2.3 基于超声波的液压机构压力测量技术

液压传动是在密闭管路中以液体为工作介质传递动力、转换能量和控制运动的一种传动形式。液压机构具有以下的显著优点：①能够传递较大的动力，在同等功率下，体积更小、结构更为紧凑；②工作平稳，反应快且冲击小，易于实现快速起动、制动和频繁的换向；③能在给定范围内平稳调速，且可在大范围内实现无级调速。由于液压机构具有诸多优点，其在高电压等级断路器中得到了广泛应用。

液压机构通常由动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件和工作介质五部分组成。其中，工作介质指的是传动液体，通常称为液压油。在长期的运行过程中，液压机构不可避免地会出现各种故障。液压机构的故障通常具有隐蔽性、复杂性、随机性和分散性等特点。与电控及机械系统相比，液压机构的故障率更高、故障检测定位更为困难。液压机构故障不仅会影响断路器正常的合分闸操作，甚至会造成断路器拒合、拒分，扩大电网事故，给电力系统带来严重的危害和巨大的损失。因此，为了减小由于液压机构故障所带来的损失，液压机构在线的运行状态监测、及时的故障预警以及快速的故障定位和诊断是十分必要的。

液压系统是依靠液体压力来进行能量传递的。因此，压力参数及其变化过程可以反映液压机构内部的特征信息，是进行系统故障定位和诊断的重要指标。传统的液压测量方法需要在待测管道上钻孔，安装压力传感器、压力表或者压力敏感元件，会破坏系统的密闭性，这些检测接口也会引入新的安全隐患。非介入式液压测量方法利用安装在管外的检测源所提供的检测介质间接地感知管内液体的信息。超声波具有方向性好、穿透力强、抗干扰能力强及对人体无害等诸多优点，使其从众多非介入式液压测量方法中脱颖而出。然而，高压断路器液压操动机构的管径细、压力高、动作时间短及工作环境温度变化范围大等特点，对超声波液压测量提出了新的挑战。

2.3.1 高压断路器液压机构超声测量方案

超声波在液压油中的传播特性会受到压力、温度、流速和安装等因素的影响。为了实现高准确度的液压测量，必须首先研究这些因素对液压测量所造成的影响，并在测量过程中予以修正或补偿。

1.超声波液压测量的基本原理

超声波是频率大于2×10⁴Hz的声波，也是一种由弹性振动形成的机械波，需要能量载体来进行传播。超声波在介质中传播时，会产生反射、干涉、叠加和共振现象。根据在传播介质中的振动方向与传播方向相同与否，超声波被划分为纵波、横波、表面波和板波四类。其中，纵波在固体、液体和气体中均能传播；而横波只能在固体中传播。如图2-17所示，由于液体的压力仅影响超声波在液体中的传播速度，而不影响超声波在固体中的传播速度，因而在油液带压前后，管壁回波的接收时间不发生变化，而油液回波的接收时间将发生变化。

超声波的发射和接收是通过超声波探头来完成的。其中，压电式超声探头因转换效率高、具有可逆效应等优点而应用最为广泛。探头主要由压电晶体、阻尼块、保护膜和外壳等部分组成。其中，纵波探头又称直探头，用于发射和接收纵波；而横波斜探头实际上是由直探头加透声斜楔组成的。为了提高耦合效果，通常在探头与待测管表面之间涂抹一层透声的介质，称之为耦合剂。耦合剂主要起传递超声波能量的作用。它能在探头与待测管表面之间排除空气，使超声波有效地传入管内。常用的耦合剂有工业黄油、凡士林和硅脂等。

对于每一次测量过程而言，油液回波在管道内的传播时间都是由纵波在油液中的传播时间、横波在管壁内的传播时间t′和时间延迟t″共同组成的。其中，t′在油液带压前后不发生变化;t″是指探头、耦合材料、连接电缆和接收电路等引起的时间延迟，其在油液带压前后也不发生变化。因此，当油液不带压时，超声波油液回波的接收时间，即从发射探头发出超声波到接收探头收到油液回波所用的时间t₁为

