A Miniaturized Node for Ultrasound Pressure Measuring outside Pipe*

SUN Lingyi，HU Changhua，CAI Wei，YANG Zhiyong

(1.National Key Discipline Laboratory of Armament Launch Theory and Technology，The Second Artillery Engineering University，Xi’an 710025，China; 2.The Second Artillery Military Representative Office in Factory 7103，Xi’an 710100，China)

A Miniaturized Node for Ultrasound Pressure Measuring outside Pipe*

SUN Lingyi1，2*，HU Changhua1，CAI Wei1，YANG Zhiyong1

(1.National Key Discipline Laboratory of Armament Launch Theory and Technology，The Second Artillery Engineering University，Xi’an 710025，China; 2.The Second Artillery Military Representative Office in Factory 7103，Xi’an 710100，China)

Pressure is one of the main parameters to reflect the state of the hydraulic system.It is necessary to monitor the pressure to ensure the hydraulic system working properly，however，traditional pressure measuring methods have limitations in application，such as inconvenient installation，wiring complex.A miniaturized node for ultrasound pressure measuring outside pipe is introduced，which can also send or receive data wirelessly.A novel fixture was designed to improve the stability of the echo signal.With low-power dissipation transmitter-receiver circuit supplied by batteries and high-speed data acquisition circuit based on super synchronous FIFO，the power consumption and volume of the node is greatly reduced.The test results show that the pressure node uses easily，wireless sending and receiving data is reliable，and the maximum measurement error is less than 8%.

ultrasound;pressure measuring outside pipe;miniaturization;node

液壓系統(tǒng)依靠壓力傳遞工作，壓力直接反映液壓系統(tǒng)的工作狀態(tài)，其信號靈敏度高，液壓系統(tǒng)常出現(xiàn)的泄漏、振動和噪聲、氣穴和氣蝕、爬行、液壓卡緊等故障都能反映在壓力的信號特征上，因此監(jiān)測液壓系統(tǒng)壓力是非常必要的。但傳統(tǒng)的壓力監(jiān)測方法存在諸多不足與局限:監(jiān)測參數(shù)的獲取主要采用介入式測量方式，測量數(shù)據(jù)的傳輸多采用有線方式。使用時，需要對液壓系統(tǒng)進(jìn)行拆解以便完成傳感設(shè)備的安裝，并通過布設(shè)測試電纜來發(fā)送監(jiān)測參數(shù)的測量數(shù)據(jù)，存在安裝不便、布線復(fù)雜等缺點(diǎn)［1］。

超聲波管外壓力測量憑借其非介入式測量、不破壞流體流場、沒有機(jī)械慣性，同時具有瞬態(tài)響應(yīng)快、動態(tài)測量能力強(qiáng)、安裝使用方便等優(yōu)點(diǎn)，使它在工程液壓機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷等多方面應(yīng)用前景廣闊;而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)利用小型傳感器獲取監(jiān)測參數(shù)、通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸信息［2］，具有監(jiān)測精度高、布線成本低、可遠(yuǎn)程監(jiān)控、便于攜帶與安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。因此，本文結(jié)合超聲波非介入測量方法和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計出一種具有無線收發(fā)功能的小型化超聲波管外測壓節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對液壓系統(tǒng)壓力的非介入監(jiān)測和信息的無線傳輸，并在液壓試驗(yàn)臺上進(jìn)行了試驗(yàn)。

1 管外測壓原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 測壓原理

由于液體介質(zhì)沒有剪切彈性，只能傳播縱波，因此，液壓系統(tǒng)管外測壓采用縱波直探頭，其工作原理如圖1所示。垂直安裝在管路外壁的探頭發(fā)射超聲波，超聲波經(jīng)耦合層進(jìn)入上管壁后，一部分從界面2反射回上管壁，另外一部分經(jīng)界面2透射到油液中繼續(xù)向下傳播。到達(dá)界面3時，部分超聲波透射進(jìn)入下管壁，該部分信號能量很弱，可以忽略;其余超聲波從界面3反射回來，在油液中向上傳播至界面2，經(jīng)界面2透射并穿透上管壁后被探頭接收，該部分為承載油液壓力變化信息所需的回波信號。

