CN108776238B - 超声波风速仪换能器性能恶化状态检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波风速仪换能器性能恶化状态检测方法，首先，在温度为T的条件下，测量标准换能器的脉冲参数，包括中心频率、脉冲峰值、脉冲上升沿时间和脉冲下降沿时间，分别用fc、p、t_rise和t_fall表示；接着，在相同温度条件下，测量待测换能器的脉冲参数，包括中心频率、脉冲峰值、脉冲上升沿时间和脉冲下降沿时间，分别用fc_test、p_test、t_rise_test和t_fall_test表示；最后，根据判别式进行判定，若待测换能器的脉冲参数满足判别式中的任一一个条件，则判定待测换能器性能恶化，若均不满足时，待测换能器性能良好。所述超声波风速仪换能器性能恶化状态检测方法步骤简单操作简便。

Description

超声波风速仪换能器性能恶化状态检测方法

技术领域

本发明涉及超声波风速仪领域，特别涉及一种超声波风速仪换能器性能恶化状态检测方法。

背景技术

超声波在介质中传播时会产生许多物理、化学及生物等效应，同时因为超声波穿透力强、方向性好、信息携带量大、易于实现快速准确的无损监测，因而在工业、农业、国防、生物医药等方面得到广泛的应用。

超声波换能器是在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或者将声信号转换为电信号的能量转换器件。它是超声设备中的关键器件，其性能的好坏直接关系到超声应用技术的效果和使用范围，因而无论在换能机理还是工艺设计等方面都受到了人们的长期关注。

超声波换能器应用在超声波风速仪里面，超声波风速仪发送的超声信号属于窄带信号，超声信号方向性好、指向性强，超声波换能器具有一定的阻抗特性，工作频率稳定，换能器正常工作时，检测到信号的中心频率是在正常范围之内，使得超声波风速仪的发射功率在一定的条件下，接收的脉冲信号在幅值和脉冲上升沿时间与下降沿时间上具有稳定性。

作为一种能量转换器，超声波换能器的稳定性及其重要，因此需要定期检测其老化性能，目前，没有很好的检测方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种超声波风速仪换能器性能恶化状态检测方法，用于检测超声波风速仪换能器性能恶化状态，监测超声波风速仪换能器的性能状态。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种超声波风速仪换能器性能恶化状态检测方法，首先，在标准换能器温度为T的条件下，测量标准换能器的脉冲参数，包括中心频率、脉冲峰值、脉冲上升沿时间和脉冲下降沿时间，分别用fc、p、t_rise和t_fall表示；接着，在待测换能器相同温度条件下，测量待测换能器的脉冲参数，包括中心频率、脉冲峰值、脉冲上升沿时间和脉冲下降沿时间，分别用fc_test、p_test、t_rise_test和t_fall_test表示；最后，根据判别式进行判定，判别式如下：

|fc_test-fc|<5％×fc

t_rise_test>1.6×t_rise

t_fall_rise>1.6×t_fall

p_test<60％×p；

若待测换能器的脉冲参数满足上述任意一个判别式，判定待测换能器性能恶化，若均不满足时，待测换能器性能良好。

作为优选，待测换能器的脉冲参数的测量方法和标准换能器的脉冲参数的测量方法相同。

作为优选，标准换能器的中心频率fc测量方法如下，根据标准换能器接收信号的频谱图，从频谱图中找出峰值位置，峰值位置处对应的频率幅值，记为v_max，峰值位置处对应的频率值即标准换能器的中心频率fc，根据标准换能器接收信号的包络脉冲图，找出峰值位置，记坐标为(dot_p，v_p)，峰值位置处的对应幅值即为标准换能器的脉冲峰值p，再计算峰值位置处对应幅值的90％处对应的两个坐标，记为(dot_p9_1，v_p9)和(dot_p9_r，v_p9)，以及对应幅值的10％处对应的两个坐标，记为(dot_p2_1，v_p2)和(dot_p2_r，v_p2)，则标准换能器的脉冲上升沿时间t_rise与标准换能器的下降沿时间t_fall分别为：

t_rise＝dot_p2_1-dot_p9_1

t_fall＝dot_p9_r-dot_p2_r。

作为优选，判别式|fc_test-fc|<5％×fc中的标准换能器的中心频率fc采用修正后的标准换能器的中心频率。

作为优选，修正采用重心矫正的方法，具体如下：从标准换能器的频谱图上，找出峰值位置前一个信号点处的频率幅值，记为v1，找出峰值位置后一个信号点处的频率幅值，记为v2，

