一种改善多因素影响的超声波液压测量方法及其系统

摘要

本发明公开了一种改善多因素影响的超声波液压测量方法及其系统，所述的液压测量系统通过测量液压油带压前后超声波在油液中的传播时间差来获得液体压力值。所述的液压测量系统对管径、安装偏差和温度对于测量的影响，分别采用横波斜入射探头、自动增益控制电路、带实时温度补偿的BP神经网络来进行改善。所述的液压测量系统包括处理模块，超声波发射模块，超声回波处理模块，时间测量模块和温度测量模块。所述的液压测量方法，需要完成控制超声波发射，超声回波处理，自动增益调节，时间测量，温度测量，以及基于BP神经网络的数据处理等步骤。本发明改善了多种因素对于液压测量的影响，可靠性高，使用范围广，且具有良好的测量精度。

说明书

技术领域：

本发明属于液体压力测量技术领域，涉及基于超声波技术的非介入式液体压力测量方法， 特别是一种改善多因素影响的超声波液压测量方法及其系统。

背景技术：

随着液压系统的应用越来越广泛，其运行状态的实时监测受到越来越多的关注。液体压 力是反映液压系统运行状态和变化规律的基本参数之一，压力值的测量是液压系统状态监测 和故障诊断的基本要求。

传统的液压测量方法，尽管形式各异，但都是介入式的，通过在被测的管路上钻孔，安 装压力表、压力传感器或者压力敏感元件来完成测量。这就要求系统预留检测接口，随之也 带来了一系列的问题。其一是拆装困难，且拆装会影响系统的动态特性。其二是检测接口固 定且数量有限，故难以快速而准确地进行状态检测和故障诊断。其三是会破坏系统的密闭性， 使系统承压能力下降，影响整个系统的工作性能。尤其是在液体强腐蚀、高压、有毒的情况 下，容易造成安全隐患。

正是由于传统的介入式液压测量方法的局限性，才使得非介入式液压测量方法的研究更 加迫在眉睫。目前市面上已经出现了一些非介入式的测量方法，它们的检测介质可以是超声 波、各种射线、热、激光等，通过安装在管外的检测源提供的检测介质间接地感知管内液体 的信息。其中，超声波以其穿透力强，对人体无害，抗干扰能力强等诸多优点被广泛应用于 液压测量领域。

过去几十年，国内外的专家学者对该领域进行了较充分的研究，并提出了一些基于超声 波的液压测量方法。这些液压测量方法虽然能够完成液压的测量，并较传统的介入式方法展 现了许多优势，但也存在许多不足。它们中有的由于被测信号变化微弱而难以精确测量，有 的由于容易受外界干扰而产生错误，还有的由于实现调节复杂而不具有实用价值。要解决这 些问题必然要探索其它的途径。

与此同时，由于各种外界因素的作用，严重影响了测量精度的进一步提高，有时甚至导 致测量无法正常完成。这些影响因素主要包括：

1、流速。当管道中的流体流动时，将引起超声波的传播特性发生变化，因而影响超声波 所携带的信息，导致误差的出现。

2、待测管的管径。超声波具有较快的传播速度，当管径较小时，随着超声波传播路程的 减小，超声回波容易与始波发生重叠，从而导致测量无法正常进行。

3、超声探头的安装偏差。基于超声波的液压测量方法需要在待管外安装超声波换能器。 超声探头在同一待测管的不同次安装间的偏差，将会影响回波信号，进而影响测量精度。尤 其是在小管径情况下，这种影响将更加明显。

