超声波测速

2024-09-11

超声波测速（通用6篇）

超声波测速篇1

0 引言

研究表明,左心室血液的流动动态可以被认为是心脏健康一个潜在的指示器[1,2]。研究者在研究过程中发现,在心室舒张充盈的过程中,血流会在心室腔内形成涡旋。在心室等容收缩期,心室的收缩会加大涡旋的强度,血液在心室内以涡旋的形式流动,可以减少血液之间和血流与心室壁之间的碰撞。在心室的射血期,涡旋形式的血流有利于射血时血流方向的改变,从而提高心脏射血的效率。因此,涡旋可以最小化血液流动过程中能量的损失,并减少心脏射血时所需要的能量[3,4,5,6,7,8,9]。心脏相当于一个大血泵,可为全身供血,在心脏收缩期时,心脏通过逆时针的扭转和挤压将血液泵至全身各处;在心脏舒张期时,通过顺时针方向将血液抽回心脏。当心脏遭受心肌梗塞、心力衰竭、肥厚型心肌症等疾病危害时,心脏的功能会发生紊乱,心脏内的血流动力学参数会发生变化。

目前用于计算心脏内涡旋参数的主要方法有:相位对比的心脏核磁共振成像技术和基于彩色多普勒的血流向量图。1986年Nayler GL等人提出利用相位对比技术对血流速度进行测量,相位对比的核磁共振成像(Phase-contrast Cardiac Magnetic Resonance)技术应用大小相等、方向相反的两叶组成的双极梯度磁场,第一叶使静止和流动组织的质子群进行相位积聚,随之应用第二叶,静止质子丧失相位,总相位为零,而流动的血液在两个梯度之间,经过不同的正负梯度,累加后产生相位位移。此时相位位移与血液在流速编码方向的流动成正比,从而通过公式可计算得到心脏内血流的速度场。近些年由于科学技术的发展,磁共振血流成像在三维成像的基础上添加了时间上分辨率,成为四维核磁共振(4D MRI)血流成像[10]。

基于彩色多普勒的血流向量图将血流分解为进入观测平面的基本流和平面内封闭的涡流,可测量心动周期不同时刻心腔内任意一点真实的血流速度。首先通过彩色多普勒成像,扫描心室内的血流区域,得到心室内各个位置沿扫描波束方向的血液流动状况。再根据流函数和流距离函数得到速度场在垂直于波束方向的速度分量,从而得到心室内血流速度场二维分布。

核磁共振的成像方法在三维空间具有很高的空间分辨率,但是该方法在时间分辨率方面受到了极大的限制,计算非常消耗时间。彩色多普勒具有廉价、耗时短、时间分辨率高等优点,但是该方法尚未被体外模型验证,且对垂直于声束方向的涡旋测量不准确。

粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)技术是用于流体显像的一种光学方法,被广泛应用于流体力学实验室,能测量流体的瞬时速度相关特性。其原理为在流体中充分植入具有良好流体动力学特征的粒子示踪剂,使用脉冲激光照射所测流场的切面区域,通过成像记录系统获取两次或多次曝光的粒子图像,形成两幅或多幅PIV实验图像,再利用图像互相关方法进行分析,从而得出每一小区域中粒子图像的平均位移,由此确定流场切面上整个区域的二维速度。超声粒子图像测速技术(Echo-PIV)采用超声波束作为显像源,微泡作为粒子示踪剂,能够显示心腔内血流动力。2000年,echo-PIV初次用于实验室显像挟沙水流中的高岭土粒子,随后该技术成功应用于心腔内血流实验和临床研究[11,12,13]。

通过超声粒子图像测速技术来计算心脏内涡旋特性还是一个较新的研究方向,关键是要证明其具有足够的可靠性和精确性,以便用于临床应用。为此,本文构建了一个超声粒子图像测速技术系统,搭建了一个人体血液循环仿真系统,通过聚乙烯醇(PVA)制作了左心室仿体,以便在受控条件下测试超声粒子图像测速技术计算心脏内涡旋特性的可行性,报道如下。

1 实验系统

1.1 超声粒子图像测速技术总体流程

超声粒子图像测速技术总体示意图,见图1。本文采用超声线阵探头进行图像数据的采集,通过超声探头对仿体进行连续的B-mode超声成像,然后将前后两帧B-mode超声图像划分为有限个小的窗口,对前后两张图像对应位置的小窗口进行互相关分析,互相关平面极值所对应的位置即为最佳匹配点即小窗口运动到的位置,从而可以计算粒子的位移,由于B-mode超声成像的成像频率已知,所以可以求得整个流场的速度矢量图。

1.2 人体血液循环仿真系统的搭建

人体血液循环仿真系统,见图2。脉动泵采用Harvard Apparatus公司生产的大动物血泵,可以通过大动物血泵调整脉动频率、射血分数、射血体积等参数。超声采集设备使用的是Sonix RP系统,通过该系统可以对仿体进行连续成像,通过调整扫描线密度、图像宽度、图像深度等参数,最快可以实现每秒钟上千帧的成像速度。流量计可以实时提供流入仿体液体的流量信息。试验中采用的仿体分为两种,一种是自制的聚乙烯醇(PVA)材料仿体,一种是购买的硅橡胶材料仿体,实验的过程中在液体水池中打入超声造影微泡,开启脉动泵循环多个周期,待超声造影微泡均匀分布在液体中时,对仿体进行实验采集。在仿体的后方放置吸收超声的材料,以减少超声数据采集时的噪声干扰。

1.3 用于算法验证的左心室仿体

左心室硅胶仿体,见图3。此仿体购买自Shelley Medical Imaging Techologies公司。

该仿体拥有左心室、主动脉弓、主动脉、冠状动脉,上方为大脑和上肢供给血液的血管。实验时,将此仿体连接到血液循环系统中,打入超声造影微泡,采集数据,应用Echo-PIV算法对图像进行计算。由于此仿体是由硅胶制成的,对于超声波的反射很强,在成像的过程中表现出较多噪声,因此主要是采用这个仿体进行算法的验证。

1.3.1 聚乙烯醇(PVA)水凝胶的制备

聚乙烯醇PVA水溶液在室温下可以通过链段之间的氢键逐渐形成水凝胶,但是这种水凝胶的力学性能较差,使用价值较低。为了获得高强度、高含水的PVA水凝胶,有研究者通过不同的交联方法和反应条件来直接影响高分子的网络结构从而改善其性能。

