專利名稱：一種非線性系數(shù)自相關(guān)聲學(xué)體積測(cè)量方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及質(zhì)量計(jì)量領(lǐng)域的一種非線性系數(shù)自相關(guān)聲學(xué)體積測(cè)量方法，更具體地說(shuō)，一種非線性系數(shù)自相關(guān)聲學(xué)體積測(cè)量方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
砝碼是質(zhì)量的實(shí)物計(jì)量器具。工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中，大量用到各種大小、形狀的砝碼，如提鈕形、圓柱形、方塊形、絲狀等等。砝碼體積是準(zhǔn)確測(cè)量砝碼體積值的重要修正參數(shù)，需要準(zhǔn)確測(cè)量。聲學(xué)法體積測(cè)量原理基于氣體壓縮定律，是一種快速高效的體積測(cè)量方法。聲學(xué)測(cè)量方法在許多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，如表面積、糖分、密度、容積等等物理參數(shù)的測(cè)量。聲學(xué)法與其他體積測(cè)量方法，如液體靜力法、組成成分計(jì)算法、外形測(cè)量法等等相t匕，具有非接觸式的特點(diǎn)，可用于測(cè)量帶有調(diào)整腔的砝碼體積，并且不會(huì)對(duì)砝碼表面造成勿擾，操作方便，測(cè)量效率高。其測(cè)量原理假設(shè)封閉腔體內(nèi)的空氣呈絕熱變化，則其腔體內(nèi)體積和壓力滿足一定的關(guān)系，通過(guò)測(cè)量壓力變化，就可測(cè)量出腔體內(nèi)空氣體積。聲壓信號(hào)與密閉腔體內(nèi)空氣的體積也即密閉腔體的容積成反比。通過(guò)在測(cè)量腔體內(nèi)放入待測(cè)砝碼或參考砝碼，排開一定體積的空氣，密閉腔體的容積改變，腔體內(nèi)聲壓信號(hào)大小也隨之改變。通過(guò)放入前后聲壓信號(hào)的比較，可以測(cè)算出放入砝碼前后密閉腔體容積的變化量，也就是待測(cè)砝碼或參考砝碼的體積；其測(cè)量裝置一般有兩個(gè)密閉腔體組成，密閉腔體間由喇叭隔離。喇叭在正弦信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，產(chǎn)生振動(dòng)分別對(duì)兩個(gè)密閉腔體產(chǎn)生Λ V的體積壓縮，從而在兩個(gè)腔體內(nèi)相位相反的八？1和δρ2的聲壓信號(hào)。在絕熱的條件下，一個(gè)密閉腔體內(nèi)的空氣壓力與其體積的Y方的乘積是一個(gè)固定的值，如式I所示。其中，Y為空氣的比熱系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下約為1.4。壓力X體積Υ =定值 (I)聲學(xué)法測(cè)量過(guò)程中，假設(shè)氣體做絕熱變化，氣體內(nèi)部聲壓與氣體體積呈嚴(yán)格的解析關(guān)系。而實(shí)際測(cè)量中，靠近固體表面的空氣做等溫變化，而非絕熱變化。這就造成傳統(tǒng)測(cè)量方法由于靠近砝碼壁面的空氣層厚度的不同，導(dǎo)致聲壓測(cè)量的非線性誤差，從而造成體積測(cè)量的非線性誤差。理論上，僅當(dāng)待測(cè)砝碼和參考砝碼的依靠待測(cè)砝碼和參考砝碼的表面積、體積比的一致，也即形狀的近似或一致時(shí)，傳統(tǒng)聲學(xué)測(cè)量方法的非線性測(cè)量誤差才可以忽略。傳統(tǒng)的聲學(xué)體積測(cè)量方法，雖然一般也由兩個(gè)測(cè)量腔體組成，但是一般將一個(gè)作為參考腔體，只在另一個(gè)測(cè)量腔體內(nèi)分別放入待測(cè)砝碼和參考砝碼。聲學(xué)法測(cè)量過(guò)程中，假設(shè)氣體做絕熱變化，氣體內(nèi)部聲壓與氣體體積呈嚴(yán)格的解析關(guān)系。而實(shí)際測(cè)量中，靠近固體表面的空氣做等溫變化。 傳統(tǒng)測(cè)量方法使用一個(gè)參考腔體和一個(gè)測(cè)量腔體，參考腔體內(nèi)空氣體積保持一致。其測(cè)量步驟是將待測(cè)砝碼和參考砝碼，依次分別放入到測(cè)量腔體內(nèi)，采集分別在參考腔體和測(cè)量腔體內(nèi)產(chǎn)生的聲壓。