專利名稱：基于余震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余震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)：
隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波測量技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)學(xué)等各個領(lǐng)域。其中，利用超聲波進(jìn)行流量和物體位置測量具有測量精度高、量程寬、可靠性好等優(yōu)點，在工業(yè)自動化領(lǐng)域得到了廣泛認(rèn)可。在利用超聲波進(jìn)行流量和物體位置測量時，使用電脈沖激發(fā)超聲波換能器，使其發(fā)出超聲波激發(fā)信號，超聲波信號在介質(zhì)中傳播，遇到不同介質(zhì)界面(如水和空氣的界面)反射回?fù)Q能器，或遇到另一換能器被其接收后反向發(fā)射回一個超聲波信號，返回的超聲波信號統(tǒng)稱為超聲波回波信號，利用超聲波激發(fā)信號與超聲波回波 信號的傳播時間進(jìn)行流量或物體位置測量。超聲波換能器工作盲區(qū)是超聲波流量與物位測量時所面臨的一大共性問題。電脈沖信號引發(fā)換能器內(nèi)部能量轉(zhuǎn)換元件(如壓電晶體等)產(chǎn)生同頻率共振，從而激發(fā)出超聲波激發(fā)信號。但當(dāng)激發(fā)電脈沖消失后，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)換元件仍將持續(xù)振動(自由衰減振蕩)，直至殘留能量消耗完為止。倘若在超聲波換能器余震幅值仍大于超聲波回波信號的最大幅值時達(dá)到，則超聲波回波信號將被淹沒，無法被識別，使得測量失敗。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與超聲波回波信號的最大幅值相等時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應(yīng)用于流量與物體位置測量時的可測聲程范圍。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中的多回波檢測技術(shù)，該技術(shù)利用超聲波在換能器與介質(zhì)界面之間存在多次反射的現(xiàn)象，以多次反射后的回波作為最終測量信號，從而有效延長聲程，避免用于測量的回波信號落入換能器工作盲區(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)通過對超聲波換能器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，減少激發(fā)脈沖過后的余震。由于要考慮換能器靈敏度、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)異的換能器尚存在困難。(3)在實際流量或物體位置測量中，則通常將超聲波換能器安裝位置進(jìn)行調(diào)整，以延長測量聲程，避免回波信號落入超聲波換能器工作盲區(qū)，如在流量測量時拉大兩個換能器之間的距離，在物體位置測量時拉大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余震能量控制減小超聲波換能器工作盲區(qū)的方法。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下本發(fā)明超聲波換能器能等效為電感-電阻-電容振蕩電路，采用在超聲波換能器兩端串聯(lián)或并聯(lián)或串并聯(lián)電感電容方法，能提高超聲波換能器工作回路的電感電容參數(shù)，進(jìn)而提高其自由衰減的振蕩頻率，實現(xiàn)余震能量的加速消耗，減小超聲波換能器工作盲區(qū)。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。所述的超聲波回波信號是指當(dāng)測量流量時，接收超聲波換能器接收到超聲波激發(fā)信號后產(chǎn)生的超聲波信號稱為回波信號；當(dāng)測量物體位置時，超聲波激發(fā)信號從物體表面反射回來的超聲波信號稱為超聲波回波信號。所述超聲波換能器兩端串聯(lián)或并聯(lián)或串并聯(lián)電感電容的數(shù)量能是一個或多個，因為多個電感或多個電容都能等效為一個等效電感或等效電容。
本發(fā)明具有的有益效果是
采用加速消耗余震能量減小超聲波換能器工作盲區(qū)的方法，實現(xiàn)對超聲波換能器余震能量消耗速度的控制，減小超聲波換能器工作盲區(qū)，拓寬超聲波應(yīng)用于流量或物體位置測量時的可測聲程范圍。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)明中采用的超聲波換能器并聯(lián)支路并聯(lián)電感硬件電路示意圖。圖3是本發(fā)明中采用的超聲波換能器串聯(lián)支路串聯(lián)電感硬件電路示意圖。圖4是本發(fā)明中采用的超聲波換能器串并聯(lián)硬件電路示意圖。圖5是本發(fā)明中采用的余震能量加速消耗的電子開關(guān)導(dǎo)通時序示意圖。圖中1、超聲波激發(fā)脈沖信號，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、激發(fā)脈沖發(fā)生模塊，10、超聲波換能器，11、單選電子開關(guān)，12、電感，13、激發(fā)脈沖發(fā)生模塊,14、超聲波換能器,15、雙選電子開關(guān),16、電容,17、激發(fā)脈沖發(fā)生模塊，18、超聲波換能器,19、電感,20、電容,21、電子開關(guān)導(dǎo)通信號。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖與實例詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實施方式
