專利名稱：基于激發(fā)能量控制減小超聲波換能器工作盲區(qū)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超聲波換能器工作盲區(qū)減小方法，特別是涉及一種基于激發(fā)能量控制減小超聲波換能器工作盲區(qū)的方法。
背景技術(shù)：
超聲波測量技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)中因其測量精度高、量程寬、可靠性好等優(yōu)點以得到了廣泛應(yīng)用和高度認(rèn)可。超聲波測量技術(shù)的關(guān)鍵在于超聲波回波信號的檢測，所謂的超聲波回波信號是針對超聲波激發(fā)信號而言，是指同一個超聲波換能器發(fā)射完超聲波激發(fā)信號后，超聲波激發(fā)信號經(jīng)不同的介質(zhì)界面(如水和空氣、水和金屬等)反射形成的超聲波信號或者是經(jīng)另一個換能器接收此超聲波激發(fā)信號后反向發(fā)射回來的超聲波信號。利用超聲波 激發(fā)信號與超聲波回波信號的傳播時間進行流量或物體位置測量是目前普遍采用的時差式超聲波測量技術(shù)。時差式超聲波測量技術(shù)所面臨的其中一個共性問題是超聲波換能器存在工作盲區(qū)問題。超聲波換能器通過內(nèi)部的壓電晶體把電脈沖信號轉(zhuǎn)換為同頻率的機械振動，進而激發(fā)出超聲波激發(fā)信號，因此超聲波換能器是一個典型的機電振動系統(tǒng)。同其它振動系統(tǒng)一樣，當(dāng)撤去激勵信號后，由于慣性，超聲波換能器將持續(xù)振動(自由衰減振蕩)一段時間，直到消耗完殘余能量。若在超聲波換能器余震幅值未自由衰減至比超聲波回波信號最大幅值小便接收到超聲波回波信號，則超聲波回波信號將淹沒于超聲波換能器的余震信號之中，導(dǎo)致無法檢測超聲波回波信號。我們將超聲波換能器自由衰減振蕩開始至余震幅值減小至超聲波回波信號最大幅值相等的時間稱之為超聲波換能器工作盲區(qū)，由于超聲波換能器工作盲區(qū)的存在限制了超聲波在測量流量、物體位置等信息時的可測聲程范圍。對于流量測量而言，限制了其可測量管道口徑范圍；對于物體位置測量而言，則直接限制了其量程。目前解決超聲波換能器工作盲區(qū)問題的典型方法包括(I)專利CN93120461.5提出的多回波檢測技術(shù)，該技術(shù)利用超聲波在超聲波換能器與介質(zhì)界面之間存在多次反射的現(xiàn)象，以多次反射后的超聲波回波信號作為最終測量信號，從而有效延長聲程，避免用于測量的超聲波回波信號落入超聲波換能器工作盲區(qū)內(nèi)。在實際應(yīng)用中，該方法面臨多次反射后超聲波回波信號信噪比明顯降低的問題；(2)專利93120460. 7中提到的變功率激發(fā)技術(shù)，核心思想是通過軟件方法實現(xiàn)遠距離物體位置測量時的多脈沖激發(fā)和近距離物體位置測量時的小脈沖激發(fā)。這種方法以上一次測量結(jié)果設(shè)定下次激發(fā)脈沖個數(shù)，而沒有采用本發(fā)明所提出的根據(jù)測量結(jié)果誤差自適應(yīng)地調(diào)整脈沖個數(shù)，因此只能適用于物體位置緩慢變化的情況；(3)通過對超聲波換能器的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，減小激發(fā)脈沖過后的余震。由于要考慮超聲波換能器靈敏度、工作帶寬等一系列性能表現(xiàn)，要設(shè)計出各方面性能都十分優(yōu)異的超聲波換能器尚存在困難。(4)在實際流量或物體位置測量中，通常將超聲波換能器安裝位置進行調(diào)整，以延長測量聲程，避免超聲波回波信號落入超聲波換能器工作盲區(qū)內(nèi)，如在流量測量時拉大兩個超聲波換能器之間的距離，在物體位置測量時拉大超聲波換能器與測量界面之間的距離。這一方法對于某些封閉式管道或容器的流量或物體位置測量而言會造成很大的不便。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于激發(fā)能量控制減小超聲波換能器工作盲區(qū)的方法。為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下