從而將待測(cè)砝碼的體積與參考砝碼相比較，參考砝碼的體積已知，從而得出待測(cè)砝碼的體積。因此，傳統(tǒng)測(cè)量方法需要依靠待測(cè)砝碼和參考砝碼的表面積、體積比的一致，也即是需要待測(cè)與參考砝碼的形狀的近似或一致，才能達(dá)到保證較高的測(cè)量精度。聲學(xué)體積測(cè)量法實(shí)際測(cè)量過(guò)程中封閉腔體內(nèi)的空氣并非理想氣體，原理腔體表面的空氣可以看做理想氣體做絕熱變化，而靠近腔體以及待測(cè)砝碼或參考砝碼表面的空氣層則是做等溫變化，當(dāng)待測(cè)砝碼和參考砝碼形狀、體積表面積比近似時(shí)，這種非線性的影響可以被忽略，從而取得較高的測(cè)量精度。而當(dāng)待測(cè)砝碼和參考砝碼的形狀和體積、表面積比相差較大時(shí)，這種非線性的影響就很大，測(cè)量誤差也就相應(yīng)加大?！昂鷿M紅，王健等.基于聲學(xué)原理的砝碼體積測(cè)量方法研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2012，(10):2337-2342.”該文章使用的是傳統(tǒng)聲學(xué)測(cè)量方法。傳統(tǒng)聲學(xué)測(cè)量方法，只有待測(cè)砝碼和參考砝碼的形狀和體積與表面積比接近時(shí)，理論上測(cè)量才能達(dá)到較高的精度，而當(dāng)形狀和體積與表面積比不一致時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差，測(cè)量精度低。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明致力于提供一種非線性系數(shù)自相關(guān)聲學(xué)體積測(cè)量方法及系統(tǒng)。本發(fā)明目的之一的一種非線性系數(shù)自相關(guān)聲學(xué)體積測(cè)量方法，所述測(cè)量方法為雙測(cè)量腔體方法，同時(shí)對(duì)兩個(gè)測(cè)量腔體進(jìn)行聲壓測(cè)量，且所述兩個(gè)測(cè)量腔體內(nèi)分別放置參考體積和待測(cè)體積；測(cè)量中通過(guò)變化所述參考體積和待測(cè)體積在兩個(gè)測(cè)量腔體的位置，得到每次測(cè)量到的聲壓比，進(jìn)而得到待測(cè)體積值；變化分配所述參考體積和待測(cè)體積的過(guò)程保持測(cè)量過(guò)程中空氣體積不變、空氣與待測(cè)體積和參考體積的接觸表面積不變。
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為了實(shí)現(xiàn)變化參考體積和待測(cè)體積的位置進(jìn)行測(cè)量的目的，所述雙測(cè)量腔體方法中變化分配待測(cè)體積和參考體積步驟包括:(I)設(shè)置雙測(cè)量腔體；(2)將參考體積和待測(cè)體積分別放入兩個(gè)測(cè)量腔體中，保持兩個(gè)測(cè)量腔體的氣壓均衡；(3)對(duì)步驟(2)中的兩個(gè)測(cè)量腔體進(jìn)行聲壓測(cè)量，分別得到聲壓信號(hào)；(4)重新分配參考體積和待測(cè)體積的位置:將所述參考體積和待測(cè)體積互換位置；保持兩個(gè)測(cè)量腔體的氣壓均衡；(5)對(duì)步驟(4)中的兩個(gè)測(cè)量腔體重新進(jìn)行聲壓測(cè)量，分別得到聲壓信號(hào)；(6)再次分配參考體積和待測(cè)體積的位置:將所述參考體積和待測(cè)體積同時(shí)放入一個(gè)測(cè)量腔體中；保持兩個(gè)測(cè)量腔體的氣壓均衡；(7)對(duì)步驟(6)中的兩個(gè)測(cè)量腔體再次進(jìn)行聲壓測(cè)量，分別得到聲壓信號(hào)。所述雙測(cè)量腔體方法中變化分配待測(cè)體積和參考體積步驟(2)，(4)和(6)中保持兩個(gè)測(cè)量腔體的氣壓均衡的方法為在所述兩個(gè)測(cè)量腔體中間的連接處設(shè)置氣體連通孔。所述步驟(3)，步驟(5)和(7)中聲壓測(cè)量的過(guò)程為采用揚(yáng)聲器發(fā)出聲波信號(hào)，音頻信號(hào)對(duì)測(cè)量腔體產(chǎn)生空氣體積壓縮，并在兩個(gè)測(cè)量腔體內(nèi)形成聲壓信號(hào)，所述聲壓信號(hào)被探頭探測(cè)并傳輸。所述測(cè)量方法根據(jù)變化分配參考體積和待測(cè)體積的位置，完成體積測(cè)量過(guò)程，其還包括測(cè)量計(jì)算步驟:A將參考體積放入一個(gè)測(cè)量腔體中，而待測(cè)體積置入另一個(gè)測(cè)量腔體中后，揚(yáng)聲