。超聲波換能器工作盲區(qū)示意圖如圖I所示。超聲波激發(fā)脈沖信號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)脈沖信號I進(jìn)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)脈沖信號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(jī)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失，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(dá)，則超聲波回波信號4將淹沒在余震信號2中而無法被識別，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，則很難識別，超聲波回波信號4若落入幅值比較分割線6右側(cè)部分，則較易被識另IJ。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)明提出了一種基于余震能量控制來減小超聲波換能器工作盲區(qū)的方法，采用加速消耗余震能量減小超聲波換能器工作盲區(qū)的方法，實現(xiàn)對超聲波換能器余震能量消耗速度的控制，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時所需的時間，從而減小超聲波換能器工作盲區(qū)7，拓寬超聲波應(yīng)用于流量或物體位置測量時的可測聲程范圍。 加速消耗余震能量的方法基于自由振動系統(tǒng)振蕩頻率越高振蕩幅值衰減越快的物理現(xiàn)象。由于超聲波換能器可等效為LRC (電感-電阻-電容)振蕩電路，因此在超聲波換能器兩端串聯(lián)或并聯(lián)或串并聯(lián)電感電容方法，可提高超聲波換能器工作回路的電感電容參數(shù)，從而提高其自由衰減的振蕩頻率，實現(xiàn)余震能量的加速消耗。圖2、圖3和圖4分別給出了超聲波換能器兩端串聯(lián)、并聯(lián)和串并聯(lián)的硬件電路圖。在超聲波換能器兩端串聯(lián)或并聯(lián)或串并聯(lián)電感電容能是一個或多個，因為多個電感或電容分別能等效為一個等效電感或一個等效電容，為節(jié)約成本采用單個電感或電容。圖2中，在激發(fā)脈沖發(fā)生模塊9和超聲波換能器10之間并聯(lián)單選電子開關(guān)11和電感12，只有當(dāng)需要加速消耗余震能量時，單選電子開關(guān)11導(dǎo)通，將電感12并聯(lián)到超聲波換能器10兩端，增大其回路的等效電感值，提高其自由衰減的振蕩頻率，從而實現(xiàn)加速消耗余震能量，其余時間單選電子開關(guān)11斷開。圖3中，在激發(fā)脈沖發(fā)生模塊13和超聲波換能器14之間串聯(lián)雙選電子開關(guān)15和電容16，只有當(dāng)需要速消耗余震能量加時，雙選電子開關(guān)15將電容16串聯(lián)到超聲波換能器14和激發(fā)脈沖發(fā)生豐旲塊13之間，增大其回路的等效電容值，提聞其自由裳減的振蕩頻率，從而實現(xiàn)加速消耗余震能量，其余時間雙選電子開關(guān)15直接導(dǎo)通超聲波換能器14和激發(fā)脈沖發(fā)生模塊13。圖4中，在激發(fā)脈沖發(fā)生模塊17和超聲波換能器18之間并聯(lián)單選電子開關(guān)11和電感19，串聯(lián)雙選電子開關(guān)15和電容20，用來增大其回路的等效電容值和電感值，提高其自由衰減的振蕩頻率，從而實現(xiàn)加速消耗余震能量，其余時間單選電子開關(guān)11斷開，雙選電子開關(guān)15直接導(dǎo)通超聲波換能器17和激發(fā)脈沖發(fā)生模塊18。加速消耗余震能量的單選電子開關(guān)11和雙選電子開關(guān)15的導(dǎo)通時序如圖5所示，當(dāng)超聲波激發(fā)脈沖信號I結(jié)束的一瞬間，控制器將電子開關(guān)導(dǎo)通信號21置高，導(dǎo)通單選電子開關(guān)11和雙選電子開關(guān)15。如圖所示，導(dǎo)通后余震信號2將會以更高的振動頻率、更快的速度衰減，當(dāng)余震信號2幅值衰減至與超聲波回波信號4的最大幅值相等時，控制器將電子開關(guān)導(dǎo)通信號21從新置低，恢復(fù)換能器工作回路的諧振頻率，以免影響換能器接收超聲波回波信號4。
權(quán)利要求
1.一種基于余震能量控制減小超聲波換能器工作盲區(qū)的方法，其特征在于超聲波換能器能等效為電感-電阻-電容振蕩電路，采用在超聲波換能器兩端串聯(lián)或并聯(lián)或串并聯(lián)電感電容方法，能提高超聲波換能器工作回路的電感電容參數(shù)，進(jìn)而提高其自由衰減的振蕩頻率，實現(xiàn)余震能量的加速消耗，減小超聲波換能器工作盲區(qū)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于余震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2所述的一種基于余震能量控制減小超聲波換能器工作盲區(qū)的方法，其特征在于所述的超聲波回波信號是指當(dāng)測量流量時，接收超聲波換能器接收到超聲波激發(fā)信號后產(chǎn)生的超聲波信號稱為回波信號；當(dāng)測量物體位置時，超聲波激發(fā)信號從物體表面反射回來的超聲波信號稱為超聲波回波信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于余震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換能器兩端串聯(lián)或并聯(lián)或串并聯(lián)電感電容的數(shù)量能是一個或多個，因為多個電感或多個電容都能等效為一個等效電感或等效電容。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于余震能量控制減小超聲波換能器工作盲區(qū)的方法。超聲波換能器能等效為電感-電阻-電容振蕩電路，采用在超聲波換能器兩端串聯(lián)或并聯(lián)或串并聯(lián)電感電容方法，能提高超聲波換能器工作回路的電感電容參數(shù)，因而能提高超聲波換能器自由衰減的振蕩頻率，實現(xiàn)余震能量的加速消耗，減小超聲波換能器工作盲區(qū)。本發(fā)明實現(xiàn)對超聲波換能器余震能量消耗速度的控制，減小超聲波換能器工作盲區(qū)，拓寬超聲波應(yīng)用于流量或物體位置測量時的可測聲程范圍。
文檔編號G01S7/52GK102749109SQ20121023886
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)