基于动态波形互相关算法的风速传感器的研究

针对超声波渡越时间检测中采用阈值法易受噪声干扰等问题,采用互相关算法进行回波到达时间检测。在超声波信号处理算法中,选取实时动态参考波形与接收波形进行互相关运算,实现风速测量。相比回波法和静态参考波形法,该方法可以有效克服环境因素变化引起超声波包络形状改变导致的相关性下降。在自主设计的超声波风速传感器上进行温度试验和音速喷嘴气体流量标准装置标定,试验结果表明该方法具有良好的测量准确性与环境适应能力。     

基于能量变化率的气体超声波流量计信号处理方法

针对气体超声流量计信号处理中不易找到稳定的测量特征点的问题,提出了一种基于能量变化率的过零检测信号处理方法,以及最优阈值参数的选取方法。基于能量变化率的过零检测信号处理方法首先求取能量变化率曲线上的关键阈值点,然后回溯到原始波形信号上,找到对应的过零点,并以此作为信号的稳定特征点,进而求得信号的传播时间及气体流量。在以FPGA和DSP为核心的气体超声流量计信号处理系统上实时实现了算法,并进行标定实验,实验结果验证了方法的有效性。     

超声波气体流量计在低压环境的应用

为了验证超声波气体流量计在低压环境的工业适应性,该文自主研发了针对低压环境的矿用超声波气体流量计样机,在压力测试平台上分析了管道压力对超声波接收信号衰减的影响。主要针对负压环境下超声波信号信噪比低的特点,采用窄带滤波结合自动增益控制技术实现了超声波信号的稳定接收,采用相对阈值法结合过零检测法完成超声波渡越时间解算和流量计算。在煤矿负压管道中展开工业性试验,试验结果表明该设计方法测量精度优于±2. 86%。     

一种高精度解包络超声波测距方法

基于超声波渡越时间法的测距原理,提出一种新的渡越时间处理方法。采用三段式正反向交替的瞬态脉冲激励方式,得到具有振动反向的过渡谷点特征的超声接收信号。对该信号进行移动正弦拟合,提取出包络曲线,并通过包络曲线上找过渡谷点,根据过渡谷点的位置与实际距离之间的线性关系,计算测量距离。介绍了以单片机实现该方法的超声测距系统。结果表明:采用这种测距处理方法可以明显提升测量精度,在3～800 mm范围内测量精度优于1 mm。     

基于听觉特性和过零点间隔的多声源定位算法

针对目前声源定位技术的研究现状,研究了人耳听觉系统的生理学和心理学特性,建立了基于人耳听觉系统的多声源定位模型;通过研究信号部分频率成分间的过零点时间间隔与原信号保持一致的特性,提出了用上升过零点模拟听神经的发放行为,从而引入了根据两通道间过零点时间间隔统计特征确定两耳时延的算法,并给出了噪声对时延结果影响的判定方法;相比互相关算法,该算法的计算量较小而抗噪声能力更强,声源的增多不会明显降低定位效果;通过与常用的互相关时延算法对比,仿真实验验证了该算法在较低信噪比情况下,依然可以对多个声源取得较好的定位效果。     

基于改进型正交匹配追踪的TOFD重叠信号分离研究

针对在使用超声衍射时差技术检测焊缝时,对于薄壁试件、近表面或尺寸较小的缺陷,各回波波形之间容易发生重叠和给波达时间的测量带来困难的问题,基于Gabor函数,对传统的正交匹配追踪算法的优化进行了研究,建立了超声TOFD检测信号特征信号库。利用波形的相似性从特征信号库中选择了与检测信号相匹配的最优原子,实现了重叠信号分离以及检测信号稀疏化,设计了超声TOFD实验系统,并对带有人工缺陷的试块进行了相关实验验证。研究结果表明,该技术能够有效分离重叠信号并精确测量超声波波达时间,缺陷测量误差小于0.28 mm。     

热轧管材长度的相关在线检测方法研究

钢管管材长度的在线检测是实现热连轧的基础.介绍利用相关技术进行长度在线检测的原理和方法,详细分析了上下游传感器信号凝固、采样及渡越时间的确定等关键技术以及系统的测量误差.     

