2.3 基于超聲波的液壓機構壓力測量技術

液壓傳動是在密閉管路中以液體為工作介質傳遞動力、轉換能量和控制運動的一種傳動形式。液壓機構具有以下的顯著優點：①能夠傳遞較大的動力，在同等功率下，體積更小、結構更為緊湊；②工作平穩，反應快且沖擊小，易于實現快速起動、制動和頻繁的換向；③能在給定范圍內平穩調速，且可在大范圍內實現無級調速。由于液壓機構具有諸多優點，其在高電壓等級斷路器中得到了廣泛應用。

液壓機構通常由動力元件、執行元件、控制元件、輔助元件和工作介質五部分組成。其中，工作介質指的是傳動液體，通常稱為液壓油。在長期的運行過程中，液壓機構不可避免地會出現各種故障。液壓機構的故障通常具有隱蔽性、復雜性、隨機性和分散性等特點。與電控及機械系統相比，液壓機構的故障率更高、故障檢測定位更為困難。液壓機構故障不僅會影響斷路器正常的合分閘操作，甚至會造成斷路器拒合、拒分，擴大電網事故，給電力系統帶來嚴重的危害和巨大的損失。因此，為了減小由于液壓機構故障所帶來的損失，液壓機構在線的運行狀態監測、及時的故障預警以及快速的故障定位和診斷是十分必要的。

液壓系統是依靠液體壓力來進行能量傳遞的。因此，壓力參數及其變化過程可以反映液壓機構內部的特征信息，是進行系統故障定位和診斷的重要指標。傳統的液壓測量方法需要在待測管道上鉆孔，安裝壓力傳感器、壓力表或者壓力敏感元件，會破壞系統的密閉性，這些檢測接口也會引入新的安全隱患。非介入式液壓測量方法利用安裝在管外的檢測源所提供的檢測介質間接地感知管內液體的信息。超聲波具有方向性好、穿透力強、抗干擾能力強及對人體無害等諸多優點，使其從眾多非介入式液壓測量方法中脫穎而出。然而，高壓斷路器液壓操動機構的管徑細、壓力高、動作時間短及工作環境溫度變化范圍大等特點，對超聲波液壓測量提出了新的挑戰。

2.3.1 高壓斷路器液壓機構超聲測量方案

超聲波在液壓油中的傳播特性會受到壓力、溫度、流速和安裝等因素的影響。為了實現高準確度的液壓測量，必須首先研究這些因素對液壓測量所造成的影響，并在測量過程中予以修正或補償。

1.超聲波液壓測量的基本原理

超聲波是頻率大于2×10⁴Hz的聲波，也是一種由彈性振動形成的機械波，需要能量載體來進行傳播。超聲波在介質中傳播時，會產生反射、干涉、疊加和共振現象。根據在傳播介質中的振動方向與傳播方向相同與否，超聲波被劃分為縱波、橫波、表面波和板波四類。其中，縱波在固體、液體和氣體中均能傳播；而橫波只能在固體中傳播。如圖2-17所示，由于液體的壓力僅影響超聲波在液體中的傳播速度，而不影響超聲波在固體中的傳播速度，因而在油液帶壓前后，管壁回波的接收時間不發生變化，而油液回波的接收時間將發生變化。

超聲波的發射和接收是通過超聲波探頭來完成的。其中，壓電式超聲探頭因轉換效率高、具有可逆效應等優點而應用最為廣泛。探頭主要由壓電晶體、阻尼塊、保護膜和外殼等部分組成。其中，縱波探頭又稱直探頭，用于發射和接收縱波；而橫波斜探頭實際上是由直探頭加透聲斜楔組成的。為了提高耦合效果，通常在探頭與待測管表面之間涂抹一層透聲的介質，稱之為耦合劑。耦合劑主要起傳遞超聲波能量的作用。它能在探頭與待測管表面之間排除空氣，使超聲波有效地傳入管內。常用的耦合劑有工業黃油、凡士林和硅脂等。

對于每一次測量過程而言，油液回波在管道內的傳播時間都是由縱波在油液中的傳播時間、橫波在管壁內的傳播時間t′和時間延遲t″共同組成的。其中，t′在油液帶壓前后不發生變化;t″是指探頭、耦合材料、連接電纜和接收電路等引起的時間延遲，其在油液帶壓前后也不發生變化。因此，當油液不帶壓時，超聲波油液回波的接收時間，即從發射探頭發出超聲波到接收探頭收到油液回波所用的時間t₁為