4、待测液体的温度。温度会影响超声波在液体中的传播特性，其中超声波速会发生显著 的改变，从而给测量带来更大的难度。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种改善多因素影响的超声波液压测量方法及其系统，即利用超 声波技术的优势，实现非介入式的管外压力测量。在此基础上，分析管径、安装偏差、温度 等因素对于测量的影响，并设计相应的补偿方案来改善这些因素的影响，最终完成对液压系 统压力参数的较高精度的监测。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种改善多因素影响的超声波液压测量系统，包括超声波发射探头TRA、超声波接收探 头TRB、铂电阻、处理模块、超声波发射模块、超声回波处理模块、时间测量模块和温度测 量模块；其中，超声波发射探头TRA、超声波接收探头TRB和铂电阻均设置在待测液压管 管壁上，处理模块控制超声波发射模块施加高压脉冲到超声波发射探头TRA上产生超声波， 超声波经管壁和油液传播后被超声波接收探头TRB所接收，同时，处理模块控制温度测量模 块通过铂电阻启动实时温度测量，然后，超声波接收探头TRB上的回波信号经超声回波处理 模块处理后，整形转换为方波信号，并经测量通道选择电路送入时间测量模块进行测量；最 后，测量结果送入处理模块作进一步的分析计算。

本发明进一步的改进在于，超声波发射探头TRA和超声波接收探头TRB均采用横波斜 入射探头。

本发明进一步的改进在于，超声波发射模块包括产生激发超声波发射探头TRA所需的高 压脉冲的激发电路，和控制驱动该激发电路的驱动电路。

本发明进一步的改进在于，超声回波处理模块包括信号调理电路、AGC电路、比较电路 和测量通道选择电路；其中，回波信号的处理过程包括如下步骤：首先，将回波微弱信号滤 波并放大，得到滤波并放大后的超声回波信号；然后，将经过信号调理电路后的超声回波信 号经选择分离后送入检波电路，得到需要的油液回波信号；再将该油液回波信号送入AGC电 路，得到基本恒定的输出；紧接着，将AGC电路的输出送入比较电路，得到所需要的方波信 号；最后，该方波信号经测量通道选择电路送入时间测量模块进行测量。

本发明进一步的改进在于，AGC电路包括峰值保持电路、A/D转换器、D/A转换器和增 益可变放大器；其中，应用峰值保持电路对输出信号的幅值进行峰值电压检波并保持，A/D 转换器采样这一峰值电压并送入处理模块进行处理；然后，处理模块通过算法计算得到信号 的放大倍数并将其通过D/A转换器输出；最后，该输出电压作为增益控制电压被送入增益可 变放大器的控制端，进而调节输入信号的幅值，使其达到设定值。

本发明进一步的改进在于，时间测量模块以分辨率达50ps的时间测量芯片作为关键器 件；其中，处理模块产生脉冲信号控制超声波发射模块产生超声波的同时将该脉冲信号送入 时间测量芯片作为开始信号，超声波回波信号经过超声回波处理模块整形转换为方波信号后 送入芯片作为停止信号，以此测量超声波在液压油中的传播时间。

本发明进一步的改进在于，温度测量模块的测量原理是基于测量对的放电时间；其中， 测量对即安装在待测液压管管壁的铂电阻和参考电阻；测量开始后，电容分别对铂电阻和参 考电阻进行放电，时间测量芯片测量每一电阻和电容组成的RC网络的放电时间，经过计算 得出铂电阻的阻值，于是通过查表得到实时的温度值。

一种改善多因素影响的超声波液压测量方法，该测量方法基于所述的一种改善多因素影 响的超声波液压测量系统，包括如下步骤：

1)将超声波发射探头TRA、超声波接收探头TRB和铂电阻分别安装在待测液压管管壁 上；

2)测量开始前，液压测量系统按照步骤3)-5)完成一次零值测量；

3)处理模块选择测试通道，控制超声波发射模块产生超声波，同时启动时间测量模块和 温度测量模块；

4)处理模块控制波形选择电路分离出油液回波信号，再控制AGC电路进行增益的自动 调节控制；自动增益控制包括：首先控制A/D转换器对峰值电压进行采样，然后通过算法计 算出增益电压，最后控制D/A转换器输出增益电压；

