PDF《精确的互相关算法在超声波流速测量中的应用丰》

2007年第26卷第9期 传感器与微系统(TEansducer粕d Microsystem Technologies)

107 彳≯吣妒峙≯、sp讪 ≈应用技术《I 氐c、t一《:舟《}.

ts.o 精确的互相关算法在超声波流速测量中的应用丰 王萍k2,万柏坤1,程烽2 (1.天津大学精密仪器与光电子工程学院.天津3∞鲋2;

2.天津工业大学计算机技术与囱动化学院,天津3∞160) 攘要:夏程关算浚憩够篦较溱礁笼计算趱声波在滚速歪反2个方囊上的传播霹闯,进褥褥瘩时阂差,势 根据时间差求出流体的流速.佩离散的互相关函数峰值的精度取决于采样间隔的大小,间隔减小精度会 相应提高,但在实际的应用中计算量也会大幅度提高.在以单片机为核心的测量仪表中,这种规模的计算 通常是不会被采用懿,找到一静更篱便的计算方法是鳃决闻题的关键.在离散的互裰关函数蜂篷陡近,裂 用抛物线算法可以褥磁更精确的互相关函数峰值.这种方法允许采样间隔较大,计算时闻可大幅度缩短, 使同一测量精度的计算时间从3.7 s缩短到O.9 s左右. 关键词:露耀关函数;

单片枧;

怒声波时差法;

抛物线算法;

流速测量 中圈分类号:善恐16 文献檬识碣:B 文章编号:1000一9787(2907)∞一e107一02 l 』 n 』 』l

1 ADDllCallOn Ol aCCUrate CrOSS-eorrelatlOn metnOn l娃'

』 m 』$ UItraSOnlC薰lOW meaSUrement WANG Pin91'

-,WAN Bai,kunl,CHENG Ye2 (1.C鹾e辫醒飘程l鲢蝴l醛勃潮瞳捷珏l and o菇o・糊忧勃嘲隧撩潮袋碰珏g熊a埘遮毛翻黼嘲重y,弱鑫玛瓤39麟2,e瓣赫;

2.ColIege of Computer and AutoI瑚娃帐,骶a埘.m孙Iyt诚nic Ulliversi哆,骶a埔in 3∞160,Cm舱) Ab确阻c毫:码e p脚agation垃me of ultrasonie漩positi粥and neg醚i牝direeti傩s《gas珏渊ean be ex粒姆 c越eula埝d by璐ing e黼8s|co商ation,and the time di&

rence be揪een壤e two difeedo黼can be&

舳er compu量ed, and the velocity 0f ga8 now can be甜so computed.However,because the calculation error 0f peak of discrete cr088- con.elation function depends on salllple inten,al,decrease in interval is to increase in precision and certainly it is to if地糟鹳e糖a k毯g w鑫y i珏氇e謦壤嫩i|y of e蠢e娃18圭i甜l.l珏撒eas娃r主ng inslmmen担氇蘸a羚eon枉珏lled酶sin器e e歉玲 computer,the method that needs huge calculation is usuauy not used.The key of the question is to find a relatively simple method. In the vicinity 0f peak 0f discrete cmss-correlation function,a more accurate peak can be gained 匆u￡ilizing弘强bola奎轳r主lhm.The舔g瞳thm permits to have long郎sa黼瘩e pefiod a摊d e珏硅a主ls e越cul8圭ing娃黼e 壬如m 3.7s to O.9s in the same measuremem precision. Key woHIs: cmss-correlation function;

sin西e―chip computer;

ultrasonic time difrerence method;

parabola alPl戚thm;

