吴晓庆李艾华李芳/ 第二炮兵工程学院介绍一种时差法超声波流量检测系统系统以两超声探头同侧 型安装方式，采集顺、逆流回波信号经插值后作互相处理，由互相关函数的峰值得出两 回波信号的时差，间接测出流量插值算法的引入，提高了回波信号的时间分 辨率，实现了微小时差的测量该系统测量精度高、统计特性好，在液压系统 的测量中取得了较理想的效果V关键词超声波；流量检测；互相关；时差基于互相关理论的时差法 超声波流量检测系统1 引言2 测量原理()FFT1VL1TRATRBKQCch1(n)ch2(n)ch1(n)ch2(n)液压系统传动比大、运行平稳、响应快等特点， 在各种机械设备及自动控制系统中得到了广泛的应用流量是反映液压系统状态的主要参数之一，是液 压系统故障诊断的基础超声波管外测量通过检测超声波回波信号即可得到流量信息，具有不破坏流体流 场，没有机械惯性，瞬态响应快、动态测量能力强、安装方便等优点，广泛的应用于液体、气体的流量检 测超声波流量检测是通过检测流体流动对超声脉冲 的作用以测量流速进而转化成流体流量的根据对信号检测的原理，超声流量检测可分为传播速度差法 直接时差法、时差法、相位法和频差法 、波束偏移法、多普勒法等。
时差法流量检测又分过零平均法和互相 关法互相关流量测量技术是以随机过程互相关理论 为基础发展起来的一种超声波流量检测技术随着算法的快速发展极大的提高了在频域内进行互相关运算的速度，促进了互相关流量测量技术的发展时差法超声波流量检测原理如图 所示，一对超声波换能器采用管外 型安装方式，换能器安装时前端面的距离为 在图 测量方案中， 超声波换能器和在控制电路的作用下，将同时发射超声波脉冲，并同时接收对方发射的超声波信号超声波换能器的 值决定了超声波信号入射角θ 的大小，而管道材料和 值将共同决定θ 的大小，θ将 由管道材料和被测流体的类型所决定根据流体力学理论可知，只要测得流体的线流速并加以校正，获得面流速的大小，就可得到流量 设超声波顺流和逆流到达接收探头的时差为Δ ，静止流体中的声速为，通过推导可以得到流体流速的计算公式：两通道高速数据采集卡同时采集两探头接收到的数据，得到采集序列和，序列中点的序数与采样周期的乘积即是该点代表的时间通过分析处理和，可以精确地测得Δ，而θ 是一个由0Ktt1201202超声波信号发射后以θ 的角度穿过换能器斜楔，在换能器界面发生折射后，超声波以θ 的角度穿过管 壁，在管壁与被测流体的分界面上发生第二次折射，此后超声波信号以θ 穿过被测流体达到对面的管壁内 侧面，经反射后超声波信号按相反的顺序进入另外一个换能器。
V=Δ × × × θtC dtg2 0 42(1)学术论文 Academic PapersSHANGHAIMEASUREMENTANDTESTING国内统一刊号CN31-1424T B／ 2 0 0 6 / 2总第1 9 2 期22图1 流量测量示意图TRAV流体方向Lθ0θ1θ2θ2θ1θ0TRB换能器、管道材料、管壁和流体性质确定的量，利用折射定律计算得到，同时利用声速与温度拟合公式，计算出，最后由式准确求出流体流速 ，进而求得流量 采用时差法测量时，获取精确的顺、逆流时差Δ是完成流量测量的前提在硬件实现上，传统的时差法是设计一个超高速计时器，该方法有两个缺点：以发、收波形的某一点的值来计算时差，使计算结果分散性较大；系统的测量精度、时间分辨率受计数频率的影响较大将高速数据采集处理系统引入到液压系统超声波流量测量，用信号处理算法求时差，使时差成为一个统计量，有效地克服了超声波传统时差法测量精度差和不能测量小管径、低流速流体的流量的缺点，提高了时差测量的分辨率和精度超声波流量检测系统硬件电路主要由超声波探头、超声波多路发射接收板、高速数据采集及信号处理板、嵌入式主板、液晶显示屏、薄膜式操作键盘及快速固联装置构成，系统硬件结构框图如图 所示。
系统的工作原理为：嵌入式发出控制信号，超声波收发系统工作，超声波探头 、探头 同时发射超声波脉冲，经过一段时间后，探头 、探头 发射的超声波信号分别进入对方换能器在接通超声波发射电路的同时，嵌入式发出控制信号，高速数据采集系统工作，以的采样速率自动完成超声波信号采集，并将数据存放在× 的高速缓存中，实时记录下两个探头上所出现的一切信号一次信号采集完成后，数据被送入嵌入式进行分析处理，完成流量计算，并以数据和图表的形式输出快速固联装置完成两个超声波探头与被测管路的快速联接互相关法求回波信号时差超声波信号在产生、传播、接收及转化的过程中，难免会受流体内部的随机扰动及硬件电路的干扰而引入噪声，但是从检测模型的分析中可知，两通道的回波信号仍应具有很好的相似性由数据采集通道所得的回波经归一化处理后信号如图 所示由于声波在液体中传播的速度在左右，尤其对于小管径低流速的流量检测，两回波的时差在纳秒数量级上甚至更小为了提高时差的计算精度，对所采集到的回波信号进行样条插值，使插值后的数据长度为原来的倍，以提高回波信号的时间分辨率经过插值后两通道信号分别为和，对它们进行互相关运算得互相关函数，如图 所示为插值后数据长度。
