CN105300553B - 一种基于超声波二维测温装置的飞渡时间测量方法 - Google Patents
一种基于超声波二维测温装置的飞渡时间测量方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105300553B CN105300553B CN201510568034.5A CN201510568034A CN105300553B CN 105300553 B CN105300553 B CN 105300553B CN 201510568034 A CN201510568034 A CN 201510568034A CN 105300553 B CN105300553 B CN 105300553B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- ultrasonic
- signal
- mrow
- time
- ultrasonic wave
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Landscapes
- Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
Abstract
针对超声波飞渡时间精确测量的要求，本发明提出了一种基于超声波二维测温装置的飞渡时间测量方法。该方法采用4个超声波传感器构建了二维测温环境，基于Lab VIEW软件平台设计了虚拟仪器温度测试系统，对采集的信号波形先求取包络，以提取其总体特征走势，采用互相关算法计算得到更为精确的飞渡时间，依据超声波测温原理计算飞渡路径温度平均值，并与温度仪实际测量值比较，将其温度误差值转换为飞渡时间误差。经过理论分析与实验验证，该方法测量的飞渡时间精度达到ns级。
Description
技术领域
本发明一种温度测量方法，涉及一种基于超声波测温装置的飞渡时间测量方法。
背景技术
现有的测温方法主要分为两种，一种是接触式，一种是非接触式。接触式测量需要足够长时间的接触达到热平衡，这种方法往往要要破坏被检测物体的热平衡状态，并受被测介质的腐蚀作用。因此，对感温元件的结构、性能要求苛刻，这种方法不适用于高温环境中温度的测量。非接触式测量温度的特点是：不与被测物体接触，也不改变被测物体的温度分布，这种方法测温比较优越。
超声测温技术是利用超声波在空气中的传播速度会随着空气温度而变化这一特点，测得空气中不同温度下的飞渡时间参数后，结合待测空间的具体参数信息，通过选用合适的温度场重建算法即可实现温度场的重建。为重建微波加热煤质内部温度场，防止电磁干扰的前提下进行必要智能控制设计，为微波源控制提供决策支持信息。
影响超声法测温精度的因素主要有超声飞渡时间的精确测量和温度场重建算法。超声波测温技术将提供一种非接触、实时、多维测量的测温方式，克服了热电偶、热电阻不适用于微波环境以及响应速度慢的缺点；突破了光纤方式接触性和单点测温的局限；避免了红外方式易受光照影响而产生的干扰。近年对超声波测量系统的研究主要以微控制器为核心，实现超声回波信号的采集和相关算法，通过VB、VC、Matlab等软件平台实现超声测量数据显示，但对信号的复杂运算、回波的波形显示和分析比较薄弱、灵活性较差。
本发明旨在使基于超声波二维测温系统的飞渡时间测量精度达到微波源加热媒质内部温度场重建的要求，从软硬件方面出发搭建超声波二维测温系统，结合互相关算法得到飞渡时间实现基于超声波二维测温系统的飞渡时间的精确测量。
发明内容
为了克服以上所提到的超声测温方法的一些问题，本发明提出一种基于超声波二维测温装置的飞渡时间测量方法，使该装置具有测量精度高、实时测量、截面交互性好以及维护方便等优点。利用本发明介绍的装置及方法亦可完成三维测温系统的搭建，进一步从而实现微波加热媒质内部三维温度场的重建。
所述超声波二维测温装置包括：上位机、单片机、信号发生器、示波器和超声波传感器。所述上位机通过USB驱动与单片机连接通信，单片机数据控制端与超声波传感器的控制端连接，超声波传感器与信号发生器、示波器之间通过探头连接线连接进行信号传递。信号发生器和示波器通过设置网络地址，与此同时在Lab VIEW中选择增添相应的网络地址，实现信号发生器和示波器分别与上位机的通信。
所述上位机控制三条不同通信通道，每条通信通道对应传送到单片机通信信号为不同的十进制数。单片机接收不同的数值，内部设定好的程序根据接收到数值控制继电器，实现在传感器阵列中选择相应的通路。所述上位机在Lab VIEW平台控制设置不同的波形信号，经过发生器生成相应的波形信号后，发送给超声波发射电路。经过超声传感器阵列的飞渡路径后，超声波接收电路将接收到的信号发生给示波器并显示，同时上位机存储接收到的信号。
