CN109297580A - 一种测量超声波速度的装置及方法 - Google Patents

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翁存程
冯尚源
何友武
章小曼
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Abstract

本发明公开一种测量超声波速度的装置及方法，装置包括功率信号源以及分别与功率信号源连接的数字示波器和两个超声换能器，两个超声换能器正对着且共轴设置，功率信号源输出的电信号激发一个超声换能器产生超声波，且该电信号被示波器读取并被设置为参考信号；另一个超声换能器接收超声波，并输入到功率信号源，经功率信号源放大后由示波器读取。本发明可准确、快速测量超声波的速度。

Description

一种测量超声波速度的装置及方法
技术领域
本发明涉及超声测试领域，尤其涉及一种测量超声波速度的装置及方法。
背景技术
超声波在媒质中的传播速度与媒质的成分、温度、密度、力学性质、浓度等因素有关。通过测量超声波在媒质中的速度，可以确定媒质的一些特性及其变化，如测量氯气的浓度、蔗糖的浓度、氯丁橡胶乳液的比重、监测水温等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测量超声波速度的装置及方法。
本发明采用的技术方案是：
一种测量超声波速度的装置，其包括功率信号源以及分别与功率信号源连接的数字示波器和两个超声换能器，两个超声换能器正对着且共轴设置，功率信号源输出的电信号激发一个超声换能器产生超声波，且该电信号被示波器读取并被设置为参考信号；另一个超声换能器接收超声波，并输入到功率信号源，经功率信号源放大后由示波器读取。
进一步地，两个超声换能器均固定在钢架上。
进一步地，所述功率信号源与数字示波器通过高频线相连；超声换能器与功率信号源通过高频线相连。
一种测量超声波速度的方法，采用了所述的一种测量超声波速度的装置，方法包括以下步骤：
步骤1，将两个超声换能器共轴且间距l米设置，
步骤2，功率信号源输出的电信号激发其中一个超声换能器产生超声波，且该激发电信号被示波器读取并被设置为参考信号；
步骤3，另一个超声换能器接收超声波并输入到功率信号源，再经功率信号源放大后由示波器读取并与参考信号一同显示；
步骤4，调节激发其中一个超声换能器的电信号的频率，直到参考信号和放大信号两个电信号重叠，获取此时激发其中一个超声换能器的电信号的频率f1；
步骤5，继续调大激发其中一个超声换能器的电信号的频率，直到参考信号和放大信号两个电信号再次重叠，获取此时激发其中一个超声换能器的电信号的频率f2；
步骤6，计算获取超声波的速度v，计算公式如下：
v＝l(f2-f1) (7)
其中，v为超声波的速度，l为两个超声换能器的间隔距离，f1为第一次重叠时激发其中一个超声换能器的电信号的频率，f2为再次重叠时激发其中一个超声换能器的电信号的频率。
进一步地，步骤4中，参考信号和放大信号的相位差等于整数倍超声波长且满足如下关系式:
其中，n为一正整数。
进一步地，步骤5中，参考信号和放大信号的相位差也等于整数倍超声波长且满足如下关系式:
其中，n为一正整数。
本发明采用以上技术方案，可以测量液体、气体的超声速。只要将此装置的两个超声换能器浸入液体、气体中即可测量。本发明可准确、快速测量超声波的速度。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明；
图1为本发明一种测量超声波速度的装置的结构示意图；
图2为本发明一种测量超声波速度的方法的示波器显示波形示意图。
具体实施方式
如图1或2所示，本发明一种测量超声波速度的装置，其包括功率信号源1以及分别与功率信号源1连接的数字示波器2和两个超声换能器3，两个超声换能器3正对着且共轴设置，功率信号源1输出的电信号激发其中一个超声换能器3产生超声波，且该电信号被示波器读取并被设置为参考信号；另一个超声换能器3接收超声波，并输入到功率信号源1，经功率信号源1放大后由示波器读取。
进一步地，两个超声换能器3均固定在钢架4上。
进一步地，所述功率信号源1与数字示波器2通过高频线相连；超声换能器3与功率信号源1通过高频线相连。
本发明还公开了一种测量超声波速度的方法，采用了所述的一种测量超声波速度的装置，方法包括以下步骤：
步骤1，将两个超声换能器3共轴且间距l米设置，
步骤2，功率信号源1输出的电信号激发其中一个超声换能器3产生超声波，且该激发电信号被示波器读取并被设置为参考信号；
步骤3，另一个超声换能器3接收超声波并输入到功率信号源1，再经功率信号源1放大后由示波器读取并与参考信号一同显示；
具体地，如图2所示示波器的波形显示示意图，其中波形a为其中一个激发超声换能器3A1的电信号，波形b为经功率信号源1放大后的电信号。
步骤4，调节激发其中一个超声换能器3的电信号的频率，直到参考信号和放大信号两个电信号重叠，获取此时激发其中一个超声换能器3的电信号的频率f1；
步骤5，继续调大激发其中一个超声换能器3的电信号的频率，直到参考信号和放大信号两个电信号再次重叠，获取此时激发其中一个超声换能器3的电信号的频率f2；
步骤6，计算获取超声波的速度v，计算公式如下：
v＝l(f2-f1) (7)
其中，v为超声波的速度，l为两个超声换能器3的间隔距离，f1为第一次重叠时激发其中一个超声换能器3的电信号的频率，f2为再次重叠时激发其中一个超声换能器3的电信号的频率。
进一步地，步骤4中，参考信号和放大信号的相位差等于整数倍超声波长且满足如下关系式:
其中，n为一正整数。
进一步地，步骤5中，参考信号和放大信号的相位差也等于整数倍超声波长且满足如下关系式:
其中，n为一正整数。
下面就本发明的具体原理作如下说明：
如图1所示，测量超声波速度的装置，功率信号源1输出的电信号激发其中一个超声换能器3A1产生超声波，该激发电信号被示波器读取并被设置为参考信号。超声波被另一个超声换能器3A2接收后输入到功率信号源1，经功率信号源1放大后也由示波器读取。两个超声换能器3共轴，间距为l米。其中一个激发超声换能器3A1的电信号与由其中一个超声换能器3A1产生的超声波同步即等相位，仅仅振幅不同，因此可以分别写为：
E1＝A1sin(2πft) (1)
E2＝A2sin(2πft) (2)
其中，E1和A1分别为激发超声换能器3A1的电场及其振幅；E2和A2分别为由超声换能器3A1产生的超声波的声场及其振幅；f为超声波的频率。
超声换能器3A2接收到的超声波的声场为E3，经功率信号源1放大后的电信号为E4，且满足如下关系：
其中，A3为超声换能器3A2接收到的超声波的振幅；A4为经功率信号源1放大后的电信号的振幅；v为超声波在介质中的速度。
根据式2和式4，其中一个激发超声换能器3A1的电信号与经功率信号源1放大后的电信号的位相差为2πfl/v。
进一步地，本发明通过调节激发其中一个超声换能器3A1的电信号的频率来测量超声波的速度。
如图2所示的示波器显示波形示意图，其中波形a为其中一个激发超声换能器3A1的电信号，波形b为经功率信号源1放大后的电信号。
本发明进一步调节其中一个激发超声换能器3A1的电信号的频率，直到如图2所示的示波器中的两电信号波形重叠，那么两信号的相位差等于整数倍超声波长且满足如下关系式:
其中，n为一正整数。
接着继续调大激发其中一个超声换能器3A1的电信号的频率，直到两电信号再次重叠，此时两信号的相位差也等于整数倍超声波长且满足如下关系式:
根据式5和式6，可得：
v＝l(f2-f1) (7).
从式7可知，只要测量l、f1、f2的值，就可计算得到超声波的速度。
本发明采用以上技术方案，可以测量液体、气体的超声速。只要将此装置的两个超声换能器3浸入液体、气体中即可测量。本发明可准确、快速测量超声波的速度。

