CN110057442A - 液体中将usb线作为传感器进行的低成本声压探测方法 - Google Patents

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陈阳
刘超
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Abstract

本发明公开了一种液体中将USB线作为传感器进行的低成本声压探测方法，所述方法包括以下步骤：USB线四电极电导率传感器固定在超声探头的正下方，用于探测固定点的电导率值；温度传感器放置于对声场干扰较小位置处。将USB线四电极电导率传感器的测量结果和温度传感器的测量结果带入实用盐度计算公式可以计算出该处的盐度值；盐度值和温度测量值带入海水状态方程计算出该处密度值，根据声压与密度的变化规律推算出声压值。本发明的测量装置成本低、对声场侵入小；测量结果灵敏度高、空间分辨率高、响应快。

Description

液体中将USB线作为传感器进行的低成本声压探测方法
技术领域
本发明涉及水下声场探测领域，尤其涉及一种利用电导率、温度、盐度、密度及声压之间的关系，实现声场的低成本探测，改良现有的换能器声场探测方法。
背景技术
声波是一种机械振动状态在介质中传播的现象，它可以在一切弹性介质中传播，其传播与介质本身的性质有关。介质弹性力的作用使得发射器附近的介质由近及远依次振动。介质具有质量，因而有惯性，惯性的作用使得介质的振动依次落后一段时间。通过介质的弹性和惯性作用，介质中相应局部的振动状态或形变就传到另一处去，这就是声波的传播过程。当振动在流体中传播时，形成介质的压缩和伸张交替运动，声波表现为压缩波的形式传播，即纵波。介质中振动的传播过程会有时间滞后，即声波在介质中传播还有一定速度，称之为声波的传播速度，简称声速。在介质中，声波所涉及的区域统称为声场。介质压强的变化量称为声压。介质中有声场时的压强与没有声场时的压强之差即为声压。由于声压的测量比较容易实现，通过声压的测量也可以间接求得质点速度等其它物理量，所以声学中常用声压来描述声波。
超声广泛应用于医学、军事、工业、农业等领域。例如，在海洋中，超声由于在水中衰减弱，适合作为水里的传播信号，可用于探测潜艇位置、海底暗礁、鱼群，测定海洋深度并绘制海底地形图等。那么，对超声声压的精确测量显得尤为重要。
将声信号转换成电信号的换能器，用来接收水中的声信号，称为接收换能器，也常称为水听器。水听器广泛用于水中通信、探洲、目标定位、跟踪等，是声纳的重要部件，水下的探测、识别、通信，以及海洋环境监测和海洋资源的开发，都离不开水声换能器。水听器探头由压电材料制成，当声波打击到压电材料上时，压电材料同样产生压力，并随着压力的变化产生相应的电压。但是利用水听器进行声电转换，转换时间较长，并且依赖于机械振动，分辨能力受限。另外，水听器本身具有一定的体积，在测量声场时会对声场产生不可忽略的干扰。
发明内容
本发明提供了一种液体中将USB线作为传感器进行的低成本声压探测方法，本发明基于在声压作用下介质中波动的特性及产生的机理，结合电导率、温度、盐度、密度之间的关系，实现对导电液体中声压的低成本探测，详见下文描述：
一种液体中将USB线作为传感器进行的低成本声压探测方法，所述方法包括以下步骤：
USB线四电极电导率传感器固定在超声探头的正下方，用于探测固定点的电导率值；吸声介质放置于恒温水槽底部，用于吸收由超声探头在恒温水槽中激发出的声波；
将USB线四电极电导率传感器的测量结果和温度传感器的测量结果带入实用盐度计算公式可以计算出该处的盐度值；
盐度值和温度测量值带入海水状态方程计算出该处密度值，根据声压与密度的变化规律推算出声压值。
进一步地，所述USB线四电极电导率传感器将微型USB端的四个针脚作为电极，四个针脚连接线缆作为测量信号传输线；靠外的两根针脚作为电流激励电极，中间的两个针脚作为电压测量电极；使用高频交流电流源作为激励信号；
所述电压测量电极及其中间导电液体构成电导池，所述电导池等效为电阻和电容串并联构成的电路模型。。
具体实现时，所述USB线四电极电导率传感器的四个电极与地面保持水平，调整超声探头使其发出的声波垂直穿过电极。
具体实现时，根据超声探头的中心频率，设置信号发生器激发脉冲信号的频率和幅值，调节功率放大器的增益，使其输出电压在超声探头的工作电压范围内，即可得到稳定的超声声场。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、本发明的主要探测装置为USB线四电极电导率传感器，其直接利用微型USB端的四个针脚作为电极，四个针脚连接线缆作为测量信号传输线。每根USB数据线价格为几十元，配套硬件部分的电路价格也不高，故所使用的测量装备成本低。