式中 L——超声波在油液中的传播路程（m），在液体带压前后不发生变化；

v₀——超声波在油液未带压时的传播速度（m_·s^-1）。

如图2-17所示，当油液所带压力为X MPa时，从发射探头发出超声波到接收探头收到油液回波所用的时间t₂为

式中 Δv——油液带压后超声波传播速度的变化量（m·s^-1）。

于是，油液带压前后，油液回波的接收时间的变化量为

当温度一定时，超声波在液压油中传播速度的变化量Δv是液体压力P的函数，于是P可以表示为以油液回波接收时间差Δt为自变量的另一函数。因此，通过测量油液带压前后油液回波接收时间的差值就能求取液体所带的压力值。

然而，在实际应用中，由于安装偏差和液体温度会对测量造成较大的影响，因此为了实现这一测压方案，需要对它们的影响进行必要的修正或补偿。

2.探头安装方式及其安装偏差对液压测量的影响

如图2-18所示，超声波探头TRA、TRB和TRC安装在同一待测管道外。从图中可以看出，当TRA和TRB为横波斜探头时，超声波的传播路径大于TRA和TRC为纵波探头时的传播路径，有利于小管径情况下的液压测量。

横波斜式探头TRA和TRB间超声波的传播过程为：探头TRA产生的横波首先斜入射到管壁中，然后继续传播直至遇到管壁与油液的交界处，此时声波一部分发生反射，并继续在管壁内传播直至被探头TRB接收；另一部分折射进入液压油中，由于超声横波只能在固体中传播，而超声纵波在固体、液体和气体中均可以传播，因此此时将发生波形转换，仅有纵波进入液压油中。此后纵波在液体中传播，遇到液固交界处发生反射和折射，反射波继续在液体中传播，最后遇到液固交界处部分折射后被探头TRB所接收。所以，探头TRB所接收的回波信号包括管壁回波和油液回波两部分。其中，管壁回波是经管壁传播后被探头TRB所接收的，而油液回波则是从管壁透射到液体中传播后被探头TRB所接收的。由于油液回波是超声波在油液中传播后被接收的，携带了被测液体的信息，因而是测量中重点关注的信号。此外，为了减小流速对于测量的影响，可以选用收发兼用的探头。即超声探头TRA作为发射探头，TRB作为接收探头完成一次测量过程，然后TRB作为发射探头，TRA作为接收探头再完成另一次测量过程，最后取两次测量结果的均值作为最终的结果。由于管道内的液体并不是完全静止的，采用这种方法能够减小流速带来的影响，从而提高测量的准确度。

在相同压力条件下，不同安装位置、角度等常常会得到不同的测量结果。也就是说，探头安装方式之间的差异导致了测量结果的分散性。将在同一待测管重复安装探头数次，每一次安装之间所存在的空间上的差异定义为安装偏差。对于不同次安装而言，安装偏差主要体现在探头与管道的轴向平行与否，探头平面与管外径的切面重合与否，以及液压油、耦合剂等因素的影响相同与否等方面。实验研究表明，探头的安装偏差主要影响超声波油液回波的强弱，具体体现在油液回波信号幅值的波动和上升延的陡峭程度的波动上。自动增益控制（Automatic Gain Control，AGC）电路是一种运用于雷达、接收机等设备中的信号处理电路，主要用于当输入信号大幅度变化时，维持设备的输出电平恒定。AGC电路能较好地改善这种幅值大范围变动的状况。

3.温度对液压测量的影响

液压油是由基础油与添加剂调和而成的。其中，矿油型液压油由于具有黏度范围宽、黏温特性好、抗氧化性好、抗腐蚀性好及润滑性好等优点而在工业中得到了广泛的应用。液压油的主要成分见表2-1。

液压油的化学性质主要由烃类决定，烃类物质按照声学特性属于Kneser液体，具有如下特点：①在一定温度下，超声波传播速度会随着液体压力的增加而线性地增加；②在一定压力下，超声波传播速度会随着液体温度的增加而线性地减少；③压力越高，温度的影响就越弱。因此，超声波在液压油中的传播速度不仅会随着液体压力的变化而变化，而且还会随着液体温度的变化而发生变化。图2-19是在零压力情况下，超声波在油液中的传播时间随油液温度变化的关系图。

