一種基于超聲波二維測(cè)溫裝置的飛渡時(shí)間測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明一種溫度測(cè)量方法，涉及一種基于超聲波測(cè)溫裝置的飛渡時(shí)間測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)有的測(cè)溫方法主要分為兩種，一種是接觸式，一種是非接觸式。接觸式測(cè)量需要 足夠長(zhǎng)時(shí)間的接觸達(dá)到熱平衡，這種方法往往要要破壞被檢測(cè)物體的熱平衡狀態(tài)，并受被 測(cè)介質(zhì)的腐蝕作用。因此，對(duì)感溫元件的結(jié)構(gòu)、性能要求苛刻，這種方法不適用于高溫環(huán)境 中溫度的測(cè)量。非接觸式測(cè)量溫度的特點(diǎn)是：不與被測(cè)物體接觸，也不改變被測(cè)物體的溫度 分布，這種方法測(cè)溫比較優(yōu)越。
[0003] 超聲測(cè)溫技術(shù)是利用超聲波在空氣中的傳播速度會(huì)隨著空氣溫度而變化這一特 點(diǎn)，測(cè)得空氣中不同溫度下的飛渡時(shí)間參數(shù)后，結(jié)合待測(cè)空間的具體參數(shù)信息，通過(guò)選用合 適的溫度場(chǎng)重建算法即可實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)的重建。為重建微波加熱煤質(zhì)內(nèi)部溫度場(chǎng)，防止電磁 干擾的前提下進(jìn)行必要智能控制設(shè)計(jì)，為微波源控制提供決策支持信息。
[0004] 影響超聲法測(cè)溫精度的因素主要有超聲飛渡時(shí)間的精確測(cè)量和溫度場(chǎng)重建算法。 超聲波測(cè)溫技術(shù)將提供一種非接觸、實(shí)時(shí)、多維測(cè)量的測(cè)溫方式，克服了熱電偶、熱電阻不 適用于微波環(huán)境以及響應(yīng)速度慢的缺點(diǎn)；突破了光纖方式接觸性和單點(diǎn)測(cè)溫的局限；避免 了紅外方式易受光照影響而產(chǎn)生的干擾。近年對(duì)超聲波測(cè)量系統(tǒng)的研究主要以微控制器為 核心，實(shí)現(xiàn)超聲回波信號(hào)的采集和相關(guān)算法，通過(guò)VB、VC、Matlab等軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)超聲測(cè)量 數(shù)據(jù)顯示，但對(duì)信號(hào)的復(fù)雜運(yùn)算、回波的波形顯示和分析比較薄弱、靈活性較差。
[0005] 本發(fā)明旨在使基于超聲波二維測(cè)溫系統(tǒng)的飛渡時(shí)間測(cè)量精度達(dá)到微波源加熱媒 質(zhì)內(nèi)部溫度場(chǎng)重建的要求，從軟硬件方面出發(fā)搭建超聲波二維測(cè)溫系統(tǒng)，結(jié)合互相關(guān)算法 得到飛渡時(shí)間實(shí)現(xiàn)基于超聲波二維測(cè)溫系統(tǒng)的飛渡時(shí)間的精確測(cè)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了克服以上所提到的超聲測(cè)溫方法的一些問(wèn)題，本發(fā)明提出一種基于超聲波二 維測(cè)溫裝置的飛渡時(shí)間測(cè)量方法，使該裝置具有測(cè)量精度高、實(shí)時(shí)測(cè)量、截面交互性好以及 維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。利用本發(fā)明介紹的裝置及方法亦可完成三維測(cè)溫系統(tǒng)的搭建，進(jìn)一步從 而實(shí)現(xiàn)微波加熱媒質(zhì)內(nèi)部三維溫度場(chǎng)的重建。
[0007] 所述超聲波二維測(cè)溫裝置包括：上位機(jī)、單片機(jī)、信號(hào)發(fā)生器、示波器和超聲波傳 感器。所述上位機(jī)通過(guò)USB驅(qū)動(dòng)與單片機(jī)連接通信，單片機(jī)數(shù)據(jù)控制端與超聲波傳感器的 控制端連接，超聲波傳感器與信號(hào)發(fā)生器、示波器之間通過(guò)探頭連接線連接進(jìn)行信號(hào)傳遞。 信號(hào)發(fā)生器和示波器通過(guò)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)地址，與此同時(shí)在Lab VIEW中選擇增添相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)地 址，實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)生器和示波器分別與上位機(jī)的通信。
