超声波小管径压力检测仪原理与研制

　　2004年增刊超声波小管径压力检测仪原理与研制李芳李艾华吴晓庆（第二炮兵工程学院502教研室西安710025）力检测的基本原理和方法、装备硬件组成结构和工作原理、试验数据与结果分析。具有一定的创新性和较广阔的应用前景。

　　关键字：超声波压力检测1前言液压系统具有传递功率大、结构小、响应快等特点，广泛应用于各种机械设备和自动控制系统中。但是由于系统中各元件和工作液体都是在封闭的油路内工作，在制造时又没有预留检测接口，这就给系统的状态检测和故障维修带来了极大的困难。在这种情况下非介入式检测方式就成为解决这一难题的佳选择。目前，非介入式压力测童方法主要包括电阻应变法和超声波法超声波管外测童方法通过检测超声波回波即可得到油液的压力信息，具有不破坏流体流场，没有机械惯性，瞬态响应快、动态测童能力强、安装方便等优点。本文介绍的检测仪利用超声波在油液中的传播速度受油液压力影响这一特性，通过测量超声波传播时间来测童油液压力。

　　2基本原理与方法2.1基本厢理超声波在液压管路中传播时，压力增加，使得油液密度增加，压缩系数减小，从而导致声速增加。而且在一定温度下，声速随着液压油压力的增加而线性增加。利用超声波传播时间的变化来表示声波传播速度的变化，就可以通过测量超声波传播时间的变化来推导出油液中超声波的速度变化，进而确定油液压力的变化情况。

　　液压油的化学性质主要由烃类决定，烃类物质按声学特性一般属于KneSer液体。根据比卡尔的研究成果，Kneser液体具有以下4个性质：电子测置与仪器学报2004年增刊（1）在一定温度下，声速随压力的增加而线性增加（2）在一定压力下，声速随温度的增加而线性减少；（3）压力越篼，温度影响越弱，在压力波动范围不大的情况下，温度影响可以忽略；2.2方法与横型在一定温度下，声速随油液压力的增加而线性增加，尤其在压力较篼且温度波动范围不大的环境下，其线性关系是稳定的，所以可通过检测声速的变化情况来计算油液的压力。但直接测ft超声波在油液中的速度变化十分困难，而测量其在管道中的传播时间则易于实现，所以需要将压力/声速关系转化为压力/时间关系。

　　对于外径为D的管路，超声波管外压力检测原理如所示。超声波传感器TRA在控制电路的作用下发射一束超声波，同时超声波传感器TRB接收反射的超声波，并转化为电信号输送给数据采集电路。设超声波在油液中传播的声程为I，则：超声波管外测压原理图图中，TRA、TRB为超声波探头；D为被测管道外经；d为管道内径；为超声波探头之间的中心距离；为超声波入射角；负为超声波在管材中的折射角；2为超声波在流体中的折射角。

　　将（2）代入（1）可以得到如下表达式：电子测置与仪学报2004年增刊根据。在接通超声波发射电路的同时，工控计算机发出控制信号，篼速数据采集系统工作，以40MSPS的采样速率自动完成信号采集，并将数据保存在64KX8的高速缓存中。信号采集完成后，数据送入工控计算机进行分析处理，完成压力计算和显示输出。

　　3.2超声波收、发系统组成与工作原理超声波收、发系统是检测仪的硬件核心，其工作状态的好坏直接影响“超声波压力检测仪”

　　检测效能的篼低。收、发系统由振荡电路、升压电路、超声波脉冲发射电路、同步触发控制电路、增益控制电路和信号调理电路组成。

　　超声波发射原理：振荡电路将+12V直流电压输入转变为交流正弦波输出，通过交流变压器将电压升至750V，给储能器件充电。当工控计算机发出控制信号时，同步触发控制电路输出触发脉冲，储能器件放电，其冲击电压加到超声波探头TRA上，由于逆压电效应，超声波探头内的振荡晶体受激振荡产生超声波。

　　超声波接收原理：工控计算机发控制信号，同步触发控制电路输出一个低电平信号，超声波脉冲发射电路关断，放电过程结束，进入充电过程。超声波探头TRB将接收超声波通过压电效应转化为电信号，经过调理电路适当调理以后，送给篼速数据采集系统进行信号采样。

　　4试验结果与分析利用二级压力表为压力标准，在不同压力状态下对外径为022mm的钢制油管内油液进行压力测量，数据曲线如所示。从试验数据曲线可以看出，在较低的压力条件下，测量值与标准值差异不大，随着压力的升篼，误差值有所增加，但相对误差却在减小。相对误差精电子测置与仪学报2004年刊度为±6.该检测仪的研制的目的主要是用于液压系统的故障诊断，为诊断提供一种压力识别手段，所以存在较小的相对误差是允许的。

　　从检测原理上看，利用时差间接求出油液的压力可以避开直接测量声速的复杂性，而且受外界影响小，能够适应较宽的管径测量范围。仪器硬件采用的篼速数据采集系统，具有采样速度快，存取效率篼的特点，具有很好的实时检测性能，及广阔的应用前景。