CN102252729A

CN102252729A - 一种测量不规则物体体积的装置和方法

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Publication number: CN102252729A
Application number: CN 201110165465
Authority: CN
Inventors: 张仲生
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-06-08
Filing date: 2011-06-08
Publication date: 2011-11-23

Abstract

一种测量不规则物体体积的装置和方法，在亥姆霍兹共鸣器空腔的一侧装有一个将被测物体放入或取出的带有紧压机构的门，空腔上端四周围均匀地布置有8个(或多个)管道，中间位置装有扬声器、靠一角的位置装有传声器与放大电路相连接后便形成自激振荡，产生了共振频率。将被测物体放入空腔内，其共振频率随之变化，变化量取决于放入空腔内被测物体体积的大小，用电子技术对共振频率的周期进行取样、扩展、量化、运算就得出被测物体的体积。本发明可以测量任何比重的固体和液体的体积；用空气做媒质，清洁干净；测量有小间隙、小孔、小洞的物体，不影响其结果值；操作简单，能做成小型便携式，易于普及使用。

Description

一种测量不规则物体体积的装置和方法

技术领域

应用声学领域的“亥姆霍兹共振原理”在计量领域中测量不规则物体的体积。

背景技术

测量不规则物体体积如：静水力学法——是将装有专用水的容器放在电子磅中间，先称出被测物体在空气中的重量G，再将该物体浸没于水中测得其重量G₁，对水的比重Y_水进行温度系数校正，计算被测物体的体积

按

得出被测物体的比重Y、重量G、体积V。静水力学法有如下不足：

一、只能测量比重大于水的固体；二、需要专用水，增加了测量成本又容易污染被测物体；三、测量有小间隙、小孔、小洞的物体偏差值大；四、操作较烦杂，难做成小型便携式，也不能普及使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量不规则物体体积的装置和方法，应用“亥姆霍兹共振原理”，用亥姆霍兹共鸣器来测量不规则物体的体积可克服上述静水力学法的缺点。

“亥姆霍兹共振原理”一般是用于吸音、乐器、音响领域，本发明将其应用于测量不规则物体的体积，由于各自的用途不同，技术指标和结构上也有所区别。如音响上用做重放终端设备的倒相式音箱(亥姆霍兹共鸣器)，要求宽频带、总品质因数Q_tc相对较低，本发明如图3、4所示的亥姆霍兹共鸣器3用窄频带高Q_tc，音响上用的管道一般只有一个，本发明用8个均匀地布置在空腔4上端的四周围，原因是空腔4内的振荡气流使管道口周围的流速更快，如果将被测物体放置于管道口傍或远离管道口时，由于被测物体对气流产生的阻力不同，这使共振频率f0产生不同的值，这样就影响了测量的准确度，在空腔4上端四周围均匀地布置8个(或多个)管道6后，不论被测物体放入空腔4内的任何位置，对气流产生的总(合)阻力是近似相等的，这就有效地解决了被测物体放入空腔4内由于所处位置不同而对测量结果的影响。在空腔4的一侧装有一个将被测物体放入或取出用的带有紧压机构的门5，测量时将门5关上后通过紧压机构使其紧贴于空腔4的一侧。空腔4上端中间位置装有扬声器Y及靠一角位置装有传声器MIC与其相连通。扬声器Y和传声器MIC与电子电路板箱2(见图1、2)中的放大电路(见图5)相连接，扬声器Y通过空腔4内的空气做媒质将信号传给传声器MIC、经放大后又推动扬声器Y，周而复始，便形成了自激振荡，共振频率是f。

根据“亥姆霍兹共振原理”：其中：f₀是亥姆霍兹共鸣器的共振频率，C是声速，S是管道的截面积，L是管道的长度，D是管道的直径，V是空腔的容积(“亥姆霍兹共振原理”是声学领域重要的原理，关于该原理的详细信息可从网上下载)。设：