器發(fā)出聲波信號(hào)，對(duì)兩個(gè)測(cè)量腔體產(chǎn)生相同的體積壓縮，采集聲壓信號(hào)，測(cè)量聲壓信號(hào)比為
權(quán)利要求
1.一種非線性系數(shù)自相關(guān)聲學(xué)體積測(cè)量方法，其特征在于:所述測(cè)量方法為雙測(cè)量腔體方法，同時(shí)對(duì)兩個(gè)測(cè)量腔體進(jìn)行聲壓測(cè)量，且所述兩個(gè)測(cè)量腔體內(nèi)分別放置參考體積和待測(cè)體積；測(cè)量中通過(guò)變化所述參考體積和待測(cè)體積在兩個(gè)測(cè)量腔體的位置，得到每次測(cè)量到的聲壓比，進(jìn)而得到待測(cè)體積值； 變化分配所述參考體積和待測(cè)體積的過(guò)程保持測(cè)量過(guò)程中空氣體積不變、空氣與待測(cè)體積和參考體積的接觸表面積不變。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非線性系數(shù)自相關(guān)聲學(xué)體積測(cè)量方法，其特征在于:所述雙測(cè)量腔體方法中變化分配待測(cè)體積和參考體積步驟包括: (1)設(shè)置雙測(cè)量腔體； (2)將參考體積和待測(cè)體積分別放入兩個(gè)測(cè)量腔體中，保持兩個(gè)測(cè)量腔體的氣壓均衡； (3)對(duì)步驟(2)中的兩個(gè)測(cè)量腔體進(jìn)行聲壓測(cè)量，分別得到聲壓信號(hào)； (4)重新分配參考體積和待測(cè)體積的位置:將所述參考體積和待測(cè)體積互換位置；保持兩個(gè)測(cè)量腔體的氣壓均衡； (5)對(duì)步驟(4)中的兩個(gè)測(cè)量腔體重新進(jìn)行聲壓測(cè)量，分別得到聲壓信號(hào)； (6)再次分配參考體積和待測(cè)體積的位置:將所述參考體積和待測(cè)體積同時(shí)放入一個(gè)測(cè)量腔體中；保持兩個(gè)測(cè)量腔體的氣壓均衡； (7)對(duì)步驟(6)中的兩個(gè)測(cè)量腔體再次進(jìn)行聲壓測(cè)量，分別得到聲壓信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種非線性系數(shù)自相關(guān)聲學(xué)體積測(cè)量方法，其特征在于:所述雙測(cè)量腔體方法中變化分配待測(cè)體積和參考體積步驟(2)，(4)和(6)中保持兩個(gè)測(cè)量腔體的氣壓均衡的方法為在所述兩個(gè)測(cè)量腔體中間的連接處設(shè)置氣體連通孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種非線性系數(shù)自相關(guān)聲學(xué)體積測(cè)量方法，其特征在于:所述步驟(3)，步驟(5)和(7)中聲壓測(cè)量的過(guò)程為采用揚(yáng)聲器發(fā)出聲波信號(hào)，音頻信號(hào)對(duì)測(cè)量腔體產(chǎn)生空氣體積壓縮，并在兩個(gè)測(cè)量腔體內(nèi)形成聲壓信號(hào)，所述聲壓信號(hào)被探頭探測(cè)并傳輸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4之一所述的一種非線性系數(shù)自相關(guān)聲學(xué)體積測(cè)量方法，其特征在于:所述測(cè)量方法根據(jù)變化分配參考體積和待測(cè)體積的位置，完成體積測(cè)量過(guò)程，其還包括測(cè)量計(jì)算步驟: A將參考體積放入一個(gè)測(cè)量腔體中，而待測(cè)體積置入另一個(gè)測(cè)量腔體中后，揚(yáng)聲器發(fā)出聲波信號(hào)，對(duì)兩個(gè)測(cè)量腔體產(chǎn)生相同的體積壓縮，采集聲壓信號(hào)，測(cè)量聲壓信號(hào)比為Rtl,TT-01 _ y = 公式 a ;務(wù) 02 — P r 