专利名称：基于余震能量控制减小超声波换能器工作盲区的方法
技术领域：
本发明涉及一种超声波换能器工作盲区减小方法，特别是涉及一种基于余震能量控制减小超声波换能器工作盲区的方法。
背景技术：
随着电子技术的快速发展，超声波测量技术已被广泛应用于工业、医学等各个领域。其中，利用超声波进行流量和物体位置测量具有测量精度高、量程宽、可靠性好等优点，在工业自动化领域得到了广泛认可。在利用超声波进行流量和物体位置测量时，使用电脉冲激发超声波换能器，使其发出超声波激发信号，超声波信号在介质中传播，遇到不同介质界面(如水和空气的界面)反射回换能器，或遇到另一换能器被其接收后反向发射回一个超声波信号，返回的超声波信号统称为超声波回波信号，利用超声波激发信号与超声波回波 信号的传播时间进行流量或物体位置测量。超声波换能器工作盲区是超声波流量与物位测量时所面临的一大共性问题。电脉冲信号引发换能器内部能量转换元件(如压电晶体等)产生同频率共振，从而激发出超声波激发信号。但当激发电脉冲消失后，由于激发时所残留的能量，超声波换能器内部能量转换元件仍将持续振动(自由衰减振荡)，直至残留能量消耗完为止。倘若在超声波换能器余震幅值仍大于超声波回波信号的最大幅值时达到，则超声波回波信号将被淹没，无法被识别，使得测量失败。我们将超声波换能器自由衰减振荡开始至余震幅值减小至与超声波回波信号的最大幅值相等时的时间称之为超声波换能器工作盲区，由于超声波换能器工作盲区的存在限制了超声波应用于流量与物体位置测量时的可测声程范围。对于流量测量而言，限制了其可测量管道口径范围。对于物体位置测量而言，则直接限制了其量程。目前解决超声波换能器工作盲区问题的典型方法包括(I)专利CN93120461.5中的多回波检测技术，该技术利用超声波在换能器与介质界面之间存在多次反射的现象，以多次反射后的回波作为最终测量信号，从而有效延长声程，避免用于测量的回波信号落入换能器工作盲区内。在实际应用中，该方法面临多次反射后超声波回波信号信噪比明显降低的问题；(2)通过对超声波换能器的结构进行优化设计，减少激发脉冲过后的余震。由于要考虑换能器灵敏度、工作带宽等一系列性能表现，要设计出各方面性能都十分优异的换能器尚存在困难。(3)在实际流量或物体位置测量中，则通常将超声波换能器安装位置进行调整，以延长测量声程，避免回波信号落入超声波换能器工作盲区，如在流量测量时拉大两个换能器之间的距离，在物体位置测量时拉大换能器与测量界面之间的距离。这一方法对于某些封闭式管道或容器的流量或物体位置测量而言会造成很大的不便。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于余震能量控制减小超声波换能器工作盲区的方法。为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下本发明超声波换能器能等效为电感-电阻-电容振荡电路，采用在超声波换能器两端串联或并联或串并联电感电容方法，能提高超声波换能器工作回路的电感电容参数，进而提高其自由衰减的振荡频率，实现余震能量的加速消耗，减小超声波换能器工作盲区。所述超声波工作盲区是指从超声波换能器自由衰减振荡开始至余震幅值减小至与超声波回波信号最大幅值相等的时间。所述的超声波回波信号是指当测量流量时，接收超声波换能器接收到超声波激发信号后产生的超声波信号称为回波信号；当测量物体位置时，超声波激发信号从物体表面反射回来的超声波信号称为超声波回波信号。所述超声波换能器两端串联或并联或串并联电感电容的数量能是一个或多个，因为多个电感或多个电容都能等效为一个等效电感或等效电容。
本发明具有的有益效果是
采用加速消耗余震能量减小超声波换能器工作盲区的方法，实现对超声波换能器余震能量消耗速度的控制，减小超声波换能器工作盲区，拓宽超声波应用于流量或物体位置测量时的可测声程范围。对于流量测量而言，拓宽其可测量管道口径范围，降低小口径管道流量测量时的换能器之间安装距离要求。对于物体位置测量而言，则直接拓宽其量程，降低小距离物体位置测量时的换能器与测量界面之间的安装距离要求。
图I是本发明中涉及的超声波换能器工作盲区示意图。图2是本发明中采用的超声波换能器并联支路并联电感硬件电路示意图。图3是本发明中采用的超声波换能器串联支路串联电感硬件电路示意图。图4是本发明中采用的超声波换能器串并联硬件电路示意图。图5是本发明中采用的余震能量加速消耗的电子开关导通时序示意图。图中1、超声波激发脉冲信号，2、余震信号，3、余震信号幅值包络线，4、超声波回波信号，5、超声波回波信号幅值标示线，6、幅值比较分割线，7、超声波换能器工作盲区，8、超声波换能器余震区，9、激发脉冲发生模块，10、超声波换能器，11、单选电子开关，12、电感，13、激发脉冲发生模块,14、超声波换能器,15、双选电子开关,16、电容,17、激发脉冲发生模块，18、超声波换能器,19、电感,20、电容,21、电子开关导通信号。
具体实施例方式下面结合附图与实例详细说明本发明的具体实施方式
