非介入式管道超声测压技术研究

摘要

液压系统、气体或液体输送管道内部的压力检测是监测管道系统运行状态和进行管道故障诊断的主要方法和手段。目前液压测量主要采用介入式测量，常用的有机械压力表，或应变式、压阻式、振弦式等压力测量方法。这些方法的最大缺点是它们都属于介入式测量，需要预留压力测量接口、可靠性差、故障定位困难，且破坏管路结构的整体性，特别在高压条件下，容易留下安全隐患。因此，研究非介入式管道测压理论和方法，并研制一种非介入式压力测量装置具有重要的现实意义和广阔应用前景。论文探讨和研究了非介入式管道测压技术和方法，采用超声波作为管道压力测试手段。这是基于流体中的超声波传播特性参数(如衰减系数、声速等)对压力变化敏感的性质。由于声衰减系数在检测过程中存在诸多不确定性，易受外界条件干扰，所以本文选择声速作为测量对象：在固定的声程情况下，将声速的测量转化为超声波传播时延的测量。此外，由于温度对超声波声速影响很大，需测量准确的温度值。目前，超声管道测压技术尚处于研究初期阶段，国内尚无一种成熟、方便使用的非介入式压力测量技术或装置。本文首先研究和介绍了相关超声波测压原理，建立了超声波声速与液体压力关系模型。在此基础上，论文接着进行了硬件电路的设计与调试，主要包括超声波脉冲发射电路、信号调理电路、A/D转换电路、CPLD控制电路等。然后，由于实测信号存在噪声，为了有效提取时延参量，需要对超声信号进行处理。于是本文提出和分析了一种以稀疏分量分解技术精确求解超声回波时延的方法。该方法根据信号自身的特点从冗余的函数集选择基函数，去表示待分析的观测信号，从而获得最有效的信号分解。实验研究表明，与传统硬件电路计数法和峰-峰值的方法相比，稀疏分量分解能够精确地计算出超声回波时延，提高了压力测量的精度。通过稀疏分量分析技术能够精确地计算出超声回波时延，最后利用神经网络训练得到压力与超声波时延特征关系模型。通过研究表明，这种超声测压的方法是可行的，压力与声速存在关联性，可为该技术的进一步研究提供借鉴和参考。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 非介入式超声测压的研究背景

1.2 非介入式压力检测方法

1.3 非介入式超声测压发展现状

1.3.1 非介入式超声测压技术国外发展现状

1.3.2 非介入式超声测压技术国内发展现状

1.3.3 存在问题

1.4 本文研究内容及创新点

第二章 超声测压相关理论研究

2.1 超声波及超声波传感器理论

2.1.1 超声波概述

2.1.2 超声传感器理论

2.2 液压油的组成成分及其声学特性

2.2.1 液压油的组成成分

2.2.2 液压油的声学特性

2.3 管道超声测压原理及数学模型分析

2.3.1 测压原理分析

2.3.2 超声测压数学模型建立

2.4 本章小结

第三章 超声液压管道测压系统设计与具体实现

3.1 实验装置研究

3.2 测压系统方案设计

3.3 超声波发射电路

3.3.1 控制电路

3.3.2 驱动电路

3.4 信号调理电路

3.4.1 限幅电路

3.4.2 放大电路

3.5 A/D 转换电路

3.5.1 MAX1446 芯片介绍

3.5.2 A/D 转换电路设计

3.6 CPLD 控制电路

3.6.1 CPLD 的配置方式

3.6.2 CPLD 的硬件设计

3.6.3 CPLD 模块的硬件电路调试

3.7 数据存储电路

3.8 电源电路

3.9 硬件设计过程中心得与体会

3.9.1 PCB 的布局

3.9.2 元件的焊接

3.10 本章小结

第四章 测压系统软件设计

4.1 A/D 转换工作状态设计

4.2 存储读写模块

4.3 RS‐232 通信模块

4.3.1 顶层模块

4.3.2 波特率发生器

4.3.3 UART 发送器

4.3.4. UART 接收器

4.4 本章小结

第五章 超声测压信号处理方法研究

5.1 信号的卷积基本概念

5.2 超声检测信号模型

5.2.1 超声信号特性分析

5.2.2 超声信号传输模型

5.2.3 超声信号离散形式

5.2.4 超声信号回波数学模型

5.3 超声信号稀疏解卷积

5.3.1 超声信号稀疏解卷积的提出

5.3.2 超声信号稀疏表示与解卷积

5.3.3 稀疏解卷积算法及实验分析

5.3.4 稀疏解卷积在超声测压中的实验结果与分析

5.4 声速——压力数学模型

5.4.1 人工神经网络的介绍

5.4.2 BP 网络的介绍

5.4.3 基于 BP 网络的声速‐压力模型构建及实验分析

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 论文完成的主要研究工作

6.2 展望

参考文献

致谢

附录Ⅰ 实验硬件平台

附录Ⅱ A/D 采样模块原理图

附录Ⅲ CPLD 控制电路图

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文