（检测技术与自动化装置专业论文）基于回振法的超声波传播时间测量方法研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 压力是工业生产过程中的重要参数之一。压力的检测或控制是保证生产和设 备安全运行必不可少的条件，意义重大。传统的压力测量方法大部分属于侵入式 测量方法，由于需要在被测对象上开孔，因此为设备制造和后期维护带来了诸多 不便。基于超声波的非侵入式压力检测方法是一种无损地测量压力容器内压的新 方法，该方法通过测量超声波在被测对象中的传播时间变化量实现了对压力的非 侵入式测量。 基于超声波技术的检测方法通常需要精确地测量超声波在介质中的传播时 间。本文针对超声波无损压力检测技术开发了一种采用回振法测量超声波传播时 间的装置。测量时，装置中接收探头接收到的信号通过门电路输出并再次触发发 射探头。为提高测量的稳定性和灵敏度，装置采用了稳定性好的电路。实验结果 表明，使用该装置可以探测到0 5 n s 的超声波传播时间变化量。 主要工作总结如下： ( 1 )提出以回振法实现超声波传播时间测量的设计思想，并且根据这一思想给 出了一种测量装置的设计。 ( 2 ) 实际制作测量装置，实现了上述设计。系统测试表明，装置具有较高的测 量精度和稳定性。 ( 3 ) 使用改装置进行实验，结果表明超声波压力测量模型是正确的，因此通过 检测超声表面波的波速变化是可以实现压力测量的。 ( 4 ) 对实验中温度的影响进行考虑，并提出以参比实现修正的方法。实验表明， 该方法可以比较有效地减小温度对测量的影响。 关键词：压力检测，非侵入式，瑞利波，时延测量，温度，补偿，单片机 浙江大学硕士学位论文 第一章概述 本章重点介绍了一种新的基于超声波技术的非侵入式压力检测方法，相比于 传统的压力测量技术，它具有一些显著的特点。该技术的研究包括理论模型研究 和基于该技术的测量系统实现研究这两部分内容，后者的关键是实现超声波传播 时间的精确测量，本研究主要集中于这一部分。目前有几类成熟的时间测量方法 可以应用，但是回振法( 循环计时法) 具有比较突出的优点。由于本研究的实际 价值是以超声波压力测量新技术的意义为基础的，因此在开始处将围绕其与侵入 式压力测量方法的对比展开论述以突显其意义。在本章的最后部分，将对本文主 要的研究内容进行介绍。 1 1 引言 作为一个相对独立地生物系统，人在处于意识清醒的状态下通过眼、鼻、耳 等感觉器官不断地取得环境信息并据此调整自己的活动，信息的获取可以说是人 类生存生产的前提条件。但是感观的认识是有限的，为求突破，人类发明了各种 各样的检测仪器和装置，诸如气压计、弹簧秤、显微镜等的发明就大大扩展了人 类认识的能力，现在人们对自然界的认识已在很大程度上取决于检测和仪表的发 展水平。今天，不论在工业生产还是日常生活中都有大量的检测技术应用，而在 科学技术的发展中，新发明和突破都是以实验测试为基础的，这似乎印证了门捷 列夫的话，“检测是认识自然界的主要手段，有了检测才有科学”“。 过去的一百多年里，科学技术如自动控制技术的进步和应用极大地提高了人 类的劳动生产力，而检测技术就是控制系统的一个重要环节。二十世纪8 0 年代， 人类社会进入了信息时代，信息获取与信息交换已成了一切社会活动的中心，检 测技术作为信息科学的一个重要分支，与计算机技术、自动控制技术和通信技术 一起构成了信息技术的完整学科。并且作为实现信息获取的技术，检测技术已成 为实现信息化的基础o ”。作为中国在二十一世纪头二十年的经济建设和改革的发 展策略，中国共产党的十六大提出“走新型工业化道路”，“以信息化带动工业化” 的思想。面对这样的新形势，我们必须大力推进检测技术的发展，为工业化及信 息化提供良好的基础，实现我国信息技术的全面进步。 工业化应是目前中国生产建设努力的阶段性目标，工业生产是信息技术的一 个重要应用领域，发展工业检测技术是发展信息科学技术的应有之意。工业生产 中为保证安全和产品质量，必须对设备运行状态和原料使用情况进行监测，主要 是通过测量温度、压力、流量、料位、成分等参数实现。工业生产过程中的重要 浙江大学硕士学位论文 测方法；而按照与被测介质是否接触，检测方法可以分为侵入式测量方法和非侵 入式测量方法，按此分类，传统的压力测量方法大部分属于侵入式测量方法，使 用这类方法进行压力检测，通常情况在安装时需要在被测对象开一个小孔，通过 引压管将被测介质引到压力检测仪表的敏感元件处。下面先对传统的一些压力测 量方法进行简单介绍，通过测量原理的介绍，我们可以清楚地了解这些压力测量 方法的侵入性特征0 1 ，如此也可以更好认识非侵入式压力测量技术的意义。 1 2 1 1 液柱式压力测量 液柱式压力检测方法是依据的是流体静力学原理，该方法把被测压力或压力 差转换成液体柱的高度差，一般采用水银或水作为工作介质，用u 型管或单管进 行测量，常用于低压、负压或压力差的检测。图卜l 是用u 形玻璃管检测压力的 原理图。 图1 - 1 液柱式压力测量 压差会使u 形管两管内的液面产生高度差，由静力学原理就可以根据高度差 得到压力差。采用型u 管进行压力检测具有结构简单、使用方便、数据直观可靠、 准确度较高等优点，常用于进行科学研究或实验研究中的压力检测。