CN113375827A - 一种基于超声波的温度场测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超声波的温度场测量系统，该系统包括：PC机、数据采集卡、功率放大电路、声波换能器模式切换电路、发射换能器、接收换能器以及滤波放大电路；PC机、数据采集卡、功率放大电路、收发模式切换电路与发射换能器依次连接；接收换能器、收发模式切换电路、滤波放大电路、数据采集卡与PC机依次连接；滤波放大电路分别与数据采集卡及收发模式切换电路连接。超声波发射与接收装置采用收发一体式声波换能器。本申请公开了利用继电器控制一体式超声波换能器的收发模式切换的方式代替目前常用的单收单发的超声波换能器，本申请使用元器件的更少，可降低电路的故障率，更好的节约成本，减少信号间的耦合，能实现更多路径的测量。
Description
技术领域
本发明涉及温度测试领域，特别涉及一种基于超声波的温度场测量系统。
背景技术
目前，常用的温度测量方法可分为接触式和非接触式两种。接触式温度测量方法包括热电偶温度计、膨胀式温度计、压力表温度计、黑体腔温度计和光纤测温法等，这一类测量方法需要测温元件与被测对象直接接触才能测量，且在大多数情况下，要使测温元件和被测对象达到热平衡状态才能进行测量，这样势必破坏被测量温度场，因此，接触式测温方法在某些场合的使用会受到限制，仅仅能在实验室或者温度不高的区域使用，难以实现整个区域内温度场的测量。接触式测温作为传统的测温技术，受限于受热元件材料的耐高温性能，往往只能进行短时间测量，并且具有现场操作量大，无法实现实时在线检测，不能提供准确的温度场分布参数等问题。
非接触式测量法的测量仪器、元件不与被测介质直接接触，能够实现对高温、强腐蚀等目标的温度测量。非接触式温度测量方法主要有辐射法、光学法、声学法。声学法测温的测温范围较广，测量精度较高，实时性较好，对测温环境的适应性较强，己被公认为是在温度场实时在线检测方面最具发展前景的一种技术。
目前超声波测温在锅炉炉膛温度场监测、海底热液口温度测量、仓储粮食温度场测量等领域应用广泛。超声波测温主要依据超声波在介质传播过程中声速与温度的相关关系，通过测量声速变化而推导出被测对象的温度信息。除了具有非接触式测温的特点之外，超声波测温技术还具有测量温度范围广、环境适应性强、实时连续等优点，且能实现空间温度分布测量。
超声波测温还涉及重建算法的选取，目前温度场重建算法主要分为非迭代式重建算法与迭代式重建算法。非迭代式重建算法主要有最小二乘法和截断奇异值分解法；迭代式算法包括代数重建法和Landweber迭代法。
最小二乘法计算简便，但由于运算过程存在求逆运算，导致该方法重建出的温度场中的划分网格数要小于超声波测量路径数。这导致温度场采样点过少，重建误差很大。
截断奇异值分解的重建速度快，其首先将超声波路径构成的系数矩阵进行奇异值分解，然后舍弃奇异值逼近零的项，降低小奇异值对飞渡时间测量误差的放大作用。但由于系数矩阵的奇异值往往呈连续下降状态，很难选择合适的奇异值进行截断，导致截断奇异值分解的重建效果不好。
代数重建法首先给定重建温度场一个初始值，然后计算基于初值的飞渡时间与测量的飞渡时间之间的误差，再将误差用于修正初始值。通过不断地迭代，直到达到要求的精度。代数重建法容易受测量噪声影响。
Landweber迭代法具有良好的稳定性和抗噪能力，但存在数值解过度光滑以及未能利用被重建对象的先验信息等问题。
为了进一步提高温度场测量精度，需要使用性能更好的温度场测量系统。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于超声波的温度场测量系统。该系统包括：PC机1、数据采集卡2、功率放大电路3、声波换能器模式切换电路4、发射换能器5、接收换能器6以及滤波放大电路7；所述PC机1、所述数据采集卡2、所述功率放大电路3、所述声波换能器模式切换电路4以及所述发射换能器5依次连接；所述滤波放大电路7分别与所述数据采集卡2及所述声波换能器模式切换电路4连接。
在实施例中，所述发射换能器5与所述接收换能器6为收发一体式的。
