一种基于CMUT器件的流量测量设备及方法

技术领域

本发明涉及流量测量技术领域，尤其涉及到一种基于CMUT器件的流量测量设备及方法。

背景技术

随着我国工业社会的快速发展和经济技术的不断腾飞，各行各业逐步引入高精度、高安全性、高可靠性以及智能化和数字化的自动化仪器仪表设备，为我国工业生产和经济效益的提升奠定了重要基础。流量测量作为工程领域的重要技术，流量也是工业生产过程的重要参数，在统计结算、平衡分析、能源量观察、利用和监控等诸多方面都有着不可忽视的重要价值。所以流量计作为测量流体流速及流量的仪器设备，在石油化工、灾难预警、民用测量仪表等领域得到了广泛运用，在确保产品质量、提高生产效率、促进科学科技发展方面发挥了重要作用。

超声波流量计作为新型流量计，相较于传统流量计有以无压损、无机械部件、非接触式、精度高、智能化的优点。与国外同类产品相比，国产的超声波流量计价格便宜，但在测量精度、安装环境适用性以及结果可靠性等方面都有着一定的差距。超声换能器是超声检测技术的关键部件，目前基于压电式原理的超声换能器被广泛使用。但压电式超声换能器有带宽窄、灵敏度低发等缺点，存在发展瓶颈。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种基于CMUT器件的流量测量设备及方法，相比于现有技术，本发明中的流量检测设备结构相对简单，且所使用的方法灵敏度更高。

本发明是通过以下技术方案实现的：本发明公开一种基于CMUT器件的流量测量设备，包括沿第一方向输送介质的流体传导部件，所述流体传导部件包括至少二处流量测量点，不同所述流量测量点位于第一方向的不同位置，所述流量测量点位置处布置有传感器系统，所述传感器系统包括超声波探头模块，超声波探头模块由上电极﹑振动薄膜﹑绝缘层、硅衬底和下电极依次层叠组成，所述绝缘层靠近所述上电极一侧开设有第一腔体。

优选地，所述传感器系统还包括：

电源模块，所述电源模块对直流电进行升降压以及反向变压，满足传感器系统各个模块的电源要求；

CMUT驱动模块，所述CMUT驱动模块接收控制信号，发射和接受第一声波；

所述超声波探头模块接收到的第二声波，将第二声波输送至信号调理模块；

信号调理模块，所述信号调理模块对第二声波进行信号处理，得到调理信号；

控制与数据处理模块，所述控制与处理信号处理模块处理调理信号；

其中，所述控制与数据处理模块包括互相关算法模块、计时模块和控制器模块。

本申请还公开一种基于超声换能器的流量测量方法，对流量测量设备进行执行，所述测量方法包括步骤：

读取解析限制配置信息，产生PWM方波控制模拟开关，产生所需的驱动方波；

发送驱动方波作用于传感器系统，完成超声信号发射；

对传感器系统接收到的信号进行ADC采集，由DMA传输后并滤波；

收到一对超声信号后，对2个信号进行插值和互相关运算，计算飞行时间差；

当达到测量周期后，对所有得到的数据进行处理，计算流速和体积流量；

一段时间延时后，系统再次开始测量，完成流量测量。

优选地，发送驱动方波包括步骤：

进行定时器级联设置，通过定时器产生PWM脉冲信号；

PWM脉冲作为模拟开关的控制端；

模拟开关的NO和NC端分别接0V和24V电压；

通过COM端产生指定数量的24V至0V驱动方波；

24V至0V的驱动方波通过模拟开关作用于传感器系统，完成驱动方波发送。

本发明公开了一种基于CMUT器件的流量测量设备及方法及方法，与现有技术相比：

本发明超声波探头模块实现流量的精确测量，基于超声波探头模块在发射模式时开关闭合，振动薄膜在直流偏置电压和交流激励电压的作用下产生振动，从而导致声场中介质振动，实现电信号到声波信号的转换；CMUT工作在接收模式时开关断开，直流偏置电压使电容器充满电荷，超声波信号作用在振动薄膜上使其振动，导致在振动薄膜表面的电极也发生振动，引起电容器电荷的变化从而产生电流，实现声波信号到电信号的转换术，本发明通过CMUT传感器进行流量测量，实现了小型化、低成本，提升了仪表的一致性水平。此外，CMUT传感器本身的激励方法和传统的压电超声不同，电路设计上也有一定区别。传统方法是正弦波激励，而CMUT传感器需要在正弦和方波激励上加上直流电压的偏置，因此本发明的CMUT驱动模块需要产生PWM方波控制模拟开关，完成驱动方波的发送。总之，本发明旨在提供一种基于CMUT传感器的流量测量方法和装置，具有精度高、稳定性好、可靠性高等优点，在流量检测领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明中流量测量设备的结构示意图；

