一種改善多因素影響的超聲波液壓測量方法及其系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】：
[0001] 本發(fā)明屬于液體壓力測量技術領域，涉及基于超聲波技術的非介入式液體壓力測 量方法，特別是一種改善多因素影響的超聲波液壓測量方法及其系統(tǒng)。
【背景技術】：
[0002] 隨著液壓系統(tǒng)的應用越來越廣泛，其運行狀態(tài)的實時監(jiān)測受到越來越多的關注。 液體壓力是反映液壓系統(tǒng)運行狀態(tài)和變化規(guī)律的基本參數之一，壓力值的測量是液壓系統(tǒng) 狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的基本要求。
[0003] 傳統(tǒng)的液壓測量方法，盡管形式各異，但都是介入式的，通過在被測的管路上鉆 孔，安裝壓力表、壓力傳感器或者壓力敏感元件來完成測量。這就要求系統(tǒng)預留檢測接口， 隨之也帶來了一系列的問題。其一是拆裝困難，且拆裝會影響系統(tǒng)的動態(tài)特性。其二是檢 測接口固定且數量有限，故難以快速而準確地進行狀態(tài)檢測和故障診斷。其三是會破壞系 統(tǒng)的密閉性，使系統(tǒng)承壓能力下降，影響整個系統(tǒng)的工作性能。尤其是在液體強腐蝕、高壓、 有毒的情況下，容易造成安全隱患。
[0004] 正是由于傳統(tǒng)的介入式液壓測量方法的局限性，才使得非介入式液壓測量方法的 研宄更加迫在眉睫。目前市面上已經出現了一些非介入式的測量方法，它們的檢測介質可 以是超聲波、各種射線、熱、激光等，通過安裝在管外的檢測源提供的檢測介質間接地感知 管內液體的信息。其中，超聲波以其穿透力強，對人體無害，抗干擾能力強等諸多優(yōu)點被廣 泛應用于液壓測量領域。
[0005] 過去幾十年，國內外的專家學者對該領域進行了較充分的研宄，并提出了一些基 于超聲波的液壓測量方法。這些液壓測量方法雖然能夠完成液壓的測量，并較傳統(tǒng)的介入 式方法展現了許多優(yōu)勢，但也存在許多不足。它們中有的由于被測信號變化微弱而難以精 確測量，有的由于容易受外界干擾而產生錯誤，還有的由于實現調節(jié)復雜而不具有實用價 值。要解決這些問題必然要探索其它的途徑。
[0006] 與此同時，由于各種外界因素的作用，嚴重影響了測量精度的進一步提高，有時甚 至導致測量無法正常完成。這些影響因素主要包括：
[0007] 1、流速。當管道中的流體流動時，將引起超聲波的傳播特性發(fā)生變化，因而影響超 聲波所攜帶的信息，導致誤差的出現。
[0008] 2、待測管的管徑。超聲波具有較快的傳播速度，當管徑較小時，隨著超聲波傳播路 程的減小，超聲回波容易與始波發(fā)生重疊，從而導致測量無法正常進行。
[0009] 3、超聲探頭的安裝偏差?；诔暡ǖ囊簤簻y量方法需要在待管外安裝超聲波換 能器。超聲探頭在同一待測管的不同次安裝間的偏差，將會影響回波信號，進而影響測量精 度。尤其是在小管徑情況下，這種影響將更加明顯。
[0010] 4、待測液體的溫度。溫度會影響超聲波在液體中的傳播特性，其中超聲波速會發(fā) 生顯著的改變，從而給測量帶來更大的難度。

【發(fā)明內容】
： toon] 本發(fā)明的目的在于提供一種改善多因素影響的超聲波液壓測量方法及其系統(tǒng)，即 利用超聲波技術的優(yōu)勢，實現非介入式的管外壓力測量。在此基礎上，分析管徑、安裝偏差、 溫度等因素對于測量的影響，并設計相應的補償方案來改善這些因素的影響，最終完成對 液壓系統(tǒng)壓力參數的較高精度的監(jiān)測。
[0012] 為達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案予以實現：
[0013] 一種改善多因素影響的超聲波液壓測量系統(tǒng)，包括超聲波發(fā)射探頭TRA、超聲波 接收探頭TRB、鉑電阻、處理模塊、超聲波發(fā)射模塊、超聲回波處理模塊、時間測量模塊和溫 度測量模塊；其中，超聲波發(fā)射探頭TRA、超聲波接收探頭TRB和鉑電阻均設置在待測液壓 管管壁上，處理模塊控制超聲波發(fā)射模塊施加高壓脈沖到超聲波發(fā)射探頭TRA上產生超聲 波，超聲波經管壁和油液傳播后被超聲波接收探頭TRB所接收，同時，處理模塊控制溫度測 量模塊通過鉑電阻啟動實時溫度測量，然后，超聲波接收探頭TRB上的回波信號經超聲回 波處理模塊處理后，整形轉換為方波信號，并經測量通道選擇電路送入時間測量模塊進行 測量；最后，測量結果送入處理模塊作進一步的分析計算。