由于采用的超声波换能器为收发一体式的。本申请公开了利用继电器控制一体式超声波换能器的收发模式切换的方式代替目前常用的单收单发的超声波换能器。对比后者的方案，本申请能更好的减少超声波换能器收发信号之间的相互干扰，信号抗干扰性更强，采集波形的误差更小；此外，本申请使用元器件的更少，可降低电路的故障率，更好的节约成本，相比较于单收单发的声波换能器，本申请能实现更多路径的测量，且更方便地布置温度场测量装置，本申请较传统方案相比有明显优势。
参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。
针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明公开了基于超声波的温度场测量系统示意图；
图2为声波换能器布局示意图；
图3为功率放大电路示意图；
图4a为声波换能器模式切换电路原理框图；
图4b为当该声波换能器作为发射模式时该电路工作原理图；
图4c为当该声波换能器作为接收模式时该电路工作原理图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案作详细说明，应理解这些实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围内。
参照图1所示，本发明公开了一种基于超声波的温度场测量系统。该系统包括：PC机1、数据采集卡2、功率放大电路3、声波换能器模式切换电路4、声波换能器5、接收换能器6以及滤波放大电路7。所述PC机1、所述数据采集卡2、所述功率放大电路3、所述声波换能器模式切换电路4以及所述声波换能器5依次连接。所述滤波放大电路7分别与所述数据采集卡2及所述声波换能器模式切换电路4连接。
该温度场测量系统从上至下依次搭建了3个平台，依次为装置加固平台，点温度测试平台以及声波换能器5固定平台。装置加固平台包括四根上横粱和十二个上直角三通连接件组成。上直角三通连接件在每一根横梁两端处有水平安装槽。每根上横梁的两端插入两个上直角三通连接件至水平安装槽内,并通过螺钉固定,四根上横梁和四个上直角三通连接件围合成一个正方形的装置固定平台,每根上横梁与每一根竖衡量分别用两个上直角三通连接件连接，通过改变这八个上直角三通连接件的松紧度,可以改变整个固定平面的水平位置。
点温度测试平台由四根上横粱，十二个上直角三通连接件与十二个T型螺丝，螺帽组成。整个点温度测试平台的外框架搭建方式与装置加固平面一样。在点温度测试平面每根横梁的四等分点处拉起一个由4*4个小方格组成的钢丝网。钢丝网的两端用T型螺丝与螺母固定。由于热电偶探头线质地较软，无法悬空固定。故将热电偶线绑在铁丝网的路径上，然后在铁丝网的交点处将热电偶线折叠向下测量。通过铁丝网交点处的支撑点使得热电偶在空气中更加稳固，不至于摇晃。
声波换能器5固定平台包括四根下横梁、四根下直角四通连接件组成。下直角四通连接件在水平方向有两个水平安装槽、在竖直方向有两个竖直安装孔。每根下横梁的两端插入两个下直角四通连接件，并通过螺钉固定，四根下横梁和四个下直角四通连接件围合成一个正方形的声波换能器5固定平台。每根下横粱上的每个五等分点处安装一个声波换能器5。在每个声波换能器5的下方安装一个滤波放大电路7并且在每根竖横梁上安装一个声波换能器模式切换电路4用于改变声波换能器的收发模式。
在具体的实施例中，声波换能器5按照工作原理，可分为压电式换能器、静电式换能器、电磁式换能器及电动式换能器等；按照换能器的制作材料可以分为陶瓷换能器，单晶换能器、复合材料换能器和磁致伸缩材料换能器等。目前压电陶瓷式的超声换能器的应用最广，本系统选用脉冲信号驱动的压电陶瓷式超声换能器。
按照工作状态，声波换能器5可以分为发射型换能器、接收型换能器和收发一体换能器；按照工作介质，超声换能器分为气体、液体和固体介质超声换能器。由于本系统测量时一般处于气体环境中，为简化系统，选用收发一体型气体介质换能器。在本系统中，超声换能器布置方式及有效路径如图2所示。正方形4条边的5等分点各一个超声换能器，总共16个换能器，其中有效声波路径共96条。为满足测量需要，使用的超声换能器的波束角必须足够大。