本發(fā)明當(dāng)超聲波流量或物體位置測量儀表開機或復(fù)位后，儀表設(shè)定具有激發(fā)能量的超聲波激發(fā)脈沖數(shù)；當(dāng)測量流量時，激發(fā)發(fā)射超聲波換能器產(chǎn)生超聲波激發(fā)信號，利用接收超聲波換能器接收到此超聲波激發(fā)信號后產(chǎn)生的超聲波回波信號進行流量測量；當(dāng)測量物體位置時，激發(fā)發(fā)射超聲波換能器產(chǎn)生超聲波激發(fā)信號，利用此超聲波激發(fā)信號從物體表面反射回來的超聲波回波信號進行物體位置測量；在流量或物體位置未發(fā)生變化的情況下分別進行兩次以上測量，測量結(jié)果與預(yù)設(shè)值進行比較；利用與預(yù)設(shè)值比較的結(jié)果，自適應(yīng)的調(diào)整超聲波激發(fā)能量，從而實現(xiàn)對超聲波換能器殘留能量的控制。所述超聲波工作盲區(qū)是指從超聲波換能器自由衰減振蕩開始至余震幅值減小至與超聲波回波信號最大幅值相等的時間。若超聲波回波信號未落入換能器工作盲區(qū)內(nèi)，且兩次以上測量測量結(jié)果一致性誤差小于或等于預(yù)設(shè)值，則認(rèn)為儀表進行了正確的測量；
若測量結(jié)果一致性誤差大于預(yù)設(shè)值，則認(rèn)為儀表未進行正確的測量，超聲波回波信號落入超聲波換能器工作盲區(qū)內(nèi)，此時逐個減少超聲波激發(fā)脈沖數(shù)，逐漸減小超聲波換能器工作盲區(qū)，直至測量結(jié)果一致性誤差小于或等于預(yù)設(shè)值，超聲波回波信號位于超聲波換能器工作盲區(qū)外。為降低超聲波激發(fā)脈沖數(shù)減少的個數(shù)，首先要求初次測量流量或物體位置時，所采用的超聲波激發(fā)脈沖數(shù)比產(chǎn)生具有一個平臺期特征的超聲波激發(fā)信號時所需的超聲波激發(fā)脈沖數(shù)少I個脈沖，從而實現(xiàn)既保證激發(fā)能量又避免激發(fā)脈沖數(shù)過多的負面影響；其次，在下次測量前，先以最后兩次測量結(jié)果進行外插計算預(yù)測下次測量的聲程，根據(jù)預(yù)測所得聲程設(shè)置下次測量所需的超聲波激發(fā)脈沖數(shù)。本發(fā)明具有的有益效果是
采用激發(fā)能量自適應(yīng)調(diào)整的方法，通過對超聲波換能器激發(fā)能量的控制來實現(xiàn)對超聲波換能器殘留能量的控制，減小超聲波換能器工作盲區(qū)，拓寬超聲波的可測聲程范圍。對于流量測量而言，拓寬其可測量管道口徑范圍，降低小口徑管道流量測量時的超聲波換能器之間安裝距離要求；對于物體位置測量而言，則直接拓寬其量程，降低小距離物體位置測量時的超聲波換能器與測量界面之間的安裝距離要求。


圖I是本發(fā)明中涉及的超聲波換能器工作盲區(qū)示意圖。圖2是本發(fā)明中采用的激發(fā)能量自適應(yīng)調(diào)整流程圖。圖3是本發(fā)明中涉及的產(chǎn)生無平臺期特征超聲波激發(fā)信號時的超聲波激發(fā)脈沖數(shù)示意圖。、
圖4是本發(fā)明中涉及的無平臺期特征的超聲波激發(fā)信號示意圖。圖5是本發(fā)明中涉及的產(chǎn)生具有一個平臺期特征超聲波激發(fā)信號時的超聲波激發(fā)脈沖數(shù)示意圖。圖6是本發(fā)明中涉及的具有一個平臺期特征的超聲波激發(fā)信號示意圖。圖中1、超聲波激發(fā)信號，2、余震信號，3、余震信號幅值包絡(luò)線，4、超聲波回波信號，5、超聲波回波信號幅值標(biāo)示線，6、幅值比較分割線，7、超聲波換能器工作盲區(qū)，8、超聲波換能器余震區(qū)，9、產(chǎn)生無平臺期特征超聲波激發(fā)信號時的超聲波激發(fā)脈沖數(shù)，10、無平臺期特征的超聲波激發(fā)信號，11、具有一個平臺期特征超聲波激發(fā)信號時的超聲波激發(fā)脈沖數(shù)，12、具有一個平臺期特征的超聲波信號，13、平臺期。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖與實例詳細說明本發(fā)明的具體實施方式