now mte me8surement 0引言超声波时差法测流速的一般方法是利用计数器谯流体 流动鲍惩反方囊上记录获发射声波辣狰劐接收声波躲{搴的 时间差,确定流速大小.它的缺点是在尖峰干扰严重时会 产生计数错误u J. . 载矮诗算采榉信号与标凌信号酶蔓摆关涵数酶方法霹 以将超声波信号从强干扰中准确地识别出来.互相关融数 最大峰值所在的位置就是信号的传输的时间,将信号在正 反2令方囱酶赞输时闻耱减鄂霹翘遂流速大小.壶予信号 数据熟离散的,所以,最大峰值的准确位置与采集间隔 Il受穰墨凝:2087一必一∞ {基金颂目:天津市商等学校科技发展基金资助项目(20051206) 有关,间隔越小,准确性越高.但数据密度也越大,造成了 计算量增大,实时陛下降,减小计算蟹的方法之一是使采集 闽隔增大.为了在闻灏较大懿条锌下获褥最大蜂煎熬准确 位置,使用抛物线拟合的方法求出了最大峰值的准确位置, 从而既减小了计算量,又能获得较高的测量精度. l爵差法溯滚速的原溪 如图1所示,s为上游超声波收发传感器,x为下游收 发传感器,五为两传感器间距离,口为￡与垂直方向的夹角, ￡,舞声波及x―s鳃传攒时阕,≠;

力声波麸s―X酶传播时 间,c为声速. 万方数据

108 簧感器与微系统 第26卷―――――孓嵴一 图l对麓法测流速y的示意图 懿g熏sch锄娟e畦耋89ram醴嚣豫往键r耋端蠢dw矿姆 璐ing time di胁nnce method 由图1可得 |? l. '

s2i磊而,5x2i面 ÷一古=掣一掣一警sin口#. ￡. L L L .;

熹(丢一士), (1) .磊而'

一i,,

tlj 式中三,p为已知,因此,超声波测流速的关键闷题是传播 时鬻≮纛￡;

豹猿确溺爨. 2互相关检测的原理 如果存在2个连续的随机过程,当它们是实数且为周 麓蠡数爵,2个丞数静攘关函数可定义为 R,,

(.r)2舰寺J删戈(t)y(t―r)d￡・ (2) 通常在诗算时,由#一O开始,嚣戴,式(2)可写成 %(,r)2舰寺Jl并(f)y(￡一r)d￡. (3) 如果菇(￡),y(￡)不是同一信号,则称疋,(?)为互相关 黼数嘲.著茹(#),y(￡)烧紧密相关的或卡分栩近的信号, 则R.,(丁)将会有一个很突出的峰德出现.利用互相关函 数检测信号,通常是在信号波形为憋熟的条件下进行的. 将已知信号波形预存在内存中作为y(#),实际采集的信号 作为菇(￡),然后,将y(t)与茹(f)在固定长度内进行卷积,如强2所示.警f=丁.时,算(￡)与y(￡)中酶债号部分重合, 织,(,『)有最大值,此时,搿(t)移动的距离-『.即为声波传播 时间,图3为R,.(丁)的阁形. O ￡ 圉2卷积示意圈 Fi鐾2 Schematic diagram Of convoIu廿on

0 圈3‰《_r}的圈形 Fig 3・Diagram of殿w(¨ 数据处理的覆剜: a.采集频率至少要大于lo倍的信号频率;

b.积分区间r应包含信号特征的90%以上. 离散化的互相关函数冗(r)的表达式如下 . Ⅳ一i 嚣.㈤=亩∑茹(避)y(避一孓),歹一l,2,3,…,蠢, (4) 式孛撑力积分送阙鳇数据总数;

矗为数攒采集惩隔;

ri为 f的取值序列.通常,f,的取值间隔等于的间隔,,

每变 化一次,咒,(丁,)就要重新计算一次,因此,|R.(J『)的计算量 是毒基常大酶.霞.(f;

)在最大德酣遥酶瑟形薅图4所示. O 图4离散的肆.,(_r)最大值阐形 疆g 4联ag穗m醒d熬lc揩垂e嚣,,

《甲》琳a畦m珏m 由图4可知,r.点为最大值点,但并不很精确,如要 更精确,只能增加采集密度,减少.但这样一来,计算量 又太大,透魏,采瘸一种遥缎予越耪线缫分静方法掇离检 测精度. 3抛物线顶点的计算方法 如图5魇示,测量3个点,分别为南(茗.,孙),建,(茹,,

y.),如(她,儿),若采样间隔为^,则有并2一‰+血,并3一%+ 2矗,基于该三点飚数坐标值可褥抛物线方程为 ㈣=学2一e牮+芈・ 珀并地+警+鳖等逸小 进而求得抛物线顶点坐标为 ,(3%一4y1+扎)^ 冀m斟一1F石而'

