專利名稱：諧振式超聲波傳輸時(shí)間測(cè)量方法及應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超聲波傳輸時(shí)間測(cè)量技術(shù)，特別涉及利用超聲波一定條件下在特定形狀或空間的介質(zhì)內(nèi)傳輸時(shí)間恒定的特性進(jìn)行測(cè)量的技術(shù)。
背景技術(shù)：
超聲波具有許多特殊的性質(zhì)，例如在一定介質(zhì)中的傳播速度相當(dāng)穩(wěn)定，而且在很寬的頻率范圍內(nèi)也同樣穩(wěn)定；可以利用這種速度的穩(wěn)定性進(jìn)行一些物理量的測(cè)量。例如厚度的測(cè)量，流體速度的測(cè)量等。上述厚度測(cè)量的一種基本方法，是利用加在被測(cè)量對(duì)象上的超聲波換能器，記錄發(fā)射超聲波的時(shí)刻和接收到測(cè)量對(duì)象另一邊界反射波的時(shí)刻間的時(shí)間間隔來(lái)計(jì)算其厚度的。而其中的時(shí)間間隔通常采用直接計(jì)量法，對(duì)兩換能器上的電信號(hào)脈沖在記憶示波器或?qū)Ｓ脮r(shí)間測(cè)量?jī)x上進(jìn)行測(cè)量而得到?，F(xiàn)時(shí)流量的測(cè)量一般使用兩只換能器，相向安裝在被測(cè)流體上、下游，用上游發(fā)、下游收或相反的操作，分別測(cè)得上、下行超聲波的傳輸時(shí)間，經(jīng)計(jì)算得到流量值。超聲波上、下行的傳輸時(shí)間只是很小的時(shí)間量，而且相差甚微，要計(jì)算其差就更小，為10-9秒數(shù)量級(jí)，本身的測(cè)量已很困難。
現(xiàn)有技術(shù)的直接式超聲波傳輸時(shí)間測(cè)量方法中，涉及換能器的驅(qū)動(dòng)工作電信號(hào)的穩(wěn)定度要求高；對(duì)時(shí)間的直接測(cè)量在時(shí)間量本身很小時(shí)，其測(cè)量技術(shù)難度非常高；而要測(cè)量?jī)蓚€(gè)極小時(shí)間量之差，還要再提高精度，并考慮溫度漂移、時(shí)間漂移等因素，難度更甚，誤差較大，且實(shí)施較困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述不足之處而提出一種諧振式超聲波傳輸時(shí)間測(cè)量方法，不必直接記錄某次測(cè)量的發(fā)射時(shí)刻和接收時(shí)刻，也不必測(cè)量或計(jì)算兩次時(shí)刻間的時(shí)間間隔的長(zhǎng)短，只需將被測(cè)對(duì)象接入振蕩電路組成的系統(tǒng)中，測(cè)量出該系統(tǒng)的振蕩頻率，即可立即、連續(xù)地實(shí)現(xiàn)測(cè)量，并且可以簡(jiǎn)單地得出測(cè)量結(jié)果，實(shí)用而經(jīng)濟(jì)。應(yīng)用本發(fā)明進(jìn)行超聲波傳輸時(shí)間的測(cè)量的實(shí)時(shí)性更好，響應(yīng)時(shí)間更快；由于連續(xù)頻率測(cè)量沒(méi)有突變情況發(fā)生，該測(cè)量方法具有極強(qiáng)的抗干擾能力；并且由于頻率是一種數(shù)字化量，因而可以直接進(jìn)行數(shù)字化測(cè)量和處理，消除了各種轉(zhuǎn)換帶來(lái)的誤差，可保證更高的測(cè)量精度。本發(fā)明所公開(kāi)的方法是一種基礎(chǔ)方法，不僅可應(yīng)用于厚度測(cè)量，還可以應(yīng)用于流量測(cè)量等，應(yīng)用前景十分廣闊。
本發(fā)明的目的可以通過(guò)采用以下技術(shù)措施來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)、采用一種諧振式超聲波傳輸時(shí)間測(cè)量方法，在測(cè)量回路中接入相向設(shè)置的超聲波換能器，該換能器之間設(shè)置有與測(cè)量相關(guān)的超聲波介質(zhì)；尤其是所述測(cè)量回路設(shè)置有放大器；所述超聲波換能器、超聲波介質(zhì)接在所述放大器的反饋支路中，并將該反饋支路的輸出信號(hào)接入所述放大器的輸入端，構(gòu)成振蕩電路。
將所述測(cè)量方法應(yīng)用在厚度測(cè)量中，使換能器與被測(cè)物表面垂直安裝。