所述的超声波传感器包括I、II、III和IV超声波传感器，I、II、III和IV超声波传感器构成二维测温系统，其中I超声波传感器作为发射信号端，II、III和IV超声波传感器作为接收端。I、II、III和IV超声波传感器分别放置在一个正方形四条边中点位置，传感器I与传感器II形成超声波飞渡路径1，传感器I与传感器III形成超声波飞渡路径2，传感器I与传感器IV形成超声波飞渡路径3。
进一步，基于超声波二维测温装置的飞渡时间测量方法，包括以下步骤：
1)上位机通过Lab VIEW软件平台控制单片机选通超声波传感器发射/接收通路，单片机控制单元驱动相应的超声波发射电路，以激励相应的超声波传感器发射超声波。
2)在Lab VIEW软件平台设置波形，将波形信号传递给信号发生器，信号发生器产生波形信号x(t)传送给超声波传感器发射电路，由发射电路将电信号x(t)转换为超声波信号f(t)，其中f(t)＝x(t)；超声波在介质中传播后，超声波由步骤1选通的超声波传感器接收端接收波形信号，并将机械信号转换为电信号作为接收信号y(t)传送至超声波接收电路。
3)超声波接收电路将接收到的电信号y(t)进行处理，并将信号传输至超声波数据采集单元的示波器。同时Lab VIEW软件平台同步显示接收到的波形，并将示波器采集到的波形数据存储在固定目录下，其中y(t)＝f(t-D)+n(t)，n(t)为接收过程中混入的噪声信号，其中n(t)与f(t)互不相关。
4)利用包络函数对发射信号x(t)和接收信号y(t)分别求取对应的包络函数A[x(t)]和A[y(t)]。
5)然后对包络函数A[x(t)]和A[y(t)]进行互相关运算，得到互相关函数为
6)在包络函数Rxy(τ)所有值中，寻找Rxy(τ)最大值及对应的时间τ，得到互相关函数Rxy(τ)的峰值处对应的时间τm，即得到超声波飞渡时间D＝τm。
7)将超声波飞渡时间D表示成超声波发射与接收装置之间路径的平均温度函数并利用该公式进行计算，将飞渡时间转化为飞渡路径上的平均温度值。其中公式中L为实际测得的超声波发射与接收单元之间的距离，单位为m。t为测量路径上气体的平均温度，单位为℃。k为绝热指数且值为1.4。R为气体常数且值为287，单位为J/Kg·k。超声波飞渡时间D，单位为ms。
8)在Lab VIEW软件平台上显示温度值，并与温度仪测得的实际温度值进行比较，得到温度误差值，将其通过公式转换为飞渡时间误差，飞渡时间误差的数量级即为飞渡时间的测量精度。
应用Lab VIEW程序控制超声波传播通路的选择、信号发生器发出波形、发射/接收数据的存储以及采集数据的计算与显示，而这些都可以通过在Lab VIEW前面板上进行设置来实现，因此具有可操作性强、交互性好等优点。
本发明的技术效果是毋庸置疑的，利用虚拟仪器强大的数据采集、信号处理能力和高分辨率波形显示等优势，通过Lab VIEW实现超声信号的控制、采集与处理，使该系统具有测量精度高、实时测量、界面交互性好和维护方便等优点。超声波测温系统不仅可以应用于一维、二维环境，根据应用场景的需要合理安装超声波传感器，亦可在三维空间中形成有效的超声波传播路径。利用获得的超声波飞渡时间，结合待测空间的具体参数信息，通过温度场重建算法即可实现温度场的重建。
所涉及的符号变量对应说明如表1。
表1
| 符号 | 含义 | 符号 | 含义 |
| x(t) | 发射信号 | y(t) | 接收信号 |
| n(t) | 噪声信号 | Rxy(τ) | 互相关函数 |
| D | 超声飞渡时间 | τm | 互相关函数最大峰值的时间 |
| f(t) | 声波信号 | A[*] | 包络函数 |
| L | 超声波发射/接收单元之间的距离 | T | 测量路径上气体的平均温度 |
| k | 绝热指数 | R | 气体常数 |
附图说明
图1：超声波测温系统原理图；
图2：二维3路径超声波传感器安装位置及超声波飞渡路径图；
图3：超声波二维3路径测温系统Lab VIEW程序图；
图4：二维2路径硬件部分电路原理图；
图中：1表示飞渡路径1，2表示飞渡路径2，表示飞渡路径3，I表示超声波传感器发射信号端，II、III和IV均表示超声波传感器接收端。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
如图1所示，超声波二维测温装置包括：上位机、单片机、信号发生器、示波器和超声波传感器。所述上位机通过USB驱动与单片机连接通信，单片机数据控制端口与超声波传感器的控制端连接。超声波传感器与信号发生器、示波器之间通过探头连接线连接进行信号传递。信号发生器和示波器通过设置网络地址，与此同时在Lab VIEW中选择增添相应的网络地址，实现信号发生器和示波器分别与上位机的通信。
所述上位机控制三条不同通信通道，每条通信通道对应传送到单片机通信信号为不同的十进制数。单片机接收不同的数值，内部设定好的程序根据接收到数值控制继电器，实现在传感器阵列中选择相应的通路。所述上位机在Lab VIEW平台控制设置不同的波形信号，经过发生器生成相应的波形信号后，发送给超声波发射电路。经过超声传感器阵列的飞渡路径后，超声波接收电路将接收到的信号发生给示波器并显示，同时上位机存储接收到的信号。