但是，用u 型管压力计的测量范围受限于液柱的高度，只能测量较低的压力或差压；为了便 于读数，u 型管一般是用玻璃做成，因此易破损；另外它只能进行现场指示，不 能远传。从图1 1 我们可知被测压力p 2 必须引到玻璃管管口处，因此此种测量 方法还要求工作液不能与被测介质发生化学反应，并保证分界面有清晰的界限。 总体上单管压力计也有与其类似的特点。 浙江大学硕士学位论文 1 2 1 2 弹性式压力测量【6 】 弹性式压力计是基于各种形式的弹性元件在被测介质的压力作用下产生的 弹性形变与被测压力成一定函数关系的原理制作的。图卜2 给出了常见的弹性式 压强测量仪表结构示意图。其中a 是波登管压强计，b 是薄膜式压强计，cd 是 伸缩管压强计。 图l - 2 弹性式压力测量 波登管压强计用一个c 形金属管作为感应元件。该金属管是空心的，一端密 封，开口则暴露在待测压强中。待测压强的增大将使管内的压强增大，而管外部 的压强保持不变，这个压差会使金属管伸展，而金属管略微伸直会将连接在金属 管上的指针推向表盘的右端，于是指针就指示出了一个压强读数。属于这一类的 还有薄膜式压强计和伸缩管压力计，两者工作原理与布当管压力计相同，只是前 者使用的是一种扁平的弹性元件，扁平薄膜元件的动作范围有限，而且它的读数 也不是线性的，通过使用折叠式的伸缩管作感应元件它的适应性和动作范围可以 加大。 与液柱式压强计相比，以上所述的机械压强计更为耐用，因而也往往更受欢 4 浙江大学硕士学位论文 迎。同时它比较便宜且精确可靠，加上它的测量范围广，结构简单、坚实耐用， 因此应用广泛。它可以安装在各种设备或用于露天作业场合，采用特殊材料制成 弹性元件的测量仪表可在诸如高温、低温、振动、冲击、腐蚀等恶劣环境下使用， 由于以上诸多优点，弹性式压强测量仪表已成为工业生产和实验室中应用最广的 一种压力计。但是此类测量仪表由于频率响应低，不适宜用于测量动态压力。从 图卜2 可见，弹性测量仪表都需要一个与弹性元件连通的管道，被测压强必须直 接作用于这些元件上，这是侵入式检测的直接特征。 1 2 1 3 电气式压力测量 电气式压强计是利用压力敏感元件将被测压强转换成各种电量，如电阻、频 率、电荷量等来实现测量的，半导体应变计是此类仪表的典型。图卜3 给出了半 导体应变计的剖视图及原理图。它的典型结构是一个惠斯通电桥组件，组成电桥 网络的四个电阻元件是由压电半导体制成的。每个元件都与一个压敏薄膜相连， 压强的变化会导致元件的膨胀，薄膜上的收缩张力会使元件收缩，元件的形变会 改变自身电阻值，该值由与电桥相连的励磁电压测量电路测量。薄膜的偏差是一 个和压强成比例的模拟输出的电压。当压强为零时，四个元件相互平衡，输出为 零。 图b 中r + r 和r 一r 表示了薄膜受到压强作用时的实际电阻，斤是薄膜没 有受到压强作用时半导体应变计本身的电阻值，r 表示了压强作用之后的电阻 变化值。当压强作用时，四个元件的电阻值发生了同样的交化，但是其中两个压 缩而另外两个膨胀，因而两个电阻值增大另外两个缩小。可变电阻器r 1 和r 2 是微调电阻，用于从外部保持电路平衡，与r 3 并联的电热调节器的作用是在周 围环境温度变化时给电桥提供温度补偿。半导体应变计的灵敏度是金属丝应变计 的i 0 0 倍，硅材料有很好的弹性，是一种接受外力作用的理想材料。为有更好的 温度稳定性和适应性，现在半导体应变计多数已由集成了环氧树脂的不锈钢薄膜 制成。 m o t o r o l a 公司最近新研制一种横向电压应变计，图卜4 是其顶视图。电流从 管脚1 经过一个半导体压电晶体管流到管脚3 ，薄膜上的压强是按直角作用于电 流上的，薄膜的形变会导致电阻器元件的形变，于是产生一个横向电场，通过测 量置于电阻器中点的2 和4 号管脚之间的电压可以测量薄膜受到的压强作用。此 类应变计的优点在于指使用了一个元件避免了惠斯通电桥中的四个压力和温度 敏感的电阻器元件的精确匹配的要求。同时它还简化了用于测量和温度补偿的电 路。 浙江大学硕士学位论文 激励电压 压强通道组件封装馈通带有微调电阻 的放大器面板 n t c ( b ) 图1 - 3 半导体压强计 以上的应变式压强测量需要弹性元件的配合，因此同样需要与被测压强的直 接接触，与弹性式测量方法一样均属于侵入式测量方法。其它的电气式压强测量 方法如压电式、霍尔式等与上述方法具有相似的特点。总体来说，弹性电气式压 强测量方法具有较好的静态和动态性能、量程范围大、线性好、不等优点，尤其 适用于压力变化快和高真空、超高压的测量。 6 浙江大学硕士学位论文 管脚# 1 地2 正输出3 电源4 负输出 1 2 1 4 活塞式压力测量 图1 _ 4 横向电压应变计 活塞式压力计式根据静力学平衡原理和帕斯卡定律设计而成的，采用标准砝 码产生的重力平衡被测的压力负荷。它普遍被用作标准仪器对压强检测仪表进行 校验和刻度，这种压力计的精度可达0 0 5 级。由于需要实现压力平衡，因此使 用该方法测量时也需要活塞与被测对象的接触，同样它属于侵入式检测方法。 1 2 1 5 侵入式压力检测对对象的影响 前面已经述及侵入式压力检测方法的一些缺点，这里的总结将给出更明确的 说明。 