.(3%一4y1+弛). ym 2y.+可i鬲丽'

实际计算中,只需要翔道髫.(霹f.)鄯可,因忿,y.的 计算可以省略.这种方法可以获得较高的计算精度,同时, 也可以大量节省计算时间. 整s擞耪线法求量糨关菌数最大壤岽意图 Fig S Schematic diagram 0f deteIlliIIing cm豳・correlati0娃funcn伽maximum by sing paraboIa algorithm 4瓣譬数据与分橱 在流速为O一25 H∥s的实测值如表l所示. 出表1可看出:在流速很低时误差变大,呈现较大的非 线性,其嚣爨蹩燕予滚场分穆黪改交所造成,在实际庞蠲孛 必须设修正系数. (下转第112页) 万方数据

112 传感器与微系统 第26卷100 旺90 警80 * 莒70 憎l 器60 垃50

40 O

5 lO

15 20

25 迭代步数 图4遗传算法、同步模式PSo和异步模式PSo逐次迭代时 路径的传输延时和费用的变化曲线 Fig

4 Change curves of dday and∞st of tlIree a190rithms 瑚pectively wh饥iterate掣.aduany GA的执行时间,如表1所示. 表1 3种算法的执行时间 Tab

1 ExKute痂m屺of tllree algoritlIms 异步模式同步模式 GA 网络规模 (ms) (ms) (ms) 从表l中可以看出:异步模式PsO算法的执行时间少 于同步模式PsO算法、GA的执行时间.这是由于异步模 式Ps0算法只在解空间中搜索很小的一部分,并且,Ps0 种群中每个粒子行为都是并行的,能及时更新共享信息,因此,其全局搜索能力强于GA,收敛速度也较同步模式和GA 的快. 5结束语 本文给出基于异步模式的QoS组播路由算法.实验 证明:该算法在Qos5个约束条件下,其寻优效果明显优于 遗传算法和同步模式的PS0算法;

同时,异步模式算法的 收敛速度与遗传算法和同步模式的相比也有显著提高,能 够快速有效地找到最优解,为解决Qos组播路由问题提供 一种新思路. 参考文献: [1]陈国良.并行计算一结构、算法、编程[M].北京:高等教育 出版社,2003:233―237. [2] chen B,waIlg J P.Emcient routing and wavelen殍h ass培nment for multicast in WDM networks『J].IEEE Joumal in Communica. tions,2002,20(1):97一109. [3]郑彦兴,田菁,窦文华.基于遗传算法的有矢量约束的多播 路由计算[J].计算机学报,2003,26(6):746―752. [4] Leonard B L,Akio K.A genetic algorithm based rollting method u― singtw000S p盯锄eters[J].IEEE computer society,2002,8(1): 7―11. [5] Parsopoulos K E,Vrahatis MN.Recent印pmaches to dobal叩ti― mization pmblems through particle sw蛐叩timization[J].Natu― ral computing,2002,l(1):235―306. [6] Eagels P K,Nocol V M.Recent印pmaches to global optimization pmblems thmugh particle swa咖optimization[J].Natural com― puting,2002,12(1):235―306. [7] waxman B M.Routing of multipoint connections[J].IEEE Jou卜nal on Selected Areas in Communications,1988,10(6):1617― 1622. 作者简介: 王洪斌(1966一),男,黑龙江人,教授,博士,研究方向为机器 人控制技术,计算机控制技术. ℃≯qp℃p℃pq≯℃声up℃pu≯℃声up℃声up℃≯℃p℃pqp、3p℃ptp≈p℃≯qpⅥp≈pqpt声qp℃声t产tpqp℃声9pupqpqptp℃pqpt产qpt声qpqpqp (上接第108页) 表l流速为O一25In/s时的实测值 Tab l Me嬲ured Val耻at nowing speed of0~25In/s 上述数据是在采样时间间隔为0.33 s得出的结果. 采集数据长度为450个,标准信号数据长度为255个,卷积 长度最大为194个点(一般在64―128点之间),运算时间 为O.82 s,cPu主频为50MHz. 5结束语 互相关算法在超声波流速测量中可以较准确地求出声 波在正逆2个流向上的时间差,但其精确度取决于采样间 隔的大小,间隔越小计算精度越高,但需要处理的数据量也 就越大.由于单片机速度和存储空间的限制,不能处理太 多的数据;