如图2所示，所述的超声波传感器包括I、II、III和IV超声波传感器，I、II、III和IV超声波传感器构成二维测温系统，其中I超声波传感器作为发射信号端，II、III和IV超声波传感器作为接收端。I、II、III和IV超声波传感器分别放置在一个正方形四条边中点位置，这个正方形的棱长为1m。传感器I与传感器II形成超声波飞渡路径1，传感器I与传感器III形成超声波飞渡路径2，传感器I与传感器IV形成超声波飞渡路径3。
一种基于超声波二维测温装置的飞渡时间测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)上位机通过Lab VIEW软件平台控制单片机选通超声波传感器发射/接收通路，单片机控制单元驱动相应的超声波发射电路；
2)在Lab VIEW软件平台设置波形，信号发生器产生波形信号x(t)传送给超声波传感器发射电路，由发射电路将电信号x(t)转换为超声波信号f(t)；其中f(t)＝x(t)，超声波由步骤1选通的超声波传感器接收端接收波形信号，并将波形信号转换为电信号作为接收信号y(t)传送至超声波接收电路；
3)超声波接收电路将接收信号y(t)处理后传输至示波器，同时Lab VIEW软件平台同步显示接收到的波形，同时将示波器采集到的波形数据存储在固定目录下；其中y(t)＝f(t-D)+n(t)，n(t)为接收过程中混入的噪声信号；其中n(t)与f(t)互不相关；
4)利用包络函数对发射信号x(t)和接收信号y(t)分别求取对应的包络函数A[x(t)]和A[y(t)]；
5)然后对包络函数A[x(t)]和A[y(t)]进行互相关运算，得到互相关函数为
6)在包络函数Rxy(τ)所有值中，寻找Rxy(τ)最大值及对应的时间τ，得到互相关函数Rxy(τ)的峰值处对应的时间τm；即得到超声波飞渡时间D＝τm；
7)将超声波飞渡时间D表示成超声波发射与接收装置之间路径的平均温度函数并利用该公式进行计算，将飞渡时间转化为飞渡路径上的平均温度值；其中L为实际测得的超声波发射与接收单元之间的距离，单位为m；-为测量路径上气体的平均温度，单位为℃；k为绝热指数且值为1.4；R为气体常数且值为287，单位为J/Kg·k；超声波飞渡时间D，单位为ms；
8)在Lab VIEW软件平台上显示温度值，并与温度仪测得的实际温度值进行比较，得到温度误差值T，将其通过公式转换为飞渡时间误差D，飞渡时间误差D的数量级即为飞渡时间的测量精度。两个温度之间的误差值在±2℃之内，其换算出的两个飞度时间之间的误差值为几纳秒，即得到该测量方法的飞渡时间测量精度为ns级。
实验中，温度仪测量值为17.3℃，超声波测温装置测量值基本在±2℃之间浮动。经实验验证，3条路径分别选通的情况下测得的飞渡时间精度都达到了ns级，表明该方法测得的飞渡时间可以达到重建温度场的精度要求。
Claims (1)
1.一种基于超声波二维测温装置的飞渡时间测量方法，其特征在于：
超声波二维测温装置包括：上位机、单片机、信号发生器、示波器和超声波传感器；所述上位机通过USB驱动与单片机连接通信，单片机数据控制端口与超声波传感器的控制端连接；超声波传感器与信号发生器、示波器之间通过探头连接线连接进行信号传递；信号发生器和示波器通过设置网络地址，与此同时在Lab VIEW中选择增添相应的网络地址，实现信号发生器和示波器分别与上位机的通信；
所述上位机控制三条不同通信通道，每条通信通道对应传送到单片机通信信号为不同的十进制数；单片机接收不同的数值，内部设定好的程序根据接收到数值来控制继电器，实现在传感器阵列中选择相应的通路；所述上位机在LabVIEW平台控制设置不同的波形信号，经过发生器生成相应的波形信号后，发送给超声波发射电路；经过超声传感器阵列的飞渡路径后，超声波接收电路将接收到的信号发生给示波器并显示，同时上位机存储接收到的信号；
所述的超声波传感器包括I、II、III和IV超声波传感器，I、II、III和IV超声波传感器构成二维测温系统，其中I超声波传感器作为发射信号端，II、III和IV超声波传感器作为接收端，形成三条超声波飞渡路径；I、II、III和IV超声波传感器分别放置在正方形四条棱的中点位置；
基于所述超声波二维测温装置的飞渡时间测量方法，包括以下步骤：
1)上位机通过Lab VIEW软件平台控制单片机选通超声波传感器发射/接收通路，单片机控制单元驱动相应的超声波发射电路；
2)在Lab VIEW软件平台设置波形，将波形信息传递给信号发生器，信号发生器产生波形信号x(t)传送给超声波传感器发射电路，由发射电路将电信号x(t)转换为超声波信号f(t)；其中f(t)＝x(t)，超声波由步骤1选通的超声波传感器接收端接收波形信号，并将机械波形信号转换为电信号作为接收信号y(t)传送至超声波接收电路；