式中 L——超聲波在油液中的傳播路程（m），在液體帶壓前后不發生變化；

v₀——超聲波在油液未帶壓時的傳播速度（m_·s^-1）。

如圖2-17所示，當油液所帶壓力為X MPa時，從發射探頭發出超聲波到接收探頭收到油液回波所用的時間t₂為

式中 Δv——油液帶壓后超聲波傳播速度的變化量（m·s^-1）。

于是，油液帶壓前后，油液回波的接收時間的變化量為

當溫度一定時，超聲波在液壓油中傳播速度的變化量Δv是液體壓力P的函數，于是P可以表示為以油液回波接收時間差Δt為自變量的另一函數。因此，通過測量油液帶壓前后油液回波接收時間的差值就能求取液體所帶的壓力值。

然而，在實際應用中，由于安裝偏差和液體溫度會對測量造成較大的影響，因此為了實現這一測壓方案，需要對它們的影響進行必要的修正或補償。

2.探頭安裝方式及其安裝偏差對液壓測量的影響

如圖2-18所示，超聲波探頭TRA、TRB和TRC安裝在同一待測管道外。從圖中可以看出，當TRA和TRB為橫波斜探頭時，超聲波的傳播路徑大于TRA和TRC為縱波探頭時的傳播路徑，有利于小管徑情況下的液壓測量。

橫波斜式探頭TRA和TRB間超聲波的傳播過程為：探頭TRA產生的橫波首先斜入射到管壁中，然后繼續傳播直至遇到管壁與油液的交界處，此時聲波一部分發生反射，并繼續在管壁內傳播直至被探頭TRB接收；另一部分折射進入液壓油中，由于超聲橫波只能在固體中傳播，而超聲縱波在固體、液體和氣體中均可以傳播，因此此時將發生波形轉換，僅有縱波進入液壓油中。此后縱波在液體中傳播，遇到液固交界處發生反射和折射，反射波繼續在液體中傳播，最后遇到液固交界處部分折射后被探頭TRB所接收。所以，探頭TRB所接收的回波信號包括管壁回波和油液回波兩部分。其中，管壁回波是經管壁傳播后被探頭TRB所接收的，而油液回波則是從管壁透射到液體中傳播后被探頭TRB所接收的。由于油液回波是超聲波在油液中傳播后被接收的，攜帶了被測液體的信息，因而是測量中重點關注的信號。此外，為了減小流速對于測量的影響，可以選用收發兼用的探頭。即超聲探頭TRA作為發射探頭，TRB作為接收探頭完成一次測量過程，然后TRB作為發射探頭，TRA作為接收探頭再完成另一次測量過程，最后取兩次測量結果的均值作為最終的結果。由于管道內的液體并不是完全靜止的，采用這種方法能夠減小流速帶來的影響，從而提高測量的準確度。

在相同壓力條件下，不同安裝位置、角度等常常會得到不同的測量結果。也就是說，探頭安裝方式之間的差異導致了測量結果的分散性。將在同一待測管重復安裝探頭數次，每一次安裝之間所存在的空間上的差異定義為安裝偏差。對于不同次安裝而言，安裝偏差主要體現在探頭與管道的軸向平行與否，探頭平面與管外徑的切面重合與否，以及液壓油、耦合劑等因素的影響相同與否等方面。實驗研究表明，探頭的安裝偏差主要影響超聲波油液回波的強弱，具體體現在油液回波信號幅值的波動和上升延的陡峭程度的波動上。自動增益控制（Automatic Gain Control，AGC）電路是一種運用于雷達、接收機等設備中的信號處理電路，主要用于當輸入信號大幅度變化時，維持設備的輸出電平恒定。AGC電路能較好地改善這種幅值大范圍變動的狀況。

3.溫度對液壓測量的影響

液壓油是由基礎油與添加劑調和而成的。其中，礦油型液壓油由于具有黏度范圍寬、黏溫特性好、抗氧化性好、抗腐蝕性好及潤滑性好等優點而在工業中得到了廣泛的應用。液壓油的主要成分見表2-1。

液壓油的化學性質主要由烴類決定，烴類物質按照聲學特性屬于Kneser液體，具有如下特點：①在一定溫度下，超聲波傳播速度會隨著液體壓力的增加而線性地增加；②在一定壓力下，超聲波傳播速度會隨著液體溫度的增加而線性地減少；③壓力越高，溫度的影響就越弱。因此，超聲波在液壓油中的傳播速度不僅會隨著液體壓力的變化而變化，而且還會隨著液體溫度的變化而發生變化。圖2-19是在零壓力情況下，超聲波在油液中的傳播時間隨油液溫度變化的關系圖。