。超声波换能器工作盲区示意图如图I所示。超声波激发脉冲信号I的频率与超声波换能器谐振频率相同。因此，超声波激发脉冲信号I进入超声波换能器后，能使超声波换能器产生谐振，并激发出超声波激发信号。但是，当超声波激发脉冲信号I消失后，由于激发时所残留的能量，超声波换能器内部能量转换元件仍将因机械惯性和电惯性而持续振动(自由衰减振荡)，产生余震信号2。从余震信号幅值包络线3可看出，余震信号2的振动需要一定的时间才能消失，若超声波回波信号4在余震信号2幅值大于超声波回波信号4的最大幅值时到达，则超声波回波信号4将淹没在余震信号2中而无法被识别，使得测量失败。在图I中给出了超声波回波信号幅值标示线5，在超声波回波信号幅值标示线5与余震信号、幅值包络线3的交界画出幅值比较分割线6。超声波回波信号4若落入幅值比较分割线6左侧部分，则很难识别，超声波回波信号4若落入幅值比较分割线6右侧部分，则较易被识另IJ。因此，将幅值比较分割线6左侧部分称为超声波换能器工作盲区7，超声波换能器工作盲区7是整个超声波换能器余震区8的一部分。针对图I所示的超声波换能器工作盲区的问题，本发明提出了一种基于余震能量控制来减小超声波换能器工作盲区的方法，采用加速消耗余震能量减小超声波换能器工作盲区的方法，实现对超声波换能器余震能量消耗速度的控制，减短超声波换能器余震幅值减小至与超声波回波信号最大幅值相等时所需的时间，从而减小超声波换能器工作盲区7，拓宽超声波应用于流量或物体位置测量时的可测声程范围。 加速消耗余震能量的方法基于自由振动系统振荡频率越高振荡幅值衰减越快的物理现象。由于超声波换能器可等效为LRC (电感-电阻-电容)振荡电路，因此在超声波换能器两端串联或并联或串并联电感电容方法，可提高超声波换能器工作回路的电感电容参数，从而提高其自由衰减的振荡频率，实现余震能量的加速消耗。图2、图3和图4分别给出了超声波换能器两端串联、并联和串并联的硬件电路图。在超声波换能器两端串联或并联或串并联电感电容能是一个或多个，因为多个电感或电容分别能等效为一个等效电感或一个等效电容，为节约成本采用单个电感或电容。图2中，在激发脉冲发生模块9和超声波换能器10之间并联单选电子开关11和电感12，只有当需要加速消耗余震能量时，单选电子开关11导通，将电感12并联到超声波换能器10两端，增大其回路的等效电感值，提高其自由衰减的振荡频率，从而实现加速消耗余震能量，其余时间单选电子开关11断开。图3中，在激发脉冲发生模块13和超声波换能器14之间串联双选电子开关15和电容16，只有当需要速消耗余震能量加时，双选电子开关15将电容16串联到超声波换能器14和激发脉冲发生丰旲块13之间，增大其回路的等效电容值，提闻其自由裳减的振荡频率，从而实现加速消耗余震能量，其余时间双选电子开关15直接导通超声波换能器14和激发脉冲发生模块13。图4中，在激发脉冲发生模块17和超声波换能器18之间并联单选电子开关11和电感19，串联双选电子开关15和电容20，用来增大其回路的等效电容值和电感值，提高其自由衰减的振荡频率，从而实现加速消耗余震能量，其余时间单选电子开关11断开，双选电子开关15直接导通超声波换能器17和激发脉冲发生模块18。加速消耗余震能量的单选电子开关11和双选电子开关15的导通时序如图5所示，当超声波激发脉冲信号I结束的一瞬间，控制器将电子开关导通信号21置高，导通单选电子开关11和双选电子开关15。如图所示，导通后余震信号2将会以更高的振动频率、更快的速度衰减，当余震信号2幅值衰减至与超声波回波信号4的最大幅值相等时，控制器将电子开关导通信号21从新置低，恢复换能器工作回路的谐振频率，以免影响换能器接收超声波回波信号4。
权利要求
1.一种基于余震能量控制减小超声波换能器工作盲区的方法，其特征在于超声波换能器能等效为电感-电阻-电容振荡电路，采用在超声波换能器两端串联或并联或串并联电感电容方法，能提高超声波换能器工作回路的电感电容参数，进而提高其自由衰减的振荡频率，实现余震能量的加速消耗，减小超声波换能器工作盲区。
2.根据权利要求I所述的一种基于余震能量控制减小超声波换能器工作盲区的方法，其特征在于所述超声波工作盲区是指从超声波换能器自由衰减振荡开始至余震幅值减小至与超声波回波信号最大幅值相等的时间。
3.根据权利要求2所述的一种基于余震能量控制减小超声波换能器工作盲区的方法，其特征在于所述的超声波回波信号是指当测量流量时，接收超声波换能器接收到超声波激发信号后产生的超声波信号称为回波信号；当测量物体位置时，超声波激发信号从物体表面反射回来的超声波信号称为超声波回波信号。
4.根据权利要求I所述的一种基于余震能量控制减小超声波换能器工作盲区的方法， 其特征在于所述超声波换能器两端串联或并联或串并联电感电容的数量能是一个或多个，因为多个电感或多个电容都能等效为一个等效电感或等效电容。
全文摘要
本发明公开一种基于余震能量控制减小超声波换能器工作盲区的方法。超声波换能器能等效为电感-电阻-电容振荡电路，采用在超声波换能器两端串联或并联或串并联电感电容方法，能提高超声波换能器工作回路的电感电容参数，因而能提高超声波换能器自由衰减的振荡频率，实现余震能量的加速消耗，减小超声波换能器工作盲区。本发明实现对超声波换能器余震能量消耗速度的控制，减小超声波换能器工作盲区，拓宽超声波应用于流量或物体位置测量时的可测声程范围。
文档编号G01S7/52GK102749109SQ20121023886
公开日2012年10月24日 申请日期2012年7月11日 优先权日2012年7月11日
发明者傅新, 毛凯, 胡亮 申请人:浙江大学