图2为一实施例中超声波探头模块的结构示意图；

图3为一实施例中管壁和超声波探头模块布局示意图；

图4为一实施例中驱动模块电路图；

图5为一实施例中信号调理电路图；

图6为一实施例中系统设计思路框图；

图7为一实施例中系统软件控制流程；

图8为一实施例中信号波形图；

图9为一实施例中信号插值后信号波形图；

图10为一实施例中飞行时间计算原理图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本发明是通过以下技术方案实现的：本发明公开一种基于CMUT器件的流量测量设备，包括沿第一方向输送介质的流体传导部件1，所述流体传导部件1包括至少二处流量测量点，不同所述流量测量点位于第一方向的不同位置，所述流量测量点位置处布置有传感器系统2，如图2所示，所述传感器系统2包括超声波探头模块，超声波探头模块由上电极26﹑振动薄膜25﹑绝缘层23、硅衬底22和下电极21依次层叠组成，所述绝缘层23靠近所述上电极26一侧开设有第一腔体24。

根据超声波探头模块工作时激励信号的不同，其工作模式可分为发射模式和接收模式，超声波探头模块为CMUT(Capacitive micromachined ultrasonic transducers)，CMUT工作在发射模式时开关闭合，振动薄膜在直流偏置电压和交流激励电压的作用下产生振动，从而导致声场中介质振动，实现电信号到声波信号的转换；CMUT工作在接收模式时开关断开，直流偏置电压使电容器充满电荷，超声波信号作用在振动薄膜上使其振动，导致在振动薄膜表面的电极也发生振动，引起电容器电荷的变化从而产生电流，实现声波信号到电信号的转换。其中，本发明中的CMUT传感器用于流量检测的MEMS(微机电系统)传感器。它是一种非接触式的传感器，采用电容式微机械减震器识别流体的流速，以及湍流、压力，从而使测量精度提高，使产品小型化，费用低廉。CMUT传感器激励方法比压电超声激励具有更高的频率调制度。它将低频和高频放在一个信号中，在被激励振荡时，它将具有较大的发射能量，从而可以有效检测到微小的流体变化。CMUT激励电路设计对比传统的正弦和方波激励加入直流电压偏置，使得被激励振荡增加电压偏置，进而使超声波发射有更大的能量，从而提高流量的检测准确性，对于CMUT传感器的工作原理是基于超声波的反射原理。当CMUT传感器发射超声波时，它会产生一定的幅度和频率的振动。这些振动会向前传导并触发被测物体表面的反射回来的超声波。传感器接收反射的超声波，并将其转换为电信号。然后，电信号被处理并解析，以确定被测物体的距离、速度、形态等参数，本发明中的CMUT传感器具有许多优点，如灵敏、精确、易于制造和集成、体积小、功耗低且成本较低。

基于CMUT的超声波流量计采用时差法作为测量的基本原理，当超声波束在流体中传播时，由于超声波速和流体流速在速度场上的叠加，导致超声波束在相同的距离内顺着流体流动方向传播与逆着流体流动方向传播所用的时间长度不一样，顺流时时间短，逆流时时间长。时差法超声波流量计正是通过测量超声波束顺流和逆流时的时间差从而计算出流体的瞬时流动速度。