2、本发明中使用的USB线四电极电导率传感器能够捕捉液体中由声压引起的微小电导率变化量，故测量结果灵敏度高；由于USB线四电极电导率传感器的两个电压测量电极的间距短，能够实现亚毫米级别的空间测量，达到较高的空间分辨率。
3、本发明是通过电导率的测量结果对声压值进行推算，而电导率测量结果是由电极间的液体中电荷的流动能力直接决定的。本发明的声压探测，无需依赖传统的压电效应，即没有机械振动过程，故声压测量响应快。
4、本发明USB线四电极电导率传感器微型USB端的四个针脚体积小，对待测声场的干扰小，故定点处声压的测量结果准确。
附图说明
图1为本发明提供的一种液体中将USB线作为传感器进行的低成本声压探测方法的实验装置图；
图2为本发明所提供的一种液体中将USB线作为传感器进行的低成本声压探测方法的流程图；
图3为介质中波动的特性及产生的机理示意图；
图4(a)为USB线四电极电导率传感器电压测量电极及其中间导电液体构成的电导池等效电路图；
图4(b)为简化的等效电路图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
101：超声探头； 102：恒温水槽；
103：USB线四电极电导率传感器； 104：温度传感器；
105：吸声介质； 106：功率放大器；
107：信号发生器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
由介质中波动的特性及产生机理可知声压能够引起介质密度的变化，具体用声波的三个基本方程来表示声压与密度的变化规律。密度这一物理量不容易用直接测量方法得到，一般可通过盐度和温度计算出来，而盐度又可通过电导率和温度这两个物理量计算得到。于是本发明实施例通过将这些物理量带入相应的计算公式可以实现对声压的低成本探测。
一种液体中将USB线作为传感器进行的低成本声压探测方法，参见图1-图4，该方法包括以下步骤：
首先，参见图1，该探测方法中使用到的检测装置包括：超声探头101、恒温水槽102、USB线四电极电导率传感器103、温度传感器104、吸声介质105、功率放大器106以及信号发生器107等。
由于本方法需要进行电导率的测量，故恒温水槽102中充满导电液体，如海水、盐水等。使用恒温水槽102可将槽内液体各点温度保持一致，消除液体温度波动带来的干扰。吸声介质105放置于恒温水槽102的底部，用于吸收由超声探头101激发出的声波。
超声探头101与功率放大器106相连，功率放大器106与信号发生器107相连。根据超声探头101的中心频率，设置信号发生器107激发脉冲信号的频率和幅值，调节功率放大器106的增益，使其输出电压在超声探头101的工作电压范围内。打开信号发生器107和功率放大器106驱动超声探头101，即可在恒温水槽102产生稳定的超声声场。
将USB线四电极电导率传感器103固定于超声探头101的正下方，用于探测固定点处的电导率值。USB线四电极电导率传感器103的四个电极与地面保持水平，调整超声探头101使其发出的声波垂直穿过电极。
恒温水槽101中盛有导电液体，声波引起液体固定点处密度的变化，即表现为该处电导率的变化。USB线四电极电导率传感器103是将微型USB端的四个针脚作为电导率传感器的电极，这四个针脚后面连接的线缆作为测量信号传输线，其中靠外的两根针脚作为电流激励电极，中间的两个针脚作为电压测量电极。
电压测量电极及其中间导电液体构成电导池，电导池在测量中表现为一个复杂的电化学系统。为了降低极化效应带来的测量偏差，同时保护电极，需要使用高频交流激励源。由此，电导池可等效为电阻和电容串并联构成的电路模型。
其中，电导池导电的通路可以用图4(a)所示的等效电路来表示。图中R1、R2为引线电阻，C1、C2是电极的双电层电容，CP是电极引线的分布电容，R为两电极间溶液的电阻(电导的倒数)。当有极化反应发生时，Z1、Z2相当于两电极上的法拉第阻抗。
其中，为方便分析，在交流激励源下，认为消除极化效应。引线电阻和电解质电容很小，可以忽略。则可以得到合理而简化的电导池等效电路，如图4(b)所示。图中CX表示双层电容，CP表示引线分布电容。通常情况下，CX＞＞CP。
将USB线的四个针脚所连的接线接至电化学工作站对应的夹具上，进行相应的设置，可得到待测电导池的阻抗谱。对不同电导率已知溶液对应的阻抗谱进行分析，可以得到最优激励频率值和电路模型中的电容值，经计算，双层电容和引线分布电容分别为10-6和10-10量级。将电导值和已知的电导率值一一对应，可得到电极常数K。
激励电流值除以测量电压值可得到电极间电导值，再将此电导值乘以电极常数，即可得到电导率值。用公式表示为：
σ＝K×G