从图2-19中可以清楚地看出，超声波在液压油中的传播时间随油液温度的增加而增加，且传播时间的变化量与温度之间近似呈现出线性的变化关系。因此，在超声波传播路径不变的情况下，超声波在油液中的传播速度会随油液温度的增加而减小。实验表明，温度每变化1℃时所引起的流体中声速的变化率约为0.2%。

设超声波在液压油中的传播路程L=26mm，超声波在液压油中的初始传播速度v₀=1500m/s，则当温度变化量ΔT=10℃时，超声油液回波的接收时间变化量Δt_T为

该油液回波接收时间变化量相当于压力变化1MPa时所引起的油液回波接收时间的变化量。由于受工作环境、散热条件和机构动作等因素的影响，液压系统中液压油的温度常常会产生较大的波动。因此，必须对液压测量过程中温度的影响给予修正。

2.3.2 液压测量系统的硬件结构

为了实现基于液压油加压前后超声波油液回波接收时间变化量，并考虑流速、管径、安装偏差和温度影响的液压测量方法，需要在核心控制单元的协调控制下，由测量通道选择电路、超声波发射电路、超声回波接收电路、时间测量电路和温度测量电路共同作用来完成。其中，为了减小流速、安装偏差和温度对于测量的影响，需要分别设计测量通道选择电路、自动增益控制电路和温度测量电路来实现。

1.总体设计

液压测量电路的硬件结构如图2-20所示。该硬件电路以单片机为核心，主要包括测量通道选择电路、超声波发射电路、超声回波接收电路、时间测量电路和温度测量电路。其中，测量通道选择电路用来实现两路测量通道的选择切换；超声波发射电路用来激发超声探头产生超声波；超声回波接收电路用来对超声回波信号进行处理，它又包括信号调理电路、AGC电路和比较电路三部分；时间测量电路用来准确测量油液回波的接收时间；温度测量电路用来实时测量待测点的温度。

将一对横波斜入射探头和一个铂热电阻安装在待测管管壁上，以完成压力值和温度值的采集工作。其中，TRA作为发射探头、TRB作为接收探头时的具体工作原理为：首先，单片机控制超声波发射电路施加高压脉冲到超声波探头TRA上，探头产生超声波，超声波经管壁和油液传播后被接收探头TRB所接收；其次，接收探头上的信号依次经过滤波、放大、获取油液回波、检波、自动增益控制和比较处理后，整形转换为方波信号；然后，该方波信号经测量通道选择电路送入高准确度时间测量电路进行测量；最后，油液回波接收时间值被送入单片机作进一步的分析和计算。

2.测量通道选择电路

为了减小流速对于液压测量的影响，这里采用收发兼用的探头，探头TRA和TRB分别作为发射探头和接收探头各完成一次测量过程。为了实现这一过程，需要设计测量通道选择电路，以及两路超声波发射电路和两路超声回波接收电路。两路超声波发射电路和两路超声回波接收电路的原理相同，且它们共用一套时间测量电路来对油液回波的接收时间进行测量。

图2-20中，对于探头TRA作为发射探头，TRB作为接收探头的测量通道1，其工作原理为：单片机输出的控制信号START1被同时送往探头TRA的超声波发射电路和测量通道选择电路，TRB接收到的信号经超声回波接收电路处理后（STOP1）也被送往测量通道选择电路。探头TRB作为发射探头，TRA作为接收探头的测量通道2也完成相同的工作过程。其中，通道选择切换工作由测量通道选择电路来完成，它选出相应的测量通道信号并送往时间测量电路进行测量。

测量通道选择电路由单片机控制的二选一模拟开关来实现。这里选用三路二选一模拟开关54HC4053，具体的电路原理如图2-21所示。

单片机的两个I/O口直接与54HC4053的A、B控制端相连。当A、B输入均为低电平时，将选择测量通道1的输入信号START1及测量通道1的回波处理输出信号STOP1接入时间测量电路；相反，当A、B输入均为高电平时，将选择测量通道2的输入信号START2及测量通道2的回波处理输出信号STOP2接入时间测量电路。

