通過(guò)探頭連接線(xiàn)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。
[0031] 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Lab VIEW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)。
[0032] 如圖2所示，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。Ι、Π 、ΙΙΙ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，這個(gè)正方形的棱長(zhǎng)為lm。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。
[0033] -種基于超聲波二維測(cè)溫裝置的飛渡時(shí)間測(cè)量方法，其特征在于，包括以下步 驟：
[0034] 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；
[0035] 2)在Lab VIEW軟件平臺(tái)設(shè)置波形，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)，并將波形信號(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；
[0036] 3)超聲波接收電路將接收信號(hào)y (t)處理后傳輸至示波器，同時(shí)Lab VIEW軟件平 臺(tái)同步顯示接收到的波形，同時(shí)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)；
[0037] 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)];
[0038] 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
[0039] 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= τ
[0040] 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 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I. 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 ;
[0041] 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T，將其通過(guò)公式
轉(zhuǎn)換為飛渡時(shí)間誤差D，飛渡時(shí)間 誤差D的數(shù)量級(jí)即為飛渡時(shí)間的測(cè)量精度。兩個(gè)溫度之間的誤差值在±2°C之內(nèi)，其換算出 的兩個(gè)飛度時(shí)間之間的誤差值為幾納秒，即得到該測(cè)量方法的飛渡時(shí)間測(cè)量精度為ns級(jí)。 [0042] 實(shí)驗(yàn)中，溫度儀測(cè)量值為17. 3°C，超聲波測(cè)溫裝置測(cè)量值基本在±2°C之間浮動(dòng)。 經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，3條路徑分別選通的情況下測(cè)得的飛渡時(shí)間精度都達(dá)到了 ns級(jí)，表明該方法 測(cè)得的飛渡時(shí)間可以達(dá)到重建溫度場(chǎng)的精度要求。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 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，其特征在于： 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、示波器之間通過(guò)探頭連接線(xiàn)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LabVIEW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； 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)值來(lái)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)； 所述的超聲波傳感器包括I、Π、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，形成三條超聲波飛渡路徑；I、II、III和IV超聲波傳感器分別放置在正方形四條 棱的中點(diǎn)位置； 基于所述超聲波二維測(cè)溫裝置的飛渡時(shí)間測(cè)量方法，包括以下步驟： 1) 上位機(jī)通過(guò)LabVIEW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； 2) 在LabVIEW軟件平臺(tái)設(shè)置波形，將波形信息傳遞給信號(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)械波形信號(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； 3) 超聲波接收電路將接收信號(hào)y(t)處理后傳輸至示波器，同時(shí)LabVIEW軟件平臺(tái) 同步顯示接收到的波形，同時(shí)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)； 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)f(t)分別求取對(duì)應(yīng)的包絡(luò)函數(shù)A[x(t)] 和A[y(t)]; 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6) 在互相關(guān)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)Μτ)的峰值處對(duì)應(yīng)的時(shí)間即得到超聲波飛渡時(shí)間D=τ 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; 8)在LabVIEW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 溫度誤差值等專(zhuān)換為飛渡時(shí)間誤差；通過(guò)飛渡時(shí)間的 誤差來(lái)確定飛渡時(shí)間的測(cè)量精度。
【專(zhuān)利摘要】針對(duì)超聲波飛渡時(shí)間精確測(cè)量的要求，本發(fā)明提出了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。該方法采用4個(gè)超聲波傳感器構(gòu)建了二維測(cè)溫環(huán)境，基于Lab？VIEW軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)了虛擬儀器溫度測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)采集的信號(hào)波形先求取包絡(luò)，以提取其總體特征走勢(shì)，采用互相關(guān)算法計(jì)算得到更為精確的飛渡時(shí)間，依據(jù)超聲波測(cè)溫原理計(jì)算飛渡路徑溫度平均值，并與溫度儀實(shí)際測(cè)量值比較，將其溫度誤差值轉(zhuǎn)換為飛渡時(shí)間誤差。經(jīng)過(guò)理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方法測(cè)量的飛渡時(shí)間精度達(dá)到ns級(jí)。
【IPC分類(lèi)】G01K11/24
【公開(kāi)號(hào)】CN105300553
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510568034
【發(fā)明人】熊慶宇, 王麗潔, 王楷, 廖怡寧, 賈睿璽, 沈雪華, 石欣
【申請(qǐng)人】重慶大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年2月3日
【申請(qǐng)日】2015年9月8日