对诸如液体、气体等对象的压力测量，采用传统的测量方法绝大多数需要在 压力容器或管道上打出引压孔，再通过引压管把被测压力引导到敏感元件处，因 为只有使压力作用于敏感元件上，使其特性或物性参数发生变化才能实现对压力 的测量。但是在压力容器上开孔引压会破坏压力容器原有的应力分布，而且接管 处容器壳体与接管形成结构不连续应力，壳体与接管连接的拐角处因不等截面过 渡( 即小圆角) 而引起应力集中”3 。 图卜5 给出了受与m m 平行方向拉力的平板小圆孔的应力分析图。由图可见， 在平行于m m 的截面上，孔边承受盯的压应力，而在平行于n 疗的截面上，圆孔 边承受3 0 的拉应力，对于塑性材料将在具有最高绝对应力值处发生破坏，而脆 性材料抗压而不抗拉，故裂纹往往出现在最大拉伸应力点上。对圆柱形等承压对 象的应力分析可以类似地进行，引压孔的应力集中效应确实很明显。实践也证明 应力集中是产生裂纹的主要原因之一，压力容器的泄漏和爆炸事故绝大多数起源 7 浙江大学硕士学位论文 于裂纹或其它缺陷的扩展”。 时盯_ 3 盯 l ， 、 m 。 砼 a3 a a迎拶口 3 a 且 ri “ h a 1 f ， 图1 - 5 圆孔应力分析 对于侵入式压力检测而言，引压系统的性能和可靠性在很大程度上左右了整 个测量系统的性能，例如，引压管堵塞将引起测压不正确；引压管太长会使测压 系统的动态性能变差。此外，不管任何系统在使用过程中，如果要求临时增加一 个检测点，都非常的不方便。 1 2 2 非侵入式压强检测技术【1 0 通过对一些传统压力测量方法的了解可以清楚地总结出它们属于侵入式压 力检测这一从属性质，文献 4 提出的基于超声波技术的非侵入式压力检测技 术是一种比较新的压力测量思想，该方法针对的是目前的压力测量方法存在的 “破坏”测量对象的问题。 下面以薄壁压力容器为讨论对象，此类压力容器满足d j ( 一般要求 d 1 0 ，这里d 为容器内径，j 为容器的壁厚，工业上大量使用的压力容器都 属于这一类，因此这里的讨论是有比较广的适用范围的。 压力容器表面应力分布如图卜6 ，根据文献 1 1 1 2 ，应力对超声表面波声 速的影响可以用关系式卜1 ，卜2 描述。 芝# ：a 2 n a 2 n ，+ 爿；。 ( 1 _ 1 ) 2 ；= ，+ 爿；口 ( 1 _ 1 浙江大学硕士学位论文 1 3 超声波传播时间测量方法简介 本部分将系统地阐述现有的超声波传播时间测量方法。 1 3 1 非侵入式超声波压力测量技术与时间测量 由前面的论述已知，在时间测量中，我们真正需要测量的是乞，对切向作 用是，即超声波传播时间的相对变化量，而不是表面波在材料中传播的绝对 时间。 式1 - 1 0 可另外表达为： a t 。= t 。一t o ( 1 - 1 3 ) 这罩f ：表示在压力参考点下( 一般指零压力下) ，表面波的传播时间，因此只要 用在不同压力条件下得到的表面波传播信号与在参考点条件下的超声波信号进 行比较，就能得到传播时间的变化量，也就可以实现测量容器压力的目的。 根据以上推导，只要测得超声波信号传播时间的相对变化量就可以实现压力 的测量，这一明朗的判断背后却有相当黯淡的前进道路，那就是时间测量的精度 问题。由超声波测应力技术的相关报道可以知道，不管是采用那种波型，应力所 能引起地波速变化相当的小“4 。1 ”。就通常的中低压压力容器而言，每兆帕压力变 化引起的超声波传播时间增量只有总传播时间的万分之几，而受制于超声波发射 传播几接收过程中信号的能量问题，超声波传播距离受到了限制，测量时总的传 播时间不可能设置得很大，因此该方法对时间测量的精度要求相当高。就实际的 实验，假如在常用的钢制压力容器表面，探头间的安装间距为o 3 m ，安3 0 0 0 m s 的超声表面波波速估算，总的传播时间也只有l o o u s ，如此每兆帕压力变化引起 的超声波传播时间增量也只有几十纳秒，要实现0 1 m p a 的压力测量分辨率需要 纳秒级的时间测量分辨率，要实现0 0 1 m p a 的压力测量分辨率需要零点几纳秒的 时间测量分辨率。 x 浙江大学硕士学位论文 量声速的绝对精度为最高，因而受到广泛重视，该方法已经成为实验室中测量 材料声速和弹性常数的标准方法。但是此类传统超声波时延估计方法，由于需 要示波器等设备，因而大多存在仪器复杂，主观因素影响大，不便自动检测等 缺点。如果在延迟线法和回振法等超声波传播时间测量法中，不采用示波器而 是通过脉冲计数法和其它较简单的方法得到超声波信号间的时间间隔的话，那 么就可以比较方便地实现超声波传播时间测量的功能。另外，随着电子技术的 发展，现在已经可以通过高速的a d 卡或相关技术采样得到兆级以上的超声波 脉冲信号，基于这种数字采样技术，采用互相关函数( c c f ) 等现代数字信号处 理方法来估计时延的技术也得到了迅速发展。 通过比较了解各种方法的特点，并选择合适的方法是实现研究目标的第一 步，下面就前述测量方法中几种主要的，有代表性的做简要的介绍。 1 3 2 1 延迟线法 图卜7 是延迟线法测量方框图。这一系统可以用于测量应力引起的超声表面 波的传播时间，或者得到超声表面波的传播速度变化，这种方法也叫“飞行时间” 测量法。 