针对超声波飞渡时间精确测量的要求，本发明专利技术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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术一种温度测量方法，涉及一种基于超声波测温装置的飞渡时间测量方法。
技术介绍
现有的测温方法主要分为两种，一种是接触式，一种是非接触式。接触式测量需要 足够长时间的接触达到热平衡，这种方法往往要要破坏被检测物体的热平衡状态，并受被 测介质的腐蚀作用。因此，对感温元件的结构、性能要求苛刻，这种方法不适用于高温环境 中温度的测量。非接触式测量温度的特点是：不与被测物体接触，也不改变被测物体的温度 分布，这种方法测温比较优越。 超声测温技术是利用超声波在空气中的传播速度会随着空气温度而变化这一特 点，测得空气中不同温度下的飞渡时间参数后，结合待测空间的具体参数信息，通过选用合 适的温度场重建算法即可实现温度场的重建。为重建微波加热煤质内部温度场，防止电磁 干扰的前提下进行必要智能控制设计，为微波源控制提供决策支持信息。 影响超声法测温精度的因素主要有超声飞渡时间的精确测量和温度场重建算法。 超声波测温技术将提供一种非接触、实时、多维测量的测温方式，克服了热电偶、热电阻不 适用于微波环境以及响应速度慢的缺点；突破了光纤方式接触性和单点测温的局限；避免 了红外方式易受光照影响而产生的干扰。近年对超声波测量系统的研究主要以微控制器为 核心，实现超声回波信号的采集和相关算法，通过VB、VC、Matlab等软件平台实现超声测量 数据显示，但对信号的复杂运算、回波的波形显示和分析比较薄弱、灵活性较差。 本专利技术旨在使基于超声波二维测温系统的飞渡时间测量精度达到微波源加热媒 质内部温度场重建的要求，从软硬件方面出发搭建超声波二维测温系统，结合互相关算法 得到飞渡时间实现基于超声波二维测温系统的飞渡时间的精确测量。
技术实现思路
为了克服以上所提到的超声测温方法的一些问题，本专利技术提出一种基于超声波二 维测温装置的飞渡时间测量方法，使该装置具有测量精度高、实时测量、截面交互性好以及 维护方便等优点。利用本专利技术介绍的装置及方法亦可完成三维测温系统的搭建，进一步从 而实现微波加热媒质内部三维温度场的重建。 所述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。I、Π 、III和IV超声波传感器分别放置在一个正方形四条边中点位置，传 感器I与传感器II形成超声波飞渡路径1，传感器I与传感器III形成超声波飞渡路径2， 传感器I与传感器IV形成超声波飞渡路径3。 进一步，基于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，以激励相应的超声波传感器发射超声波。 2)在Lab VIEW软件平台设置波形，将波形信号传递给信号发生器，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);超声波在介质中传播后，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到的电信号y(t)进行处理，并将信号传输至超声波数 据采集单元的示波器。同时Lab VIEW软件平台同步显示接收到的波形，并将示波器采集到 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y(t)分别求取对应的包络函数 A和 A 〇 5)然后对包络函数A和A进行互相关运算，得到互相关函数为 6)在包络函数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MO的峰值处对应的时间Tni，即得到超声波飞渡时间D= 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。其中公式中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，飞渡时间误 差的数量级即为飞渡时间的测量精度。 应用Lab VIEW程序控制超声波传播通路的选择、信号发生器发出波形、发射/接 收数据的存储以及采集数据的计算与显示，而这些都可以通过在Lab VIEW前面板上进行设 置来实现，因此具有可操作性强、交互性好等优点。 本专利技术的技术效果是毋庸置疑的，利用虚拟仪器强大的数据采集、信号处理能力 和高分辨率波形显示等优势，通过Lab VIEW实现超声信号的控制、采集与处理，使该系统具 有测量精度高、实时测量、界面交互性好和维护方便等优点。超声波测温系统不仅可以应用 于一维、二维环境，根据应用场景的需要合理安装超声波传感器，亦可在三维空间中形成有 效的超声波传播路径。利用获得的超声波飞渡时间，结合待测空间的具体参数信息，通过温 度场重建算法即可实现温度场的重建。 所涉及的符号变量对应说明如表1。 【附图说明】 图1 :超声波测温系统原理图； 图2 :二维3路径超声波传感器安装位置及超声波飞渡路径图； 图3 :超声波二维3路径测温系统Lab VIEW程序图； 图4 :二维2路径硬件部分电路原理图； 图中：1表示飞渡路径1，2表示飞渡路径2,表示飞渡路径3, I表示超声波传感器 发射信号端，II、III和IV均表示超声波传感器接收端。【具体实施方式】 下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明，但不应该理解为本专利技术上述主题 范围仅限于下述实施例。在不脱离本专利技术上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知 识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本专利技术的保护范围内。 如图1所示，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。所述上位机本文档来自技高网...
【技术保护点】
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。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：熊庆宇，王丽洁，王楷，廖怡宁，贾睿玺，沈雪华，石欣，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;85
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