將所述的測(cè)量方法應(yīng)用在流量測(cè)量中，其特征在于所述放大電路和反饋支路各有兩套；所述反饋支路中各接有一對(duì)超聲波換能器，分別按順流與逆流方向設(shè)置；所述兩放大電路的輸出端連接到同一頻率測(cè)試與計(jì)算單元。
附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明

圖1是本發(fā)明諧振式超聲波傳輸時(shí)間測(cè)量方法用反饋網(wǎng)絡(luò)振蕩器原理圖；圖2是所述方法附加調(diào)頻與解調(diào)環(huán)節(jié)改善換能器頻率適應(yīng)性的原理圖；圖3是用所述方法測(cè)量厚度時(shí)換能器最佳安裝位置示意圖；圖4是用所述方法測(cè)量流量時(shí)安裝連接示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖詳述本發(fā)明的最佳實(shí)施例。
一種諧振式超聲波傳輸時(shí)間測(cè)量方法，在測(cè)量回路中接入相向設(shè)置的超聲波換能器Tup和Tdn，該換能器之間設(shè)置有與測(cè)量相關(guān)的超聲波介質(zhì)M；尤其是所述測(cè)量回路設(shè)置有放大器1；所述超聲波換能器、超聲波介質(zhì)接在所述放大器1的反饋支路中，一端接放大器1的輸出信號(hào)uo，并在另一端將該反饋支路的輸出信號(hào)ui接入所述放大器1的輸入端。見(jiàn)圖1。
實(shí)用中，為改善工作環(huán)境，使換能器工作在最佳狀態(tài)，使用調(diào)制后的信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)射用超聲波換能器Tup，并在接收用超聲波換能器Tdn電路中進(jìn)行解調(diào)；所述調(diào)制與解調(diào)使用同一載頻振蕩器信號(hào)f0。附加調(diào)頻與解調(diào)環(huán)節(jié)進(jìn)行測(cè)量的原理見(jiàn)圖2。
通常情況下，所使用的調(diào)制與解調(diào)的方式是頻率調(diào)制方式。所述調(diào)制用載頻振蕩頻率f0為超聲頻域，并與所使用之換能器相適應(yīng)。所述調(diào)制用典型載頻振蕩頻率為1MHz。
另一些實(shí)施例情況下，所使用的調(diào)制與解調(diào)的方式可以是幅度調(diào)制方式。
將所述測(cè)量方法應(yīng)用在厚度測(cè)量時(shí)，所述換能器的安裝方式是與被測(cè)物M表面垂直，這樣可直接得到測(cè)量結(jié)果。換能器Tup和Tdn的安裝示意見(jiàn)圖3。
將所述的測(cè)量方法應(yīng)用在流量測(cè)量中時(shí)，需要進(jìn)行兩條支路的時(shí)間測(cè)量，因此所述放大電路和反饋支路各有兩套；所述兩套反饋支路中各接有一對(duì)超聲波換能器發(fā)射探頭T1_up、接收探頭T1_dn，和發(fā)射探頭T2_up、接收探頭T2_dn，分別按順流與逆流方向設(shè)置；所述兩放大電路的輸出端連接到同一頻率測(cè)試與計(jì)算單元8。測(cè)量流量的安裝連接示意見(jiàn)圖4。
本發(fā)明所表述的是，當(dāng)超聲波信號(hào)通過(guò)某一固定尺寸和狀態(tài)的導(dǎo)聲物質(zhì)M時(shí)，其傳輸時(shí)間t是一定的。如果將其作為振蕩器的反饋網(wǎng)絡(luò)，該反饋網(wǎng)絡(luò)就具有選頻特性。即當(dāng)頻率f＝1/t時(shí)，反饋網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出相位差為2π。因此，以此反饋網(wǎng)絡(luò)和放大器1組成的振蕩器，將振蕩在頻率f上。圖1所示為該振蕩器的組成原理圖，所對(duì)應(yīng)的是四端子振蕩器的原理。
由于超聲波探頭即傳感器的工作頻率范圍很小，工作頻率較高，接收信號(hào)會(huì)受到干擾，接收的信號(hào)幅值變化也較大。因此，采用調(diào)制方式進(jìn)行彌補(bǔ)。