5)处理模块回读时间测量模块和温度测量模块的测量数据；

6)测量开始后，所述的液压测量系统按照步骤3)-5)完成一次测量；

7)处理模块通过测量数据计算超声波在液压油中的传播时间差值，并根据传播时间差值 和温度值计算出所需要的压力值。

本发明进一步的改进在于，压力值的计算是通过BP神经网络模型得到的。

本发明进一步的改进在于，BP神经网络模型的建立包括如下步骤：

71)采集训练样本作为网络的输入输出变量；所述的训练样本包括不同温度和压力条件 下，超声波在液压油中的传播时间差值△t，液压油的温度T，液压油的压力P；

72)构建BP神经网络，并对BP神经网络进行训练，直到达到设定的精度为止；所述的 BP神经网络以△t、T作为输入，P作为输出，且具有一个隐含层；所述的BP神经网络的隐 含层数目为8，隐含层的激励函数为S型正切函数，输出层的激励函数为S型传递函数，学 习算法为有动量的梯度下降法，学习速率设为1，目标误差设为0.0005，网络最大迭代次数 设为50000；

73)将训练好的BP神经网络模型储存在处理模块中，用于压力值的拟合计算；每次计 算时，将实时测量得到的传播时间差值△t和液压油的温度T输入已建立的BP神经网络模型 中，经过网络计算，便能输出液压值P。

相对于现有技术，本发明具有如下的优点：

本发明一种改善多因素影响的超声波液压测量系统，可靠性高，适用范围广，具有良好 的测量精度，且能够较好地改善管径、安装偏差、温度等因素所带来的影响。

本发明一种改善多因素影响的超声波液压测量方法，通过测量零压时与带压时超声波在 液体中传播时间的差值来求取液体的压力值。一方面，相较于传统的测量模式，该方法体现 了非介入式测量的安全、有效、非破坏性等优势；另一方面，由于采用时间差的测量模式， 消除了管壁厚度和测量电路不确定性所带来的影响。

综上所述，本发明研究设计基于时间差原理，并考虑管径大小、安装偏差和温度等因素 影响的新型超声波液压测量方法及其系统。由于采用基于带压前后超声波传播时间差的测量 模式，并考虑多种因素的影响，使得本发明在实现方法、适用范围、测量精度等方面都具有 明显的优势。

附图说明：

图1液压测量系统的结构图；

图2AGC电路原理框图；

图3时间测量模块原理图；

图4温度测量模块原理图；

图5液压测量方法的流程图；

图6自动增益控制的流程图；

图7测试液压平台示意图。

具体实施方式：

为了更清楚的理解本发明，以下结合附图进一步详细说明本发明的实施例。

如图1所示，本发明一种改善多因素影响的超声波液压测量系统，包括超声波发射探头 TRA、超声波接收探头TRB、铂电阻、处理模块、超声波发射模块、超声回波处理模块、时 间测量模块和温度测量模块；其中，超声波发射探头TRA、超声波接收探头TRB和铂电阻 均设置在待测液压管管壁上，处理模块控制超声波发射模块施加高压脉冲到超声波发射探头 TRA上产生超声波，超声波经管壁和油液传播后被超声波接收探头TRB所接收，同时，处 理模块控制温度测量模块通过铂电阻启动实时温度测量，然后，超声波接收探头TRB上的回 波信号经超声回波处理模块处理后，整形转换为方波信号，并经测量通道选择电路送入时间 测量模块进行测量；最后，测量结果送入处理模块作进一步的分析计算。

上述超声波发射探头TRA和超声波接收探头TRB均采用横波斜入射探头，增加了声波 在液体中的传播路程，使超声始波和回波之间的时间间隔更加明显，波形更不易重叠。于是， 测量的应用范围被拓宽，尤其适用于小管径管道(管内径<15mm)。

本发明所述的液压测量系统通过测量油液带压前后超声波在液压油中的传播时间之差来 完成测量。由液压油的声学性质可知，在一定温度下，超声波在油液中传播的速度会随着液 体压力的增加而线性增加。在液体带压前后，超声波在油液中的传播距离L不变，而超声波 在油液中的传播时间会发生变化。即：