從圖2-19中可以清楚地看出，超聲波在液壓油中的傳播時間隨油液溫度的增加而增加，且傳播時間的變化量與溫度之間近似呈現出線性的變化關系。因此，在超聲波傳播路徑不變的情況下，超聲波在油液中的傳播速度會隨油液溫度的增加而減小。實驗表明，溫度每變化1℃時所引起的流體中聲速的變化率約為0.2%。

設超聲波在液壓油中的傳播路程L=26mm，超聲波在液壓油中的初始傳播速度v₀=1500m/s，則當溫度變化量ΔT=10℃時，超聲油液回波的接收時間變化量Δt_T為

該油液回波接收時間變化量相當于壓力變化1MPa時所引起的油液回波接收時間的變化量。由于受工作環境、散熱條件和機構動作等因素的影響，液壓系統中液壓油的溫度常常會產生較大的波動。因此，必須對液壓測量過程中溫度的影響給予修正。

2.3.2 液壓測量系統的硬件結構

為了實現基于液壓油加壓前后超聲波油液回波接收時間變化量，并考慮流速、管徑、安裝偏差和溫度影響的液壓測量方法，需要在核心控制單元的協調控制下，由測量通道選擇電路、超聲波發射電路、超聲回波接收電路、時間測量電路和溫度測量電路共同作用來完成。其中，為了減小流速、安裝偏差和溫度對于測量的影響，需要分別設計測量通道選擇電路、自動增益控制電路和溫度測量電路來實現。

1.總體設計

液壓測量電路的硬件結構如圖2-20所示。該硬件電路以單片機為核心，主要包括測量通道選擇電路、超聲波發射電路、超聲回波接收電路、時間測量電路和溫度測量電路。其中，測量通道選擇電路用來實現兩路測量通道的選擇切換；超聲波發射電路用來激發超聲探頭產生超聲波；超聲回波接收電路用來對超聲回波信號進行處理，它又包括信號調理電路、AGC電路和比較電路三部分；時間測量電路用來準確測量油液回波的接收時間；溫度測量電路用來實時測量待測點的溫度。

將一對橫波斜入射探頭和一個鉑熱電阻安裝在待測管管壁上，以完成壓力值和溫度值的采集工作。其中，TRA作為發射探頭、TRB作為接收探頭時的具體工作原理為：首先，單片機控制超聲波發射電路施加高壓脈沖到超聲波探頭TRA上，探頭產生超聲波，超聲波經管壁和油液傳播后被接收探頭TRB所接收；其次，接收探頭上的信號依次經過濾波、放大、獲取油液回波、檢波、自動增益控制和比較處理后，整形轉換為方波信號；然后，該方波信號經測量通道選擇電路送入高準確度時間測量電路進行測量；最后，油液回波接收時間值被送入單片機作進一步的分析和計算。

2.測量通道選擇電路

為了減小流速對于液壓測量的影響，這里采用收發兼用的探頭，探頭TRA和TRB分別作為發射探頭和接收探頭各完成一次測量過程。為了實現這一過程，需要設計測量通道選擇電路，以及兩路超聲波發射電路和兩路超聲回波接收電路。兩路超聲波發射電路和兩路超聲回波接收電路的原理相同，且它們共用一套時間測量電路來對油液回波的接收時間進行測量。

圖2-20中，對于探頭TRA作為發射探頭，TRB作為接收探頭的測量通道1，其工作原理為：單片機輸出的控制信號START1被同時送往探頭TRA的超聲波發射電路和測量通道選擇電路，TRB接收到的信號經超聲回波接收電路處理后（STOP1）也被送往測量通道選擇電路。探頭TRB作為發射探頭，TRA作為接收探頭的測量通道2也完成相同的工作過程。其中，通道選擇切換工作由測量通道選擇電路來完成，它選出相應的測量通道信號并送往時間測量電路進行測量。

測量通道選擇電路由單片機控制的二選一模擬開關來實現。這里選用三路二選一模擬開關54HC4053，具體的電路原理如圖2-21所示。

單片機的兩個I/O口直接與54HC4053的A、B控制端相連。當A、B輸入均為低電平時，將選擇測量通道1的輸入信號START1及測量通道1的回波處理輸出信號STOP1接入時間測量電路；相反，當A、B輸入均為高電平時，將選擇測量通道2的輸入信號START2及測量通道2的回波處理輸出信號STOP2接入時間測量電路。