代入上式后得：

或

这说明亥姆霍兹共鸣器的空腔容积V做直线变量时，共振频率f₀按指数曲线变化。本发明正是利用了V和f₀的变化关系，将被测物体放入空腔4内，使空腔4的容积V发生变化，f₀也随之变化，并且是f₀的变化量取决于放入空腔4内的被测物体体积的大小。例如：音响领域打造倒相式音箱(亥姆霍兹共鸣器)时，有意将音箱的箱体(空腔)做得稍大一点，调整时向箱体内放一些材料(物体)，使其共振频率f₀升高向扬声器Y的固有共振频率f_y靠去，以达在频带曲线上不出现双峰，即频带宽和平滑为止。这说明将被测物体放入亥姆霍兹共鸣器3的空腔4内空积V就减少了，共振频率f₀相应升高了是符合

f_{0} = \frac{C}{2 π} \sqrt{\frac{S}{(L + 0.8) V}}

的。

在亥姆霍兹共鸣器3的空腔4未放入被测物体前的容积是原始容积(下同)V₁，放入被测物体后剩下的容积是V₂，空腔4容积的变量△V_1-2＝V₁-V₂，△V_1-2实际就等于被测物体的体积。原始容积V₁时产生的共振频率是f₁，容积V₂时产生的共振频率是f₂，共振频率的变量△f_2-1＝f₂-f₁，△f_2-1的大小取决于△V_1-2的大小。将△f_2-1分成m等份，并使每一等份刚好等于1个单位的被测物体体积得：△V_1-2＝△f_2-1×m，在电子技术方面，△f_2-1是取样信号，经量化信号m量化后就得出被测物体的体积，即△V_1-2＝△f_2-1×m，这是第一种方法。用共振频率的周期

及

作为取样信号，得

是第二种方法。第一种方法最直接，但用电子技术实现是不可能的，原因是△V_1-2较小时(如：1至2立方厘米)，那f₂比f₁高不了多少很接近。没有这么高品质因数Q值的选频网络将它们区分开来。第二种方法，电子技术方面是可以实现的，但的时间很短(窄)m量化电路的工作频率很高(超过MHz级别)，元件选取要求高，制造成本高，所以，实现有困难。第三种是本发明采用的方法：用

本发明测量不规则物体体积对比静水力学法有如下优点：

一、可以测量任何比重的固体和液体的体积；

二、不需要辅助测量材料，用的是空气做媒质，清洁干净又节省测量成本；

三、测量有小间隙、小孔、小洞的物体，不影响其结果值；

四、操作简单，能做成小型便携式，易于普及使用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的结构分解示意图：顶盖1-主要用来防尘。电子电路板箱2-内置电子电路和电池组E，面板装有显示屏LED I、II、III、IV，电源开键K₁、电源关键K₂、测量键K₃、置“O”键K₄，传输线7连接扬声器Y、传声器MIC。亥姆霍兹共鸣器3-空腔上端周围均匀地布置有8个管道6，中间位置装有扬声器Y、靠一角的位置装有传声器MIC，空腔4一侧装有一个带有紧压机构的门5；