$\Delta t=t_1-t_2=\frac{L}{v_0}+t^{\prime }-(\frac{L}{v_0+\Delta v}+t^{\prime })=\frac{L·\Delta v}{v_0(v_0+\Delta v)}---\left(1\right)$

其中，△t为液压油带压前后，超声波在油液中传播时间的差值；t₁为油液带压前超声波 在油液中的传播时间；t₂为油液带压后超声波在油液中的传播时间；t’为超声波在管壁中的传 播时间；v₀为超声波在油液未带压时的初始传播速度；△v为油液带压后超声波在其中传播速 度的变化量。

所述的液压测量系统通过采用收发兼用的探头来改善流速对于液压测量的影响。每一探 头作为发射探头完成一次测量过程，再作为接收探头完成另一次相同的测量过程，取两次结 果的均值作为最终的测量结果。由于管道内的液体并不是完全静止的，这种用两路测得的时 间差值求均值方法能消除部分流速带来的影响，减小测量误差。

所述的液压测量系统通过设计AGC(Automatic Gain Control，自动增益控制)电路来改 善安装偏差对于液压测量的影响。所谓超声波斜探头的安装偏差，即在同一待测点重复安装 探头数次，每一次安装之间所存在的空间上的差异。其主要体现在探头与管道轴向平行与否， 探头平面与管外径的切面重合与否，以及液压油、耦合剂等因素对探头的影响相同与否等方 面。实验结果表明，探头的安装偏差主要影响超声波穿透液压油的回波信号的强弱，具体表 现在油液回波信号幅值的波动和上升延的陡峭程度的波动上。这些差异将会导致超声波在油 液中的传播时间产生波动，由此带来压力测量的较大误差。

所述的AGC电路是一种广泛运用于雷达，接收机等设备中的信号处理电路，主要用于当 输入信号大幅度变化时，维持设备的输出电平恒定。

所述的液压测量系统通过采用带实时温度补偿的BP(Back Propagation，反向误差传递) 神经网络算法来补偿油液温度对于液压测量的影响。超声波在液体中的传播速度不仅会随着 压力的改变而改变，也会随着温度的变化而变化。实验指出，温度每变化1℃所引起的流体 中声速的变化率约为0.2％。而在实际的测量现场，温度的波动很大，测量对象本身也可能工 作在较大的温度范围内，因此必须对温度的影响进行修正补偿。

所述的带实时温度补偿的BP神经网络算法将实时采集得到的温度值和超声波在油液中 传播时间的差值作为网络的输入，压力值作为输出，通过训练好的BP网络模型来拟合计算 压力值。

所述的BP网络模型的建立包括如下步骤：首先，实验采集训练样本；然后，根据样本 数据构建BP神经网络；最后，将训练好的网络存储于处理模块中。

本发明的工作原理为：首先，处理模块控制超声波发射模块施加高压脉冲到超声波发射 探头TRA上产生超声波，超声波经管壁和油液传播后被超声波接收探头TRB所接收。同时， 处理模块控制温度测量模块启动实时温度测量。然后，超声波接收探头上的信号经超声回波 处理模块处理后，整形转换为方波信号，并经测量通道选择电路送入时间测量模块进行测量。 最后，测量结果送入处理模块作进一步的分析计算。

所述的处理模块是基于AVR系列单片机(Microcontroller Unit，MCU)和PC104计算机 开发的，主要用于协调控制其他各模块的工作，并完成相应的计算功能。