基于Laguerre滤波的超声波流量计降噪方法研究

针对气体超声波流量计利用过零检测定位波形脉冲时的干扰因素,以及计算系统对数据处理实时性的要求,对基于Laguerre滤波的递归最小二乘（RLS）降噪算法进行了研究,实现了在处理速度与稳定性上的折中。为信号后处理提供了理想的波形,避免了波形失真导致脉冲漏检、零位判断错误等误差因素的产生,给出了实时性强、波形定位准确、系统稳定性和抗干扰性能良好的气体超声流量计信号处理算法。研究结果表明,基于此算法的气体超声波流量计经检验具备2级精度。     

局部放电在线监测系统研制与超声定位研究

设计了基于超声波、超高频及高频电流3种检测方法的局部放电在线监测系统,在硬件上采用多路信号的同时采集,从而增强了局部放电判定的可靠性。快采慢读数据采集方案,降低了系统的硬件成本。多传感器采集方案更加适用于不同电力设备放电检测。研究了超声定位时延的计算,采用基于FFT的互相关函数法实现了放电点的精确定位。经现场试运验证,设计的系统完全可实现放电信号的提取与定位,并在监控主机上实时显示放电波形与趋势。     

高精度超声回波渡越时间算法研究

针对时差法超声流量计在测量小管径、低流速时测量精度较低问题,在分析常规测时方法误差机理的基础上,采用互相关算法对回波信号进行处理,通过Hilbert变换提取信号包络,以包络的峰值点作为计时基准点得到超声回波信号精确渡越时间。该算法充分利用信号本身的带通特性,达到滤波和测时的目的,运算简单,具有实时性。实验证明该方法具有较高的测时精度和稳定性。     

全波形激光测距幅相误差改正方法

针对全波形激光测距中存在的幅相误差问题,提出一种基于神经网络的幅相误差改正方法。利用非合作目标探测信息,通过提取回波波形的形状信息、能量信息、梯度信息、对称性信息及距离信息特征参数,根据皮尔逊相关系数对特征参数进行分级,建立多回波特征信息与幅相误差改正的神经网络模型以校正全波形激光测量中各通道幅相误差的影响。实验使用5%、20%、60%、80%标准反射板及激光采集模块在室内对7种距离进行数据分组采集和处理,并与传统测量方法进行对比。结果表明,该方法可以有效减小全波形激光测量中幅相误差的影响,测量精度提高了51.2%以上。     

应用微分算法处理特种管道测厚激光超声信号

为了实现特种管道在高温、高压、辐射等特殊环境下管壁厚度的非均匀性检测,提出一种基于微分算法的管道壁厚激光超声测量及特征信号处理方法。采用脉冲激光激励和激光干涉探测的激光超声方法,实验测得管道试件的宽频带激光超声信号。采用数字平均算法对宽带激光超声信号进行去噪处理,提高原始激光超声信号的信噪比。采用微分算法对激光超声信号进行特征提取处理,得到表征管壁厚度的激光超声特征信号。根据管道材料声速和激光超声传播时间反演计算得到管道试件的壁厚值,管壁厚度测量值与实际值的误差小于5%。研究表明,基于微分算法的管道壁厚激光超声测量及特征信号处理方法具有良好的信噪比、准确的信号特征量和较高的测量精度,可用于管道壁厚的在线实时检测以及因腐蚀、应力引起的管道壁厚不均匀性检测。     

上游弯管对超声波流量计精度影响及整流设计

针对上游弯管流场变化对超声波流量计测量精度的影响,利用CFD对测量管道内部流场进行数值仿真模拟,并设计整流器改善由弯管导致的明显的二次流和涡流等情况,以减小超声波流量计测量误差。研究对象为基于时差法的DN15超声波液体流量计,流量范围在0.1～1.5 m~3/h内,上游弯管与流量计之间测试直管段距离为2～20D。对比超声波流量计加装整流器前后测量误差,通过实验结果验证,未整流时流量计随着直管段越短测量误差越大,安装的整流器可以改善管道内流场的速度分布,将直管段长度缩短为10D,提升超声波流量计测量误差满足在±1.5%以内,验证了数值模拟的正确性,对工程实际应用具有一定指导意义。     

An accurate air temperature measurement system based on an envelope pulsed ultrasonic time-of-flight technique

A new microcomputer based air temperature measurement system is presented. An accurate temperature measurement is derived from the measurement of sound velocity by using an ultrasonic time-of-flight (TOF) technique. The study proposes a novel algorithm that combines both amplitude modulation (AM) and phase modulation (PM) to get the TOF measurement. The proposed system uses the AM and PM envelope square waveform (APESW) to reduce the error caused by inertia delay. The APESW ultrasonic driving waveform causes an envelope zero and phase inversion phenomenon in the relative waveform of the receiver. To accurately achieve a TOF measurement, the phase inversion phenomenon was used to sufficiently identify the measurement pulse in the received waveform. Additionally, a counter clock technique was combined to compute the phase shifts of the last incomplete cycle for TOF. The presented system can obtain 0.1% TOF resolution for the period corresponding to the 40 kHz frequency ultrasonic wave. Consequently, with the integration of a humidity compensation algorithm, a highly accurate and high resolution temperature measurement can be achieved using the accurate TOF measurement. Experimental results indicate that the combined standard uncertainty of the temperature measurement is approximately 0.39 degrees C. The main advantages of this system are high resolution measurements, narrow bandwidth requirements, and ease of implementation.     