[0014] 本發(fā)明進一步的改進在于，超聲波發(fā)射探頭TRA和超聲波接收探頭TRB均采用橫 波斜入射探頭。
[0015] 本發(fā)明進一步的改進在于，超聲波發(fā)射模塊包括產生激發(fā)超聲波發(fā)射探頭TRA所 需的高壓脈沖的激發(fā)電路，和控制驅動該激發(fā)電路的驅動電路。
[0016] 本發(fā)明進一步的改進在于，超聲回波處理模塊包括信號調理電路、AGC電路、比較 電路和測量通道選擇電路；其中，回波信號的處理過程包括如下步驟：首先，將回波微弱信 號濾波并放大，得到濾波并放大后的超聲回波信號；然后，將經過信號調理電路后的超聲回 波信號經選擇分離后送入檢波電路，得到需要的油液回波信號；再將該油液回波信號送入 AGC電路，得到基本恒定的輸出；緊接著，將AGC電路的輸出送入比較電路，得到所需要的方 波信號；最后，該方波信號經測量通道選擇電路送入時間測量模塊進行測量。
[0017] 本發(fā)明進一步的改進在于，AGC電路包括峰值保持電路、A/D轉換器、D/A轉換器和 增益可變放大器；其中，應用峰值保持電路對輸出信號的幅值進行峰值電壓檢波并保持，A/ D轉換器采樣這一峰值電壓并送入處理模塊進行處理；然后，處理模塊通過算法計算得到 信號的放大倍數并將其通過D/A轉換器輸出；最后，該輸出電壓作為增益控制電壓被送入 增益可變放大器的控制端，進而調節(jié)輸入信號的幅值，使其達到設定值。
[0018] 本發(fā)明進一步的改進在于，時間測量模塊以分辨率達50ps的時間測量芯片作為 關鍵器件；其中，處理模塊產生脈沖信號控制超聲波發(fā)射模塊產生超聲波的同時將該脈沖 信號送入時間測量芯片作為開始信號，超聲波回波信號經過超聲回波處理模塊整形轉換為 方波信號后送入芯片作為停止信號，以此測量超聲波在液壓油中的傳播時間。
[0019] 本發(fā)明進一步的改進在于，溫度測量模塊的測量原理是基于測量對的放電時間； 其中，測量對即安裝在待測液壓管管壁的鉑電阻和參考電阻；測量開始后，電容分別對鉑電 阻和參考電阻進行放電，時間測量芯片測量每一電阻和電容組成的RC網絡的放電時間，經 過計算得出鉑電阻的阻值，于是通過查表得到實時的溫度值。
[0020] 一種改善多因素影響的超聲波液壓測量方法，該測量方法基于所述的一種改善多 因素影響的超聲波液壓測量系統(tǒng)，包括如下步驟：
[0021] 1)將超聲波發(fā)射探頭TRA、超聲波接收探頭TRB和鉑電阻分別安裝在待測液壓管 管壁上；
[0022] 2)測量開始前，液壓測量系統(tǒng)按照步驟3) -5)完成一次零值測量；
[0023] 3)處理模塊選擇測試通道，控制超聲波發(fā)射模塊產生超聲波，同時啟動時間測量 模塊和溫度測量模塊；
[0024] 4)處理模塊控制波形選擇電路分離出油液回波信號，再控制AGC電路進行增益的 自動調節(jié)控制；自動增益控制包括：首先控制A/D轉換器對峰值電壓進行采樣，然后通過算 法計算出增益電壓，最后控制D/A轉換器輸出增益電壓；
[0025] 5)處理模塊回讀時間測量模塊和溫度測量模塊的測量數據；
[0026] 6)測量開始后，所述的液壓測量系統(tǒng)按照步驟3) -5)完成一次測量；
[0027] 7)處理模塊通過測量數據計算超聲波在液壓油中的傳播時間差值，并根據傳播時 間差值和溫度值計算出所需要的壓力值。
[0028] 本發(fā)明進一步的改進在于，壓力值的計算是通過BP神經網絡模型得到的。
[0029] 本發(fā)明進一步的改進在于，BP神經網絡模型的建立包括如下步驟：
[0030] 71)采集訓練樣本作為網絡的輸入輸出變量；所述的訓練樣本包括不同溫度和壓 力條件下，超聲波在液壓油中的傳播時間差值Λ t，液壓油的溫度T，液壓油的壓力P ;
[0031] 72)構建BP神經網絡，并對BP神經網絡進行訓練，直到達到設定的精度為止；所 述的BP神經網絡以Λ t、T作為輸入，P作為輸出，且具有一個隱含層；所述的BP神經網絡 的隱含層數目為8,隱含層的激勵函數為S型正切函數，輸出層的激勵函數為S型傳遞函數， 學習算法為有動量的梯度下降法，學習速率設為1，目標誤差設為0. 0005,網絡最大迭代次 數設為50000 ;
[0032] 73)將訓練好的BP神經網絡模型儲存在處理模塊中，用于壓力值的擬合計算海 次計算時，將實時測量得到的傳播時間差值Λ t和液壓油的溫度T輸入已建立的BP神經網 絡模型中，經過網絡計算，便能輸出