PVA水凝胶的制备按照交联方法可分为化学交联和物理交联。化学交联又分为辐射交联和化学试剂交联。辐射交联主要是利用电子束、紫外线等直接辐射PVA溶液,使PVA分子间通过自由基而交联在一起。化学试剂交联则是采用化学交联剂使PVA分子间发生化学反应而交联形成凝胶,常用的化学交联剂有醛类、硼酸、环氧氯丙烷以及可与PVA通过配位络合形成凝胶的重金属盐等。物理交联主要有反复冻结法和冻结部分脱水法。

水凝胶中PVA浓度为10wt%、散射子(Sigmacell Cellulose)浓度为3wt%,制作过程如下:

(1)准确称取PVA聚合物加入烧杯中,加入定量的纯净水,在烧杯中加入磁转子,并放入恒温加热磁力搅拌器中进行加热。30℃下搅拌1~2 h,使PVA聚合物充分溶胀,以利于后面加热时PVA聚合物的溶解。

(2)调整温度到95℃,加热搅拌1 h,观察溶液中没有悬浮的颗粒物,基本变为均一透明时即可,在加热的过程中为了防止水分的流失,可以在容器上面覆盖一层锡箔纸膜。

(3)在PVA聚合物完全溶解后,加入已经称好的Sigmacell Cellulose,继续加热搅拌15 min,使Sigmacell Cellulose均匀分布于PVA水溶液中,这时溶液呈现为乳白色。

(4)停止加热搅拌后,由于粘度较大,在溶液中可能会有气泡,把容器放入超声清洁器,震荡15 min,除去溶液内部的气泡,然后静置冷却至30℃。

1.3.2 左心室仿体的制备

左心室仿体模具,见图4。制作左心室仿体主要以图4模型为基础,以PVA水凝胶为材料。制作仿体需要一大一小两套模具(图4A),首先使用小模具(图4A-1)制作出一个实心模型,然后将此模型放入大模具(图4A-2)中,在大模具中形成空余位置,并在该位置加入PVA。具体流程如下:

(1)配置5.5%wt的琼脂糖溶液,将溶液放入微波炉中进行加热直至完全溶解。

(2)将溶液倒入小模具(图4A-1)中,静置一段时间待液体完全凝固。打开模型(图4C-1),即可得到左心室琼脂糖模型(图4B),将琼脂糖模型放入大模具中(图4C-2),可以看出大模具中琼脂糖模型周围有一部分空余的位置。

(3)从大模具上方小孔处注射PVA水凝胶直至溢出,然后将大模具密封。将密封好的大模具放入-20℃的冰箱中冻融12 h。最后将冻融好的仿体取出,通过挤压碾碎心室仿体内的琼脂糖,用水冲出琼脂糖,得到PVA心室模型(图4D)。

2 左心室涡旋参数的计算

在心室舒张充盈的过程中,血流会在心室腔内形成涡旋,涡旋可以最小化血液流动过程中能量的损失,并减少心脏射血时所需要的能量,所以涡旋是心脏内血液流动的重要参数。通过Echo-PIV算法可以得到心脏内血液流动的速度分布,进一步可计算出心脏内涡旋的相关参数。

涡量是描述旋涡运动最重要的物理量之一,定义为流体速度矢量v的旋度,涡量的单位是秒分之一(s-1)。涡量的计算公式:

涡量是1个周期性的变量,通过对多幅图像相同位置涡量值组成的序列进行傅里叶变化,得到图像各个位置的零阶谐波值和一阶谐波值,即公式(2)中的分量ω0(x,y),ω1(x,y):

涡旋的相对强度是评判心脏功能的重要参数,当发生心力衰竭等疾病时,心脏的收缩舒张功能会减弱,从而使得心脏左心室内涡旋的相对强度降低。涡旋的相对强度(Relative Strength,RS)是一阶谐波强度值与零阶谐波值的比,可通过公式(3)计算得到:

其中:

涡旋的波动是平方归一化的涡量变化:

公式(5)中,T为一次心跳持续时间,LV代表左心室。液体流动时相互之间会产生摩擦,从而导致能量损失。能量损失也是评价心脏功能的一个重要参数,当心脏发生病变时,左心室内的血流不能继续保持良好的涡旋结构,从而会加大能量的损失,其计算公式如下:

其中,ρ代表液体的密度,μ代表液体的粘度,DI代表能量的损失。

能量的波动是相对于平均能量的能量变化,其计算公式如下:

上式中下角标“0”代表平均速度。

3 实验

3.1 PVA仿体实验

当心脏发生心肌梗死、肥厚性心肌症时,心肌的弹性会发生变化,同时心脏左心室内的血流动力学参数也会发生变化。本文采用不同硬度的仿体测试对血流动力学参数的影响。在制作PVA仿体时,会经历冻融阶段,不同冻融周期制作出的仿体会出现不同的硬度。通过实验,可测量1~8个冻融周期的仿体弹性模量,本研究使用了3周期、7周期的仿体进行了实验。

3.2 实验数据的处理

对采集的超声图像进行处理,步骤如下:

(1)输入连续的含有超声造影微泡的心脏左心室长轴切面图像,总帧数N应涵盖至少一个心动周期内超声系统所采集的图像。

(2)在第一帧图像上选择一个感兴趣区域(Region of Interest,ROI)。

(3)对第n帧和第n+1帧图像的ROI进行匹配计算。将ROI划分为多个分析窗口(次窗口),两幅图中对应的两个次窗口进行二维互相关运算,获得该次窗口所代表的血流的位移矢量,然后利用三点高斯峰拟合算法进行亚像素分析,利用全局和局部中值滤波器去除错误矢量,并采用双线性内插算法对错误矢量进行替换。通过迭代提高计算的精度,最后减小窗口大小,提高空间分辨率。依次对ROI每一对次窗口进行该运算,得到第n帧图像ROI内的二维位移矢量分布图。

(4)n=n+1,判断n是否大于或等于N。若“否”,则返回第(3)步。若“是”,则进行第(5)运算。通过对第(3)步的循环运算,得到输入图像ROI的二维位移矢量分布图。换言之,得到了若干个心动周期内每一个心跳时刻心脏内血液流动的位移矢量图。