温度场重建系统的硬件部分主要功能就是将声波换能器6的接收信号采集后传送给上位机进行处理，得到温度场重建图。因此，信号采集的质量好坏对后续处理影响重大。由于该测量系统的搭建整体难度不小、工作量很大，采用成品的采集卡不仅可以减少工作量，有利于整体计划的进行，还能保证采集信号的质量达到要求。因此，本系统的数据采集卡2使用NI公司的USB-6212，该产品是NI公司的高端采集产品，性能稳定，采集数据精度高，数字模拟输入输出通道的数量也能满足采集需求。
对于功率放大电路3，由于声波换能器5的驱动电压比较大，而普通的数据采集卡2模拟输出电压最大为10v，无法驱动声波换能器5。普通声波信号传输过程中衰减严重，很难穿过气体介质到达预定传感器位置。因此，测量时需要功率放大器对声波信号进行放大，使其具有足够的能量。本实验选用了大功率功放芯片TPA3255，单通道额定功率可达600W，放大倍率可调节。功率放大电路示意图如图3所示。
对于声波换能器模式切换电路4，温度场测量系统工作时,和任意选择一个声波换能器5作发射声波信号,其它个换能器都作为接收换能器6接收声波信号。数据采集卡2采集接收换能器6接收到的并经过滤波放大电路7后电压信号,经LABVIEW处理得到各声波飞渡时间TOF。然后通过继电器切换到下一个换能器,使之作为发射换能器5,其余个换能器都作为接收器,以此类推,直到结束一轮测量。
由于本方案使用的为收发一体式声波换能器5，需要将换能器的发送与接收分开，为了节约成本与降低电路的故障率，采用继电器构成的声波换能器模式切换电路4将16个声波换能器5的发送部分与接收部分分开。为了较少谐波干扰，还可将声波换能器模式切换电路4与滤波放大电路7焊接在一块电路板上，切换电路的原理框图如图4a-c所示。
切换电路的工作原理如下：由采集卡为核心,负责对继电器的通断进行控制。某一时刻,数据采集卡2上控制声波换能器5发射(接收)模式的通道有高电平输出,会使得该声波换能器5发射(接收)模式打开,声波换能器5发射(接收)信号，如果控制声波换能器5发射与接收模式的通道都输出低电平，则声波换能器5既不发射信号，也不接受信号。
声波属于机械波，在空气中传播时会有能量损耗，加之超声波频率更高，能耗更甚，接收到的信号衰减严重，而且随着距离的増加，衰减成化例増加，如果不加入滤波整形，很难消除噪声的影响，直接导致测量失准，因此在声波换能器5接收后需要加入滤波放大电路7。本系统采用硬件滤波的方式，硬件滤波主要利用带通滤波电路对接收信号进行滤波，同时，调整电路中电阻的参数，使滤波电路具有放大功能。本方案采用的运放型号为AD620。
由于采用的超声波换能器为收发一体式的。本申请公开了利用继电器控制一体式超声波换能器的收发模式切换的方式代替目前常用的单收单发的超声波换能器。对比后者的方案，本申请能更好的减少超声波换能器收发信号之间的相互干扰，信号抗干扰性更强，采集波形的误差更小；此外，本申请使用元器件的更少，可降低电路的故障率，更好的节约成本，相比较于单收单发的声波换能器，本申请能实现更多路径的测量，且更方便地布置温度场测量装置，本申请较传统方案相比有明显优势。
应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照所附权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在上述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为发明人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。
Claims (2)
1.一种基于超声波的温度场测量系统，其特征在于，包括：PC机1、数据采集卡2、功率放大电路3、声波换能器模式切换电路4、发射换能器5、接收换能器6以及滤波放大电路7；
所述PC机1、所述数据采集卡2、所述功率放大电路3、所述声波换能器模式切换电路4以及所述发射换能器5依次连接；
所述滤波放大电路7分别与所述数据采集卡2及所述声波换能器模式切换电路4连接。
2.根据权利要求1所述的基于超声波的温度场测量系统，其特征在于，所述发射换能器5与所述接收换能器6为收发一体式的。
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