所述的超声波发射模块包括产生激发超声波探头TRA所需的高压脉冲的激发电路，和控 制驱动该激发电路的驱动电路。

所述的超声回波处理模块包括信号调理电路，AGC电路，比较电路和测量通道选择电路。 回波信号的处理过程包括如下几个步骤：首先，将回波微弱信号滤波并放大；然后，将经过 信号调理电路后的超声回波信号经选择分离后送入检波电路，得到需要的油液回波信号；再 将该信号送入AGC电路，得到基本恒定的输出；紧接着，将AGC电路的输出送入比较电路， 得到所需要的方波信号；最后，该方波信号经测量通道选择电路送入时间测量模块进行测量。

所述的AGC电路如图2所示，其工作原理为：首先应用峰值保持电路对输出信号的幅值 进行峰值检波并保持，A/D转换器采样这一峰值电压并送入处理模块进行处理。然后，处理 模块通过一定的算法计算得到信号的放大倍数并将其通过D/A转换器输出。最后，该输出电 压作为增益控制电压被送入增益可变放大器的控制端，进而调节输入信号的幅值，使其达到 设定值。

所述的时间测量模块以分辨率可达50ps的时间测量芯片作为关键器件。该电路的原理图 如图3所示。处理模块产生脉冲信号控制超声波发射模块产生超声波的同时将该脉冲信号送入 时间测量芯片作为开始信号，超声波回波信号经过超声回波处理模块整形转换为方波信号后 送入芯片作为停止信号，以此测量超声波在液压油中的传播时间。

所述的温度测量模块的测量原理是基于测量对的放电时间。所谓测量对即安装在管壁的 铂电阻和参考电阻。测量开始后，电容分别对铂电阻和参考电阻进行放电。基于上述的时间 测量芯片，测量每一电阻和电容组成的RC网络的放电时间，经过计算可以得出铂电阻的阻值， 于是通过查表可以得到实时的温度值。其原理图如图4所示。

如图5所示，本发明一种改善多因素影响的超声波液压测量方法，包括如下步骤：

1)用户将横波斜入射探头和铂电阻安装在待测管路；

2)测量开始前，所述的液压测量系统按照步骤3-5完成一次零值测量；

3)处理模块选择测试通道，控制超声波发射模块产生超声波，同时启动时间测量模块和 温度测量模块；

4)处理模块控制波形选择电路分离出油液回波信号，再控制AGC电路进行增益的自动 调节控制；如图6所示，所述的自动增益控制包括：首先控制A/D转换器对峰值电压进行采 样，然后通过算法计算出增益电压，最后控制D/A转换器输出这一电压。

5)处理模块回读时间测量模块和温度测量模块的测量数据；

6)测量开始后，所述的液压测量系统按照步骤3-5完成一次测量；

7)处理模块通过测量数据计算超声波在液压油中的传播时间差值，并根据传播时间差值 和温度值计算出所需要的压力值。

其中，压力值的计算是通过BP神经网络模型得到的。所述BP神经网络模型的建立包括 如下步骤：

71)采集训练样本作为网络的输入输出变量；所述的训练样本包括不同温度和压力条件 下，超声波在液压油中的传播时间差值△t，液压油的温度T，液压油的压力P；

72)构建BP神经网络，并对BP神经网络进行训练，直到达到设定的精度为止；所述的 BP神经网络以△t、T作为输入，P作为输出，且具有一个隐含层；所述的BP神经网络的隐 含层数目为8，隐含层的激励函数为S型正切函数，输出层的激励函数为S型传递函数，学 习算法为有动量的梯度下降法，学习速率设为1，目标误差设为0.0005，网络最大迭代次数 设为50000；

73)将训练好的BP神经网络模型储存在处理模块中，用于压力值的拟合计算；每次计 算时，将实时测量得到的传播时间差值△t和液压油的温度T输入已建立的BP神经网络模型 中，经过网络计算，便能输出液压值P。

将所述的液压测量系统应用于如图7所示的实际液压平台中进行测试，来验证所提出的 方法的可行性，以及考察该方法的测压精度。采集足够的样本来训练BP神经网络，然后通 过在线测量来测试训练好的网络。测试结果如表1所示，可以看出，本方法具有良好的测量 精度。

表1 液压平台测试结果