(5)通过步骤(4)得到的位移矢量图和超声获取图像的时间间隔,计算得到心脏内血液速度分布图。

(6)通过左心室内流体的速度,计算出心脏左心室内血流动力学相关参数。

4 实验结果与讨论

4.1 硅胶仿体实验结果与讨论

在硅胶仿体实验中,实验参数如下:脉动泵频率35 Hz、脉动泵每搏射血体积35 m L、超声探头12 MHz(线阵探头),线密度256。硅胶仿体实验估计涡旋参数,见表1。

在人体的整个心动周期内,心脏血流并非都处于涡旋状态,但在心脏填充期,左心室内血流处于涡旋状态。对于整个实验系统来说,脉动泵相当于左心房,可为心室供血,本研究选择脉动泵供血时期获得的B超图像进行研究(图5)。

注:A.第一帧图像;B.第二帧图像。

本研究同时计算了速度(Velocity)、剪切力(Wall Shear Stress,WSS)、涡量(Vorticity)等信息。速度、剪切力、涡量的彩色编码矢量图,见图6~8。从图中可知,本研究采用的算法可精确地计算出心脏左心室仿体中的血液流动。

4.2 PVA实验仿体结果与讨论

本研究采用3周期弹性模量为168.52 k Pa和7周期弹性模量为296.04 k Pa的仿体进行实验。每个周期的仿体分别进行3组实验。实验参数如下:脉动泵频率15 Hz、脉动泵每搏射血体积15 m L、超声探头12 MHz(线阵探头),线密度128。PVA仿体实验结果,见表2。

由实验结果可知,两组间DI、EF、RS、W等参数无统计学差异。弹性模量大的仿体其形状比弹性模量小的仿体小,且差异有统计学意义(P<0.05)。

本研究对仿体内部的血流速度、剪切力和涡量进行了比较,并对这3个参数同样的尺度进行了彩色编码。彩色编码对比图像,见图9。

本研究中,两组之间彩色编码的度量相同,图像的右端贴有不同颜色彩色编码所对应的值,红色代表数值大,蓝色代表数值小。通过对图像的观察,我们发现7周期的速度、剪切应力、涡量均比3周期大。PVA仿体实验结果,见表3。

注:A、B分别为3周期和7周期仿体速度彩色编码;C、D分别为3周期和7周期仿体剪切力彩色编码;E、F分别为3周期和7周期仿体涡量彩色编码。

5 结束语

左心室血液的流动动态可被认为是心脏健康一个潜在的指示器,通过超声粒子图像测速技术来计算心脏内涡旋特性还是一个较新的研究方向。本文构建了一个超声粒子图像测速技术系统,搭建了一个人体血液循环仿真系统,通过聚乙烯醇(PVA)制作了左心室仿体,完成了一些初步的实验,结果证明所构建的系统、仿体、相关算法是可行的,为下一步工作打好了基础。

本研究由中科院深圳先进技术研究院生物医学与健康工程研究所完成,仍有以下需要改进的地方:

(1)实验期间,由于缺少采集大鼠心脏信号的探头,未能完成动物实验。若能购买到实验设备进行动物实验,可使实验结果更有说服力。

(2)可与医院进行合作,采集病人信息,有利于进一步探索超声粒子图像测速技术对心脏功能的评估。

(3)改善实验算法,使算法能够更加适用于心室这种非规则形状内流场的计算,能够更加准确的计算出心室内的流场。

(4)改善体外实验系统,使之能够更加接近于人体真实的情况,能够使采集到的数据更接近于真实。

摘要：左心室涡旋特性可被认为是心脏健康潜在的指示器,通过超声粒子图像测速技术计算心脏内涡旋特性是一个较新的研究方向,关键是要证明其具有足够的可靠性和精确性,以便用于临床应用。为此,本文构建了一个超声粒子图像测速技术系统,搭建了一个人体血液循环仿真系统,通过聚乙烯醇(PVA)制作了左心室仿体,以便在受控条件下测试超声粒子图像测速技术计算心脏内涡旋特性的可行性。系统可以对仿体进行连续成像,通过调整扫描线密度、图像宽度、图像深度等参数,最快可以实现每秒钟上千帧的成像速度。实验过程中,在液体水池中打入超声造影微泡,开启脉动泵循环多个周期,对仿体进行实验采集。通过超声粒子图像测速技术可得到心脏内血液流动的速度分布,进一步可计算出心脏内涡旋的相关参数,包括能量损失(DI)、能量波动(EF)、涡旋相对强度(RS)、涡旋的波动(W)等。结果证明所构建的系统、仿体、相关算法是可行的,可为下一步工作打好基础。

关键词：超声,粒子图像测速,左心室,涡旋

超声波测速篇2

为保证测速仪现场测速方法评价的合理性, 以及评价结果的有效性, 本文对测速仪现场测速方法展开研究, 目的在于评价各类测速仪时, 如果做到评价方法统一, 评价结果有效, 将评价技术切实服务于公安交通执法一线。

1 机动车测速仪型式评价现场测速方法国内外现状

1990年, 国际法制计量组织 (OIML) 颁布R91《机动车雷达测速仪》, 推荐现场测速部分以真实交通情况下的社会车辆为测量对象, 利用固定安装于现场的标准测速装置为标准器。目前, 德国PTB和瑞士METAS等测速技术先进的欧洲发达国家计量院在对机动车测速仪做型式评价时, 均采用OIML颁布R91中推荐的方法。但是, 现场标准测速装置多为压电传感器测速系统, 由于压电传感器需要预先埋设于高速路面下, 不仅要求路面铺设质量严格, 而且长期埋设于高速路面下的压电传感器很容易由于车辆的不断碾压, 以及天气环境变化的影响, 出现变形损坏, 后期维护量大, 建设成本高。

国内, 型式评价实验室大部分处于研究试验状态, 在JJG527-2007《机动车超速自动监测系统检定规程》、JJG528-2004《机动车雷达测速仪检定规程》和JJG 1074-2012《机动车激光测速仪检定规程》中现场速度检测采用安装有标准测速仪的实验车辆, 此方法在测速仪型式评价时, 并不实用, 采集500组有效的现场测量数据, 不仅费时, 而且经济成本昂贵。