其中，i为激励电流值，u为测量电压值，G为电导值，σ为电导率值，K为电极常数。
温度传感器104放置于对声场干扰较小位置处，用于测量恒温水槽101中液体的温度t。
将USB线四电极电导率传感器103测量的结果σ、和温度传感器104的测量结果t带入实用盐度计算公式可以计算出该处的盐度值。实用盐度S的计算公式为：
其中，K15是在“一个标准大气压力”下，温度15℃时，海水样品的电导率σ与标准KCl(氯化钾)溶液的电导率σ标之比。Rt为在任意温度t的条件下测定电导率比。
式中，a0＝0.0080，a1＝-0.1692，a2＝25.3851，a3＝14.0941，a4＝-7.0261，a5＝2.7081；b0＝0.0005，b1＝-0.0056，b2＝-0.0066，b3＝-0.0375，b4＝0.0636，b5＝-0.0144；H＝0.0162；适用范围为2≤S≤42。
将计算所得到的盐度值S和温度传感器测量结果t带入“一个大气压国际海水状态方程”，即可得到密度值。在“一个标准大气压”(海压为0)下，海水密度ρ(S,t,0)与实用盐度S和温度t(℃)的关系式为：
ρ(S,t,0)＝ρw+AS+BS3/2+CS2
式中，A＝8.24493×10-1-4.0899×10-3t+7.6438×10-5t2-8.2467×10-7t3+5.3875×10-9t4
B＝-5.72466×10-3+1.0227×10-4t-1.6546×10-6t2
C＝4.8314×10-4
ρw＝999.842594+6.793952×10-2t-9.095290×10-3t2+1.001685×10-4t3-1.120083×10-6t4+6.536332×10-9t5
此式的适用范围是：温度-2～40℃，实用盐度0～42。
当声场存在时，声波激起液体的振动，可引起液体固定点处密度的变化。根据声压与密度的变化规律可以推算出声压值。
因为此发明中针对固定点声压和密度的关系进行分析，故选用Euler方法。Euler方法是在流体介质中建立固定的空间坐标系(x,y,z)。对于空间的物理场ξ，无论体积元流动方向如何，当它在t时刻经过空间某坐标(x,y,z)时，该体积元即具有场ξ(x,y,z,t)。通常在Euler坐标系中进行声学基本方程的推导。
仅考虑一维声波，质点振动和声波传播在同一方向，取为x方向。在与其垂直的方向，y方向和z方向，质点运动相同。这就是平面波，波阵面(位相相同的质点面)是平面。声波在介质中传播的三个基本方程分别为连续性方程、运动方程和状态(物态)方程，即：
其中，ρ为密度，t为时间，x为介质质点位移量，u为质点振速，p为声压，c为声速。此时便可计算出固定位置处的声压值。
经分析，由实验得到的最基本物理量是由USB线四电极电导率传感器103测量得到的电导率值和由温度传感器测量得到的温度值。在电导率测量值和温度测量值基础上，利用公式进行一系列的计算，最终得到声压值，这是一种间接测量声压的新方法。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种液体中将USB线作为传感器进行的低成本声压探测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
USB线四电极电导率传感器固定在超声探头的正下方，用于探测固定点的电导率值；温度传感器放置于对声场干扰较小位置处；
将USB线四电极电导率传感器的测量结果和温度传感器的测量结果带入实用盐度计算公式可以计算出该处的盐度值；
盐度值和温度测量值带入海水状态方程计算出该处密度值，再根据声压与密度的变化规律推算出声压值。
2.根据权利要求1所述的一种液体中将USB线作为传感器进行的低成本声压探测方法，其特征在于，
所述USB线四电极电导率传感器将微型USB端的四个针脚作为电极，四个针脚连接线缆作为测量信号传输线；
靠外的两根针脚作为电流激励电极，中间的两个针脚作为电压测量电极；
使用高频交流电流源作为激励信号；
所述电压测量电极及其中间导电液体构成电导池，所述电导池等效为电阻和电容串并联构成的电路模型。
3.根据权利要求1所述的一种液体中将USB线作为传感器进行的低成本声压探测方法，其特征在于，
所述USB线四电极电导率传感器的四个电极与地面保持水平，调整超声探头使其发出的声波垂直穿过电极。
4.根据权利要求1所述的一种液体中将USB线作为传感器进行的低成本声压探测方法，其特征在于，
根据超声探头的中心频率，设置信号发生器激发脉冲信号的频率和幅值，调节功率放大器的增益，使其输出电压在超声探头的工作电压范围内，即可得到稳定的超声声场。
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