图3是本发明的亥姆霍兹共鸣器3的府视图：有8个管道6均匀地布置在四周围，中间位置装有扬声器Y，靠一角位置装有传声器MIC；

图4是本发明的亥姆霍兹共鸣器3的侧面剖视图：空腔4上端的管道6、扬声器Y、传声器MIC与其相连通，门5关上后通过紧压机构使其紧贴于空腔4的一侧；

图5是本发明的电子电路原理图。

具体实施方式

依上述本发明采用的是第三种方法，即是：

用电子技术进行数据处理的过程分成两步，每步都经过取样、扩展、量化、运算，其过程如下：

如图5所示，第一步：按一下电源开键K₁，接通电源，关紧门5，这时空腔4是原始容积V₁，二进制串行计数器CD4040的Q₁₀端为“1”，按置“0”键K₄一下，由于Q₁₀端接着自身的置“0”端Cr和D型触发器CD4013 I、II的置“0”端R₁、R₂以及十进制加/减计数器MC14510IV、V、VI、VII的置“0”端Cr，所以，这些集成电路都被置“0”，双向模拟开关CD4066III的V_c3端为“1”而被开通，将V_is3端的“0”通过V_os3端送到译码器MC14513 I、II、III、IV的锁存端LE，将锁存的“0000”传给显示屏LED I、II、III、IV显示出来。由于CD4040此时已被置“0”，所以Q₁₀端为“0”，双向模拟开关CD4066 II的V_c2端为“0”而被关断，传声器MIC通过空腔4内的空气做媒质接收到扬声器Y传来的1个电冲击信号，该信号通过量程偏差补偿电路C₄、R₅(下面有说明)、限幅器D₁、D₂、带通(中心频率为170H_z左右)滤波器C₆、R₆、C₇、R₇到运算放大器LM386的输入端3，经放大后又推动扬声器Y，周如复始，便形成自激振荡，这一共振频率f₁经BG₅、R₁₁、C₁₁、R₁₂组成的脉冲限幅放大器放大后，用作为取样脉冲信号送到CD4040进行计数。经过2⁸个脉冲后在CD4040的Q₉端输出“1”到双向模拟开关CD4066I的V_C1端而使其开通，再经过2⁸个脉冲(扩展)后，CD4040的Q₉端变回“0”。这样就在CD4066I的V_c1端得到一个脉冲宽度为

的开通“1”信号，将CD4066I的V_os1端的“0”通过V_is1接到十进制加/减计数器MC14510IV的

(“0”计数，“1”不计数)端，使其设置于计数状态。由R₁₅、R₁₆、R₁₇、R₁₈、R₁₉、R₂₀、2MH_z晶振、BG₃、BG₄组成的量化信号源产生2MH_z的信号经预置数

分频器MC14510 I、II、III组成的预置数是N＝242(下同，请见图5，注意MC14510 I、II、III分频器的预置数端D₁、D₂、D₃、D₄分别与“1”线或“0”线相交处的粗黑点标示；个位数MC14510I的D₁、D₃、D₄为“0”，D₂为“1”这是二进制数的0010，十进制数是2，10位数MC14510II的D₁、D₂、D₄为“0”，D₃为“1”，这是二进制数的0100，十进制数的4，100位数MC14510III的D₁、D₃、D₄为“0”，D₂为“1”，这是二进制数的0010，十进制数是2。所以，N＝1×2+10×4+100×2＝242，该值在实际应用时是可以调整的)分频后就

个量化脉冲信号送到十进制加/减计数器MC14510IV、V、VI、VII的输入端CP，由于MC14510IV的

端设置了

脉宽计数时间，所以，就有

个脉冲信号通过输入端CP送到MC14510IV、V、VI、VII进行的加数(U/D端“0”减计数，“1”加计数，U/D接着D型触发器CD4013I的

端为“1”)运算并将数据寄存。在CD4040的Q₉端变回“0”的同时，Q₁₀端跳为“1”，CD4066II的VC₂是“1”而使其开通，将传声器MIC到运算放大器LM386之间的信号通过V_is2接到V_os2端，因V_Os2端接着“地”也就是将传声器MIC输出信号接“地”短路了，振荡电路停振。D型触发器CD4013I翻转，Q₁端为“1”，

为“0”，MC14510IV、V、VI、VII的U/D端为“0”，将其设置为减数运算。

第二步，打开门5，将被测物体放入空腔4内，这时容积是V₂，关紧门5，按测量键K₃一下，只给CD4040的Cr端“1”而使其置“0”，Q₁₀端变回“0”，CD4066II被关断，电路形成自激振荡，接下去的过程同上述第一步按置“0”键K₄后的电路工作过程大致一样。不同的是：一、此时的共振频率是f₂，所以有

个脉冲作为被减数送到MC14510IV、V、VI、VII与原先寄存的

进行减数运算得：

例如：f₁＝170H_z(200H_z以下的低音无方向性，反射性较弱，本发明是将被测物体放入亥姆霍兹共鸣器3的空腔4内，声波对不同体积和形状的物体有不同的反射效果，对测量结果有影响。因此，本发明的f₁就是设计在170H_z左右)f₂＝173Hz代入上式得：