。如圖I所示為超聲波換能器工作盲區(qū)示意圖。超聲波激發(fā)信號I的頻率與超聲波換能器諧振頻率相同。因此，超聲波激發(fā)信號I進入超聲波換能器后，能使超聲波換能器產(chǎn)生諧振，并激發(fā)出超聲波激發(fā)信號。但是，當(dāng)超聲波激發(fā)信號I消失后，由于激發(fā)時所殘留的能量，超聲波換能器內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換元件仍將因機械慣性和電慣性而持續(xù)振動(自由衰減振蕩)，產(chǎn)生余震信號2。從余震信號幅值包絡(luò)線3可看出，余震信號2的振動需要一定的時間才能消耗完，若超聲波回波信號4在余震信號2幅值大于超聲波回波信號4的最大幅值時到達，超聲波回波信號4將被淹沒在余震信號2中，無法被識別，使得測量失敗。在圖I中給出了超聲波回波信號幅值標(biāo)示線5，在超聲波回波信號幅值標(biāo)示線5與余震信號幅值包絡(luò)線3的交界畫出了幅值比較分割線6。超聲波回波信號4若落入幅值比較分割線6左側(cè)部分，則因超聲波回波信號4的幅值小于余震信號2的幅值而無法識別；若超聲波回波信號4落入幅值比較分割線6右側(cè)部分，則會因超聲波回波信號4的幅值大于余震信號2的幅值而易被識別。因此，將幅值比較分割線6左側(cè)部分稱為超聲波換能器工作盲區(qū)7，超聲波換能器工作盲區(qū)7是整個超聲波換能器余震區(qū)8的一部分。針對圖I所示的超聲波換能器工作盲區(qū)的問題，本發(fā)明提出一種基于激發(fā)能量控制減小超聲波換能器工作盲區(qū)的方法，采用激發(fā)能量自適應(yīng)調(diào)整的方法，通過對超聲波換能器激發(fā)能量的控制來實現(xiàn)對超聲波殘留能量的控制，減短超聲波換能器余震幅值減小至與超聲波回波信號最大幅值相等的時間，從而減小超聲波換能器工作盲區(qū)，拓寬超聲波應(yīng)用于流量、物體位置等物理量測量時的可測聲程范圍。 圖2給出了本發(fā)明中采用的激發(fā)能量自適應(yīng)調(diào)整流程圖。當(dāng)超聲波流量或物體位置測量儀表開機或復(fù)位后，儀表設(shè)定具有激發(fā)能量的超聲波激發(fā)脈沖數(shù)，當(dāng)測量流量時，激發(fā)發(fā)射超聲波換能器產(chǎn)生超聲波激發(fā)信號1，利用接收超聲波換能器接收到此超聲波激發(fā)信號I后產(chǎn)生的超聲波回波信號4進行流量測量；當(dāng)測量物體位置時，激發(fā)發(fā)射超聲波換能器產(chǎn)生超聲波激發(fā)信號I，利用超聲波激發(fā)信號I從物體表面反射回來的超聲波回波信號4進行物體位置測量，在流量或物體位置未發(fā)生變化的情況下分別進行兩次以上測量。為降低超聲波激發(fā)脈沖數(shù)減少的個數(shù)，除儀表剛開機或復(fù)位后的首次測量之外，其余測量過程中以最后兩次測量結(jié)果進行一階外插計算預(yù)測下次測量可能的聲程，聲程預(yù)測公式如下Dn+1=2XDn — Dn_i(I)
式中Dn+1為所預(yù)測的t+ A t時刻聲程，Dn為測量所得t時刻聲程，Dlri為測量所得t- A t時刻聲程。計算出Dn+1后，進而根據(jù)預(yù)先存入儀表的數(shù)據(jù)表格，查詢所預(yù)測聲程對應(yīng)所需激發(fā)脈沖數(shù)，作為自適應(yīng)調(diào)整的初始值。不同聲程下對應(yīng)所需激發(fā)脈沖的數(shù)據(jù)表格可事先由實驗確定。由于所預(yù)測得到的脈沖數(shù)初始值與最終所用超聲波激發(fā)脈沖數(shù)可非常接近(其在脈沖數(shù)上的微小差異是由于實驗工況和實際測量工況的差異所致)，因此可降低超聲波激發(fā)脈沖數(shù)減少的個數(shù)。儀表開機或復(fù)位后的首次測量所采用的超聲波激發(fā)脈沖數(shù)比產(chǎn)生具有一個平臺期特征的超聲波激發(fā)信號時所需的超聲波激發(fā)脈沖數(shù)少I個脈沖，從而實現(xiàn)既保證激發(fā)能量又避免激發(fā)脈沖數(shù)過多的影響。如圖3、圖4、圖5、圖6所示，隨著超聲波激發(fā)脈沖數(shù)從圖3的產(chǎn)生無平臺期特征超聲波激發(fā)信號時的超聲波激發(fā)脈沖數(shù)9增加一個脈沖后變成圖5所示的產(chǎn)生具有一個平臺期特征超聲波激發(fā)信號時的超聲波激發(fā)脈沖數(shù)11，相應(yīng)所產(chǎn)生的超聲波激發(fā)信號將從無無平臺期特征的超聲波激發(fā)信號10變成具有一個平臺期特征的激 發(fā)脈沖信號12。其中，平臺期13的出現(xiàn)不僅不會增加超聲波激發(fā)信號的幅值，增強信號靈敏度，反而會因超聲波激發(fā)脈沖數(shù)過多而導(dǎo)致激發(fā)能量自適應(yīng)調(diào)整效率降低。
