；另一方面，由于管壁厚度有限，超声在管壁内的传播速度本身较大（在钢材中纵波速度在5900m/s左右），由应力变化产生的相角及脉冲幅度的变化较为微弱，这就给直接测量带来不便。

1991年前后，第二炮兵工程学院的蒋志明等研制超声波管外测压仪（蒋志明等.GWCY-2超声波管外测压仪的研制[J].电子测量与仪器学报,1995.9(4):36-40），由于直接测量油液中超声波传播速度的变化是相当困难的。对一定的管径而言,测量声波的传播时间却比较容易。为此，该仪器通过测量超声波在管道油液中的传播时间的变化来代替传播速度的变化,进而确定油液中压力的变化情况。该方法与前面讲述的基于管壁声速变化的测压方法截然不同，尽管两者测量的都是声速的变化，前者测量的是是管壁中的声速，而后者则油液中的声速。基于油液的测量方法对系统性能的要求相对低一些，降低了仪器设计的难度，在同等条件下也容易达到较高的测量精度。

当然，该方法也有不足之处。首先，由于超声波在传播过程中不仅穿过油液，不可避免也穿过管壁，所以实际测出的声速变化应为在油液和管壁中同时作用的结果，单纯归结为油液中声速变化难免产生误差。其次，超声波在传播过程中经过多次反射及透射，使回波信号变得复杂，从而给回波信号提取带来不便。

此外，西安科技大学的郑大腾利用“脉冲回鸣法”作为超声波声速测量的方法，设计了超声波液体测压仪的软硬件系统；浙江大学的阮建富和林韶峰针对超声波无损压力检测技术设计了一种采用回振法测量超声波传播时间的装置；江苏大学的丁丽娟在脉冲回鸣法的基础上提出了基于单片机定时计数的声速测量方法。

发明内容：

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明提出一种超声循环触发测压装置与方法。

本发明超声循环触发测压装置的技术方案为，该装置由由超声脉冲收发驱动子系统、波形预处理及液晶显示接口电路子系统及TMS320F2812核心控制子系统组成。

（1）超声脉冲收发驱动子系统，由脉冲发射模块和回波接收模块组成。脉冲发射模块的主要功能是在控制单元发来的控制脉冲信号后完成超声波脉冲的发射；回波接收模块的主要功能是对接收回波进行调理放大，以便于后续处理；

（2）波形预处理及液晶显示接口电路子系统，波形预处理模块对调理后的回波信号进行降频预处理，主要功能是检波后，提取脉冲信号的包络，最终通过数据采集及量化后将回波信号送入计时及控制单元进行分析；液晶显示接口电路的主要功能是实现液晶显示模块与核心控制子系统间的数据传输与信号匹配；

（3）TMS320F2812核心控制子系统，主要完成三个任务：其一，以一定的时间间隔周期性的发起测量过程；其二，分析接收的回波信号，判断波达时刻，以发出控制脉冲，触发超声脉冲发射，实现循环；其三，当设定循环次数完成时对经历的总时间计时，以便于分析时延变化，从而对压力情况进行标定；

（4）JM240128图形点阵液晶显示模块，主要功能是实现交互信息与检测结果的可视化显示；

上述装置中的各模块的组成和功能具体如下：

脉冲发射模块主要作用是产生满足要求的高压电脉冲。其电路结构由Boost升压电路演变而成，并取电感L两端的电压信号VL作为输出。

回波接收模块主要包括前置放大电路，完成阻抗变换；以及由两级反相放大器组成的高增益放大电路，RP5和RP6用于调节前后两级的电路放大增益。

波形预处理模块主要由三部分组成：由二极管、RC组成的包络提取电路；用于去除噪声稳定信号的低通滤波电路；包络放大电路对波形幅度进行调整，以满足后端TMS320F2812中ADC数据采集模块对输入电压的要求。

TMS320F2812核心控制子系统是该发明装置的控制核心电路，用于实现回波包络信号的处理、最大峰值点时延计算、同步计时、控制脉冲发射、信号标定、参数设定及压力计算与显示。