3)超声波接收电路将接收信号y(t)处理后传输至示波器，同时Lab VIEW软件平台同步显示接收到的波形，同时将示波器采集到的波形数据存储在固定目录下；其中y(t)＝f(t-D)+n(t)，n(t)为接收过程中混入的噪声信号；其中n(t)与f(t)互不相关；
4)利用包络函数对发射信号x(t)和接收信号f(t)分别求取对应的包络函数A[x(t)]和A[y(t)]；
5)然后对包络函数A[x(t)]和A[y(t)]进行互相关运算，得到互相关函数为
<mrow>
<msub>
<mi>R</mi>
<mrow>
<mi>x</mi>
<mi>y</mi>
</mrow>
</msub>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>&tau;</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>=</mo>
<msubsup>
<mo>&Integral;</mo>
<mrow>
<mo>-</mo>
<mi>&infin;</mi>
</mrow>
<mrow>
<mo>+</mo>
<mi>&infin;</mi>
</mrow>
</msubsup>
<mi>A</mi>
<mo>&lsqb;</mo>
<mi>f</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>t</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>&rsqb;</mo>
<mi>A</mi>
<mo>&lsqb;</mo>
<mrow>
<mi>f</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mrow>
<mi>t</mi>
<mo>-</mo>
<mi>D</mi>
<mo>+</mo>
<mi>&tau;</mi>
</mrow>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
<mo>&rsqb;</mo>
<mi>d</mi>
<mi>t</mi>
<mo>;</mo>
</mrow>
6)在互相关函数Rxy(τ)所有值中，寻找Rxy(τ)最大值及对应的时间τ，得到互相关函数Rxy(τ)的峰值处对应的时间τm；即得到超声波飞渡时间D＝τm；
7)将超声波飞渡时间D表示成超声波发射与接收装置之间路径的平均温度函数并利用该公式进行计算，将飞渡时间转化为飞渡路径上的平均温度值；其中L为实际测得的超声波发射与接收单元之间的距离，单位为m；t为测量路径上气体的平均温度，单位为℃；k为绝热指数且值为1.4；R为气体常数且值为287，单位为J/Kg·k；超声波飞渡时间D，单位为ms；
8)在Lab VIEW软件平台上显示温度值，并与温度仪测得的实际温度值进行比较，得到温度误差值，将其通过公式转换为飞渡时间误差；通过飞渡时间的误差来确定飞渡时间的测量精度。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510568034.5A CN105300553B (zh) | 2015-09-08 | 2015-09-08 | 一种基于超声波二维测温装置的飞渡时间测量方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510568034.5A CN105300553B (zh) | 2015-09-08 | 2015-09-08 | 一种基于超声波二维测温装置的飞渡时间测量方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN105300553A CN105300553A (zh) | 2016-02-03 |
| CN105300553B true CN105300553B (zh) | 2018-01-30 |
Family
ID=55198071
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201510568034.5A Expired - Fee Related CN105300553B (zh) | 2015-09-08 | 2015-09-08 | 一种基于超声波二维测温装置的飞渡时间测量方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN105300553B (zh) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105823548A (zh) * | 2016-05-25 | 2016-08-03 | 无锡市海鹰加科海洋技术有限责任公司 | 一种基于tof技术的声速剖面仪 |
