[发明专利]一种基于超声波二维测温装置的飞渡时间测量方法

摘要

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。

主权项

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Rxy(τ)=∫-∞+∞A[f(t)]A[f(t-D+τ)]dt;]]>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。