2 机动车测速仪型式评价现场测速方法的研究

2.1 机动车测速仪现场速度传统校准方法

根据物理学定律, 物体经过某段距离时的速度为:速度=距离/时间。所以对机动车辆的进行测速, 目前传统的基本思想就是通过计量得到车辆经过某一路段所用的时间, 已知路段的长度, 计算得到车辆的平均速度。常用的方法有压电测速法、垂直激光测速法。

2.2 机动车测速仪型式评价现场测速原理

根据上述垂直激光测速法, 公安部第一研究所研发了一套现场标准测速装置, 测速仪型式评价现场测速标准装置示意图如图1所示。

在本标准装置测速系统中, 以P1点与P2点之间为标准测速区域, v12为标准速度值。目前, 被测系统主要有雷达测速系统、激光测速系统和地感线圈测速系统三大类。通过标准速度v12与被测系统速度测量值做比较, 即可对被测系统现场速度误差进行系统评价。

2.3 机动车测速仪型式评价现场测速方法可行性分析

2.3.1 现场标准测速装置和被测系统同一性分析

现场标准装置与被测系统的同一性是指两个相互独立的测量系统测量对象的同一问题, 包括车辆的同一性和速度的同一性, 即测量的不仅应是同一辆车, 还要是同一个速度。

下面对速度同一性进行分析, 雷达测速系统和激光测速系统测得的速度为点速度, 地感线圈测速系统测得的速度为平均速度。为了保证被评价系统测量的速度值和标准装置测量速度一致, 也就是被评价系统测量的速度值与v12的值基本一致, 被测系统的测速点或是测速区间应与标准装置的测速区间吻合, 也是P1点与P2P点之间, 上述分析即为速度同一性。为了做到速度的统一, 雷达测速系统和激光测速系统可安装在P3点, 雷达波或是激光束以一定角度辐射于P1点与P2点之间的区域, 地感线圈测速系统的地感线圈可铺设于P1点与P2点之间。对于地感线圈测速来说, 与标准装置标准速度值原理一样, 本身就是区间平均速度, 不存在测量不一致现象。而对雷达测速系统和激光测速系统来说, 为了保证点速度与标准装置标准速度值一致, 必须保证车辆在P1点与P2点之间运行速度基本保持匀速。本标准装置测速系统中, 做到车辆在P1点与P2点之间运行速度基本保持匀速方法可通过以下方法实现。

当∆v或∆vr非常小时, 即v12≈v23时, 车辆为匀速行驶。JJF1335-2012《定角式雷达测速仪型式评价大纲》中, 被测系统现场测速最大允许误差为:

在JJF1094-2002《测量仪器特性评定》中关于标准器技术指标要求, 一般要求标准器最大允许误差小于被测仪器最大允许误差的1/5。参照上述要求, 在本标准测速系统中, 为了更好的保证测速精度, 可取∆v或∆vr小于被测系统现场测速最大允许误差的1/10:

即当∆v≤0.6 km/h或∆vr≤0.6%, 即认为车辆以基本匀速状态通过标准装置测速区域, 如果∆v>0.6 km/h或∆vr>0.6%, 标准测速系统装置将放弃此车辆速度值, 不作为型式评价依据。

在实际测试过程中, 标准装置和被测系统同时对同一车道行驶的车辆进行速度测量。标准装置测得的标准样本记录到标准样本库, 被测系统测得的测量样本记录到测量样本库。在进行标准样本和测量样本比较时, 必须要保证是同一车辆的数据, 即车辆同一性问题。

判定车辆同一性的条件有两个, 一是测量时间一致, 二是车辆的号牌一致。即标准样本和测量样本中被测车牌号相同, 同时测量时间较接近 (如相差在2秒或5秒之内) 的样本。在本标准装置测速系统中, 设置了统一的校时机制, 保证了标准装置和被测系统时基统一。另外依据G B/T21255-2007《机动车测速仪》中要求, 测速系统应记录车辆的图像, 因此通过图像提取车牌号信息的方法也切实可行。所以从测量样本提供的车辆图像中提取测量样本的车牌号, 与标准样本库中相同车牌号的样本比较, 如果测量时间非常接近, 则判定标准样本与测量样本一定为同一车辆的测量数据。通过上述机制可解决车辆同一性问题。

2.3.2 测量样本有效性分析

JJF1335-2012《定角式雷达测速仪型式评价大纲》中关于现场测速计量性能评价的要求为:将测速系统得到的速度测量值与现场测速标准装置测得的标准速度值相减, 计算出被测测速系统的测速误差, 并通过500组有效测量结果来评价被测测速系统的测速性能。

但是大纲并没有明确说明500组有效数据如何选择, 由于500组有效数据的比较是标准系统和被测系统两个系统在满足上述2.3.1分析的基础上, 对同一车辆同一速度进行比较的行为, 所以存在当某一车辆经过测速区域时, 标准系统或被测系统是否能够同时对此车辆进行有效速度测量的问题, 如果不能同时测量, 数据的比较无法进行。

在标准测速系统中, 按照上述2.3.1分析, 如果存在车辆不匀速通过测量区域时, 标准系统会主动放弃此样本。在这种情况出现时, 被测系统测量数据已经没有意义, 同时应该放弃。另外, 目前由于被测系统生产厂家众多, 质量水平层次不同, 大多数情况下, 标准系统有效测量的车辆, 被测系统不一定能够进行有效测量, 但根据大纲要求, 由于是500组有效数据的比较, 所以在本标准装置系统中设置条件为:以被测系统得到500组有效数据为前提, 同时核查标准系统是否有满足同一性原则的500组有效数据, 如果不满足500组, 可继续增大样本测量, 直到满足为止。然而, 如果以标准系统得到500组有效数据为前提, 强制性认为被测不能有效测量相同的500组车辆, 并不符合理论分析。

3 测速仪型式评价现场测速在交通执法中的应用及作用

随着人民法制观念的进步, 当前, 某些驾驶员对自己驾驶车辆的超速行为存在异议, 会提出附议, 对测速仪的产品质量产生怀疑。所以交管部门使用的测速仪是否经过有关权威部门的计量性能评价显得尤为重要。本文上述论证的方法, 可以方便、实用的按照JJF1335-2012《定角式雷达测速仪型式评价大纲》的要求, 完成可以对测速仪现场测速计量性能的评价, 且评价结果可靠, 保证了测速仪测量数据的准确性。另外, 利用本文论证的方法, 还可以对标准速度车、测速仪开展计量检定, 为交管部门执法, 提供科学有信心的依据。

4 结语

利用本文基于激光测距原理设计的标准测速装置, 及本文讨论的型式评价方法, 可以有效的对测速仪开展现场测速计量性能型式评价, 且精度高、性能可靠、测速范围宽、被测系统安装方便快捷, 克服了对射/反射、压电测速法等常规测量方法中, 无法判断车辆同一性、施工难度大、设备容易损坏等缺点。且本文讨论评价方法适用于各种测速原理的测速系统, 并能保证检测数据的准确性, 值得大力推广值得大力推广。

参考文献

[1]蔡常青, 孙桥, 张沃, 等.机动车激光测速仪检测技术探讨[J].中国计量, 2008 (2) .