根据修正公式

其中，fc_modified即为修正后的标准换能器的中心频率，观察待测换能器的中心频率fc_test是否满足判别式：

|fc_test-fc_modified|<5％×fc_modified。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明所述超声波风速仪换能器性能恶化状态检测方法通过分析从待测换能器采集到的信号，提取脉冲关键参数，包括中心频率、脉冲峰值点、脉冲上升沿时间和脉冲下降沿时间，根据判定条件可以判定超声波风速仪换能器的性能恶化状态，所述超声波风速仪换能器性能恶化状态检测方法步骤简单操作简便。超声波风速仪一般放置在与人居住地较偏远的位置，采用所述超声波风速仪换能器性能恶化状态检测方法，先分析信号对超声波风速仪换能器性能恶化状态进行判定，根据需要进行更换换能器，节省了逐个排查的流程，节约了人力物力。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。在附图中：

图1是本发明一具体实施例的标准换能器接收信号的频谱图；

图2是本发明一具体实施例的标准换能器接收信号包络脉冲图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施例。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

一种超声波风速仪换能器性能恶化状态检测方法，首先，在标准换能器温度为T的条件下，测量标准换能器的脉冲参数，包括中心频率、脉冲峰值、脉冲上升沿时间和脉冲下降沿时间，分别用fc、p、t_rise和t_fall表示；接着，在待测换能器相同温度条件下，测量待测换能器的脉冲参数，包括中心频率、脉冲峰值、脉冲上升沿时间和脉冲下降沿时间，分别用fc_test、p_test、t_rise_test和t_fall_test表示；最后，根据判别式进行判定，判别式如下：

|fc_test-fc|<5％×fc

t_rise_test>1.6×t_rise

t_fall_rise>1.6×t_fall

p_test<60％×p；

若待测换能器的脉冲参数满足上述任意一个条件时，可以判定所述待测换能器性能恶化。

仅当同时满足|fc_test-fc|≥5％×fc

t_rise_test≤1.6×t_rise

t_fall_rise≤1.6×t_fall

p_test≥60％×p时，

所述待测换能器性能良好。

标准换能器的脉冲参数的测量方法如下，对标准换能器的接收信号进行随机采样，作出采样的接收信号的频谱图，如图1所示，以及接收信号的包络脉冲图，如图2所示。所述接收信号经过带通滤波器处理，接收信号的采样频率为2MHz。

从频谱图中找出峰值位置，峰值位置处的频率幅值，记为v_max，峰值位置处的频率值即标准换能器的中心频率fc。

从包络脉冲图中找出峰值位置，记坐标为(dot_p，v_p)，峰值位置处的对应幅值即为标准换能器的脉冲峰值p，再计算峰值位置处对应幅值的90％处对应的两个坐标，记为(dot_p9_1，v_p9)和(dot_p9_r，v_p9)，以及对应幅值的10％处对应的两个坐标，记为(dot_p2_1，v_p2)和(dot_p2_r，v_p2)，则标准换能器的脉冲上升沿时间t_rise与标准换能器的下降沿时间t_fall分别为：

t_rise＝dot_p2_1-dot_p9_1

t_fall＝dot_p9_r-dot_p2_r。

设置待测换能器温度同样为T，待测换能器脉冲参数的测量方法与标准换能器脉冲参数的测量方法相同。对待测换能器的接收信号进行随机采样，作出采样的接收信号的频谱图(未图示)和包络脉冲图(未图示)，该接收信号经过带通滤波器处理，接收信号的采样频率为2MHz。

从频谱图中找出峰值位置，峰值位置处的频率值即待测换能器的中心频率fc_test。

从包络脉冲图中找出峰值位置，峰值位置处的对应幅值即待测换能器的脉冲峰值p_test，再计算峰值位置处对应幅值的90％对应的两个点的坐标为：

(dot_p9_1_test，v_p9)和(dot_p9_r_test，v_p9)，以及峰值位置处对应幅值的10％对应的两个点的坐标为：(dot_p2_1_test，v_p2)和(dot_p2_r_test，v_p2)，则待测换能器的脉冲上升沿时间t_rise_test与待测换能器的脉冲下降沿时间t_fall_test分别为：

t_rise_test＝dot_p2_1_test-dot_p9_1_test

t_fall_test＝dot_p9_r_test-dot_p2_r_test。

当待测换能器在同温度下测得的脉冲参数的值满足判别式中任意一个条件时，可以判定该待测换能器性能恶化，如耦合特性下降，该待测换能器需要及时更换。

为了提高精确度，判别式|fc_test-fc|<5％×fc中标准换能器的中心频率fc需要进行修正，具体的，采用重心矫正的方法进行修正，采集频谱图上峰值位置前一个信号点处的频率幅值，记为v1，峰值位置后一个信号点处的频率幅值，记为v2，根据修正公式：