如圖2，調(diào)制方式具體實(shí)現(xiàn)如下調(diào)制可以采用調(diào)頻和調(diào)幅的方式，本發(fā)明的示例為調(diào)頻方式；載頻振蕩器7產(chǎn)生的載頻在調(diào)制器2中被本質(zhì)振蕩頻率f調(diào)制；驅(qū)動(dòng)3的作用是保證超聲波信號(hào)發(fā)送探頭Tup能得到符合要求的能量；接收放大器5的作用是將超聲波接收探頭Tdn輸出的信號(hào)加以放大，并保證阻抗的匹配；發(fā)送探頭Tup、接收探頭Tdn與其間的介質(zhì)組成傳輸時(shí)間限定部分4；解調(diào)器6的作用是將整個(gè)振蕩器的本質(zhì)振蕩頻率f解調(diào)還原出來(lái)，并送到放大器1的輸入端，保證振蕩器在f頻率上穩(wěn)定工作；超聲波信號(hào)連續(xù)發(fā)送， 各點(diǎn)分別示出本質(zhì)振蕩頻率、載頻頻率和調(diào)制后頻率的波形；超聲波上游探頭Tup、下游探頭Tdn、測(cè)量管段等組成超聲波傳輸時(shí)間限定部分4；超聲波傳輸時(shí)間限定部分具有選頻特性，當(dāng)輸入信號(hào)頻率f＝1/t時(shí)，輸入輸出信號(hào)的相位差為零，實(shí)際為2π；載頻振蕩器7、調(diào)制器2，驅(qū)動(dòng)器3、超聲波傳輸時(shí)間限定部分4、接收放大器5、解調(diào)器6組成廣義的振蕩器反饋網(wǎng)絡(luò)；廣義的振蕩器反饋網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出特性，即頻率特性，完全等同于超聲波傳輸時(shí)間限定部分4的輸入輸出特性；用放大器的輸出頻率信號(hào)f調(diào)制載頻f0，是為了保證加在超聲波探頭上的驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率落在探頭的工作頻率范圍之內(nèi)，使超聲波探頭工作在良好的狀態(tài)。
采用振蕩式超聲波傳輸時(shí)間測(cè)量技術(shù)測(cè)量流量，實(shí)施例如下，見(jiàn)圖4該測(cè)量可分為傳輸時(shí)間限定部分4和超聲波傳輸時(shí)間測(cè)量及流量計(jì)算部分9。
流量測(cè)量管段中有導(dǎo)聲流體流過(guò)，流動(dòng)方向見(jiàn)管段內(nèi)粗黑箭頭。
測(cè)量管段上安裝兩對(duì)超聲波探頭，分別為探頭對(duì)一發(fā)射探頭T1_up，接收探頭T1_dn，和探頭對(duì)二發(fā)射探頭T2_up，接收探頭T2_dn。
兩對(duì)探頭沿管段橫截面方向鏡像對(duì)稱，即入射角相同，均為θ，超聲波信號(hào)在管道中的傳輸距離相同，均為L(zhǎng)。
探頭對(duì)一發(fā)送的超聲波信號(hào)的傳輸速度V1受流體流速的影響而增大，為V1=Vs+V×cosθ探頭對(duì)二發(fā)送的超聲波信號(hào)的傳輸速度V2受流體流速的影響而減少，為V2=Vs-V×cosθ式中Vs----超聲波信號(hào)在被測(cè)流體中的傳播速度；V---管道中流體的平均流速；
θ---超聲波信號(hào)進(jìn)入測(cè)量管段的入射角。超聲波信號(hào)從T1_up傳輸?shù)絋1_dn的時(shí)間t1為t1=LV1=LVs+V‾×cosθ]]>超聲波信號(hào)從T2_up傳輸?shù)絋2_dn的時(shí)間t2為t2=LV2=LVs-V‾×cosθ]]>式中L----超聲波信號(hào)從探頭T1_up或T2_up到探頭T1_dn或T2_dn的傳輸距離。
放大器11、載波振蕩器7、調(diào)制器12、驅(qū)動(dòng)器13、發(fā)射探頭T1_up、接收探頭T1_dn、測(cè)量管段、接收放大器15、解調(diào)器16等組成的振蕩器振蕩在頻率f1上，f1＝1/t1。
放大器21、載波振蕩器7、調(diào)制器22、驅(qū)動(dòng)器23、發(fā)射探頭T2_up、接收探頭T2_dn、測(cè)量管段、接收放大器25、解調(diào)器26等組成的振蕩器振蕩在頻率f2上，f2＝1/t2。
由振蕩頻率f1和f2可以計(jì)算出傳輸時(shí)間t1和t2，t1＝1/f1，t2＝1/f2。
測(cè)量管段中的流體的平均流速V為V‾=L2cosθ×t2-t1t1×t2=k×t2-t1t1×t2=k(f1-f2)]]>式中k--流速常數(shù)。