[2]崔岩梅, 李涛, 冷杰, 等.激光测速仪的校准方法和装置.中国计量, 2008 (4) .

[3]钱其荣, 陈勇, 王敏.机动车测速在道路交通执法中的应用[J].信息系统工程, 2011 (11) .

[4]杜锡勇, 张宏, 冯荣彪, 等.光遮挡式激光测速方法的研究[J].激光杂志, 2009, 30 (4) .

电机测速调速系统设计篇3

基于触摸屏和PLC的三相异步交流电动机调速系统在生产生活中有着广泛的应用前景, 本项目主要研究内容有:通过触摸屏或PLC实现三相异步交流电动机的启动、停止、正转、反转、测速及调速。实验结果表明:以触摸屏为基础的人机友好界面, 能够方便完美地实现对电动机转速的测控。

1 系统设计总体方案

此系统包括触摸屏模块、可编程控制器模块、D/A模块、变频器模块及转速传感器模块。计算机下载程序进入触摸屏和PLC, 由触摸屏或计算机输入一定转速, 控制PLC使其通过D/A模块将电压变化的信号传递给变频器, 进行电机的无级调速。通过联轴器与轴相连的转速传感器模块将输出量反馈给PLC (图1) 。通过PID控制器构成的闭环控制系统, 极大地增强了此系统的稳定性、准确性和快速性。

2 硬件系统构建

2.1 PLC的选择

本项目选用的PLC型号为西门子CPU224XP, 其上集成了14输入/10输出共24个数字量I/O点, 满足需要, 电压调节范围为-10~10 V, 分别对应数字量-32 000~+32 000。CPU224XP自带的模拟量模块, 可以将CPU224XP的模拟量输出端子与变频器的模拟量端口相连, 通过变频器实现调速;具备PID自整定功能, 构成闭环系统;此外, CPU224XP有两个通信口, 执行程序时分别与PC和触摸屏建立通信, 带来了诸多便利。

2.2 触摸屏的选择

本项目选用的触摸屏型号为Smart700IE, 此触摸屏具有800×480dpi宽屏显示设计, 分辨率较高;具备强大通信能力, 通信速率甚至可高达187.5kb/s;其上LED背光, 节能降耗, 帮助延长触摸屏的使用寿命;集成有高性能处理器、高速外部总线及64M DDR内存, 处理数据快, 画面切换速度快;质量高, 且价格在可承受范围之内;工业设计理念较先进;内部电源设计可靠。此外, Smart700IE除有一个PORT插口外, 还有一个以太网接口, 这样就可用PORT口与PLC通信, 用以太网口和PC通信, 且以太网口的传输与通信速度比较快。

2.3 变频器的选择

变频器SINAMICS V20非常适合小型的实验平台, 是连接PLC与交流电机的中间桥梁, 是实现变频调速的主要部件, 其具有以下优点: (1) 易于安装, 无需额外组件即可正常运行; (2) 易于使用, 无需调试软件; (3) 通信灵活, 调试方便, 制动高效; (4) 性能稳定可靠, 经久耐用; (5) 节能环保, 内置节能模式, 通过自动调节磁通电流实现节能。

2.4 三相交流电动机的选择

本项目所用三相异步交流电动机型号为YS6314, 额定电压220V, 额定功率0.12kW, 具有结构简单, 价格便宜, 运行可靠, 过载能力强, 使用、安装、维护方便等优点。

2.5 光电编码器的选择

选用型号为HN3806-400-AB的光电编码器, 它与轴相连, 通过光电转换将转轴上的机械几何位移量转换成脉冲量或数字量, 通过连续10次计算每50ms时间内的平均脉冲值求得电机转速。由于光电编码器自身构造的独特性, 由光码状态的变化就可以确定电机转向。

3 软件设计

3.1 测速功能

测速过程中使用到了PLC中的高速计数器功能, 高速计数器响应速度快, 计数频率高, 高速计数器以中断方式工作, 与扫描周期无关, 因而不会受到扫描速度的制约。所使用的CPU224XP含有6个高速计数器HCS0~HCS5, 共有13种模式, 我们采用的是高速计数器0即HCS0的模式0, 通过将16#FC写入到存储区SMB37, 将0写入到SMD38来设置这个模式。

用联轴器与电动机转轴相连的光电编码器通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲, 同时PLC中的高速计数器对编码器发出的脉冲信号进行计数, 采样时间采用的是定时中断1, 设定采样时间为50ms, 编码器连续反馈10次脉冲并求得平均脉冲值, 通过这个测得的脉冲数就可以计算出每分钟电机的转速。查得电机转轴每转一圈, 所用编码器会发出400个脉冲, 具体计算如下:设定在一个采样周期内平均测量得到x个脉冲, 则转速为[60×x/ (50×0.001) ]/400r/min。

3.2 闭环控制功能

在转速控制要求比较高的场合, 开环控制无法达到要求, 必须加反馈, 构建闭环系统, 如图2所示。

本系统的控制器采用的是PID控制器, PID即比例—积分—微分控制, PLC中集成了专门的PID控制指令, 能够实现转速的精确控制。

3.2.1 比例控制

以设定转速为700r/min为例, 先将Ti参数值置为无穷、Td参数值置为0, 进行纯比例调节。将比例增益Kp由0逐渐加大, 直至系统出现振荡;再反过来, 从此时的比例增益Kp逐渐减小, 直至系统振荡消失, 记录此时的比例增益Kp。为了减小误差重复试验, 最终确定Kp=1.5是系统稳态临界值。根据经验, 取0.65×Kp=0.97为该系统的比例增益。在调节过程中发现:在系统稳定的情况下, 比例系数Kp增大, 会使系统反馈速度上升加快, 有利于减小稳态误差, 提高控制精度;但随着Kp增大, 系统响应过程中的振荡次数会增多, 调节时间会加长;当Kp值过大时, 系统将发生振荡现象。