其中，Vc^vci2分別為兩個(gè)測(cè)量腔體的初始容積；vt為待測(cè)體積值、I為參考體積值； B將上述兩個(gè)測(cè)量腔體中的待測(cè)體積和參考體積互換位置，并重復(fù)測(cè)量聲壓步驟，測(cè)量得到相應(yīng)的聲壓信號(hào)比為R1,= ^公式b ; ^02 C將待測(cè)體積和參考體積放入同一個(gè)測(cè)量腔體中，再次重復(fù)測(cè)量聲壓步驟，并測(cè)量得到相應(yīng)的聲壓信號(hào)比為R2，滿足關(guān)系:P —t_f/ =A &式c; ^02 ~ ^ t ~ D聯(lián)立公式a，公式b和公式c，其中參考體積值I已知，％、Rp R2通過(guò)測(cè)量得到，而待測(cè)砝碼體積1、兩個(gè)測(cè)量腔體的容積Vtll和Vtl2為未知參數(shù)；聯(lián)立方程組后，消去兩個(gè)測(cè)量腔體的容積Vtll和Vtl2,即可得到待測(cè)體積\的值。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-4之一所述的一種非線性系數(shù)自相關(guān)聲學(xué)體積測(cè)量方法，其特征在于:所述待測(cè)體積和參考體積為砝碼，即為待測(cè)砝碼和參考砝碼。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種非線性系數(shù)自相關(guān)聲學(xué)體積測(cè)量方法，其特征在于:所述待測(cè)破碼和參考破碼的形狀和外表面積不相同。
8.在權(quán)利要求1-7之一所述的體積測(cè)量方法中的測(cè)量裝置，其特征在于: 所述測(cè)量裝置包括兩個(gè)測(cè)量腔體；在所述兩個(gè)測(cè)量腔體內(nèi)部分別設(shè)有聲壓探頭和揚(yáng)聲器；且在兩個(gè)測(cè)量腔體中間設(shè)置有隔板，在所述隔板上設(shè)有氣體連通管；所述揚(yáng)聲器設(shè)置在所述隔板上；所述參考砝碼和待測(cè)砝碼設(shè)置在兩個(gè)測(cè)量腔體中，通過(guò)揚(yáng)聲器對(duì)待測(cè)腔體產(chǎn)生體積壓縮，通過(guò)聲壓探頭采集聲壓信號(hào)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的體積測(cè)量方法中的測(cè)量裝置，其特征在于: 兩個(gè)所述測(cè)量腔體包括側(cè)壁、上蓋、底板；所述側(cè)壁和上蓋放置于底板上時(shí)，與底板結(jié)合形成密閉的測(cè)量腔體。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的體積測(cè)量方法中的測(cè)量裝置，其特征在于: 所述測(cè)量腔體的橫截面為方形或`圓形。
全文摘要
本發(fā)明涉及質(zhì)量計(jì)量領(lǐng)域的一種非線性系數(shù)自相關(guān)聲學(xué)體積測(cè)量系方法及裝置,這種方法適用于任意復(fù)雜形狀的固體的高精度的體積測(cè)量，采用雙測(cè)量腔體方式，測(cè)量過(guò)程中，兩個(gè)腔體內(nèi)的空氣體積可以保持一致，空氣與測(cè)量腔體壁面、參考物體及被測(cè)物體的接觸表面積保持一致，從而使得測(cè)量過(guò)程中處于等溫變化的氣體邊界層保持一致，可有效減小聲學(xué)法體積測(cè)量過(guò)程中非線性因素影響，減小聲學(xué)法體積測(cè)量的非線性不確定度，達(dá)到提高體積測(cè)量的精度的目標(biāo)。這種工藝方法為解決高精度聲學(xué)法體積測(cè)量過(guò)程中非線性誤差較大的問(wèn)題提供解決途徑，特別是對(duì)異形砝碼的體積測(cè)量，為質(zhì)量計(jì)量領(lǐng)域砝碼的高精度體積測(cè)量提供快速有效的測(cè)量方法。
文檔編號(hào)G01B17/00GK103234493SQ201310140519
公開日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2013年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月22日
發(fā)明者胡滿紅, 王健, 張躍, 蔡常青, 鐘瑞麟, 姚弘, 丁京鞍, 王肖磊 申請(qǐng)人:中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院