举例而言，如图3所示，在管壁的上游和下游安装了两个超声波探头模块来轮流发射和接受超声波脉冲信号，声道长度为L，管径为D，声道角为0°。可以得到以下公式：

其中Q为瞬时流量，v为流体在声道线上的平均速度，Δt为飞行时间差，t

对于本发明中的CMUT器件，CMUT器件相对于传统的压电超声波传感器具有更多的优点，首先，CMUT器件的频率响应范围更广，这是因为CMUT器件的结构和工作原理与传统的压电超声波传感器不同。CMUT器件是一种基于微机电系统(MEMS)技术制造的超声波传感器，它是由一组微小的电容器组成的，当电容器受到外部的超声波信号时，会产生微小的振动，从而将超声波信号转换为电信号。由于CMUT器件的结构和工作原理不同于传统的压电超声波传感器，因此它可以在更高的频率范围内工作，可以实现更高的分辨率和灵敏度。其次，CMUT器件具有更高的能量转换效率。传统的压电超声波传感器是通过压电效应将机械能转换为电能，因此其能量转换效率较低。而CMUT器件是通过电容变化将机械能转换为电能，因此其能量转换效率更高，可以实现更高的信噪比和检测灵敏度。第三，CMUT器件具有更小的尺寸和重量。由于CMUT器件是基于微机电系统(MEMS)技术制造的，因此可以在微米级别上制造，具有更小的尺寸和重量，可以方便地集成到各种设备中。第四，CMUT器件具有更低的功耗。由于CMUT器件的能量转换效率更高，因此其功耗比传统的压电超声波传感器更低，可以实现更长的电池寿命和更低的能耗。第五，CMUT器件具有更高的可靠性和稳定性。由于CMUT器件的制造过程比传统的压电超声波传感器更加精密和可控，因此可以实现更高的可靠性和稳定性。

一实施例中，管道的管径使用小管径，超声换能器采用口型安装方式。将一对超声换能器分别放置在管道的两端，换能器与流体直接接触，使用密封圈来保证管道与换能器之间的密封性，实物安装图1所示；

其中，如图2所示，所述传感器系统2还包括：电源模块，所述电源模块对直流电进行升降压以及反向变压，满足传感器系统2各个模块的电源要求；CMUT驱动模块，所述CMUT驱动模块接收控制信号，发射和接受第一声波；所述超声波探头模块接收到的第二声波，将第二声波输送至信号调理模块；信号调理模块，所述信号调理模块对第二声波进行信号处理，得到调理信号；控制与数据处理模块，所述控制与处理信号处理模块处理调理信号；其中，所述控制与数据处理模块包括互相关算法模块、计时模块和控制器模块。

一实施例中系统采用模块化的设计理念，如图6所示，将系统整体分为四大模块。每个模块都有分工职能，由核心控制器完成信息的收集和处理，系统结构如下图所示。其中电源模块对直流电进行升降压以及反向变压等操作，满足系统各个模块的电源要求；CMUT驱动模块在激励脉冲信号的控制下，完成声波的发射与接收。超声波探头接收到的声波会在信号调理模块中进行信号转换、滤波等操作；经过调理的信号进入控制与数据处理模块中，由其中的互相关算法模块进行互相关运算，得出信号匹配度最大点，计时模块停止计时，完成超声波渡越时间测量；单片机读出时间信息，单片机记录并计算渡越时间差值，然后进行液体流量计算，并在屏幕中显示。

具体而言，检测系统使用的核心控制芯片为STM32F407ZGT6微控制器，使用的CMUT超声探头的中心频率为1MHz，该芯片的配置强大，内部资源丰富，集成了FPU和DSP指令，并具有192KB SRAM、1024KB FLASH、12个16位定时器、2个32位定时器、2个DMA控制器、3个SPI、3个IIC、6个串口、3个12位ADC等等，能够满足系统的功能要求。

对于电源模块对直流电进行升、降压以及反向变压等操作，具体要实现的供电需求有：单片机供电电源3.3V、CMUT的驱动电压24V和信号调理电路供电电压±2.5V；CMUT的驱动方波为一定数量的方波，低电平为0V，高电平为24V。使用2个模拟开关产生2组驱动方波，使用2个模拟开关来切换2组信号的收发模式，模拟开关型号为MAX4649EKA，该模拟开关能够承受最大电压为44V，能够满足使用要求。如图4所示，模拟开关的控制信号皆由单片机产生，U1或U2在未得到单片机产生驱动信号的命令时，模拟开关输出高电平，让超声换能器处于24V的直流偏置电压下，反之则输出方波信号。U4和U5负责对超声探头发射/接收超声信号进行切换，使用单片机控制Switch1和Switch2的高低电平实现，当Switch1或Switch2为低电平时，对应的超声探头处于发射状态，反之则处于接收状态，CMUT驱动模块的电路图如图4所示，对于信号调理模块，使用GS8092芯片为核心的放大电路，将接收到超声信号进行放大等操作，使信号能够满足单片机的处理要求。反向放大器电路，放大倍数为10k/100＝100倍，信号调理电路图如图5所示。

控制与数据处理模块

使用单片机STM32F407实现控制与运算，STM32F407带有能够进行信号处理的DSP库，能够快速的完成数字信号的滤波、插值和傅里叶变换等操作。单片机需要计算的量包括飞行时间、飞行时间差、流体流速、体积流量等，并完成相关信息在屏幕上的显示功能。