圖1 超聲波管外測壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由于液壓油按照聲學(xué)特性屬于Kneser液體，根據(jù)Kneser液體聲學(xué)特性:在一定溫度下，液壓油中壓力p和聲速c呈線性函數(shù)關(guān)系［3］。因此，在溫度為18℃左右的環(huán)境下對某型號液壓油進(jìn)行壓力—聲速試驗(yàn)，通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸分析，得到該型號液壓油的壓力—聲速模型［4］:

式中，P為液壓油壓力，單位為MPa;c(P)為18℃油液中超聲波的傳播速度，單位為m/s。

設(shè)管路內(nèi)徑為d，壁厚為l，則超聲回波傳播的總聲程為2d+2l，總聲時為t;在管壁中的聲程為2l，傳播的聲時為ts，初始壓力下油液中聲速為c0，聲波在管路內(nèi)部傳播聲時為t0，可得超聲波傳播時間變化量:

即

代入式(1)，得到某型號液壓油的管路壓力與超聲波傳播時間變化量之間的關(guān)系模型:

由上可知，測得壓力變化前后的超聲傳播時間變化量，即可計算出管路的壓力;并且該模型消除了管壁等因素的影響，可有效提高超聲波管外測壓設(shè)備的智能化水平，在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的優(yōu)勢。

對傳播時間變化量的測量實(shí)質(zhì)上是對兩個超聲波脈沖信號傳播時間的延遲估計。文中提出基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的互相關(guān)時延估計方法來計算超聲波傳播時間的變化量。首先利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解EMD(Empirical Mode Decomposition)對超聲波管外測壓回波信號進(jìn)行去噪，通過提取各本征模態(tài)函數(shù)IMF(Intrinsic Mode Function)的能量并計算各IMF與原信號的相關(guān)系數(shù)，利用反映信號主要特征的IMF分量對信號進(jìn)行重構(gòu)，然后使用互相關(guān)函數(shù)法得到兩個信號的時間延遲［5］。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法能夠有效地去除噪聲，提高超聲回波信號的信噪比，降低了時延估計誤差。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1所示，超聲波管外測壓節(jié)點(diǎn)以微控制器MSP430F1611［6］為核心，采用電池供電的低功耗發(fā)射接收電路，無需高壓供電，減小了超聲波管外測壓節(jié)點(diǎn)的體積，便于安裝和使用，消除了安全隱患;使用新型探頭夾具增加了探頭裝夾和回波信號的穩(wěn)定性;高速采集電路采用基于高速A/D、中速微控制器(MCU)和超同步FIFO(First-In-First-Out)的方案，滿足了超聲波管外測壓節(jié)點(diǎn)的小體積和低功耗要求;通過低功耗無線收發(fā)電路完成測壓節(jié)點(diǎn)與上位主機(jī)的無線數(shù)據(jù)傳輸。

節(jié)點(diǎn)開始工作后，首先通過上位主機(jī)輸入管路的內(nèi)外徑、油液聲速等參數(shù)，并通過無線微網(wǎng)發(fā)送到測壓節(jié)點(diǎn)，然后由微控制器產(chǎn)生一脈沖信號激勵發(fā)射電路，發(fā)射電路產(chǎn)生高壓脈沖信號激勵探頭，探頭發(fā)出的超聲波信號穿透油路管壁和液壓油，經(jīng)過多次反射和透射，最后攜帶液壓油壓力信息的回波信號進(jìn)入接收電路;回波信號經(jīng)過接收電路初級處理，通過高速采集電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號;轉(zhuǎn)換后的回波數(shù)字信號可以直接通過無線微網(wǎng)發(fā)送到上位主機(jī)，或利用內(nèi)嵌的算法進(jìn)行壓力計算，然后將壓力值發(fā)送到上位主機(jī)。

