[发明专利]基于激发能量控制减小超声波换能器工作盲区的方法

说明书

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激发能量控制减小超声波换能器工作盲区的方法。

背景技术

超声波测量技术在现代工业中因其测量精度高、量程宽、可靠性好等优点以得到了广泛应用和高度认可。超声波测量技术的关键在于超声波回波信号的检测，所谓的超声波回波信号是针对超声波激发信号而言，是指同一个超声波换能器发射完超声波激发信号后，超声波激发信号经不同的介质界面（如水和空气、水和金属等）反射形成的超声波信号或者是经另一个换能器接收此超声波激发信号后反向发射回来的超声波信号。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是目前普遍采用的时差式超声波测量技术。

时差式超声波测量技术所面临的其中一个共性问题是超声波换能器存在工作盲区问题。超声波换能器通过内部的压电晶体把电脉冲信号转换为同频率的机械振动，进而激发出超声波激发信号，因此超声波换能器是一个典型的机电振动系统。同其它振动系统一样，当撤去激励信号后，由于惯性，超声波换能器将持续振动（自由衰减振荡）一段时间，直到消耗完残余能量。若在超声波换能器余震幅值未自由衰减至比超声波回波信号最大幅值小便接收到超声波回波信号，则超声波回波信号将淹没于超声波换能器的余震信号之中，导致无法检测超声波回波信号。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超声波回波信号最大幅值相等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在测量流量、物体位置等信息时的可测声程范围。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：（1）专利CN93120461.5提出的多回波检测技术，该技术利用超声波在超声波换能器与介质界面之间存在多次反射的现象，以多次反射后的超声波回波信号作为最终测量信号，从而有效延长声程，避免用于测量的超声波回波信号落入超声波换能器工作盲区内。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）专利93120460.7中提到的变功率激发技术，核心思想是通过软件方法实现远距离物体位置测量时的多脉冲激发和近距离物体位置测量时的小脉冲激发。这种方法以上一次测量结果设定下次激发脉冲个数，而没有采用本发明所提出的根据测量结果误差自适应地调整脉冲个数，因此只能适用于物体位置缓慢变化的情况；（3）通过对超声波换能器的结构进行优化设计，减小激发脉冲过后的余震。由于要考虑超声波换能器灵敏度、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超声波换能器尚存在困难。（4）在实际流量或物体位置测量中，通常将超声波换能器安装位置进行调整，以延长测量声程，避免超声波回波信号落入超声波换能器工作盲区内，如：在流量测量时拉大两个超声波换能器之间的距离，在物体位置测量时拉大超声波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激发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：

本发明当超声波流量或物体位置测量仪表开机或复位后，仪表设定具有激发能量的超声波激发脉冲数；当测量流量时，激发发射超声波换能器产生超声波激发信号，利用接收超声波换能器接收到此超声波激发信号后产生的超声波回波信号进行流量测量；当测量物体位置时，激发发射超声波换能器产生超声波激发信号，利用此超声波激发信号从物体表面反射回来的超声波回波信号进行物体位置测量；在流量或物体位置未发生变化的情况下分别进行两次以上测量，测量结果与预设值进行比较；利用与预设值比较的结果，自适应的调整超声波激发能量，从而实现对超声波换能器残留能量的控制。

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。

若超声波回波信号未落入换能器工作盲区内，且两次以上测量测量结果一致性误差小于或等于预设值，则认为仪表进行了正确的测量；

若测量结果一致性误差大于预设值，则认为仪表未进行正确的测量，超声波回波信号落入超声波换能器工作盲区内，此时逐个减少超声波激发脉冲数，逐渐减小超声波换能器工作盲区，直至测量结果一致性误差小于或等于预设值，超声波回波信号位于超声波换能器工作盲区外。