采用上述超声循环触发测压的装置进行测压的方法，其步骤如下：

（1）TMS320F2812核心控制子系统以一定的时间间隔周期性的发起测量过程；

（2）脉冲发射模块在TMS320F2812核心控制子系统发来的控制脉冲信号后完成超声波脉冲的发射；

（3）回波接收模块的主要功能是对接收回波进行调理放大，以便于后续处理；

（4）波形预处理模块对调理后的回波信号进行降频预处理，主要功能是检波后，提取脉冲信号的包络，最终通过数据采集及量化后将回波信号送入计时及控制单元进行分析：

（5）TMS320F2812核心控制子系统分析接收的回波信号，判断波达时刻，以发出控制脉冲，触发超声脉冲发射，实现循环；

（6）当设定循环次数完成时对经历的总时间计时，以便于分析时延变化，从而对压力情况进行标定；

（7）液晶显示接口电路实现液晶显示模块与核心控制子系统间的数据传输与信号匹配。

本发明以TMS320F2812为核心，通过精确控制收发脉冲，以脉冲包络技术实现多次精确信号触发，以脉冲环鸣法作为时延扩展的基本方法，脉冲循环次数可调，可以实现压力设备的非介入式压力监测。本发明的技术方案可用于于管道、压力容器及液压系统的压力实时监测场合；采用非介入方式，不破坏被测设备的结构完整性，安装方便。附图说明：

图1为本发明中超声循环触发测压装置构成框图。

图2为本发明中软硬件结合的循环触发机制原理示意图。

图3为本发明中电感式超声发射电路。

图4为本发明中555自激多谐振荡器及其输出波形。

图5为本发明脉冲产生部分。

图6为本发明前置放大电路。

图7为本发明高增益放大电路。

图8为本发明包络提取前后的信号示意图；其中：

图8（a）表示经过放大后的回波信号；图8（b）从中提取的包络。

图9为本发明包络提取电路。

具体实施方式：

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

如图1所示，该装置由电路单元1-超声脉冲收发驱动子系统、电路单元2-波形预处理及液晶显示接口电路子系统及电路单元3-TMS320F2812核心控制子系统组成。

在采用本发明的脉冲环鸣法的系统中，电路单元3-TMS320F2812核心控制子系统向电路单元1中的发射电路（即脉冲发射模块）和计时器同时发送激励信号，发射电路和定时器开始工作；发射电路激励发射换能器产生超声波，超声波经过被测物体后被接收换能器接收；接收换能器接收到的信号经放大滤波整形和鉴别之后传到控制电路，控制电路在接收到信号的同时再一次触发发射电路，这样的过程不断地循环进行，直到循环次数达到设定值N时便停止发射，同时让计时器停止工作；经过整个过程便可以得到一个脉冲系列，从计时器中可以得到循环N次的时延累积和t。超声波传播一次的时延（或者称为循环周期）T便可以利用式（1）得到，

$T=\frac{t}{N}---\left(1\right)$

通常T的值在几到几百微妙的时间跨度内。根据超声测压模型，

P-P₀＝K(T-T₀)    （2）

式中，P表示某时刻压力设备的压力，T表示该时刻超声脉冲在压力设备中传播一次的时延，P₀表示给定参考压力值，T₀表示在该参考压力值下超声脉冲在压力设备中传播一次的时延，K表示比例系数。

通常（2）也可以写成（3）式的形式

ΔP＝KΔT    （3）

式中，ΔP、ΔT分别表示压力和单次传播时延变化量，K表示比例系数。由（3）式可知，在给定参考压力P₀与对应时延T₀的情况下，只要求得某时刻ΔT的值，通过数学换算即可求出该时刻压力值。

从数学的角度看，这种方法并无不妥。但从误差传递的角度并结合MCU的性能来看，问题就不难看出。通常而言，（3）式中的比例系数K较大，而单次传播时延变化量即ΔT很小，约在几十至几百纳秒，因而在处理器中受定时器时间分辨率的限制，示值很小。从而导致在定时器计时或计算ΔT过程中产生的误差，同样可能通过比例放大传递至运算结果，使结果产生极大变化，某些情况下可能使检测结果失去实际意义。

针对现有时延提取的方法中存在的严重不足，本发明提出了基于时延累积和的改进方法。

将（1）式代入（3）式，得

$\mathrm{\ΔP}=\frac{K}{N}\mathrm{\Δt}---\left(4\right)$

由（4）式知，在给定参考压力P₀与对应时延t₀的情况下，只要求得某Δt时刻的值，通过数学换算即可求出该时刻压力值。

采用（4）式作为测量模型优点突出。对比（3）式，一方面Δt可通过时延累积和相减得到，无需复杂的除法运算，存在较小运算误差；另一方面，Δt本身数值较大，有利于减少系统定时器计时误差；此外，比例系数缩小至（3）式的N分之一，在同等原始误差下，传递至最终结果的误差也大大减少，且N越大，传递误差越小。