3.超聲波發射電路

超聲波發射電路是用來驅動激發超聲波探頭產生超聲波的電路。超聲波探頭相當于一個帶通濾波器，受到窄脈沖激勵后將發出超聲脈沖。為了得到良好的超聲波信號，要求激勵信號為高頻、高壓脈沖。經過實驗分析，這里利用電容瞬間放電法所產生的高功率脈沖來作為激發超聲波探頭所用的尖脈沖信號。

設計超聲波探頭激發電路如圖2-22所示。當晶閘管的門極電壓為低電位時，晶閘管關斷，直流高電壓500V通過旁路電阻R₁給儲能電容C充電；當晶閘管的門極電壓為高電位時，晶閘管導通，儲能電容C儲存的能量通過晶閘管，二極管VD₁、VD₂向超聲波探頭放電，此時尖脈沖電壓的幅值可達-300V以上。

4.超聲回波接收電路

為了測量油液回波的接收時間，超聲波接收探頭所接收到的回波信號需要經超聲回波接收電路進行處理，并最終轉換為適合后續時間測量電路使用的方波信號。

回波信號的處理過程包括如下幾個步驟：①設計合理的信號調理電路將回波微弱信號放大；②將經過放大濾波后的超聲回波信號經選擇分離后送入檢波電路，得到需要的油液回波包絡信號；③將該包絡信號送入AGC電路，得到基本恒定的輸出；④將AGC電路的輸出送入固定電壓比較電路，得到所需要的方波信號。

由于要處理的信號為超聲波油液回波脈沖，適合選用峰值型AGC電路，即利用輸出信號的峰值來產生增益控制電壓，具體實現方案如圖2-23所示。其工作原理為：首先，應用峰值保持電路對輸出信號的幅值進行峰值檢波并保持，A/D轉換器采樣這一峰值電壓并送入單片機進行處理；其次，單片機通過一定的算法計算得到信號的放大倍數并將其通過D/A轉換器輸出；最后，該輸出電壓作為增益控制電壓送入增益可變放大器的控制端，進而調節輸入信號的幅值，使其達到設定值。該方案中，信號輸出保持和放大調節采用模擬電路實現，而信號的采集和增益控制電壓的計算輸出采用數字電路實現。圖2-24為AGC處理后的油液回波波形圖。

5.時間測量電路

這里所提出的液壓測量方法需要測量油液帶壓前后接收到超聲波油液回波信號的時間差值。由于超聲油液回波信號的接收時間在液壓油施加壓力前后變化微小，通常在施加10 MPa壓力的液壓油中，油液回波信號接收時間的變化值僅為幾百納秒，所以對時間測量的準確度要求較高。于是，在時間測量電路中選用TDC（Time to Digital Converter）系列芯片。該芯片是以信號通過內部門電路的傳播延遲來進行高準確度時間測量的。它由START信號觸發，接收到STOP信號停止。由環形振蕩器的位置和粗值計數器的計數值來計算START信號和STOP信號間的時間間隔。它通過四線SPI標準接口與單片機相連并進行數據通信。時間測量電路的原理圖如圖2-25所示。

在本液壓測量電路中，單片機產生脈沖信號控制超聲波發射電路產生超聲波的同時，將該脈沖信號經測量通道選擇電路送入時間測量芯片的START端作為START信號，超聲波回波信號經過超聲回波接收電路處理轉換為方波信號后，同樣將經測量通道選擇電路送入芯片的STOP端作為STOP信號，這樣就可以測得超聲波油液回波的接收時間。測量結束后，通過SPI接口將測量結果傳送至單片機以作進一步處理。

6.溫度測量電路

要補償溫度對于液壓測量的影響，首先需要對溫度值進行測量。溫度測量電路在單片機的控制下完成對待測點溫度的測量功能，其電路原理圖如圖2-26所示。測量原理是基于測量對的放電時間。所謂測量對即安裝在待測管管壁的鉑熱電阻Pt500和對溫度不敏感的參考電阻R。測量開始后，電容C分別對鉑熱電阻和參考電阻進行放電。時間測量芯片TDC會自動測量每一電阻和電容組成的RC網絡的放電時間。