一实施例中，为了使超声波流量测量系统满足功能要求，不仅需要合理的硬件基础，还要有能够对信号数据进行实时处理的软件控制系统。由于超声波流量测量系统所选用的核心控制器是STM32F407单片机，因此软件控制系统也是此硬件平台设计的。系统软件使用C语言开发，开发环境为Keil uVision5，软件基于ARM所提供的库函数。

对测量系统所要实现的功能进行分析，为提高程序设计效率，提高程序的运行的可靠性，采用模块化的设计理念，将系统软件分为为主程序模块、驱动脉冲发送模块、信号采集与处理模块、人机交互模块。主控模块是对程序进行初始化配置，包括系统时钟配置、定时器配置、I/O引脚配置、中断配置、初始化系统参数等操作；驱动模块实现驱动脉冲的配置和收发模式转换；信号采集与处理模块主要完成对信号的采集、传输、滤波、运算和存储等功能；人机交互模块实现按键和显示等交互功能，如表格一所示。

表格一

本申请还公开一种基于超声换能器的流量测量方法，对流量测量设备进行执行，所述测量方法包括步骤：

读取解析限制配置信息，产生PWM方波控制模拟开关，产生所需的驱动方波；

发送驱动方波作用于传感器系统2，完成超声信号发射；

对传感器系统2接收到的信号进行ADC采集，由DMA传输后并滤波；

收到一对超声信号后，对2个信号进行插值和互相关运算，计算飞行时间差；

当达到测量周期后，对所有得到的数据进行处理，计算流速和体积流量；

一段时间延时后，系统再次开始测量，完成流量测量。

一实施例中，系统软件控制流程如图7所示，系统开始运行时，首先进行初始化操作，软件程序命令单片机读取解析限制配置信息，例如脉冲数量、测量周期等。然后开始进行测量，由定时器产生PWM方波控制模拟开关，从而产生所需的驱动方波，驱动方波作用于超声换能器，已完成单侧的超声信号发射；再对另一端超声换能器接收到的信号进行ADC采集，由DMA传输后并滤波；收到一对超声信号后，对2个信号进行插值和互相关运算，可求得飞行时间差，用阈值比较法可求得单侧的飞行时间；当达到测量周期后，对所有得到的数据进行处理，计算流速和体积流量，并将计算结果显示在屏幕上。一段时间延时后，系统再次开始测量，最后将测量结果在屏幕上刷新。

对于对单片机进行定时器级联的设置，配置高级定时器TIM1为主触发模式，利用TIM1产生1MHz的PWM脉冲；配置通用TIM2为从触发模式，通过TIM2进行设定脉冲数量，这样就能精准控制脉冲的频率和数量。PWM脉冲输出的通道为CH1，对应的引脚为PA11。产生的脉冲作为模拟开关的控制端，而模拟开关的NO和NC端分别接的是0V和24V，因此在COM端能产生指定数量的24V～0V驱动方波，此驱动方波通过控制收发模式的模拟开关作用于超声换能器，就能完成超声波的发射。

超声波信号原始数据的采集使用STM32F407内置的高速ADC来实现，由于所采集的超声波信号频率为1MHz，根据采样定理可知ADC采样频率至少为2MHz。为了方便对数字信号的处理和提高测量的精度，需要提高在单个信号周期内的采样点数。如1MHz信号在2MHz采样频率采集下，单个信号周期可以采集到2个数据点；而在7MHz采样频率采集下，则单个信号周期可采集7个数据点，采集结果更加接近真实的信号波形。本文采用STM32F407单片机内的3个ADC对超声波信号进行交替采集，采样频率最大可达7.2MHz。当STM32F407的ADC时钟为36MHz，ADC的采集周期为3个ADC时钟周期时，单个ADC的采样频率达到最大值2.4MHz。因此要保证ADC的采样频率为2.4MHZ，首先要对单片机的系统时钟和ADC时钟进行配置。

首先配置单片机系统时钟为144MHz，进行2分频后得到APB2时钟为72MHz，再进行2分频后得到ADC时钟为36MHz。而ADC一次完整的采集包括采样阶段和数据转换阶段，设置采样阶段为3个ADC时钟周期，转换阶段为12个ADC时钟周期，一共需要15个ADC时钟周期。因此单个ADC的采样频率f为：