2 超聲波管外測壓節(jié)點(diǎn)設(shè)計

超聲波管外測壓節(jié)點(diǎn)主要由超聲波發(fā)射接收模塊、高速數(shù)據(jù)采集模塊、微處理器模塊、無線收發(fā)模塊和能量供應(yīng)模塊五部分組成。在整個節(jié)點(diǎn)設(shè)計中，有3個部分尤為重要:超聲波探頭的穩(wěn)定可靠安裝、采用電池供電的低功耗超聲波發(fā)射接收電路設(shè)計和基于超同步FIFO的高速采集電路設(shè)計。

2.1 新型探頭夾具

利用縱波直探頭對液壓系統(tǒng)管路進(jìn)行壓力測量時，由于管路內(nèi)外表面均為柱面，且超聲波探頭與管路外壁為線接觸，如探頭裝夾不當(dāng)，折射角很容易發(fā)生變化，從而影響超聲波的透射方向和反射方向，進(jìn)而影響回波的接收。為了解決探頭的固定安裝問題，提高系統(tǒng)測量精度和測量穩(wěn)定性，文中設(shè)計了一種新型探頭夾具，夾具由底座、探頭兩部分組成:底座為有機(jī)玻璃或鋁合金材質(zhì)，上有一與管壁外徑相配合的U型槽，U型槽兩側(cè)中心各有一帶螺紋的螺孔，用來固定探頭;底座中心由上而下貫通一圓孔，用于安裝探頭［7］。如圖2所示，探頭涂好耦合劑后，沿夾具上與探頭配合的圓孔裝入夾具。R為待測液壓管路半徑，U型槽保證夾具在管路軸線方向上自動對中，緊固螺栓用于牢固裝夾探頭。

圖3為使用夾具前后接收到的回波信號，通過圖中回波信號的對比，可以看出使用夾具后回波信號的穩(wěn)定性得到增強(qiáng)，噪聲水平相對降低，利于實(shí)際使用。

圖2 液壓系統(tǒng)管路壓力測量探頭裝夾示意圖

圖3 夾具使用前后回波信號對比圖

2.2 低功耗超聲波發(fā)射接收電路設(shè)計

對電池供電的超聲波管外測壓節(jié)點(diǎn)而言，對功耗有著嚴(yán)格的要求。常見的超聲波管外測壓方案采用數(shù)百伏特的高電壓脈沖發(fā)生器激勵超聲探頭，大都需要用市電作為供電電源，體積大、安全性差。本文設(shè)計了一種新型發(fā)射電路，采用低汲源電阻(RDS=0.48 Ω)和具有極高速電壓變化梯度(dv/dt=4.0 V/ns)的場效應(yīng)管作為快速電子開關(guān)，通過高壓懸浮隔離和閂鎖抗干擾芯片將低壓輸入通路和高壓輸出通路有效隔離，通過高速關(guān)斷已儲能的電感，利用瞬時放電過程中產(chǎn)生脈沖高電流的原理對超聲波探頭進(jìn)行激勵。可通過調(diào)整電感參數(shù)以及控制信號的頻率，以達(dá)到探頭的共振頻率。該電路無需高壓供電，可以采用小型鋰電池長時間供電工作，既減小了超聲波管外測壓節(jié)點(diǎn)的體積，也消除了安全隱患，便于安裝和使用。

圖4所示為新型發(fā)射電路的空載發(fā)射脈沖，由圖可見，發(fā)射脈沖幅值高，脈寬窄，沒有余振，是理想的超聲激勵脈沖信號。為了提高可靠性，設(shè)計了專用的隔離限幅電路和電壓跟隨電路以避免接收端受到發(fā)射電路高壓高頻脈沖的干擾［8］。

圖4 空載發(fā)射脈沖

超聲波發(fā)射電路利用低壓直流電源產(chǎn)生高壓激發(fā)脈沖，不僅可以提高檢測信號的抗干擾能力，還可以使得發(fā)射電路的體積減小，利于超聲波檢測系統(tǒng)的小型化;接收電路采用高阻抗運(yùn)放LF257，實(shí)現(xiàn)超聲波接收電路與換能器高輸出阻抗之間的良好匹配。為了提高裝置的電磁兼容性，將發(fā)射接收電路進(jìn)行了整體屏蔽。圖5所示為發(fā)射接收電路及電路板實(shí)物。