[0008] 所述上位機(jī)控制三條不同通信通道，每條通信通道對(duì)應(yīng)傳送到單片機(jī)通信信號(hào)為 不同的十進(jìn)制數(shù)。單片機(jī)接收不同的數(shù)值，內(nèi)部設(shè)定好的程序根據(jù)接收到數(shù)值控制繼電器， 實(shí)現(xiàn)在傳感器陣列中選擇相應(yīng)的通路。所述上位機(jī)在LabVIEW平臺(tái)控制設(shè)置不同的波形信 號(hào)，經(jīng)過(guò)發(fā)生器生成相應(yīng)的波形信號(hào)后，發(fā)送給超聲波發(fā)射電路。經(jīng)過(guò)超聲傳感器陣列的飛 渡路徑后，超聲波接收電路將接收到的信號(hào)發(fā)生給示波器并顯示，同時(shí)上位機(jī)存儲(chǔ)接收到 的信號(hào)。
[0009] 所述的超聲波傳感器包括I、II、III和IV超聲波傳感器，I、II、III和IV超聲波 傳感器構(gòu)成二維測(cè)溫系統(tǒng)，其中I超聲波傳感器作為發(fā)射信號(hào)端，II、III和IV超聲波傳感 器作為接收端。I、Π 、III和IV超聲波傳感器分別放置在一個(gè)正方形四條邊中點(diǎn)位置，傳 感器I與傳感器II形成超聲波飛渡路徑1，傳感器I與傳感器III形成超聲波飛渡路徑2， 傳感器I與傳感器IV形成超聲波飛渡路徑3。
[0010] 進(jìn)一步，基于超聲波二維測(cè)溫裝置的飛渡時(shí)間測(cè)量方法，包括以下步驟：
[0011] 1)上位機(jī)通過(guò)Lab VIEW軟件平臺(tái)控制單片機(jī)選通超聲波傳感器發(fā)射/接收通路， 單片機(jī)控制單元驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的超聲波發(fā)射電路，以激勵(lì)相應(yīng)的超聲波傳感器發(fā)射超聲波。
[0012] 2)在Lab VIEW軟件平臺(tái)設(shè)置波形，將波形信號(hào)傳遞給信號(hào)發(fā)生器，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn) 生波形信號(hào)x(t)傳送給超聲波傳感器發(fā)射電路，由發(fā)射電路將電信號(hào)x(t)轉(zhuǎn)換為超聲波 信號(hào)f(t)，其中f(t) =x(t);超聲波在介質(zhì)中傳播后，超聲波由步驟1選通的超聲波傳感 器接收端接收波形信號(hào)，并將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)作為接收信號(hào)y(t)傳送至超聲波接 收電路。
[0013] 3)超聲波接收電路將接收到的電信號(hào)y(t)進(jìn)行處理，并將信號(hào)傳輸至超聲波數(shù) 據(jù)采集單元的示波器。同時(shí)Lab VIEW軟件平臺(tái)同步顯示接收到的波形，并將示波器采集到 的波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在固定目錄下，其中y(t) = f(t-D)+n(t)，n(t)為接收過(guò)程中混入的噪聲 信號(hào)，其中n(t)與f(t)互不相關(guān)。
[0014] 4)利用包絡(luò)函數(shù)對(duì)發(fā)射信號(hào)x(t)和接收信號(hào)y(t)分別求取對(duì)應(yīng)的包絡(luò)函數(shù) A[x(t)]和 A[y(t)] 〇
[0015] 5)然后對(duì)包絡(luò)函數(shù)A[x(t)]和A[y(t)]進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，得到互相關(guān)函數(shù)為
[0016] 6)在包絡(luò)函數(shù)Rxy ( τ )所有值中，尋找Rxy ( τ )最大值及對(duì)應(yīng)的時(shí)間τ，得到互相 關(guān)函數(shù)MO的峰值處對(duì)應(yīng)的時(shí)間Tni，即得到超聲波飛渡時(shí)間D=