A novel method for digital ultrasonic time-of-flight measurement

Most ultrasonic ranging measurements are based on the determination of the ultrasonic time-of-flight (TOF). This paper develops a novel method for the TOF measurement which combines both the improved self-interference driving technique and the optional optimization signal processing algorithms. By stimulating the transmitter with the amplitude modulation and the phase modulation envelope square waveforms (APESWs), the proposed system can effectively reduce the errors caused by inertia delay and amplitude attenuation. In addition, based on different signal-to-noise ratio test conditions, the resultant received zero-crossing samples, which are deteriorated by noise, can be precisely inspected and calculated with two optimized algorithms named zero-crossing tracking (ZCT) and time-shifted superposition (TSS) method. The architecture of the designed system is divided into two parts. The novel APESW driving module, the received envelope zero-crossings phase detection module, and the ZCT method processing module are designed in a complex programmable logic device. The TSS signal processing module and the optimization algorithm discrimination program module are integrated in a digital signal processor. The TOF measurements calibrated in ultrasonic ranging experiments indicate that the relative errors of the method are limited in ±0.8%. Therefore, a feasible method is provided with the advantages of high noise immunity, accuracy, low cost, and ease of implementation.     

一种用于超声信号降噪的非凸变量重叠 群稀疏变分方法

粗大晶粒产生的大量散射噪声而导致的超声检测信号信噪比低问题是粗晶结构超声检测面临的一大难题。针对现有稀疏降噪方法在波形失真和幅值衰减方面的不足,本文提出了一种基于非凸变量重叠群稀疏变分的超声信号降噪方法。基于含散射噪声的典型超声信号,分析了非凸变量重叠群稀疏变分方法的主要参数(如非凸变量函数类型、正则化参数和乘法因子等)对其降噪效果的影响,并确定了适合超声信号降噪处理的参数选择依据。在此基础上,将非凸变量重叠群稀疏变分方法应用于典型钢锭超声检测信号的降噪处理。结果表明,该方法能够很好剔除钢锭超声检测信号中的散射噪声,提高了钢锭超声全聚焦成像的信噪比6 dB以上,研究工作为粗晶材料超声检测作了有益探索。     

基于超声波雷达的改进车位检测算法研究

针对传统车位检测算法因难以捕捉距离跳变和确定车位姿态而导致检测准确性不足的问题,提出了一种基于拟合特征线段的改进车位检测算法。针对超声波雷达幅值衰减设计了能量增益补偿方案;根据车辆实时位姿和超声波距离数据拟合代表障碍物轮廓的特征线段,借助激光雷达对特征线段拟合精度进行评价,并进一步设计了融合车位初步检测、车位再判断、车位约束条件判断及车位姿态计算的检测流程。利用实车平台对所提算法进行了实验验证,实验结果表明,所提算法的平均检测准确率达92.5%,能为智能汽车泊车系统提供准确、可靠的目标车位信息。     

基于超声波的手势识别设备的研究

设计了一套基于主动超声技术的低成本、低功耗的手势识别装置,可以用来实现无接触式的人机交互。采用STM32为主控核心,发射超声波并使用4通道超声性能稳定的麦克风接收经过物体反射后的回波信号。在单片机内使用改进的过零检测法估算回波频率,并将回波的频率和幅值作为手势识别的特征,使用USB或串口传输至上位机。经验证,特征信息可反映用户手在垂直方向和水平方向的运动。     

基于时频分析的移频轨道交通信号检测方法

针对传统方法对交通信号检测时,由于未能提取交通信号的时频特征,导致信号检测时存在检测精度低、检测误差大和噪声频率不稳定等问题,提出基于时频分析的移频轨道交通信号检测方法。首先利用时频分析法对移频轨道交通信号的时频特征进行提取;再基于提取的信号时频特征,利用信号的概率密度函数获取交通信号的信号双谱;最后利用卷积神经网络分类处理有双谱的交通信号,实现信号检测。实验结果表明,该方法检测信号时,检测精度高、检测误差小,以及噪声频率稳定。