如图2所示，本发明中装置的工作过程，先利用检波及包络提取电路对接收电路的高频率回波信号进行预处理，得到低频单脉冲信号，然后将之通过A/D送往主控制器提取波达时刻。由于预处理后的回波信号已经是低频的单脉冲信号，所以A/D采样率不必太高，特征提取算法也得以简化，从而在实时性、触发稳定性以及系统的成本方面达到较好的协调。

图2中，计时及循环控制单元作为系统核心模块，主要完成三个任务：其一，以一定的时间间隔周期性的发起测量过程；其二，分析接收的回波信号，判断波达时刻，以发出控制脉冲，触发超声脉冲发射，实现循环；其三，当设定循环次数完成时对经历的总时间计时，以便于分析时延变化，从而对压力情况进行标定。

脉冲发射模块的主要功能是在前面控制单元发来的控制脉冲信号下完成超声波脉冲的发射。回波接收模块主要对接收换能器接收的原始回波进行调理放大，以便于后续处理。波形预处理模块对调理后的回波信号进行降频预处理，主要是检波后，提取脉冲信号的包络，最终通过数据采集及量化模块将量化后的回波信号送入计时及控制单元进行分析。

如图3所示，本发明中的超声发射电路是以Boost电路为核心，其中，SW₀为单刀双掷开关，用于选择发射控制信号是由电路内部提供还是由外部输入；非门N₀将送入的控制脉冲信号反相后，变换为正脉冲送入N沟道MOS开关Q₀及其驱动单元，用于控制Q₀漏源极的通断；Tx为超声换能器。

（1）触发控制部分

如图4所示，触发控制部分，双点划线左侧所示，主要作用是产生一定宽度的正脉冲，经过MOS管驱动单元后，作为Q₀的栅极驱动信号Vg，用于控制Q₀漏源极的通断。

本发明中提供了两种脉冲控制方式，通过SW₀实现功能选择。当SW₀选择555自激多谐振荡器时，通过适当调节，在非门N₀输入端，将得到一系列以一定周期重复的具有一定宽度的负脉冲，经过N₀反相即可得到需要的正脉冲，从而达到以同样周期重复发射的超声波脉冲信号的目的。

图中，Tw≈0.7RP₁C_t,T≈0.7(RP₀+RP₁)C_t

在此方式下，电路不需引入外部控制信号，利用内部的555自激多谐振荡器即可实现超声波脉冲的周期性发射。

当SW₀选择外部控制脉冲输入时，超声脉冲的发射将不再受555自激多谐振荡器的影响，而由接入外部控制脉冲输入引脚上的信号进行控制。此时该信号可以是单片机、ARM或DSP等外部控制模块产生的负脉冲信号，从而满足更复杂灵活的控制。

（2）脉冲产生部分

如图5所示，脉冲产生部分主要作用是产生满足要求的高压电脉冲。其电路结构由Boost升压电路演变而成，并取电感L两端的电压信号VL作为输出。对电路进行暂态分析不难推出VL的响应函数。实际应用中，一般要求阻抗匹配环节和换能器Tx的等效阻抗远大于电感L两端的阻抗，故在分析电感两端的电压VL时，为了分析方便，暂不考虑它们的影响。其中R₀是限流电阻，用于控制电感充电时流过电感的电流大小，这样做的目的是：一方面可以保护电感不被大电流烧毁；另一方面，通过调节R₀的大小，可以控制流过电感的电流的大小，进而控制发射脉冲的幅度；取R_L>>R₀；高反压快速二极管D0的作用是抵消MOS管内部的体内二极管的影响，使其无效。

当Vg端高电平时，Q0漏源极导通，R_L和C被短路，线圈中有初始电流i₀流过，V_L=0。

当Vg端置为低电平时，Q0漏源极截止瞬间，线圈中因为自感，要阻止电流下降的趋势，电流保持不变。之后进入暂态响应过程。

（3）阻抗匹配

由于脉冲产生部分的负载能力有限，直接接入换能器，将使脉冲产生的幅度急剧下降，中心频率下移，从而极大限制了电路的使用范围，没有太大的实用性。为了消弱负载（换能器）对超声产生部分电路的影响，提高电路的负载能力，本发明在两者之间引入了脉冲变压器作为阻抗匹配环节。通过多次试验选取合适的初次级线圈匝数比，从而提高电路负载能力，改善发射脉冲波形。

一般而言，超声换能器的输出阻抗很高，如压电陶瓷换能器的输出阻抗高达10⁸Ω，为满足电路阻抗匹配要求，与换能器连接的放大电路必须具有更高的输入阻抗才能保证信号的有效传递，而一般的放大电路输入阻抗较小。为此需要设计专门的前置放大电路进行阻抗匹配，如图6所示。