[0017] 7)將超聲波飛渡時(shí)間D表示成超聲波發(fā)射與接收裝置之間路徑的平均溫度函數(shù)
并利用該公式進(jìn)行計(jì)算，將飛渡時(shí)間轉(zhuǎn)化為飛渡路徑上的平均溫 度值。其中公式中L為實(shí)際測(cè)得的超聲波發(fā)射與接收單元之間的距離，單位為m。t為測(cè)量 路徑上氣體的平均溫度，單位為"€。k為絕熱指數(shù)且值為1. 4。R為氣體常數(shù)且值為287,單 位為J/Kg · k。超聲波飛渡時(shí)間D，單位為ms。
[0018] 8)在Lab VIEW軟件平臺(tái)上顯示溫度值，并與溫度儀測(cè)得的實(shí)際溫度值進(jìn)行比較， 得到溫度誤差值，將其通過(guò)公式
轉(zhuǎn)換為飛渡時(shí)間誤差，飛渡時(shí)間誤 差的數(shù)量級(jí)即為飛渡時(shí)間的測(cè)量精度。
[0019] 應(yīng)用Lab VIEW程序控制超聲波傳播通路的選擇、信號(hào)發(fā)生器發(fā)出波形、發(fā)射/接 收數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及采集數(shù)據(jù)的計(jì)算與顯示，而這些都可以通過(guò)在Lab VIEW前面板上進(jìn)行設(shè) 置來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此具有可操作性強(qiáng)、交互性好等優(yōu)點(diǎn)。
[0020] 本發(fā)明的技術(shù)效果是毋庸置疑的，利用虛擬儀器強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理能力 和高分辨率波形顯示等優(yōu)勢(shì)，通過(guò)Lab VIEW實(shí)現(xiàn)超聲信號(hào)的控制、采集與處理，使該系統(tǒng)具 有測(cè)量精度高、實(shí)時(shí)測(cè)量、界面交互性好和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。超聲波測(cè)溫系統(tǒng)不僅可以應(yīng)用 于一維、二維環(huán)境，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的需要合理安裝超聲波傳感器，亦可在三維空間中形成有 效的超聲波傳播路徑。利用獲得的超聲波飛渡時(shí)間，結(jié)合待測(cè)空間的具體參數(shù)信息，通過(guò)溫 度場(chǎng)重建算法即可實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)的重建。
[0021] 所涉及的符號(hào)變量對(duì)應(yīng)說(shuō)明如表1。

【附圖說(shuō)明】
[0024] 圖1 :超聲波測(cè)溫系統(tǒng)原理圖；
[0025] 圖2 :二維3路徑超聲波傳感器安裝位置及超聲波飛渡路徑圖；
[0026] 圖3 :超聲波二維3路徑測(cè)溫系統(tǒng)Lab VIEW程序圖；
[0027] 圖4 :二維2路徑硬件部分電路原理圖；
[0028] 圖中：1表示飛渡路徑1，2表示飛渡路徑2,表示飛渡路徑3, I表示超聲波傳感器 發(fā)射信號(hào)端，II、III和IV均表示超聲波傳感器接收端。
【具體實(shí)施方式】
[0029] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)該理解為本發(fā)明上述主題 范圍僅限于下述實(shí)施例。在不脫離本發(fā)明上述技術(shù)思想的情況下，根據(jù)本領(lǐng)域普通技術(shù)知 識(shí)和慣用手段，做出各種替換和變更，均應(yīng)包括在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
[0030] 如圖1所示，超聲波二維測(cè)溫裝置包括：上位機(jī)、單片機(jī)、信號(hào)發(fā)生器、示波器和超 聲波傳感器。所述上位機(jī)通過(guò)USB驅(qū)動(dòng)與單片機(jī)連接通信，單片機(jī)數(shù)據(jù)控制端口與超聲波 傳感器的控制端連接。超聲波傳感器與信號(hào)發(fā)生器、示波器之間