如图所示，当射频脉冲发生器发射的脉冲同时送到两个换能器中时，分别产 生两个相同的表面波，其中一个表面波在试样上传播；另外一个表面波在相同材 料做成的延迟线上传播，两者分别被接收和放大，并同时在双线示波器 x 浙江大学硕士学位论文 试样 f _ 一厂卜 一一 1 3 2 3 回振法 一 j 分频器f 一月 超声脉冲 ， j 、 f 1 发生器和 i f 放大器 延迟门 7 j i z 双线示波器 y x 图i - 8 脉冲回波重合法的方框图 回振法又称为回鸣法或声循环法，图卜9 是回振法测量超声波传播时间的框 图。高频脉冲发生器通过发射换能器产生超声波脉冲，在试样中传播一段距离后， 被接收换能器接收。经放大，整形和鉴别后重新去触发高频脉冲发生器，产生下 一个超声脉冲。这样的过程不断地循环进行，就可以得到一系列脉冲，脉冲的重 复周期丁基本上等于超声波在试样中传播固定距离三所需的时间。用频率计测 量这一脉冲系列的重复频率厂或测量得到周期丁，就可计算出超声波的速度v ： v = 事= 可 ( 1 - 该方法的一个最大特点是采用同样的测量装置，用不同的方法去测量可以得 到不同的精度。如果设备的时间测量精度为2 n s ，超声波传播时间为1 5 0 1 5 3 2 n s ， 那么直接测量一次得到的有效测定值为只能为1 5 0 2 a s 或1 5 0 0 n s 。但是如果对超 声波循环1 0 0 0 圈的传播时间进行测量，假设测量装置的精度仍为2 n s ，那么该 装置测得的实际传播时间应为1 5 0 1 5 3 2 n s ，由此可计算得到平均一圈的传播时间 就为1 5 0 1 5 3 2 n s ，因此该方法能有效地提高测量的分辨率。循环法另外的一个 特点是结构简单测量，对元器件要求不高，却比较容易实现高精度的测量，也就 是说容易用低性能的元器件构造高品质的测量电路，因此比较适合于专用仪表的 开发。 当然，实际上使用该方法所测得的时间周期不仅仅是超声波在试样中的延迟 时间，还包括超声波在换能器，耦合层中的时间延迟以及电信号在电路中的时间 1 4 浙江大学硕士学位论文 延迟等等。但是，在测定应力引起的超声波速度变化时，我们感兴趣的只是速度 的改变量或者传播时间的变化量，只要在同一试验条件下，上述的各种附加延迟 时间保持恒定，那么对v 的测量就可达到很高的精度。 根据超声波非侵入式压力测量原理，我们需要测量的也是超声波传播时间的 变化量，因此该方案是比较适合课题研究需要的。 频率计 1 3 2 4 数字采样处理法 图1 - 9 回振法原理方框图 如果能得到超声波的波形描述，比如采样的数字量，那么就可以根据这些数 字信号进行信号处理或计算得到时间间隔量“。、“，比如基于c c f 的时延估计方法。 但是信号的采样频率从根本上决定了这类方法所能得到的时间间隔分辨力，一个 以5 0 0 m h z 采样频率采样得到的信号，用c c f 处理得到的时间间隔量不会好于 2 n s 。一般在实验室，利用高品质的采样卡可以得到比较高频率的采样信号，而 且配合微机的软件也比较容易实现高效率的处理，但是工具软件一般只适合于实 验室的离线处理，如果采用编制专用程序的方法也仍旧需要备配相应的通用性处 理器或外接电路，因此实现起来比较复杂，花费也比较高。 今日的电子科学技术水平已经可以比较容易地实现较高频率的采样，比如 f l a s h a d c 的采样频率已经可以超过1 g s p s “”。但是，由于f l a s h a d c 的功耗高， 价格昂贵，因此不适合在通道多的场合中应用。 劳伦斯伯克利国家实验室( l b n l ) 已经设计了一种瞬态波形数字化芯片a t w d ( a n a l o gt r a n s i e n tw a v e f o r md i g i t i z e r ) ，该芯片是基于开关电容阵列技术 的，主要特性如下：四通道，每通道1 2 8 个采样点；采样率在3 0 0 m s p s 到2 g s p s 之间可调；具有1 2 8 个精度为l o b i t 的线性放电a d c 可对任意一个通道的1 2 8 个采样点进行同时变换。4 ”1 。但是该芯片的采样死时间相对比较长，中国科技大 学近代物理系快电子学实验室采用两块芯片进行“乒乓式”数据采样，实现了 浙江大学硕士学位论文 1 4 g s p s 的采样频率，且可支持l o k s 的计数率。目前甚至出现了采样频率达到 3 g s p s 的波形数字化芯片，这为通过数字信号处理实现时间间隔测量提供了新的 有力手段“。但是在近期，这类芯片的价格不可能太低，因此以低价高效为目标 的设计还得慎用。 1 3 2 5 超声波传播时间测量方法选择 另外，超声波传播时间测量法还有零频测量法和脉冲叠加法，这两类测量方 法同样需要被测波具有回波的特性，因此只适用于纵波类超声波的传播时间测 量。而数字采样法实现起来比较复杂，且实现成本比较高。由于回振法具有简单 易实现高精度等特点，因此本研究将选择这个方法实现超声波传播时间的测量。 但是对一般的测量而言，越是高精度的测量就越容易受到环境因素的影响， 比如环境温度的变化等，如何处理好干扰是保证此类测量实现的重要条件。我们 已经知道采用回振法测量超声波信号得到的时间间隔既包括超声波在两个探头 之间的传播时间也包括信号在耦合剂层及电子元件的反应时间等，因此必须认真 对待这部分时间量测量的稳定性。 