同一電壓對參考電阻R的放電時間t₀是固定不變的，而對鉑熱電阻R_Pt的放電時間t是隨溫度而發生變化的。于是電容放電時間與電阻間存在如下關系

因此，通過測量得到時間值，經過計算可以得出鉑熱電阻的阻值，再根據鉑熱電阻阻值與溫度間的關系就可以得到實時的溫度值。

2.3.3 液壓測量系統的軟件實現

為了完成液壓測量的功能，需要軟件程序來協調控制其他各部分電路的工作，并完成壓力值的擬合計算。每次測量的具體工作流程為：首先，選擇測試通道并控制發射電路產生超聲波，同時啟動時間測量電路和溫度測量電路；然后，控制油液回波獲取電路分離出油液回波信號，再進入AGC控制子程序；最后，回讀時間測量和溫度測量的數據，并利用一定的算法擬合計算出所需要的壓力值。

1.基于兩次線性擬合的液壓計算

在科學研究和工程設計中，通過實驗觀測得到一組數據（x_i，y_i），i=1,2，…，n，來尋求兩個物理量x與y之間近似的解析函數關系式，就叫作數據擬合或者函數擬合。若擬合函數是一條直線，即

式中 a、b——待定系數。

則求取a、b值的問題為一元線性擬合問題。

其中

式中 q——觀察數據與擬合曲線的偏差的二次方和。

按照最小二乘原理，a、b的取值應使q達到極小值。當溫度和壓力中的一個參數變化而另一個參數固定時，超聲波在液壓油中的傳播速度是隨溫度或者壓力線性變化的。基于液壓油的這一特性，采用基于線性擬合的溫度補償和壓力計算方法。首先，實驗得到溫度和壓力單獨變化時超聲波傳播速度的變化量，然后通過線性擬合得到相應的變化系數，最后運用于實際的液壓測量場合進行計算。

當壓力P保持不變時，超聲波在液壓油中的傳播時間和傳播速度的變化均由溫度的變化引起。此時已知L和v₀，就可以根據測得的時間差值求出傳播速度的差值。設

式中 Δv_T——溫度變化引起的超聲波傳播速度的變化量（m·s^-1）；

A、B——線性擬合系數；

ΔT——溫度的變化量（℃）。

同理，當溫度T保持不變時，超聲波在液壓油中的傳播時間和傳播速度的變化均由壓力的變化引起。此時

式中 Δv_P——壓力變化引起的超聲波傳播速度的變化量（m·s^-1）；

C、D——線性擬合系數；

ΔP——壓力的變化量（MPa）。

其中，系數A、B、C和D均可以通過線性擬合求出。

假設溫度和壓力對超聲波速的影響是相互獨立的，則

于是，可以得到

即實際計算中，輸入測得的油液回波接收時間變化量 Δt、溫度變化量 ΔT，就可以求出液體壓力的變化量ΔP。

2.基于雙輸入參數BP網絡的液壓計算

由于L和v₀不便于準確測量，這里提出另一種直接利用壓力P和油液回波接收時間差Δt之間的關系進行計算而不再換算中間變量Δv的擬合計算方法。為了更好地補償溫度對液壓測量的影響，進一步提高液壓測量的準確度，將溫度的補償方法也一并納入以上計算中。具體來說，將聲速的變化量視為溫度和壓力共同作用的函數，由式（2-21）可得

其中，忽略溫度的變化所引起的管壁熱膨脹，認為傳播路程L不隨溫度變化。于是，液體的壓力可以表示為時間差Δt和溫度T共同決定的另一函數，即

P=g（Δt,T）

由于油液回波接收時間差、溫度和壓力間的關系是非線性的，無法由一簡單的數學公式準確地獲得，因而本書采用BP神經網絡算法來對這一關系進行模擬，即將實時采集得到的溫度值和時間差值作為網絡的輸入，壓力值作為網絡的輸出，通過訓練好的網絡來擬合壓力值。

具體的原理是：將超聲探頭和鉑熱電阻安裝在待測管壁上，通過液壓測量系統來實時測量油液回波接收時間的差值和油液的溫度，并將測得的時間差和溫度作為BP神經網絡的兩個輸入參數，通過訓練好的網絡來擬合液壓值。為了實現這一擬合計算方法，首先需要通過實驗測量不同溫度、不同壓力條件下超聲波油液回波接收時間的差值，并利用這些樣本來訓練BP神經網絡。BP網絡的學習訓練過程如圖2-27所示。然后，通過訓練好的網絡來擬合壓力值，其流程圖如圖2-28所示。

在實現BP算法的過程中，由于網絡的輸入輸出參數是不同的物理量，對應不同的物理意義和單位，故應對其進行歸一化。即通過變換將網絡的輸入輸出數據限定在［0,1］范圍內，這樣有利于加快網絡的收斂速度，提高網絡的擬合能力。