由于图5所示的电路运算后的结果只能是整数，也就是说，结果不是215就是216个脉冲。并且，本发明的量化信号是

个脉冲，设计每个脉冲刚好等于0.1立方厘米的被测物体的体积(如果这个数不是刚好等于0.1立方厘米，可调整预置数

分频器MC14510I、II、III的预置数N来达到，当然这是一次性调准后就永久固定下来)，所以上式得出的单位是

(二)当CD4040的Q₁₀端从“0”跳为“1”时，D型触发器CD4013I的

端从“0”变回“1”，D型触发器CD4013II的Q₂端从“0”变为“1”，并且通过R₁₃点亮小数点显示屏H，同时接通MC14513IV的自动消隐无效“0”端RBI，并且给双向模拟开关CD4066IV的V_C4端“1”而使其开通，将V_is4的“0”通过V_os4送到译码器MC14513I、II、III、IV的锁存端LE，将运算结果(如上例的结果215或216)传给显示屏LEDI、II、III、IV，显示215或216，由于小数点显示屏已点亮，所以实际显示是：21.5或21.6。

C₄、R₅组成了量程偏差补偿电路，依“V做直线变量时，共振频率f₀按指数曲线变化，”用C₄、R₅产生的曲线刚好与其形成互补关系。负温度系数热敏电阻Rt是温度自动调节电阻器，

上式说明了当温度升高，声速C(温度15℃时空气中的声速是每秒340米，25℃时是每秒346米)增大，X增大，

即减少，也即被测物体体积测量出的值比实际值小，反之温度降低时测量值比实际值大。因此，通过调节量化脉冲的个数，也就是调整

该项数来抵消温度对测量值的影响；当温度升高后，Rt阻值减小，由Rt、Rw、C₁₂、施密特触发器CD4093组成的脉冲延迟电路的延迟时间变小，CD4093输出端接着MC14510I、II、III的置数控制端PE，使量化脉冲信号输出的个数增大，该增大量刚好抵消测量结果的减小量。反之，Rt增大，量化脉冲信号个数减小，就抵消了测量结果的增大量。

K₅是显示寄存数据按键，K₆是灯测试按键，BG₁、BG₂、R₁、R₂组成了电源开关电路，实际是个双稳态电路。

本发明的操作步骤如下：第一步，按一下电源开键K₁，接通电源，关紧门5，如果是测量液体，将一小容器放入空腔4内再关紧门5，按一下置“0”键K₄，这时，显示屏LEDI、II、III、IV显示“0000”。第二步，打开门5，将被测物体放入空腔4内，如果是测量液体将其放入上述的小容器后再一起放入空腔4内，关紧门5，按一下测量键K₃，显示屏LEDI、II、III、IV和小数点显示屏H显示出测量结果，格式是“×××·×”立方厘米，打开门5将被测物体取出，按一下电源关键K₂关断电源，整个测量结束。

本发明的实体样本装置的亥姆霍兹共鸣器3空腔4的原始容积是：10×10×3.6＝360立方厘米，可测1至100立方厘米范围的物体，工作时要求装置离墙壁等垂直的大面积对声波有反射作用的物体50厘米以上，室内容积在20立方米以上，要求在气压较稳定的环境(背风的地方)工作。

另外，申请人或专利权人是本发明人的“空腔共鸣法测量仪”，申请号：200910192793.0，由于“说明书未对发明作出清楚完整的说明”，申请已经被驳回，不请求复审，这次是重新申请，特此说明。

Claims

1.将不规则物体放入亥姆霍兹共鸣器(3)的空腔(4)内测量不规则物体的体积。

2.据权利要求1所述的亥姆霍兹共鸣器(3)，其特征是在空腔(4)的一侧装有一个将被侧物体放入或取出用的带有紧压机构的门(5)，空腔(4)上端四周围均匀地布置有8个(或多个)管道(6)，中间位置装有扬声器Y靠一角的位置装有传声器MIC。

3.据权利要求1所述的测量不规则物体的体积所采用的技术方案其特征是：扬声器Y通过空腔(4)内的空气做媒质将信号传给传声器MIC，经放大电路放大后又推动扬声器Y，从而形成了振荡。空腔(4)未放入被测物体前亥姆霍兹共鸣器(3)产生的共振频率是f₁，空腔(4)放入被测物体后产生的共振频率是f₂，用及

作为取样信号，经扩展2⁸倍后，将其分成m等份，使每一等份刚好等于1个单位的被测物体的体积，即将其用m量化，由于

得：