1 4 本文主要研究内容 根据项目的要求，本研究将针对超声波压力测量的高分辨率及其它应用要 求，设计制作比较高精度的超声波传播时间测量装置。本课题研究内容将围绕 以上目标展开，主要的工作及后续研究内容如下： 分析了解对象的特性，明确测量的具体参数，这是研究的起点。通用性的研 究有更大的应用范围但也往往对设计有更高的要求，在这两点间必须合理选择。 通过比较选择合适的高精度超声波传播时间变化量测量方法，在此基础上针 对测量需要设计相应的电路。 根据设计制作出可实现基本测量功能的实际电路，应用此电路进行实验，对 电路的稳定性及分辨率等性能参数进行分析。分析影响性能的因素，寻求合适的 改进方案，恰当地提高测量电路的性能。改进的工作既包括功能模块设计的原理 性改进，也包括了对电子元器件的正确选择替换，导线及元器件布局的合理性研 究，电磁干扰防护安排等一系列工作。 出于是特定的测量要求，因此在改进电子电路之外必须注意结合测量对象的 特性寻找可能的提高方案，由于测量时涉及到超声波传感器的安装，与此相关的 细节也必须仔细考察，作为以提高测量精度为目标的研究，这也是其中重要的一 部分内容。由于超声波传播速度及电子反应时间与温度有关，因此如何减小温度 对测量的影响是相当关键的。由通用的手册可知钢材中超声表面波波速变化量为 1 6 浙江大学硕士学位论文 万分之几每摄氏度，数字电子元器件的迟滞时间变化量为0 2 5 每摄氏度，有 机玻璃中超声波波速变化量约为1 1 0 0 0 ，而在耦合剂中超声波波速约为 1 0 0 0 m s ，该值也会受温度影响。综上，温度对测量的影响是相当显著的。一般 的温度补偿可以采用测得对象温度再由关系式求取补偿值的方式实现，但是在回 振法测量超声波传播时间测量系统中，对超声波传播时间影响的因素分散在几个 不同的环节，有些根本不适合采用传统的温度测量方法，当温度变化时上述补偿 方法就会更加无能为力( 这部分问题在实验部分可以很明确的感受到) ，总之， 如何处理好温度的影响是本研究的难点和关键点。 本论文将按如下结构介绍本课题的研究内容： 第一章对传统的压力检测技术和非侵入式超声波压力检测技术原理及优 缺点进行了简要的介绍，从而引出了本文的研究内容与意义。本部分还简单介绍 了常用的几种超声波传播时间测量方法，并确定了适合课题研究的测量方案一回 振法。 第二章根据回振法超声波传播时间测量方法的原理提出测量装置设计方 案，依照功能特点及模块化思想将设计分为收发电路和时间测量电路两部分分别 进行，本章最后将给出实现测量的总体结构。 第三章根据设计原理给出具体的电路设计。 第四章介绍实验方案及实验装置的设计，对实验过程进行详细介绍，并 对实验结果进行分析总结，在这个过程中给出测量装置的性能描述及存在的改进 空间。 第五章总结全文的工作，并对今后进一步的研究工作提出了自己的认识 和设想。 第二章超声波传播时间测量装置 前面已经对超声波传播时间测量方法进行了简单介绍，通过比较可知回振法 具有结构简单，成本低但容易实现高精度的时间测量等诸多优点，考虑本研究的 需要及目标，这种方法是比较适合的。回振法更直观的名称是声循环法，基本的 实现手段就是循环计时求平均值以提高测量的分辨能力。本章将对回振法超声波 传播时间测量方法进行深入的探讨，并根据其思想设计测量的方案，按照超声波 传播时间测量装置的特点可以将其分为接收发射电路和计时电路两部分，这两部 分可以独立的设计开发，如此既使设计思路明确也方便对电路进行改进提高性 能。 2 1简介超声波 虽然在第一章已经介绍了采用表面波的超声波非侵入式压力测量技术，在这 部分还是回头先加深一下关于超声波的认识，对超声波特性比较深入的了解有助 于测量装置的设计及实验的开展，下面的内容将通过对超声波特性的论述，对设 计及实际应用中涉及的问题进行讨论。 2 1 1 超声波 声学是物理学的一个分支，声波是一种能在气体、固体和液体中传播的机械 波。人们研究的声波频率范围已从1 0 1 赫兹到1 0 ”赫兹，覆盖1 7 个数量级，根 据人耳对声波的响应不同，声波可划分为次声、可听声和超声。而从频率范围而 言，超声是指频率高于可听声频率范围的声，一般是指频率大于2 0 k h z 以上的声 波。具体地说，超声频段中，频率高于1 0 8 h z 的超声称为特超声。特别是其中1 0 8 1 0 ”h z 频段，因与电磁波谱中的微波频段相对应，故又称为微波超声。”。 l 一 1 一 探测 一 一 恽- i i一ii 一 图2 - 1 声波的频率界限 声波 超声波的种类是根据介质质点的振动方向和波动传播方向的关系来区分的， 浙江大学硕士学位论文 它分为纵波、横波、表面波( 瑞利波) 和板波等。当介质质点的振动方向和波动 的传播方向相同，这种波称为“纵波”，而振动方向和波的传播方向垂直，这种 波称为“横波”，又称“剪切波”。 当固体介质表面受到交替变化的表面张力时，会使介质表面的质点发生相应 的纵向振动和横向振动。结果使质点作这两种振动的合成振动，即绕其平衡位置 作椭圆振动，椭圆振动又作用于相邻的质点而在介质表面传播，这种波就称为表 面波。图2 24 所示为表面波传播示意图。