由上式可見(jiàn)，采用本發(fā)明諧振式超聲波傳輸時(shí)間測(cè)量方法測(cè)量流量時(shí)一個(gè)顯著的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，即與超聲波在介質(zhì)中的傳輸速度無(wú)關(guān)，只與測(cè)到的兩頻率之差有關(guān)。該特性使測(cè)量變得更加簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。
圖4各點(diǎn)的波形與圖2對(duì)應(yīng)點(diǎn)的類似。
權(quán)利要求
1.一種諧振式超聲波傳輸時(shí)間測(cè)量方法，在測(cè)量回路中接入相向設(shè)置的超聲波換能器，該換能器之間設(shè)置有與測(cè)量相關(guān)的超聲波介質(zhì)；其特征在于所述測(cè)量回路設(shè)置有放大器；所述超聲波換能器、超聲波介質(zhì)接在所述放大器的反饋支路中，并將該反饋支路的輸出信號(hào)接入所述放大器的輸入端，構(gòu)成振蕩電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量方法，其特征在于使用調(diào)制后的信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)射用超聲波換能器，并在接收用超聲波換能器電路中進(jìn)行解調(diào)；所述調(diào)制與解調(diào)使用同一載頻振蕩器信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測(cè)量方法，其特征在于所使用的調(diào)制與解調(diào)的方式是頻率調(diào)制方式。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測(cè)量方法，其特征在于所使用的調(diào)制與解調(diào)的方式是幅度調(diào)制方式。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的測(cè)量方法，其特征在于所述調(diào)制用載頻振蕩器頻率為超聲頻域，并與所使用之換能器相適應(yīng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測(cè)量方法，其特征在于所述調(diào)制用載頻振蕩器頻率為1MHz。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測(cè)量方法在厚度測(cè)量中的應(yīng)用，其特征在于所述換能器與被測(cè)物表面垂直安裝。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測(cè)量方法在流量測(cè)量中的應(yīng)用，其特征在于所述放大電路和反饋支路各有兩套；所述兩套反饋支路中各接有一對(duì)超聲波換能器，分別按順流與逆流方向設(shè)置；所述兩放大電路的輸出端連接到同一頻率測(cè)試與計(jì)算單元。
全文摘要
本發(fā)明是一種諧振式超聲波傳輸時(shí)間測(cè)量方法，涉及利用超聲波一定條件下在特定形狀介質(zhì)內(nèi)傳輸時(shí)間恒定的特性進(jìn)行測(cè)量的技術(shù)；在測(cè)量回路中接入相向設(shè)置的超聲波換能器Tup、Tdn，其間設(shè)置超聲波介質(zhì)M；尤其是所述回路設(shè)置有放大器(1)；所述換能器和介質(zhì)接入所述放大器(1)反饋支路形成傳輸時(shí)間限定部分(4)，并將該支路的輸出信號(hào)接入所述放大器的輸入端，形成振蕩電路。該方法不必直接記錄收、發(fā)時(shí)刻，也不必測(cè)量該時(shí)間間隔，只需測(cè)量振蕩電路的振蕩頻率，即可實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量，方便地得出測(cè)量結(jié)果，實(shí)用而經(jīng)濟(jì)。
文檔編號(hào)G01H17/00GK1455231SQ0211521
公開(kāi)日2003年11月12日 申請(qǐng)日期2002年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月30日
發(fā)明者肖聰, 徐貴求 申請(qǐng)人:深圳市建恒工業(yè)自控系統(tǒng)有限公司