否则,实时性太差,还要外扩RAM.适当加大采 集间隔,利用三点确定抛物线顶点的方法,可以较快地求出 互相关函数的最大值,且精度较高,因此,可以利用普通的 5l系列单片机来完成复杂的运算.3 J. 参考文献: [1]李小京,王萍,卢景山.将匹配原理用于超声波测气体流 速[J].传感器与微系统,2006,25(9):66―68. [2]徐苓安.相关流量测量技术[M].天津:天津大学出版社, 1988:11―61. [3] 王萍,李小京,卢景山.电容式电磁流量转换器的设计[J]. 化工自动化及仪表,2003,30(1):63―65. 作者简介: 王萍(1961一),女,吉林省海龙人,博士研究生,教授,研究 方向为自动检测、计算机控制理论及应用. 万方数据 精确的互相关算法在超声波流速测量中的应用 作者: 王萍, 万柏坤, 程烨, WANG Ping, WAN Bai-kun, CHENG Ye 作者单位: 王萍,WANG Ping(天津大学,精密仪器与光电子工程学院,天津,300072;

天津工业大学,计算机 技术与自动化学院,天津,300160), 万柏坤,WAN Bai-kun(天津大学,精密仪器与光电子工程 学院,天津,300072), 程烨,CHENG Ye(天津工业大学,计算机技术与自动化学院,天津 ,300160) 刊名: 传感器与微系统 英文刊名: TRANSDUCER AND MICROSYSTEM TECHNOLOGIES 年,卷(期): 2007,26(9) 被引用次数: 3次 参考文献(3条) 1.李小京.王萍.卢景山 将匹配原理用于超声波测气体流速[期刊论文]-传感器与微系统 2006(09) 2.徐苓安 相关流量测量技术

1988 3.王萍.李小京.卢景山 电容式电磁流量转换器的设计[期刊论文]-化工自动化及仪表 2003(01) 相似文献(7条) 1.学位论文 张月强 数字相关分析方法在测试技术中的应用与研究

2004 在当今这个时代,基于在数字系统领域以及测量处理方法的飞速发展,以信息论 和随机过程理论为基础的相关技术,近三十多年来,它在许多领域得到了广泛应用,尤其是在检 测技术领域,如速度、流量测量等方面获得了迅速的发展. 本文从信号和信号处理知识入手,介绍了利用相关原理实现非接触式转数测量的过程.其中 主要涉及到:采样,连续傅里叶变换、离散傅里叶变换,自相关函数、互相关函数、利用维纳- 辛钦定理求取相关函数等理论知识.然后介绍了使用软件VISUAL DESIGNERTM对由数据采集仪 UDAS-1001E-2采集而来的数据进行处理,从而实现非接触式转数测量的过程,验证了利用互相关 原理进行非接触式转数测量的可能性.也介绍了使用软件VISUAL DESIGNERTM利用自相关原理设 计排除谐波有噪信号干扰的流程图,并对降噪过程进行仿真、分析,使 抑制噪音 成为可能. 最后,本文对如何使用单片机对非接触式转数测量实验进行微观化的过程做了分析,对本课题所 搭建的实验台如何移植并应用于测试领域进行了研究. [关键词] 自相关函数;

互相关函数;

非接触式;

降噪;

移植;

单片机 2.期刊论文 张维君.李树良 工业炉温度场声学测量系统 -微计算机应用2004,25(3) 本文基于炉膛温度场声学测量原理和测量装置结构,给出一种工业炉温度场................