2.3 基于超同步FIFO的高速采集電路設(shè)計

超聲波探頭是超聲波管外測壓節(jié)點(diǎn)的傳感器端，其選取合適與否決定了超聲波管外測壓節(jié)點(diǎn)的整體工作性能。文中結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，用試探法來確定選用5 MHz基頻的超聲波發(fā)射接收一體化探頭。為了實(shí)現(xiàn)對回波信號的準(zhǔn)確探測，采樣頻率應(yīng)大于8倍基頻，裝置采用了60 MHz的采樣速率。

圖5 低功耗超聲波發(fā)射接收電路與實(shí)物

由于A/D采樣速率很高，而微控制器的讀寫速度和緩存有限，因此文中提出了一種基于高速A/D、中速微控制器(MCU)和超同步FIFO(First-In-First-Out)的高速采樣與處理方案。該方案最大的特點(diǎn)是采用單一的超低功耗微控制器作為主控芯片，結(jié)合靈活的電源管理功能和多模式功率控制機(jī)制可以使測壓節(jié)點(diǎn)的功耗降至極低，滿足電池供電條件下節(jié)點(diǎn)長時間工作的需要。FIFO芯片具有讀寫時鐘完全獨(dú)立的特性，使FIFO能在高速A/D和中速M(fèi)CU之間搭建一個完美的橋梁，同時其具有豐富的控制管腳能與A/D芯片協(xié)調(diào)工作，使A/D采樣的輸出數(shù)據(jù)無需MCU控制就能直接按要求存入到FIFO中，此時MCU僅需完成事件探測與存儲啟動即可。一旦數(shù)據(jù)存儲完畢，MCU可以關(guān)閉功耗較大的A/D而獨(dú)自讀取FIFO中的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行后續(xù)的計算與傳輸，這樣可以進(jìn)一步降低功耗。

采用上述設(shè)計的超聲波管外測壓節(jié)點(diǎn)具有功耗低、體積小等特點(diǎn)，實(shí)測結(jié)果顯示該節(jié)點(diǎn)能夠在4.2 V/2 Ah鋰電池供電條件下連續(xù)可靠工作20 h以上。整個超聲波管外測壓節(jié)點(diǎn)的電路原理如圖6所示，小型化超聲波管外測壓節(jié)點(diǎn)實(shí)物如圖7所示。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為檢驗(yàn)超聲波管外測壓節(jié)點(diǎn)無線傳輸?shù)目煽啃院蛪毫y量的精度，利用實(shí)驗(yàn)室的GYZT－2試驗(yàn)臺進(jìn)行試驗(yàn)［9］。GYZT－2試驗(yàn)臺油液為前述液壓油，在試驗(yàn)臺上連接測試管路，測試管路規(guī)格:外徑28 mm，壁厚3 mm，內(nèi)徑22 mm。對測試管路加壓時，超聲波探頭檢測回波信號產(chǎn)生的變化，超聲波管外測壓節(jié)點(diǎn)將實(shí)時采集的超聲波一次回波信號通過無線微網(wǎng)發(fā)送到上位主機(jī)，或利用內(nèi)嵌的算法進(jìn)行壓力計算。

試驗(yàn)設(shè)定以2 MPa為分步單位進(jìn)行加壓，升壓至20 MPa后，再逐次降壓至0 MPa。試驗(yàn)時，各級壓力均采集30組數(shù)據(jù)。某級壓力下，在上位主機(jī)上重現(xiàn)的30組回波信號如圖8所示，縱坐標(biāo)1～30為各組信號編號，0處為均值信號。可見各組測量曲線保持了良好的一致性，也驗(yàn)證了測壓節(jié)點(diǎn)無線收發(fā)數(shù)據(jù)的可靠性。

隨后，設(shè)定超聲波管外測壓節(jié)點(diǎn)利用內(nèi)嵌算法直接進(jìn)行計算。節(jié)點(diǎn)依據(jù)前述測壓模型和互相關(guān)時延計算方法進(jìn)行壓力計算，然后將壓力值發(fā)送到上位主機(jī)，得到不同壓力條件下的測量結(jié)果如表1所示，繪制曲線如圖9所示。