Claims (6)

1.一种测量超声波速度的装置，其特征在于：其包括功率信号源以及分别与功率信号源连接的数字示波器和两个超声换能器，两个超声换能器正对着且共轴设置，功率信号源输出的电信号激发一个超声换能器产生超声波，且该电信号被示波器读取并被设置为参考信号；另一个超声换能器接收超声波，并输入到功率信号源，经功率信号源放大后由示波器读取。
2.根据权利要求1所述的一种测量超声波速度的装置，其特征在于：所述两个超声换能器均固定在钢架上。
3.根据权利要求1所述的一种测量超声波速度的装置，其特征在于：所述功率信号源与数字示波器通过高频线相连；超声换能器与功率信号源通过高频线相连。
4.一种测量超声波速度的方法，采用了权利要求1-3之一所述的一种测量超声波速度的装置，方法包括以下步骤：
步骤1，将两个超声换能器共轴且间距l米设置，
步骤2，功率信号源输出的电信号激发其中一个超声换能器产生超声波，且该激发电信号被示波器读取并被设置为参考信号；
步骤3，另一个超声换能器接收超声波并输入到功率信号源，再经功率信号源放大后由示波器读取并与参考信号一同显示；
步骤4，调节激发其中一个超声换能器的电信号的频率，直到参考信号和放大信号两个电信号重叠，获取此时激发其中一个超声换能器的电信号的频率f1；
步骤5，继续调大激发其中一个超声换能器的电信号的频率，直到参考信号和放大信号两个电信号再次重叠，获取此时激发其中一个超声换能器的电信号的频率f2；
步骤6，计算获取超声波的速度v，计算公式如下：
v＝l(f2-f1) (7)
其中，v为超声波的速度，l为两个超声换能器的间隔距离，f1为第一次重叠时激发其中一个超声换能器的电信号的频率，f2为再次重叠时激发其中一个超声换能器的电信号的频率。
5.根据权利要求4所述的一种测量超声波速度的方法，其特征在于：步骤4中，参考信号和放大信号的相位差等于整数倍超声波长且满足如下关系式:
其中，n为一正整数。
6.根据权利要求5所述的一种测量超声波速度的方法，其特征在于：步骤5中，参考信号和放大信号的相位差也等于整数倍超声波长且满足如下关系式:
其中，n为一正整数。
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