| CN108491932B (zh) * | 2018-01-31 | 2021-09-21 | 华南理工大学 | 一种城市公交多源数据时间误差消除方法 |
| CN108896202A (zh) * | 2018-06-25 | 2018-11-27 | 重庆大学 | 一种基于超声波在高微波辐射环境下的温度检测装置及方法 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3140612A (en) * | 1961-09-08 | 1964-07-14 | Electro Sonic Systems Inc | Ultrasonic sensor device |
| US3320808A (en) * | 1964-05-12 | 1967-05-23 | Charles A Boyd | Apparatus and method for acoustic instrumentation |
| CN101408462A (zh) * | 2008-10-30 | 2009-04-15 | 中国矿业大学 | 超声波煤壁温度测量方法及装置 |
| CN101403643A (zh) * | 2008-11-14 | 2009-04-08 | 华北电力大学 | 一种利用声学测量炉膛烟气温度的装置 |
| CN102393261B (zh) * | 2011-08-10 | 2012-12-05 | 浙江大学舟山海洋研究中心 | 海底热液口高精度声波飞渡时间测量系统 |
-
2015
- 2015-09-08 CN CN201510568034.5A patent/CN105300553B/zh not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105300553A (zh) | 2016-02-03 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105300553B (zh) | 一种基于超声波二维测温装置的飞渡时间测量方法 | |
| CN103820631B (zh) | 立式淬火炉构件温度场分布检测系统 | |
| CN103163324B (zh) | 一种风电场三维超声波风速温度检测系统及其测量方法 | |
| CN104062633A (zh) | 一种基于超声波的室内定位系统及方法 | |
| CN104864979A (zh) | 一种分布式拉曼光纤测温系统测量误差的修正方法 | |
| CN104677426A (zh) | 基于声光融合的混合气体温度场浓度场测量方法及装置 | |
| CN105698961A (zh) | 微波加热环境下一种三维温度场重建方法 | |
| CN105241574A (zh) | 考虑声线弯曲行为的炉内三维温度场声学重建方法 | |
| CN105319548A (zh) | 一种基于双回波包络的超声波飞行时间测量方法 | |
| CN104101879A (zh) | 基于超声波的车辆空间定位方法及系统 | |
| CN103575423B (zh) | 基于超声波检测的局部温度检测装置及方法 | |
| CN108181082A (zh) | 一种电站锅炉的冷态空气动力流场的无线测量装置 | |
| CN105403318A (zh) | 一种表面多点温度监测的方法和系统 | |
| CN103217454A (zh) | 圆筒结构热扩散率的光纤光栅测量系统及方法 | |
| CN202195899U (zh) | 混凝土结构温度梯度检测仪 | |
| CN103454013A (zh) | 微波加热环境下的三维温度场声学检测装置及方法 | |
| CN201429578Y (zh) | 热脉冲土壤水分传感器 | |
| CN105628242A (zh) | 检测物体表面温度分布和梯度的方法和设备 | |
| CN100585548C (zh) | 一种显像屏光标遥控指示器 | |
| CN103760563B (zh) | 近距离避障系统用的超声测距定位仪 | |
| CN106546353A (zh) | 一种均匀材质构件内部温度场的超声测量方法 | |
| CN203422172U (zh) | 微波加热环境下的三维温度场声学检测装置 | |
| CN103592462B (zh) | 水库渗漏多普勒探测仪用三向水听器阵列探头 | |
| CN100543498C (zh) | 隧道掌子面前方探水感应装置 | |
| CN203337254U (zh) | 机械结构件转角自由度频响函数测定系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20180130 Termination date: 20210908 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |