基于小波变换时延估计的小管径超声测压研究

　　0　引言

　　液压系统在军事及民用领域都有广泛的应用,伴随着系统向精密化、轻型化方向发展,小管径(不大于Φ10 mm)的使用越来越多。压力作为液压系统状态的表征,是系统检测、监测和故障诊断的重要依据。传统的压力测量方式需要在系统中预先埋设或临时安装仪表,预 先埋设仪表增加了系统的复杂程度,并只能对少数几个点进行测量;临时安装仪表需要使系统停止工作,拆装还会增加系统的故障率。为此,研究液压系统小管径的 非介入式压力测量很有应用价值。

　　目前非介入式压力测量的方法较多,相比之下,基于超声波的非介入式压力测量在理论与实现上都具有明显的优势。如无活动感应部件,不破坏流体流场,没有机械惯性,同时瞬态响应快、动态测量能力强、安装使用方便等[1]。

　　文中在超声波时差法原理的基础上,分析设计了以DSP和CPLD芯片为控制及运算核心的液压系统小管径超声测压方案,对电路设计进行了介绍。重 点阐述了声时差的测量方法,运用小波变换对时延估计方法进行拓展,并结合系统硬件设计中的声循环思想[2],能将时间测量精度提高到0_·04 ns.

　　1　液压系统小管径的超声测压方案

　　目前,在超声波检测的应用研究中,测压相对于测距、测厚、探伤和流量检测等的研究较少,对小管径压力检测的研究更少,并且普遍存在检测盲区大、 计时精度差等问题。文中设计的液压系统小管径的超声波时差法测压原理如图1所示,包括DSP及CPLD控制芯片,超声波发射电路,超声接收及信号处理电 路,测温探头及其信号调理电路,超声探头,键盘及液晶显示模块,DSP电源及电压监控模块,USB串行通信接口。

　　系统由无源晶振和DSP内部模块提供标准时钟,当DSP发出低电平控制信号时,超声波发射电路通过电容瞬间放电方式激励换能器TRA产生超声脉 冲;超声脉冲通过被测介质体系后被换能器TRB接收,转化为脉冲电信号;脉冲电信号通过接收电路模块的限幅、放大、带通滤波、检波、隔离和再次限幅处理, 滤除大部分噪声信号,提高信噪比;处理后的信号经A/D转换形成数字信号,在处理器中经过数字滤波和数字识别,在峰值时刻产生控制信号使发射电路工作,进 入下一个循环。

　　基于MAX+PLUSⅡ开发工具包,系统采用VHDL语言和原理图输入方式对CPLD芯片进行键盘编码功能和液晶显示时序匹配外部硬件电路的设 计;运用CCS开发系统和ICETEK-5100PP(USB)通用开发系统对DSP芯片进行开发,以实现整个系统的控制和计算功能,完成系统测压目的。 测量前,通过键盘和液晶显示器进行人机对话,输入管道的壁厚、循环次数,通过菜单选择管材、油品,按下“确认”键开始执行。由DSP芯片内部的计数器负责 对每次循环计数,考虑到信号的质量,系统默认从第5个接收信号开始保存,如预设循环次数为1 000,当DSP芯片接收到第1 005次信号时,产生中断信号,停止循环和计数。由芯片对第5次和第1 005次信号进行相关运算,得到总的声时差,去除系统延时的总时间,可以求得超声波在液压油内的传播时间。载入相应油品的温度—压力—声速模型,以及实时 温度值,便可得到液压系统小管径的压力大小。考虑到芯片内存的大小,循环次数不得超过1 000次,对压力变化较快的被测对象,循环次数的选择不应过大。