其中，fc_modified即为修正后的标准换能器的中心频率，判别式|fc_test-fc|<5％×fc中，标准换能器的中心频率fc采用修正后的标准换能器的中心频率fc_modified，观察待测换能器的中心频率fc_test是否满足判别式：

|fc_test-fc_modified|<5％×fc_modified。

超声波风速仪广泛应用于电力、钢铁、石化和节能等行业，设置在空旷场地，位置较偏远，远离人居住的地方，针对超声波风速仪换能器性能恶化状态监测，先采集发出的信号分析计算受到换能器性能好坏直接影响的脉冲参数，再根据判别式判定，根据需要进行更换换能器，节省了逐个排查的流程，该方法简单易行，节约了人力物力。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施例和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。

Claims (6)

1.一种超声波风速仪换能器性能恶化状态检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在标准换能器温度为T的条件下，测量标准换能器的脉冲参数，包括中心频率、脉冲峰值、脉冲上升沿时间和脉冲下降沿时间，分别用fc、p、t_rise和t_fall表示；

标准换能器的脉冲峰值p、上升沿时间t_rise和下降沿时间t_fall测量方法如下，根据标准换能器接收信号的包络脉冲图，找出峰值位置，峰值位置处的对应幅值即为标准换能器的脉冲峰值p，并找出峰值位置处对应幅值的90％处对应的两个坐标，记为(dot_p9_1，v_p9)和(dot_p2_1，v_p2)，以及峰值位置处对应幅值的10％处对应的两个坐标，记为(dot_p9_r，v_p9)和(dot_p2_r，v_p2)，则标准换能器的上升沿时间t_rise和标准换能器的下降沿时间t_fall分别为：

t_rise＝dot_p2_1-dot_p9_1

t_fall＝dot_p9_r-dot_p2_r；

(2)在待测换能器相同温度条件下，测量待测换能器的脉冲参数，包括中心频率、脉冲峰值、脉冲上升沿时间和脉冲下降沿时间，分别用fc_test、p_test、t_rise_test和t_fall_test表示；

(3)根据判别式进行判定，判别式如下：

fc_test<±5％×fc

t_rise_test>1.6×t_rise

t_fall_rise>1.6×t_fall

p_test<60％×p，

若待测换能器的脉冲参数中任意一个脉冲参数满足判别式，判定待测换能器性能恶化，若均不满足时，待测换能器性能良好。

2.根据权利要求1所述的超声波风速仪换能器性能恶化状态检测方法，其特征在于，标准换能器的中心频率fc测量方法如下，根据标准换能器接收信号的频谱图，找出峰值位置，峰值位置处对应的频率值即标准换能器的中心频率fc。

3.根据权利要求1所述的超声波风速仪换能器性能恶化状态检测方法，其特征在于，判别式fc_test<±5％×fc中的标准换能器的中心频率fc采用修正后的标准换能器的中心频率。

4.根据权利要求3所述的超声波风速仪换能器性能恶化状态检测方法，其特征在于，采用重心矫正的方法对标准换能器的中心频率fc进行修正。

5.根据权利要求4所述的超声波风速仪换能器性能恶化状态检测方法，其特征在于，重心矫正的方法为采用如下修正公式：

其中，fc_modified即为修正后的标准换能器的中心频率，

v1为标准换能器接收信号的频谱图上峰值位置前一个信号点处的频率幅值，

v2为标准换能器接收信号的频谱图上峰值位置后一个信号点处的频率幅值，

v_max为标准换能器接收信号的频谱图上峰值位置处的频率幅值。

6.根据权利要求1所述的超声波风速仪换能器性能恶化状态检测方法，其特征在于，待测换能器的脉冲参数的测量方法和标准换能器的脉冲参数的测量方法相同。

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