3.超声波发射电路

超声波发射电路是用来驱动激发超声波探头产生超声波的电路。超声波探头相当于一个带通滤波器，受到窄脉冲激励后将发出超声脉冲。为了得到良好的超声波信号，要求激励信号为高频、高压脉冲。经过实验分析，这里利用电容瞬间放电法所产生的高功率脉冲来作为激发超声波探头所用的尖脉冲信号。

设计超声波探头激发电路如图2-22所示。当晶闸管的门极电压为低电位时，晶闸管关断，直流高电压500V通过旁路电阻R₁给储能电容C充电；当晶闸管的门极电压为高电位时，晶闸管导通，储能电容C储存的能量通过晶闸管，二极管VD₁、VD₂向超声波探头放电，此时尖脉冲电压的幅值可达-300V以上。

4.超声回波接收电路

为了测量油液回波的接收时间，超声波接收探头所接收到的回波信号需要经超声回波接收电路进行处理，并最终转换为适合后续时间测量电路使用的方波信号。

回波信号的处理过程包括如下几个步骤：①设计合理的信号调理电路将回波微弱信号放大；②将经过放大滤波后的超声回波信号经选择分离后送入检波电路，得到需要的油液回波包络信号；③将该包络信号送入AGC电路，得到基本恒定的输出；④将AGC电路的输出送入固定电压比较电路，得到所需要的方波信号。

由于要处理的信号为超声波油液回波脉冲，适合选用峰值型AGC电路，即利用输出信号的峰值来产生增益控制电压，具体实现方案如图2-23所示。其工作原理为：首先，应用峰值保持电路对输出信号的幅值进行峰值检波并保持，A/D转换器采样这一峰值电压并送入单片机进行处理；其次，单片机通过一定的算法计算得到信号的放大倍数并将其通过D/A转换器输出；最后，该输出电压作为增益控制电压送入增益可变放大器的控制端，进而调节输入信号的幅值，使其达到设定值。该方案中，信号输出保持和放大调节采用模拟电路实现，而信号的采集和增益控制电压的计算输出采用数字电路实现。图2-24为AGC处理后的油液回波波形图。

5.时间测量电路

这里所提出的液压测量方法需要测量油液带压前后接收到超声波油液回波信号的时间差值。由于超声油液回波信号的接收时间在液压油施加压力前后变化微小，通常在施加10 MPa压力的液压油中，油液回波信号接收时间的变化值仅为几百纳秒，所以对时间测量的准确度要求较高。于是，在时间测量电路中选用TDC（Time to Digital Converter）系列芯片。该芯片是以信号通过内部门电路的传播延迟来进行高准确度时间测量的。它由START信号触发，接收到STOP信号停止。由环形振荡器的位置和粗值计数器的计数值来计算START信号和STOP信号间的时间间隔。它通过四线SPI标准接口与单片机相连并进行数据通信。时间测量电路的原理图如图2-25所示。

在本液压测量电路中，单片机产生脉冲信号控制超声波发射电路产生超声波的同时，将该脉冲信号经测量通道选择电路送入时间测量芯片的START端作为START信号，超声波回波信号经过超声回波接收电路处理转换为方波信号后，同样将经测量通道选择电路送入芯片的STOP端作为STOP信号，这样就可以测得超声波油液回波的接收时间。测量结束后，通过SPI接口将测量结果传送至单片机以作进一步处理。

6.温度测量电路

要补偿温度对于液压测量的影响，首先需要对温度值进行测量。温度测量电路在单片机的控制下完成对待测点温度的测量功能，其电路原理图如图2-26所示。测量原理是基于测量对的放电时间。所谓测量对即安装在待测管管壁的铂热电阻Pt500和对温度不敏感的参考电阻R。测量开始后，电容C分别对铂热电阻和参考电阻进行放电。时间测量芯片TDC会自动测量每一电阻和电容组成的RC网络的放电时间。

