基于TDC的超聲波壓力檢測系統(tǒng)設計與建模分析.pdf

1、壓力容器應用廣泛，數(shù)量龐大，它涉及到工業(yè)生產(chǎn)和生活的眾多領域。作為承壓設備的典型代表，此類設備往往承載著易燃、易爆、劇毒或腐蝕性介質(zhì)，一旦出現(xiàn)意外事故往往會造成嚴重的安全事故和經(jīng)濟損失。過壓是引起壓力容器安全事故的主要原因，因此，實時對該類設備的壓力參數(shù)進行檢測和控制就顯得非常重要。傳統(tǒng)的壓力檢測方法分為介入式和非介入式兩種，本文在研究了國內(nèi)外非介入式壓力檢測技術的基礎上，針對目前測量方法存在的設備成本高，無法在線測量等不足，設計了一套

2、在線壓力測量裝置。同時，針對低壓段壓力與超聲波傳播時延之間非線性嚴重的問題，提出了一種基于響應曲面法的測量模型建模方法;針對檢測系統(tǒng)容易受到探頭安裝、溫度、耦合劑以及信號處理電路等因素影響，提出了一種基于相鄰縱波時延間隔的壓力測量方法。本文的主要工作和創(chuàng)新點包括:
　　(1)提出了一種基于響應曲面法的壓力測量模型。由于殘余應力和溫度的影響，壓力與時延之間在低壓段呈現(xiàn)局部非線性關系。為提高壓力檢測的精度，本文采用響應曲面法和多波融合

3、的思想，建立了基于響應曲面法的多元非線性壓力測量模型，并根據(jù)變量和模型的顯著性，優(yōu)化了模型結構。實驗結果表明，該模型可以實現(xiàn)較高的檢測精度，調(diào)整的擬合優(yōu)度達到0.998，均方根誤差達到0.1MPa，平均相對誤差達到3.3％。
　　(2)提出了一種基于相鄰縱波時延間隔的測量方法。利用TDC在單個測量周期可同時進行三個時間信號測量的能力，可以采集同一個激發(fā)信號所產(chǎn)生的多個縱波（臨界折射縱波或反射縱波），該方法可以克服超聲波探頭起振時間

4、不一致、耦合劑、超聲波激發(fā)和接收電路、探頭固定特性等不一致所帶來的影響，提高壓力測量精度。實驗結果表明，采用該方法獲得的時延數(shù)據(jù)具有較好的重復性，壓力測量均方根誤差達到0.165MPa，平均相對誤差達到3.61％。
　　(3)設計了一套基于TDC-GP22的超聲波在線壓力檢測設備。根據(jù)對聲彈性理論和薄殼理論的研究，壓力容器內(nèi)的壓力可通過對超聲波渡越時間的測量來確定。本文采用MSP430F149為MCU，以TDC-GP22時間數(shù)字芯