由图可知超声表面波传播时的能量 集中于对象物体的近表面层，且物体表面质点以椭圆轨迹运动，传播时的物体表 面的波动形状就像湖面的水波一样，在波传播过程中，物体表面质点既受蓟声横 波中具有的剪切力作用也受到声纵波中的压缩( 膨胀) 力的作用，在两种力共同 作用下，物体表面将同时产生压缩与切错形变，因此质点形成椭圆形的运动轨迹。 超生表面波在物体表面传播，物体表面必须比较光滑，沟坎会对超声波产生阻碍 作用。由于声表面波传播时表面质点振动幅度最大，愈往深处振幅愈小，因此声 表面波的能量只集中于物体表面，当深度大于几个波长时，能量就只剩下酉分之 几了。 材料表面波 动状况 茇点邂多已哭皇坛毫瀚警鍪翥震曩 l y 空气 易劢易吻狮 0 钢x 0 o ( 们 1 9 表面波波动 能量分布 浙江大学硕士学位论文 ， h 一 空气 卜，一7 一t 、i ，1 、 l 。1 上一一，尘f 一，一( 、i ， 一j 、j ，t 传播方向 ( 助 图2 - 2 超声表面波 在扳状介质中传播的弹性波称为板波，也叫拉姆波。板波受板面的影响，只 有当频率、板厚、入射超声速度之间满足一定的关系时，声波才能顺利通过。图 2 3 是三种不同的超声板波，( a ) 是横波，偏振方向与板面平行；( b ) 是一种对称 型的拉姆波，在板中心面上的质点的偏振方向与传播方向平行，如同纵波的偏振， 而其它位置的质点的偏振轨迹为椭圆；( c ) 为非对称型的拉姆波，板中心面上的 质点偏振方向与传播方向垂直，其它位置上的质点的偏振轨迹亦为椭圆。以上分 析表明在应用表面波时必须注意对象的厚度。 图2 - 3 超声波波形 k 兰 浙江大学硕士学位论文 传导，介质的稠密和稀疏部分之间进行热交换，从而导致声能的损耗，这就是介 质的吸收现象。通常，由于介质的吸收引起的超声波的衰减叫做粘滞衰减。超声 波在介质中传播遇到障碍物，当阻碍物的尺寸与超声波波长相近或更小时会产生 散射衰减。产生散射衰减的因素很多，总的说来是由于介质阻抗的不连续性造成 的。可分为两种情况，一种是材料本身的不均匀，如具有不同密度和声速的两种 的交界面、金属锻件中的杂质和气孔、晶体材料的各向异性等等；另一种是晶粒 尺寸可以与超声波波长相比的粗晶粒材料，入射的超声波在晶晃的反射散乱使得 声能变为热能而损耗， 浙江大学硕士学位论文 数为n 、肝：、”3 疗。，那么超声波传播时间可以表达为 f = ! 竺! 1 2 ! 垒竺盟望( 2 3 ) 按照统计理论，这样处理后测量结果的精度比单次测量提高万倍，对测量 来说，这可以实现比较大的改进。但是由于采用这类方法测量时，对时间的测量 是分开进行的，因此每次测量的分辨能力也不会高于l 这可以从式2 3 中推 断得到。而且每次测量结束后都需要读取测量结果进行保存，最后加总再求平均 值，这些操作耗费了系统时间，不利于提高测量速度。这种测量方素提高性能的 方法是采用频率更高的时钟源，或者将脉冲计数的时间测量方法换成其它更好的 时间测量方法，即使是采用后一种方法，测量的分辨能力仍旧受限于时钟的时间 测量最小单位。 回振法或者说声循环法是上面的多次测量求平均值法的一个改进方案，其测 量示意图如图2 5 。 在回振法中，接收探头接收到超声波信号之后再次触发发射电路，新的超声 波信号由发射探头发射出来，这样重复前面的过程，整个装置就处于不停“循环” 的工作过程中。在该测量方法中，时间测量的停止时刻并不在接收探头接收到的 第一个超声波信号产生的脉冲阶跃边沿，而是由预先设定的某个超声波信号产生 的脉冲触发使计时停止。假设在测量开始后，当接收电路接收到第个超声波 信号时才停止计时，且期间计数器计数的时钟脉冲数为片，时钟脉冲频率为 那么超声波信号传播一次的时间即为平均值： 门 f = 一 n j ( 2 4 ) 这就是声循环法测量的原理。由于可以选用频率比较高稳定性好的有源晶振 作时钟脉冲源，即使得上式中的厂值为恒定值，所以只要准确地测定、竹的值 就可以实现对超声波传播时间f 的测量。而且当取适当大小值时，通过求平均 值可以比较好地减小随机干扰对测量的影响，这是循环测量方法一个比较突出的 优点。 虽然从测量的过程来讲，声循环法与多 x 浙江大学硕士学位论文 5 0 m h z ，循环圈数为1 0 0 0 ，那么测量的分辨能力或者最小读数有效值是 2 0 1 0 s ，即2 0 p s 。虽然实际应用情况不会得到如此理想的结果，但是相对于 同样条件下应用的多次测量求均值的方法而言，它的优势是明显的。而且如果出 现时间测量最小分辨单位更小的时间方法，使用回振法也可以进一步提高测量性 能。 燃脉 几几一心一， 生一盟跫徽信 l 一趟? 阀门脉冲 ：ab ： 二二二二二二 。 l 时钟脉冲t 灿u 1 0 山山山山u i u 山山圳圳山山岬山虬。 山山山山山山山山山岫山山i ： 。 图2 - 5 回振法超声波传播时间测量方法 采用这个方法的缺点是延长了实现一次测量的时间，约为单次测量所花费时 间的倍，测量时间的延长会使干扰的作用加强，这对电路的稳定性和抗干扰能 力提出了更高的要求。 2 2 2 回振法测量信号延迟时间的研究及应用 上一节对回振法时间测量的原理介绍是以其在超声表面波的传播时间测量 方面的应用展开的，实际上，回振法是一个提高测量分辨能力的通用方法，在其 它领域的测量应用中同样合适。