同一电压对参考电阻R的放电时间t₀是固定不变的，而对铂热电阻R_Pt的放电时间t是随温度而发生变化的。于是电容放电时间与电阻间存在如下关系

因此，通过测量得到时间值，经过计算可以得出铂热电阻的阻值，再根据铂热电阻阻值与温度间的关系就可以得到实时的温度值。

2.3.3 液压测量系统的软件实现

为了完成液压测量的功能，需要软件程序来协调控制其他各部分电路的工作，并完成压力值的拟合计算。每次测量的具体工作流程为：首先，选择测试通道并控制发射电路产生超声波，同时启动时间测量电路和温度测量电路；然后，控制油液回波获取电路分离出油液回波信号，再进入AGC控制子程序；最后，回读时间测量和温度测量的数据，并利用一定的算法拟合计算出所需要的压力值。

1.基于两次线性拟合的液压计算

在科学研究和工程设计中，通过实验观测得到一组数据（x_i，y_i），i=1,2，…，n，来寻求两个物理量x与y之间近似的解析函数关系式，就叫作数据拟合或者函数拟合。若拟合函数是一条直线，即

式中 a、b——待定系数。

则求取a、b值的问题为一元线性拟合问题。

其中

式中 q——观察数据与拟合曲线的偏差的二次方和。

按照最小二乘原理，a、b的取值应使q达到极小值。当温度和压力中的一个参数变化而另一个参数固定时，超声波在液压油中的传播速度是随温度或者压力线性变化的。基于液压油的这一特性，采用基于线性拟合的温度补偿和压力计算方法。首先，实验得到温度和压力单独变化时超声波传播速度的变化量，然后通过线性拟合得到相应的变化系数，最后运用于实际的液压测量场合进行计算。

当压力P保持不变时，超声波在液压油中的传播时间和传播速度的变化均由温度的变化引起。此时已知L和v₀，就可以根据测得的时间差值求出传播速度的差值。设

式中 Δv_T——温度变化引起的超声波传播速度的变化量（m·s^-1）；

A、B——线性拟合系数；

ΔT——温度的变化量（℃）。

同理，当温度T保持不变时，超声波在液压油中的传播时间和传播速度的变化均由压力的变化引起。此时

式中 Δv_P——压力变化引起的超声波传播速度的变化量（m·s^-1）；

C、D——线性拟合系数；

ΔP——压力的变化量（MPa）。

其中，系数A、B、C和D均可以通过线性拟合求出。

假设温度和压力对超声波速的影响是相互独立的，则

于是，可以得到

即实际计算中，输入测得的油液回波接收时间变化量 Δt、温度变化量 ΔT，就可以求出液体压力的变化量ΔP。

2.基于双输入参数BP网络的液压计算

由于L和v₀不便于准确测量，这里提出另一种直接利用压力P和油液回波接收时间差Δt之间的关系进行计算而不再换算中间变量Δv的拟合计算方法。为了更好地补偿温度对液压测量的影响，进一步提高液压测量的准确度，将温度的补偿方法也一并纳入以上计算中。具体来说，将声速的变化量视为温度和压力共同作用的函数，由式（2-21）可得

其中，忽略温度的变化所引起的管壁热膨胀，认为传播路程L不随温度变化。于是，液体的压力可以表示为时间差Δt和温度T共同决定的另一函数，即

P=g（Δt,T）

由于油液回波接收时间差、温度和压力间的关系是非线性的，无法由一简单的数学公式准确地获得，因而本书采用BP神经网络算法来对这一关系进行模拟，即将实时采集得到的温度值和时间差值作为网络的输入，压力值作为网络的输出，通过训练好的网络来拟合压力值。

具体的原理是：将超声探头和铂热电阻安装在待测管壁上，通过液压测量系统来实时测量油液回波接收时间的差值和油液的温度，并将测得的时间差和温度作为BP神经网络的两个输入参数，通过训练好的网络来拟合液压值。为了实现这一拟合计算方法，首先需要通过实验测量不同温度、不同压力条件下超声波油液回波接收时间的差值，并利用这些样本来训练BP神经网络。BP网络的学习训练过程如图2-27所示。然后，通过训练好的网络来拟合压力值，其流程图如图2-28所示。

在实现BP算法的过程中，由于网络的输入输出参数是不同的物理量，对应不同的物理意义和单位，故应对其进行归一化。即通过变换将网络的输入输出数据限定在［0,1］范围内，这样有利于加快网络的收敛速度，提高网络的拟合能力。