3.2.2 积分控制

将比例增益Kp降为原来的80%, 设定Ti参数值为无穷大, 再逐渐减小至0, Ti越小, 积分的控制作用越强, 使系统趋于稳定所需时间越短。例如:将Ti值设置为0.01 min和0.5 min时, 两者相差较大, Ti=0.5min时与Ti=0.01min时相比, 积分作用对系统的性能影响要小, 超调量要小, 所需调节时间要长, 不利于消除系统稳态误差, 难以获得较高的控制精度。通过多次试验, 最终取Ti=0.01min, 系统基本趋于稳定。

3.2.3 微分控制

微分的加入要比较谨慎, 加入D后系统易引入高频干扰, 但PI控制器在本系统中的动态特性不是很理想, 有时会出现小幅度的振荡, 于是加入微分作用, 当Td为0.01min时, 不管设定转速如何变化, 系统都会趋于稳定。除此之外, 还发现了一个细微的现象, PI控制下的超调量略大于PID控制下的超调量, 阶跃峰值两者相差25r/min左右, 说明了D环节的加入可以产生具有预见性的超前调节作用, 在偏差产生之前就能将其消除, 减少超调量和调节时间。PID控制效果如图3所示。

由PID参数调节得出了这样的结论:比例增益的大小与系统稳定性成正相关, 比例增益Kp过大, 虽然偏差会变小, 但会导致系统稳定性下降, 严重时会造成系统的不稳定。积分控制和惯性控制相似, 属于滞后校正, 能消除稳态误差, 但牺牲了系统的快速性。微分环节是具有预见性的超前校正, 改变的是系统的动态特性, 在比例微分控制都已经调试好的情况下仍然出现振荡, 可加入微分D构成比例—积分—微分控制, 以更加完美地实现系统稳定性、准确性和快速性的有机统一。

4 触摸屏人机界面设计

触摸屏部分初步分为三个界面, 第一个界面为开机欢迎界面;第二个界面为系统的主要控制界面, 用以实现整个系统的启动/停止、电机正反转的选择、预期速度的设定等功能;最后一个界面如图4所示, 实现的是PID参数的调节, 画面中有趋势图, 可直观地看出电机速度的变化, 以便调节P、I、D这三个参数。

5 结语

综上所述, 基于PLC和触摸屏的三相异步交流电动机的变频调速系统是一个涉及多种器件并运用综合知识体系完成的一个项目, 采用触摸屏人机界面的良好交互性, 使得操作员能更加方便快捷地进行操作;利用了PLC的各项强大功能, 实现了对电机参数的测量和控制。除触摸屏的直接调控外, 也可通过PC对PLC的控制实现调控, 具有极强的纠错功能, 为操作员的及时监控和参数修改提供了快捷途径。

参考文献

[1]潘波.变频调速三相异步电动机的设计[D].哈尔滨:哈尔滨理工大学, 2004.

[2]孙晓明, 吴震, 宋宝宁.PLC电机转速测量系统设计与实现[J].工业仪表与自动化装置, 2015 (1) :25-26.

[3]高玉芹.电机转速的高精度快速测量[J].自动化与仪表, 2000, 15 (6) :41-44.

汽车无线传输道路测速系统篇4

一、概述

目前, 汽车性能检测主要是在大型检测线上进行, 安装复杂, 无法进行实际路况试验。现有汽车道路试验系统存在着对试验场地要求较高、车辆试验距离受限、测试信息断电丢失等问题。

针对这几方面的问题, 设计开发了一套汽车无线传输道路测速系统。该系统降低了汽车道路试验对测试距离的要求, 可对汽车行驶时间和速度进行精确测试。该系统为汽车检测提供了一种新的测试手段。

二、总体结构

该系统主要由中央控制系统、信号处理子系统和信号传输子系统三部分组成。系统结构如图1所示。

三、系统结构设计

1、中控系统结构

中控系统包括单片机模块、铁电存储模块、控制键盘、数据传输模块和直流电源。中控系统采用单片机作为控制核心, 采用12V直流电源供电, 通过控制键盘获取指令。铁电存储模块可实现系统的断电存储功能。中控系统可通过数据传输模块的RS232接口与PC机通讯。

2. 信号传输子系统

(1) 无线发射模块编码电路

本系统采用四个无线发射模块, 对被测车辆进行分段测试, 且信号不能互相干扰。因此, 采用PT2262设计编码电路。为四个无线发射模块设置两个地址编码, 00000000和10000000。并设置数据码, 当D3未收到触发信号时, 形成数据编码0000;当D3收到触发信号时, 形成数据编码1000。PT2262编码电路如图2。

(2) 无线接收模块编码电路

本系统选用PT2272作为接收模块的编码器件。通过设置与发射模块相同的地址编码, 接收对应无线信号。同样设置了数据码0000和1000。

3. 信号处理子系统

(1) 无线发射模块信号处理电路

该信号处理电路将光电感应电路发出的信号, 转化为脉冲信号, 输入无线发射模块。原理图见图3。

该电路设计采用外脉冲启动, 输入带RC微分电路的单稳态触发电路。电路核心器件为NE555P芯片。该电路通过变换R4和C3的值, 调节Q脚输出脉冲的宽度。图3中, 根据多次实验, NE555P的输出脉冲的暂稳态时间设为0.1s是比较合适的, 代入公式1。

其中, RT——R4;

CT——C3;

Td——脉冲暂稳态时间;

考虑元器件的稳定性和成熟度, 设计选用10μF电容为C3, 10kΩ电阻为R4。

当有物体进入光电感应探测区, 阻断光电感应探头接收光源时, 光电感应电路输出并保持在高电平状态。当物体离开光电感应探测区, 光电感应探头接收到光源时, 光电感应电路输出并保持在低电平状态。因此, 光电感应电路输出波形的脉宽是不确定的。为避免这种不规则信号导致无线发射模块的误触发, 系统设计采用RC微分电路, 置于单稳态触发电路前端。RC微分电路计算公式2:

