[發明專利]基于余震能量控制減小超聲波換能器工作盲區的方法

有效

• 申請號: 201210238866.7
• 申請日: 2012-07-11
• 公開（公告）號: CN102749109A
• 公開（公告）日: 2012-10-24
• 發明（設計）人: 傅新;胡亮;毛凱
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01F1/66
• 分類號: G01F1/66;G01S15/06;G01S7/52
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 林懷禹

技術領域

本發明涉及一種超聲波換能器工作盲區減小方法，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的方法。

背景技術

隨著電子技術的快速發展，超聲波測量技術已被廣泛應用于工業、醫學等各個領域。其中，利用超聲波進行流量和物體位置測量具有測量精度高、量程寬、可靠性好等優點，在工業自動化領域得到了廣泛認可。在利用超聲波進行流量和物體位置測量時，使用電脈沖激發超聲波換能器，使其發出超聲波激發信號，超聲波信號在介質中傳播，遇到不同介質界面（如水和空氣的界面）反射回換能器，或遇到另一換能器被其接收后反向發射回一個超聲波信號，返回的超聲波信號統稱為超聲波回波信號，利用超聲波激發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。

超聲波換能器工作盲區是超聲波流量與物位測量時所面臨的一大共性問題。電脈沖信號引發換能器內部能量轉換元件（如壓電晶體等）產生同頻率共振，從而激發出超聲波激發信號。但當激發電脈沖消失后，由于激發時所殘留的能量，超聲波換能器內部能量轉換元件仍將持續振動（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，由于超聲波換能器工作盲區的存在限制了超聲波應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問題的典型方法包括：（1）專利CN93120461.5中的多回波檢測技術，該技術利用超聲波在換能器與介質界面之間存在多次反射的現象，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內。在實際應用中，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構進行優化設計，減少激發脈沖過后的余震。由于要考慮換能器靈敏度、工作帶寬等一系列性能表現，要設計出各方面性能都十分優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行調整，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，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。

發明內容

本發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的方法。

為了達到上述目的，本發明采用的技術方案如下：

本發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或并聯或串并聯電感電容方法，能提高超聲波換能器工作回路的電感電容參數，進而提高其自由衰減的振蕩頻率，實現余震能量的加速消耗，減小超聲波換能器工作盲區。

所述超聲波工作盲區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：當測量流量時，接收超聲波換能器接收到超聲波激發信號后產生的超聲波信號稱為回波信號；當測量物體位置時，超聲波激發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或并聯或串并聯電感電容的數量能是一個或多個，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的方法，實現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，拓寬超聲波應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。

附圖說明

圖1是本發明中涉及的超聲波換能器工作盲區示意圖。

圖2是本發明中采用的超聲波換能器并聯支路并聯電感硬件電路示意圖。

圖3是本發明中采用的超聲波換能器串聯支路串聯電感硬件電路示意圖。

圖4是本發明中采用的超聲波換能器串并聯硬件電路示意圖。

圖5是本發明中采用的余震能量加速消耗的電子開關導通時序示意圖。