權(quán)利要求
1.一種基于激發(fā)能量控制減小超聲波換能器工作盲區(qū)的方法，其特征在于當(dāng)超聲波流量或物體位置測量儀表開機或復(fù)位后，儀表設(shè)定具有激發(fā)能量的超聲波激發(fā)脈沖數(shù)；當(dāng)測量流量時，激發(fā)發(fā)射超聲波換能器產(chǎn)生超聲波激發(fā)信號，利用接收超聲波換能器接收到此超聲波激發(fā)信號后產(chǎn)生的超聲波回波信號進行流量測量；當(dāng)測量物體位置時，激發(fā)發(fā)射超聲波換能器產(chǎn)生超聲波激發(fā)信號，利用此超聲波激發(fā)信號從物體表面反射回來的超聲波回波信號進行物體位置測量；在流量或物體位置未發(fā)生變化的情況下分別進行兩次以上測量，測量結(jié)果與預(yù)設(shè)值進行比較；利用與預(yù)設(shè)值比較的結(jié)果，自適應(yīng)的調(diào)整超聲波激發(fā)能量，從而實現(xiàn)對超聲波換能器殘留能量的控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于激發(fā)能量控制減小超聲波換能器工作盲區(qū)的方法，其特征在于所述超聲波工作盲區(qū)是指從超聲波換能器自由衰減振蕩開始至余震幅值減小至與超聲波回波信號最大幅值相等的時間。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于激發(fā)能量控制減小超聲波換能器工作盲區(qū)的方法，其特征在于 若超聲波回波信號未落入換能器工作盲區(qū)內(nèi)，且兩次以上測量測量結(jié)果一致性誤差小于或等于預(yù)設(shè)值，則認(rèn)為儀表進行了正確的測量； 若測量結(jié)果一致性誤差大于預(yù)設(shè)值，則認(rèn)為儀表未進行正確的測量，超聲波回波信號落入超聲波換能器工作盲區(qū)內(nèi)，此時逐個減少超聲波激發(fā)脈沖數(shù)，逐漸減小超聲波換能器工作盲區(qū)，直至測量結(jié)果一致性誤差小于或等于預(yù)設(shè)值，超聲波回波信號位于超聲波換能器工作盲區(qū)外。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于激發(fā)能量控制減小超聲波換能器工作盲區(qū)的方法，其特征在于為降低超聲波激發(fā)脈沖數(shù)減少的個數(shù)，首先要求初次測量流量或物體位置時，所采用的超聲波激發(fā)脈沖數(shù)比產(chǎn)生具有一個平臺期特征的超聲波激發(fā)信號時所需的超聲波激發(fā)脈沖數(shù)少I個脈沖，從而實現(xiàn)既保證激發(fā)能量又避免激發(fā)脈沖數(shù)過多的負面影響；其次，在下次測量前，先以最后兩次測量結(jié)果進行外插計算預(yù)測下次測量的聲程，根據(jù)預(yù)測所得聲程設(shè)置下次測量所需的超聲波激發(fā)脈沖數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于激發(fā)能量控制減小超聲波換能器工作盲區(qū)的方法。當(dāng)超聲波流量或物體位置測量儀表開機或復(fù)位后，儀表設(shè)定具有激發(fā)能量且個數(shù)比產(chǎn)生具有一個平臺期特征的超聲波激發(fā)信號時所需的超聲波激發(fā)脈沖數(shù)少1個脈沖的超聲波激發(fā)脈沖來產(chǎn)生超聲波激發(fā)信號，利用與此超聲波激發(fā)信號相對應(yīng)的超聲波回波信號來測量流量或物體位置。在流量或物體位置未發(fā)生變化的情況下，分別進行兩次以上測量，測量結(jié)果與預(yù)設(shè)值進行比較。利用與預(yù)設(shè)值比較的結(jié)果，自適應(yīng)的調(diào)整超聲波激發(fā)能量，從而實現(xiàn)對超聲波換能器殘留能量的控制，減小超聲波換能器工作盲區(qū)，拓寬超聲波的可測聲程范圍。
文檔編號G01S15/06GK102749108SQ20121023885
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月11日
發(fā)明者傅新, 毛凱, 胡亮 申請人:浙江大學(xué)