其中, Uo——微分输出电压

Ui——微分输入电压

R——R2

C——C1

该系统光电感应电路的响应时间约为10-4s。代入公式2中, R2和C1值分别为:

(2) 无线接收模块信号处理电路

信号处理电路将无线接收模块输出的电信号进行转化后, 传输给中央控制系统。无线发射/接收电路产生的信号为高频信号, 系统在接收模块的输出端配置一组外围电路。通过外围电路发光二极管的状态, 可判断无线信号是否正常接受。信号处理电路如图4。

四、结语

该项目以汽车道路试验相关国家标准为依据, 设计了一套汽车无线传输道路测速系统。该系统设计采用无线信号传输和无线信号处理电路, 解决了汽车路试对测试场地要求较高的问题。

磁斑传输胶带测速装置篇5

关键词：胶带,线速度,磁斑,信号发生,程控

胶带输送被广泛地应用到各种工农业现场。近年来随着工业技术的不断进步, 自动控制和计量系统都需要准确检测传输胶带的线速度。目前, 胶带测速装置主要依靠胶带和测速滚轮之间的摩擦力驱动滚轮旋转, 并带动转子机构转动, 所用测速传感器主要有磁阻脉冲式、光电脉冲式两类, 传感器信号经过二次仪表的简单处理最后得到胶带线速度。对于检测精度要求不高的场合, 有时直接将胶带驱动滚筒的转速信号转换成胶带线速度。

现有的胶带测速技术利用滚轮旋转产生脉冲信号, 当滚轮 (或胶带) 有打滑现象时, 不能反应传输胶带的真实线速度。本文介绍一种新型非接触式胶带测速装置, 姑且名曰“磁斑传输胶带测速装置”。

1 传感器构成

磁斑胶带测速装置如图1所示。

1.胶带横截面;2.胶带边沿的“磁斑”;3.磁靴;4.磁铁;5.信号线圈L2;6.激励线圈L1

本装置要求出厂的传输胶带进行一项改革, 即在胶带的边沿每隔一定的距离 (比如50mm) 镶嵌一块“磁斑”, 可用柔软且便于粘接的橡胶磁铁和铁磁胶制作。传感器为一开口铁芯, 采用中频正弦波电源励磁;胶带边沿按照一定的几何规则镶嵌有“磁斑”, 胶带通过磁靴之间运行, 并且要求磁靴的长度要小于磁斑之间的中心距离。当磁斑正好处于磁靴之间时, 由于磁靴之间的磁阻明显减小, 铁芯中通过的磁通强度增大, 导致信号线圈的输出电压增大;非磁斑区域通过磁靴时, 输出信号虽然频率不变, 但是其幅值相对要小。励磁和信号电压波形如图2所示, 其中t0表示磁斑进入磁靴的时刻, 可见信号电压的幅值明显增大了。

为了降低工频干扰, 增强信号灵敏度, 应采用中频电源励磁;鉴于胶带所输送物料的导磁性和设备安装现场干扰源的不同, 励磁电源的频率最好可以程控调节。将信号电压滤波放大后, 稍加处理即可送单片机处理。

2 电气原理

本装置电气原理如图3和图4所示。图中时钟信号CP在两个电路中共用, 它是由单片机编程输出的, 其频率可程控。CD4018为可预置1/N计数器, 将其反码输出端与反馈输入端DS连接, 可实现1/10分频, U2和U3串联即可完成对CP时钟的1/100分频。查看CD4018的波形图可知, U3随着CP1计数脉冲由1~5逐个增加, —逐次由高电平翻转为低电平, 在5~10计数阶段—则逐次由低电平翻转为高电平, 输出端—的电压变化通过电阻R1~R5的分压叠加, 即可得到一个按正弦曲线分布的8次阶梯状电压Ur。MAX291是一种8阶低通巴特沃斯型开关电容滤波器, 通过程控CP时钟的频率确定该滤波器的截止频率, 截止频率可调范围为0.1Hz~25k Hz, 时钟频率和截止频率的比率是100:1, 所以采用U2和U3进行1/100分频。阶梯电压Ur经过U4滤波之后, 其输出电压接近标准正弦波, 高次谐波基本消除。LM386常用为音频放大器, 其频带宽度为300k Hz, 我们用之为中频功率放大器, 以驱动传感器励磁线圈, 适当调整电源电压VCC, 输出功率可达3W。

如图4所示, 信号电压Ui亦采用MAX291滤波, 并且采用同一个时钟控制, 两个电路滤波芯片程序相同、时钟同步可以取得更好的滤波效果。滤波后的信号电压经U7A同相放大, 即可得到图2中的电压u2, 应将其幅值调整为小于且接近5V。二极管D1将信号电压u2进行半波整流, 得到图2中的电压u3, 这个电压送单片机内嵌的电压比较器进行比较, 可在磁斑经过磁靴的时刻引发中断。U7B比较器对信号电压u2进行过零比较, 将信号电压u2转变为幅值为5V的正负脉冲方波, 经D2检波, 得到脉冲信号u4, 将u4连接单片机CCP0单元 (Pin20) , 以便在适当的时刻开启脉冲捕捉中断, 探测脉冲频率。

3 单片机配置

STC15W408AS为国产增强型8051单片机, 1T (单时钟/机器周期) , 速度比普通8051快8~12倍;内嵌8k Flash程序存贮器, 1k E2PROM可记录系统参数, 512字节SRAM;支持ISP/IAP技术, 无需编程器和仿真器;内嵌高精度RC时钟和电压管理/复位装置/看门狗, 工作频率3~35MHz, 无需外部晶振和复位电路;支持10bit高速ADC, 集成了3路CCP/PCA模块;该单片机虽然只是SOP20/DIP20封装, 但是硬件功能十分强劲。

此种单片机只有2个定时器/计数器, 本系统中设置定时器Timer0工作在16位自动重装模式, 对单片机系统时钟进行分频输出 (PIN16) , 建议设置单片机主频为22.1184MHz, 若设置寄存器 (RL_TH0, RL_TLO) 为65531 (&HFFFB) , 则输出CP频率为2211.84k Hz, 励磁频率则为22.1184k Hz。另一个定时器Timer2可用作单片机串口波特率发生器。