虽然属于不同的类型的波，电磁和激光在测距等 应用上和超声波却有着很相似的运作原理，因此回振法的应用移植是比较容易 的，本部分对回振法应用研究的介绍将不限于超声波领域。 比较早的回振法时间测量方法应用见于r l f o r g a c s 的研究中，图2 6 是他 在6 0 年代使用的测量电路主要部分结构示意图o “。脉冲发射激发超声波后，超 声波穿通过样物传播，被接收传感器接收，经过回波放大电路后的信号输入循环 选择电路。由于纵波容易在材料界面处发生反射，因此在电路中采用延时电路及 浙江大学硕士学位论文 宽时阀门电路，使得回波选择电路只在第二个回波到达时使能，当其使能时超声 波探测器接收的信号传至回波选择电路，回波选择电路输出的信号经过延迟之后 触发窄时闸门电路发射相应的脉冲，该脉冲经过脉冲放大电路放大后输给重触发 发生器，至此电路将重复上述过程。如此，电路将处于循环工作状态。实验结果 表明对持续一秒的时间测量，测量的精度可达1 1 0 7 ，即最小分辨能力为1 0 0 n s 。 r l f o r g a c s 的这一研究给出了高精度的测量方法的实际应用，为超声测量电路 的设计开发提供了良好的参照，虽然以现在看来测量的精度其实并不是很高，而 且没有对温度的影响进行处理，但从设计上讲，这一研究是非常经典的。现在电 子元器件的性能相比当时已有很大改进，因此有理由相信可以实现更高精度的测 量。而且另外一个有利条件是微控制器集成了越来越多的功能，现在市面上的微 控制器功能已经相当完善，具备着优良的性能，微控制器的成熟应用使得原来许 多由电子门实现的功能现在只需要一块简单的芯片就可以实现，因此如今的电子 电路设计可以采用比较简单的结构去实现很多复杂的功能。但是，由于测量精度 的更高要求，文中提出的一些干扰影响在本研究中也会有更严重的影响，如何消 除这些影响成为左右研究成功与否的关键。 脉冲放人 重触发脉 冲发生器 籍盏h 燃。h 琵h 墨雾 压电晶体 豢蓄蔷等h 旧 回波 放大 探测 器 宽时 阀门 回波lj 可调ii 窄时 选择r 1 延迟r _ 1 闸门 循环 选择 图2 6 回振法超声波传播时间测量 上世纪六十年代末，d i c r e c r a f t 在研究材料应力。2 3 时也使用了基于回振法 的超声波传播时间测量装置，图2 7 是其结构示意图。 总体结构上与图2 6 相似，但是在测量时间方法上，采用的是频率计数方法， 也就是先测得循环的频率，再得到超声波信号的传播时间。虽然与先得到循环一 定圈数的总时间间隔再求平均值的方法在运算上有差别，但是就两者的本质而言 都是对多次运行表现的特性进行综合评价而得到结果的。该应用是传统回振法测 浙江大学硕士学位论文 图中的超声波循环模块由超声波发生器和接收电路组成，超声波发生器发射出超 声波，经过材料表面传播到接收探头处，接收探头接收超声波信号并经过处理后 输出激励信号使得超声波发生器再次发射出超声波，模块重复以上过程，则超声 波信号处于不停地循环中。计时模块可用于测量计时开始和结束信号之间的时 间，只要使开始信号对应于超声波发生器发射超声波的时刻，使结束信号对应于 接收探头接受到超声波信号的时刻，那么计时器的结果就是超声波传播的时间 了。控制单元是保证电路顺利工作的重要结构，它既是实现电路控制，测量结果 处理的核心，也是对外的接口，实现显示，与微机通讯，接收操作输入等功能。 单片机以其集成度高，功能齐全，编程灵活等优点，成为实现这一功能块的合适 选择，而且可编程的优点为设计改进开发提供了平台，在此基础上比较容易实现 仪表的智能化现代化。目前使用的中低档单片机以5 1 系列和p i c 系列为主，考 虑实际需要及技术积累等因素，本设计采用5 l 单片机。 本项目的设计工作将按上述结构思路展开，接下来，设计从超声波循环电路 的超声波发生器开始。 2 3 超声波信号收发 根据分块设计的思想，设计中的超声波传播时间测量装置将分为两大功能 块，超声波接收发射电路和信号计时电路。本部分将探讨这两个设计的相关问题， 给出设计思路及方案，并对诸如器件的选择及如何保证测量的性能展开必要的讨 论。 2 3 1 超声波激发方式选择 实际应用中地超声波有好几种类型，由于非侵入式超声波压力测量采用的是 超声表面波，因此下面的论述将围绕超声表面波的激发展开。 超声波主要是由换能器实现发射的，超声波换能器又称为超声波探头，是完 成超声波发射和接收的关键器件。所谓换能器就是进行能量转换的器件，超声波 换能器能将其它形式的能量转换成高频声能，也可以把超声能量转换成便于测量 的能量，超声波发射换能器实现的是前一功能，而接收探头实现的是后者的功能。 能量的形式是多种多样的，因而换能器的形式也各不相同。换能器按能量转换原 理，分为磁性换能器和电能换能器。磁性换能器有电动式、电磁式、磁致伸缩式： 电型换能器有压电式、电容式、电致伸缩式。磁致换能器是基于磁场的磁力效应 来实现电声能量转换的。电致伸缩换能器是基于某些晶体或极化了的陶瓷体的电 致伸缩效应来实现电声能转换的一种电声换能器。极化了的电致伸缩换能器，从 浙江大学硕士学位论文 一般表面波探头常使用方形晶片。因为与圆形相比，方形晶片增加了靠近 材料部分( 即晶片下半部分) 的发射强度，而这部分晶片所发射的声波在透声楔 中走的路程最短，受到的衰减最少，所以使用方形晶片可明显地提高灵敏度。