在配置三重ADC交替采集模式后，ADC采样频率达到7.2MHz，对1MHz超声波信号的单个周期内能采集到7～8个点，满足系统的采样要求。

其中，发送驱动方波包括步骤：

步骤一：进行定时器级联设置，通过定时器产生PWM脉冲信号；

步骤二：PWM脉冲作为模拟开关的控制端；

步骤三：模拟开关的NO和NC端分别接0V和24V电压；

步骤四：通过COM端产生指定数量的24V至0V驱动方波；

步骤五：24V至0V的驱动方波通过模拟开关作用于传感器系统2，完成驱动方波发送。

对于数据处理与计算

数据处理主要是为了求得上游飞行时间t

(1)信号滤波

在实际中使用单片机对信号进行采样，并使用匿名上位机软件对采集的数据进行实时显示，从图8左边的图像中可以看到，信号波形较乱，存在较大干扰。对采集到的接收信号进行波形分析，可以发现1MHz主频的幅值不突出，所以为方便锁定目标信号的波形，在进行数据处理之前需要对原始的采集信号进行带通滤波。使用STM32F407自带的DSP库，设置滤波参数中的截止频率为0.95MHz和1.05MHz，利用MATLAB软件生成滤波的参数，调用滤波函数arm_fir_f32_bp对原始数据进行滤波，滤波之后的接收信号更有利于进行数据处理。图8中右边图像为单片机进行软件滤波后的信号，滤波之后的信号幅值最大为700mV。

(2)三次样条插值

从滤波之后的信号可以看到，信号的大部分干扰已经消除，一个信号约有10个波，中共有200个数据采集点，采集点之间的时间间隔为0.1389us。为方便后续对信号的处理，采用三次样条插值对200个数据点进行插值，使数据点数量增加到1024。具体方法是使用STM32F407自带的DSP库，先调用函数arm_spline_init_f32对样条函数进行初始化，再调用函数arm_spline_f32进行样条函数计算。由于插值后数据点个数约为原来的5倍，那么插值后的信号数据点之间的时间间隔约为原来的1/5。信号插值后信号波形图如图9所示。

本申请文件通过判断ADC所采集数据是否过零点来计算上游飞行时间t

对于飞行时间的计算，在图10中，t0表示信号发送时刻；t1表示ADC开始采样时刻，t2表示回波信号第二个波到达时刻。为了减少干扰信号对原始采集信号的影响，使信号采集过程更加稳定，所以要使ADC开始采样的时刻尽可能接近回波信号首波到达的时刻。根据飞行时间的计算公式，可以推算出静态时(即流体流速为零)的飞行时间t，如式4.1所示，由此可以估算出ADC1开始工作的时刻。

根据上式可知，上游飞行时间t

t

按照此方法可以算出上游飞行时间t

(4)飞行时间差计算

当求得上游、下游飞行时间后，为了精确求取飞行时间差，对两组滤波信号数据使用离散互相关算法。首先将上游与下游对应的两组滤波信号进行FFT变换，将时域信号转换到频域；再将下游滤波频域信号取共轭，其结果与上游滤波频域信号做乘积运算，就得到了离散互相函数的频域输出；再使用IFFT将离散互相函数的频域输出转换成时域输出。为了更加精确计算结果，在计算出离散互相关函数后，使用三次样条插值方法对最大值点附近区域进行插值，求取真实的最大值点所对应的横坐标，即为飞行时间差。

(5)流速、流量计算

由于飞行时间差微小偏差对计算结果的影响较大，所以为了减小测量误差，本申请文件中一次测量周期中包含对飞行时间差的多次测量。将多次测量的结果由小到大排序存放在数组中，去除数值元素中的最大值和最小值，求得剩余数组元素的标准偏差，然后将数组中对标准偏差影响较大的元素去除，对剩余数组元素求平均值，即为一个测量周期内的平均飞行时间差Δt。同理将一个测量周期内的平均上游飞行时间t

综上，对于本发明超声波探头模块实现流量的精确测量，基于超声波探头模块在发射模式时开关闭合，振动薄膜在直流偏置电压和交流激励电压的作用下产生振动，从而导致声场中介质振动，实现电信号到声波信号的转换；CMUT工作在接收模式时开关断开，直流偏置电压使电容器充满电荷，超声波信号作用在振动薄膜上使其振动，导致在振动薄膜表面的电极也发生振动，引起电容器电荷的变化从而产生电流，实现声波信号到电信号的转换术。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

需要要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。