单片机内嵌一个高精度电压比较器, 比较器翻转时可引发中断服务。该比较器正输入端 (PIN9) 连接电压u3, 负输入端 (PIN7) 连接一个数字电位器U8。U8只需要在调试阶段进行数值设定, 可以先启用ADC7 (PIN6) 对u3电压关键区段进行模数转换, 取得u3电压关键值, 再借助P3.6和P3.7两管脚软件模拟SPI总线, 来完成U8输出电压值UK的设置, 即程控比较器阈值。参见图2, 从t0时刻开始磁斑进入磁靴, u3电压立即升高, 到t1时刻达到比较器阈值Uk, 此时单片机发生比较器中断。在这个中断服务程序中, 我们需要立即开启CCP/PCA1 16位软件定时器, 来读取和记录 (t1, t5) 之间的时间间隔Δt。设单片机主频22.1184MHz, ΔL为50mm, 如果胶带运行速度小于1.4m/s, 两个磁斑之间的时间间隔Δt≥35.55ms, 则需要CCP/PCA1若干次中断服务来完成计时。显然, 胶带线速度即为ΔL/Δt, 比较器每中断1次, 胶带通过ΔL距离。

在比较器中断服务程序中, 我们还可以开启CCP/PCA0 (PIN20) 通道为16位上升沿捕获模式来测量信号电压的频率, 即在图2表示的t3和t4时刻发生PCA0捕捉中断, 读取 (t3, t4) 之间的时间间隔即为信号电压的周期, 这个周期和我们发出的CP时钟周期应正好相差100倍, 据此可以判定装置收到的信号电压是否“合法”, 否则进行报警处理。STC15W408AS单片机还有1路CCP/PCA2, 我们也设置为16位软件定时器, 以便系统定时进行各项例行任务。

这个仅仅20脚的单片机还有1个标准UART串口和一个同步串行SPI接口, 可以直接连接上位单片机或彩色液晶触摸屏, 也可以设置一个支持现场总线协议的Modbus接口, 限于篇幅不作进一步讨论。

4 结语

脉冲信号测速电路模块设计篇6

关键词：电机,光电编码器,脉冲测速电路,脉冲信号采集

1 总体设计思路

本模块首先通过光电编码器获得脉冲信号，将脉冲整形后[1]，输送给单片机进行计数，经过一定时间（200 ms）后计算出电机转动的速度值，通过4位数码管显示出来（此时如果转速超过设定的上限值则启动声光报警），显示范围为0～9 999。同时，单片机将速度信号通过比例计算，得到对应的电压值（1 500 r/min对应5.0 V），输出0.0～5.0 V的电压模拟信号，通过PCB板上两个接头，实现连接外部设备的使用和测量，同时将电压值显示在两位八段数码管上，显示精度为小数点后一位（0.0 V）。

为实现对电机的远程控制，通过键盘设置转速上限（初始值为1 500 r/min）的报警值，当转速超过设置值时声光报警。模块本身可以通过电位器实现对电机的手动调速。系统基本设计如图1所示。

2 各部分设计

2.1 单片机选择

经过综合考虑各功能的实现，选用宏晶公司推出的小型单片机STC12C5202AD-LQFP-32。它是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统的8051，但速度增快了8～12倍。

2.2 单片机功能实现

该模块采用按键电平复位方式实现复位功能；利用E2PROM保证键盘设置的转速上限值得以保存，当断电后再次通电时，上限值为设置后的数值而不是设定的初始值；通过单片机自带的A/D转换口进行输出显示前必要的A/D转换。

设定T1接口为外部计数器，T0用于数码管显示及形成闸门信号，选用工作状态1（即M1M0=01时，定时器所选择的状态）。系统使用最常见的11.059 2 MHz的晶振，设定定时/计数器T0每10 ms中断一次，用以数码管的显示，每200 ms读取一次计数器T1中的数值[2]。

2.3 硬件电路设计

本设计使用一个4位共阳数码管显示电机转速，一个2位共阳数码管显示0.0～5.0 V的电压（其中5.0 V对应1 500 r/min的转速）。

用于设定上限转速的键盘电路由3个按键组成（K1,K2,K3),K1用于进入（此时数码管显示由实际的转速值切换为需要设定的报警上限值）或退出电机转速上限报警值设置界面，K2用于调整数值的大小，K3用于选择需要调整数值的某一位数码管。

A/D转换通过单片机内部引脚实现。STC12C5202AD单片机的ADC是逐次比较型ADC。逐次比较型ADC由一个比较器和D/A转换器构成，通过逐次比较逻辑，从最高位开始，顺序地对每一输入电压与内置D/A转换器输出进行比较，经过多次比较，使转换所得的数字量逐次逼近输入模拟量对应值。逐次比较型ADC转换器具有速度高、功耗低等优点。

D/A转换的实现采用了美国德州仪器公司生产的TLC5615。它具有串行接口的数/模转换器，其输出为电压型，最大输出电压是基准电压值的两倍；带有上电复位功能，即把DAC寄存器复位至全零；性能比早期电流型输出的DAC要好，只需要通过3根串行总线就可以完成10位数据的串行输入。

2.4 软件部分

2.4.1 主程序设计

主程序设计流程如图2所示。

在显示部分，显存分别为D＿MEM,D＿MEM+1,D＿MEM+2，其中D＿MEM,D＿MEM+1用于显示转速，D＿MEM+2用于显示电压，BLINK(20H）（位地址00H～07H）为闪烁位控制，2FH（位地址70H～7FH）用作标志位。

P2口控制8段数码管显示，分别由P0.0,P0.1,P0.2,P0.3,P1.1,P1.0控制显示速度的4位数码管和显示电压的两位数码管。

2.4.2 其他子程序

脉冲计算程序、速度转换对应电压程序、键盘设置程序、比较报警上限程序、A/D转换程序、D/A转换程序、E2ROM保存程序、数码显示程序、延时子程序以及其他数值转换和计算子程序[3]。

3 误差分析

根据综合调试实测速度值得出表1，误差波动范围如图3所示。

平均误差分析：

根据数据分析，该模块的设计达到了很好的准确度。