为 了提高表面波的发射能量，晶片的尺寸在可能的范围内尽量要大。晶片的材料可 有多种选择，比如钛酸钡压电陶瓷、片铌酸铅压电陶瓷等，锆钛酸铅类压电陶瓷 简称p z t 也是常用的超声波压电材料，由于锆钛酸铅类强电解质材料经烧结和极 化所形成地压电陶瓷容易加工，表征能量转换效率地纵向机电耦合系数约较高 ( 一般为7 0 ) ，稳定工作的温度范围大，且相对其它压电材料，次比值、电容 率、弹性常数和压电常数都比较大，因此在超声波探头中大量使用。换能器的发 射频率与检测对象密切相关，过高的发射频率会导致声能的严重耗散，而频率低 意味着指向性和灵敏度等的下降。一般常用的频率是1 2 5 2 5 m h z ，也有采用 5 m t l z 的。 以上介绍的各种超声波发射方式各有比较适用的场合，而压电换能器结构 简单，使用方便可靠，且价格合适，是一般测量使用中的优选型换能器，本文针 对实验研究应用的需要，最终选用2 5 m h z ，尺寸为1 3 1 3 ( m f f ) 的锆钛酸铅矩 形压电晶片。 2 3 2 超声波发射 选定超声波的发射类型之后系统设计己进入到超声波发射电路的方案设计 步骤，这罩涉及的问题仍旧比较多，如何保证发射信号的稳定性是一个比较重要 的内容。 2 3 2 1 超声波探头 超声波换能器的匹配是超声波发生器设计的一项先导性内容，主要指发生器 的输出阻抗与换能器的动态阻抗一致以及在额定输入电功率下使换能器的输出 声功率最大。 超声电源有一个最佳负载值，只有在这个值下工作，才能向负载输出额定功 率。直接负载往往不能满足，超声波换能器是一个阻抗负载，因此需要一个与之 相反性质的电抗来“抵消”其电抗分量，这就是调谐。电声型超声波换能器不论 其结构如何，在其共振频率附近都可以用一集总参数的等效电路来近似表示。图 2 1 3a 是压电换能器的等效电路。静态量是其本身的特性，而动态量是指换能 器振动时产生的变化。按照电抗元件的介入方式，分为并联调谐和串联调谐，图 2 一1 3b 即为并联调谐，l p 为调谐电感，其值为1 国；c 0 ，为换能器共振角频 浙江大学硕士学位论文 率。”1 ，不过目前有些超声波探头产品内部会配装相应的线圈，这样可以方便电路 设计。 图2 - 1 3 压电换能器在共振频率附近的等效电路 及并联调谐 动态电容 c k 动态电感 三m 动态电阻 砌 在实际使用时，探头连接的电缆也会对其产生影响。考虑应用需要，本设计 中的电缆长度在1 2 m 间，此时电缆的影响主要表现为分布参量对调谐频率的影 响，犹以分布电容的影响最大。电缆的布电容与发射元件的调谐元件并联，它的 变化也会改变调谐频率。不过由于锆钛酸铅晶片输入阻抗和容抗都比较小，电容 量相对于一般的短电缆而言比较大，因此这样的影响可以忽略。 2 3 2 2 超声波发生器 在实际应用中，一般多是使用持续时间有限的脉冲超声波，由于工程技术的 需要，又进一步分其为宽脉冲和窄脉冲。由傅立叶分析可知。一个脉冲可以看做 是无限个不同频率的正弦波组成的，一个脉冲持续时间越短它所包含的谐波频率 范围就越宽，频率近乎单一的脉冲可以称为宽脉冲，而窄脉冲是包含较多频率成 份的脉冲。超声波探超的应用研究表明，相比于宽脉冲，窄脉冲不易发生干涉， 信噪比也比较大，而且超声脉冲的持续时间愈短愈利于提高距离探测的分辨率， 因此在探伤应用上一般采用窄脉冲，不过窄脉冲的方向性不如宽脉冲，传播时比 较容易发射散射。 宽脉冲与窄脉冲的产生方式是不同的，用振荡频率与晶片共振频率一样的一 段正弦波激励探头就可以获得与晶片共振频率一样的宽脉冲。用上升沿非常陡的 尖脉冲，激励高阻尼探头就可以获得频率范围在0 1 1 0 m h z 的窄脉冲，且激励 脉冲前沿愈陡所产生的超声脉冲就愈窄。超声波压力测量需要得到精确的超声波 传播时间变化量，采用脉冲激励易于确定时间边沿，根据以上分析，设计中将采 用尖脉冲激励的方式。 3 4 浙江大学硕士学位论文 作的脉冲发生器”。图中，电路工作时电流将通过限流电阻r ，对隔直电容c e 进 行充电。这里设置隔直电容而不直接将压电晶片接到电压源上是由于压电晶片长 期承受偏压会被损坏。电路稳定时，隔直电容的电压将被充到v v n 的值根据 激发探头需要情况而定，在工业应用中一般为几十到数百伏特，根据本设计超声 波探头的规格v w 为+ 3 0 0 v 左右。由于是通过r 对电容进行充电，因此时间常数 r c e 将决定电路的最大可重复频率，由于实验需要对几十厘米的传播距离进行 测量，因此r c e 须不大于2 0 u s 。s 是一个快速的开关，当其接通时，引起一次 从隔直电容向换能器及其相连的电负载的电荷转移，此处的电负载是指电阻与调 谐电感的组合及换能器等元件。在超声波探头和发射电路之间连有传导线，对脉 冲信号有衰减作用，图中用l c 网络来表示这种作用。 丌关的电气特性对设备的性能有很大的影响，在电子电路中可使用的“开关” 包括真空管、可控硅、雪崩晶体管和m o s 型场效应管。电子开关的特性可以用如 下几个指标来表征：从截止到完全导通所经历的时间即导通时间f 仉最大峰值 电流i r ，在导通状态的电阻r 0 ，在截止状态的最大击穿电压等。