由互相关理论可知，当互相关函数取得最大值时，即为两通道回波全局最相似点设系统的采样频率为 ，回波段信号经插值后数据长度为，若相关函数在点 处取得最大值，则有式可得两通道的时差当 为正时，通道一滞后于通道二；当 为负时，则反之频域内互相关函数算法系统由式对采集的信号进行互相关运算，如果直接在时域中进行计算，则须进行次乘法运算和次加法运算，当超声回波信号的数据较长时，尤其经过插值运算以后，其运算量就变得非常大，降低了系统流量检测的实时性和系统刷新频率维纳－辛钦定理提供了一种互相关函数的快速算法，其原理是由互功率普密度函数间接的得到互相关函数式中：——的频谱；的频谱；和的互功率普密度函数对作变换，即可从互功率普密度函数求得互相关函数CRmMfMM MmmSS(1)VQt(1)(2)PCEL2PC1212PC40MSPS64K8PC4.131500m/s20ch1(m)ch2(m)( )4s N(3)TTT4.2(2)(-1)S ( )R ( )ch1( )ch1( )ch2( )ch2( )( )ch1( ) ch2( )( )IFFT0s1,21,21,21,21,21,23 系统的硬件设计4 回波信号处理1,22MTN- MfmmmmmmmmSmIFFTSm=()/20(3)( )=( )(5)————｜｜超声探头1超声探头21图2 超声波流量检测系统硬件结构框图图3 两通道回波信号图4 两通道回波信号互相关Rmch n chn+mmM MM1,2( )1( )2()=- ,- +1,(2)＝，其中ΛMn=1SmmM1,2( )=1,2,(4)＝，Λch1()ch2( )Mmm23SHANGHAIMEASUREMENTANDTESTING学术论文 Academic Papers2 0 0 6 / 2总第1 9 2 期国内统一刊号 CN31-1424TB／ 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 1300 1320 1340 1360 1380ch1(n) ch2(n)100080060040020001000200030004000该算法只需次乘法运算，比在时域内直接计算互相关函数算法快倍。
本系统在以液压试验台为基础的流量测试上获得成功当管路内径 ≥时，若两探头安装距离确定，两通道回波信号时差随流量增加呈线性增加，流量的测量精度优于±多组测量结果的方差小，可重复性好，为当被测管路内径过小时，如，超声波信号穿过被测流体的时间很短，有用的回波信号可能会被淹没在发射始波区域的各种杂波中，所得到的Δ 可能存在较大的偏差，测量误差增大，可重复性变差系统将互相关理论应用于两通道回波的时差计算，有效克服了以回波某一点值来计算时差导致的计 算结果的分散性和不可重复性与过零平均算法时差计算相比，解决了对回波精确定位要求高的问题，通过两通道回波全局最相似来计算时差，具有更好的统计特征引入的高速实时信号处理技术和算法保证了回波时差计算的实时性和系统的刷新频率试验结果表明，该系统测量精度和可重复性满足一般工业要求，尤其适用于液压系统的流量检测和故障诊断5~100d15mm1%0.5%d<15mmtFFTWu XiaoqingLiAi-huaLi FangM5 试验结果及分析6 结束语参考文献 1.()2000.2.[M].1983.3.[D]2003.4W.Q.Yang, M.S.Beck.An intelligentcrosscorrelatorforpipelineflowvelocity measurement [ J]. Flow MeasurementInstrument, 1997, 8(2): 77-84.Atime-difference ultrasonic flow detection system is introduced,whose two transducers are operated on unilateral V-mode. After the up-stream and down-stream echo signalbeensampled,interpolated and cross-correlated, time-differenceoftheechosignal isgainedin accordancewiththe peak of the echosignal s cross-correlation function. Through thetime-difference,the fluxofthe detectedpipe canbemensurated indirectly.The introducing of interpolationimproves the time-resolutionof theechosignal and the measure of minute time-difference is realized. The systemwith high precision in detection and good statistic characteristic b ehaveswell inthe flux detectionof hydraulic system.ultrasonicflow detectioncross-correlationtime-difference中国机械工程学会无损检测分会《超声波检测》 第二版 ，机械工业出版社，马大猷，沈壕耆 《声学手册》科学出版社，王爱明《液压流量、压力超声检测技术研究》，第二炮兵工程学院硕士论文，′；；；Time-difference Ultrasonic Flow DetectionSystem Based on Cross-correlation Theory(TheSecondArtillery EngineeringInstitute,Xian 710025)Abstract:Key words:学术论文 Academic PapersSHANGHAIMEASUREMENTANDTESTING国内统一刊号CN31-1424T B／ 2 0 0 6 / 2总第1 9 2 期24M2log2詹志强陆福敏黎国栋袁维仁蔡青/ 上海市计量测试技术研究院本文介绍了上海市计量测试技术研究院无线电室为了满足市场需求所建立的数字移动通信综合测试仪自动化校准系统，并介绍了自动系统的组成和测试项目，并 且对测试软件的设计思想以及测试项目进行了简单的介绍。
经过对多个用户近2 0 0 台数字移动通信综合测试仪的校准服务证明本系统设计合理，运行稳定可靠关键词 ；校准；数字移动通信综合测试仪；自动化校准系统数字移动通信综合测试仪全自动 校准系统。