圖6 超聲波管外測壓節(jié)點(diǎn)電路原理圖

表1 超聲波管外測壓節(jié)點(diǎn)壓力測量結(jié)果

圖7 小型化超聲波管外測壓節(jié)點(diǎn)

圖830 組測試信號曲線與均值曲線對比(一次回波)

圖9 不同壓力條件下節(jié)點(diǎn)測量值與標(biāo)準(zhǔn)示值的對比曲線

在整個測量范圍內(nèi)，最大誤差不超過0.75 MPa。在6 MPa～20 MPa典型壓力范圍內(nèi)，相對誤差不超過8%。從理論上說，壓力測量精度越高，在液壓系統(tǒng)檢測診斷中對故障的定性與定位就越準(zhǔn)確，但是考慮測量的實(shí)際情況，在大多數(shù)情況下，精度只要小于30%就可以進(jìn)行故障定位和故障模式的診斷［12］。因此，文中設(shè)計的測壓節(jié)點(diǎn)能夠滿足裝備檢測診斷的要求。

4 結(jié)論

本文提出的具有無線收發(fā)功能的小型化超聲波管外測壓節(jié)點(diǎn)，通過新型超聲波探頭夾具、采用電池供電的超聲波發(fā)射接收電路和基于超同步FIFO的高速采集電路的設(shè)計，達(dá)到了體積小、功耗低、使用方便的設(shè)計目標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果表明:該測壓節(jié)點(diǎn)無線收發(fā)數(shù)據(jù)可靠，最大測量誤差不超過8%，實(shí)現(xiàn)了液壓系統(tǒng)管外非介入壓力測量。

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孫凌逸(1979－)，男，第二炮兵駐7103廠軍事代表室，工程師，現(xiàn)為第二炮兵工程大學(xué)“控制科學(xué)與工程”流動站博士后，主要研究方向?yàn)橹悄軝z測、故障診斷及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，sunlyi79@ 163.com;

胡昌華(1966－)，男，第二炮兵工程大學(xué)，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榭刂葡到y(tǒng)自動檢測與故障診斷、容錯控制與可靠性工程，hch6603@263.net;

蔡偉(1974－)，男，第二炮兵工程大學(xué)，教授，主要研究方向?yàn)橹悄軝z測、系統(tǒng)仿真及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，clwn@ 163.com;

楊志勇(1983－)，男，第二炮兵工程大學(xué)，講師，博士，主要研究方向?yàn)閷?dǎo)彈武器發(fā)射系統(tǒng)仿真與自動檢測，yangzhiyong121@126.com。

一種小型化超聲波管外測壓節(jié)點(diǎn)設(shè)計*

孫凌逸1，2*，胡昌華1，蔡偉1，楊志勇1
(1.第二炮兵工程大學(xué)兵器發(fā)射理論與技術(shù)國家重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，西安710025;2.第二炮兵駐7103廠軍事代表室，西安710100)

壓力是反映液壓系統(tǒng)工作狀態(tài)的重要參數(shù)，針對傳統(tǒng)壓力監(jiān)測方法存在的安裝不便、布線復(fù)雜等缺點(diǎn)，設(shè)計了一種具有無線收發(fā)功能的超聲波管外測壓節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)使用一種新型探頭夾具提高了回波信號的穩(wěn)定性;采用電池供電的低功耗發(fā)射接收電路和基于超同步FIFO的高速采集電路，使得節(jié)點(diǎn)功耗大幅降低，同時也減小了體積。試驗(yàn)結(jié)果表明:該測壓節(jié)點(diǎn)使用方便，無線收發(fā)數(shù)據(jù)可靠，最大測量誤差不超過8%，實(shí)現(xiàn)了液壓系統(tǒng)的非介入壓力測量。

超聲波;管外測壓;小型化;節(jié)點(diǎn)

TP212

A

1004－1699(2014)04－0477－07

2014－01－08修改日期:2014－03－12

C:7230S;7320V

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.04.011

項(xiàng)目來源:軍事單位資助項(xiàng)目