本发明中，由于超声换能器接收的回波信号微弱，约在几至几十毫伏级别。受带宽限制，前置放大电路增益不能做的太高，完成阻抗变换是其主要任务。为此，本发明设计了由两级反相放大器组成的高增益放大电路，如图7示。图中RP5和RP6是最大值50K的两个可调电阻，用于调节前后两级的电路放大增益。

本发明中，对回波进行采样处理的主要目的在于获取准确的波达时刻，一般取回波中峰值出现的时刻作为波达时刻。为此只要提取出回波信号的包络，然后从包络中提取包络信息即可。这样做的一个好处是，在保证有效信息提取的同时也降低了采样率，从而显著降低了系统性能要求及设计成本。

包络提取前后的信号示意图如图8所示。图中（a）表示经过放大后的回波信号，从中提取的包络如（b）中实线所示。

进行包络提取的电路如图9所示。主要由三部分组成：由二极管、RC组成的包络提取电路；用于去除噪声稳定信号的低通滤波电路；包络放大电路，由于得到的包络信号幅度较低，故加此一级放大电路对波形幅度进行调整，以满足后端TMS320F2812中ADC数据采集模块对输入电压的要求。

本发明中，液晶显示模块采用JM240128是一种图形点阵液晶显示器，它由控制器T6963C、行驱动器/列驱动器及240×128全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示，也可以显示15×8个汉字。

Claims (6)

1.超声循环触发测压装置，其特征在于:该装置由超声脉冲收发驱动子系统、波形预处理及液晶显示接口电路子系统及TMS320F2812核心控制子系统组成； 

（1）超声脉冲收发驱动子系统，由脉冲发射模块和回波接收模块组成;脉冲发射模块在控制单元发来的控制脉冲信号后完成超声波脉冲的发射；回波接收模块对接收回波进行调理放大； 

（2）波形预处理及液晶显示接口电路子系统，波形预处理模块对调理后的回波信号进行降频预处理，检波后，提取脉冲信号的包络，最终通过数据采集及量化后将回波信号送入计时及控制单元进行分析；液晶显示接口电路的主要功能是实现液晶显示模块与核心控制子系统间的数据传输与信号匹配； 

（3）TMS320F2812核心控制子系统对超声脉冲收发驱动子系统进行控制； 

（4）JM240128图形点阵液晶显示模块，实现交互信息与检测结果的可视化显示。 

2.如权利要求1所述的超声循环触发测压装置，其特征在于：所述的脉冲发射模块产生高压电脉冲；所述的脉冲发射模块的电路结构由Boost升压电路演变而成，并取电感L两端的电压信号VL作为输出。 

3.如权利要求1所述的超声循环触发测压装置，其特征在于：所述的回波接收模块主要包括前置放大电路，完成阻抗变换；以及由两级反相放大器组成的高增益放大电路，RP5和RP6调节前后两级的电路放大增益。 

4.如利要求1所述的超声循环触发测压装置，其特征在于：所述的波形预处理模块主要由二极管、RC组成的包络提取电路和用于去除噪声稳定信号的低通滤波电路组成；包络提取电路对波形幅度进行调整，满足后端TMS320F2812中ADC数据采集模块对输入电压的要求。 

5.如权利要求1所述的超声循环触发测压装置，其特征在于：所述的TMS320F2812核心控制子系统是所述装置的控制核心电路，实现回波包络信号的处理、最大峰值点时延计算、同步计时、控制脉冲发射、信号标定、参数设定及压力计算与显示。 

6.超声循环触发测压的方法，其特征在于： 

（1）TMS320F2812核心控制子系统以一定的时间间隔周期性的发起测量过程； 

（2）脉冲发射模块在TMS320F2812核心控制子系统发来的控制脉冲信号后完成超声波脉冲的发射； 

（3）回波接收模块的主要功能是对接收回波进行调理放大，以便于后续处理； 

（4）波形预处理模块对调理后的回波信号进行降频预处理，主要功能是检波后，提取脉冲信号的包络，最终通过数据采集及量化后将回波信号送入计时及控制单元进行分析： 

（5）TMS320F2812核心控制子系统分析接收的回波信号，判断波达时刻，以发出控制脉冲，触发超声脉冲发射，实现循环； 

（6）当设定循环次数完成时对经历的总时间计时，以便于分析时延变化，从而对压力情况进行标定； 

（7）液晶显示接口电路实现液晶显示模块与核心控制子系统间的数据传输与信号匹配。 

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