CN113406413B - 一种换能器特性检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种换能器特性检测装置及其检测方法，测试盒侧壁上设换能器固定孔；检测组件包括控制器、激发接收电路、阻抗分析器、切换开关、数据采集器；控制器分别与激发接收电路、阻抗分析器和切换开关电性连接，激发接收电路和阻抗分析器分别与切换开关一端电连接，切换开关另一端与换能器电性连接；数据采集器分别与激发接收电路和阻抗分析器电性连接。检测装置将用于换能器信号幅值特性检测与阻抗特性检测的装置合并，并通过保持温控箱内检测环境的温度稳定，使得阻抗特性检测和信号幅值特性检测的环境温度保持一致，使检测获得阻抗特性结果更准确地反映信号幅值特性检测中换能器的特性，有利于对换能器工作性能的评价。

Description

一种换能器特性检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及一种换能器检测装置，尤其是涉及一种对换能器进行信号幅值特性和阻抗特性检测的换能器特性检测装置及检测方法。

背景技术

换能器是一种能够将电能和声能相互转换的器件，广泛应用于工业、国防等不同行业领域。换能器的工作性能与声波传播介质密切相关。例如在对射时间差式超声波流量计中，在被测流体介质中设置一对换能器对向发射或接收超声波，由于超声波在介质中顺流和逆流传播时会因介质流动而加快或减慢，加快或减慢的幅度与介质流动的速率有关，因此测量顺流和逆流传播的时间差可以计算出介质的流动速率。为确保超声波流量计的计量准确，需要检测换能器的信号幅值特性和阻抗特性等工作特性。

换能器的信号幅值特性是指换能器所产生的有效信号的波形和信噪比等特性，阻抗特性是指换能器的电学阻抗特性。因为换能器功能材料的工作特性受到温度等环境条件的影响，因此需要检测换能器在适用范围内不同温度下的信号幅值特性和阻抗特性；另一方面，声波传播介质的温度和压力会影响其密度和声波传播速率，会间接影响换能器的信号幅值特性，控制环境温度和压力稳定对于换能器工作特性的检测十分重要。换能器工作时，其信号幅值特性和阻抗特性同时对其工作性能产生影响，期望在信号幅值特性和阻抗特性检测中采用相同的环境温度和压力条件，以便更准确地评价换能器的工作性能。

在换能器的信号幅值特性检测方面，现有技术一般针对单个换能器进行检测，检测其将电信号转换为声波信号或者将声波信号转换为电信号的信号幅值特性。但是对于对射式超声流量计应用场景，成对设置的换能器一次完整的信号传递转化过程包括换能器发射超声波环节和接收超声波并转换为电信号这两个环节，两个环节综合形成的信号幅值特性对于流量计的信号质量和计量准确性更为重要。现有的针对单个换能器的信号幅值检测方案无法反映成对换能器的阻抗匹配特性等因素在声波对射过程中信号幅值特性的影响，可能出现单射式检测反映换能器性能良好而对射式使用时性能劣化的情况。

现有的换能器检测设备通常是单功能设计的，需要采用多套检测设备以完成多种特性的检测，换能器需要不断在不同特性检测设备上重复拆装来完成换能器不同特性的检测，所需总耗时周期长、检测效率低，并且不便于保持各项检测过程中的环境条件不变。

发明内容

本发明为解决现有换能器的特性检测过程中，存在着检测设备的检测功能单一，由于换能器需要不断在不同特性检测设备上重复拆装，导致检测效率低、不便控制检测过程的温度和压力等环境条件等现状而提供的一种换能器特性检测装置及其方法，可将换能器信号幅值特性检测与阻抗特性检测结合，避免两个检测过程之间需要进行装拆测试，可以使阻抗特性检测和信号幅值特性检测的环境条件保持一致，使检测结果更准确地反映换能器的工作性能。

本发明为解决上述技术问题所采用的具体技术方案为：一种换能器特性检测装置，其特征在于：包括测试盒、温控箱和检测组件，测试盒置于温控箱内，测试盒侧壁上设置用于固定换能器的固定孔；检测组件包括控制器、激发接收电路、阻抗分析器、切换开关、数据采集器；控制器分别与激发接收电路、阻抗分析器和切换开关电性连接，激发接收电路和阻抗分析器分别与切换开关的一端电性连接，切换开关的另一端与换能器电性连接，切换开关用于控制激发接收电路或阻抗分析器是否与换能器连接；数据采集器分别与激发接收电路和阻抗分析器电性连接，用于采集激发接收电路与阻抗分析器的测量数据。实现不操作温控箱的前提下切换换能器的信号幅值特性检测和阻抗特性检测功能，以及多换能器的依次检测；保持整个检测过程中的环境温度和压力稳定，减小因环境条件改变造成换能器工作特性改变而导致的检测误差，提高换能器工作特性检测的精度和有效性。

作为优选，所述测试盒侧壁合围形成测试腔，侧壁上设置气孔，气孔连通测试盒内的测试腔与温控箱内腔体。减小温控箱内的气流对测试盒内超声波传播的影响；平抑温度波动带来的测试腔内压力改变，减小压力改变对超声波传播的影响；提高换能器工作特性检测的精度。

作为优选，所述的气孔直径在1mm～5mm范围内。减小经气孔流动的气流对超声波传播的影响；提高换能器工作特性检测的精度。

作为优选，用于固定换能器的所述固定孔同轴心地成对分布于测试盒的对侧壁面上；进行换能器信号幅值特性检测时，换能器成对地安装于测试盒对侧壁面上的对应固定孔。实现对射式换能器信号幅值特性检测，使换能器对的匹配特性被纳入检测评价范围，提高换能器信号幅值特性检测的有效性。

作为优选，所述的切换开关由两个切换子开关组成，每个切换子开关由一个双向开关和多个单向开关组成，双向开关的双接点一端分别与激发接收电路和阻抗分析器电性连接，双向开关单接点一端与多个并联的单向开关电性连接，单向开关的另一端用于与换能器连接。实现自动化的检测功能切换和被测换能器切换，有利于保持检测环境条件稳定，提高换能器工作特性检测的精度和有效性，提高检测效率。

作为优选，所述双向开关和单向开关是信号继电器。保证断开开关时没有漏电流，避免产生噪声电信号或者不期望地激发换能器产生噪声声波干扰检测，提高换能器工作特性检测的精度。

作为优选，所述测试盒包括压紧件，压紧件通过磁性吸引将换能器压紧固定于所述固定孔内。提高换能器装拆的便利性，提高换能器批量检测的工作效率。

一种换能器特性检测方法，包括如下检测步骤：

A1.将待检测的换能器成对安装于测试盒上的固定孔；

A2.将安装有换能器的测试盒置于温控箱内；

A3.设定温控箱温度，待温控箱内温度达到设定值并保持稳定后，进行信号幅值特性检测，或进行阻抗特性检测，信号幅值特性检测和阻抗特性检测的执行先后顺序可任意调换；

A4.执行信号幅值特性检测，通过控制器控制切换开关，使激发接收电路与成对安装的一对换能器电性连接；一次信号幅值特性检测过程包括至少一次正向激发检测过程和至少一次反向激发检测过程；激发接收电路在控制器的控制下，驱动一侧的换能器发射声波信号，相对一侧的换能器接收声波信号并将其转化为电信号，随后由激发接收电路和数据采集器采集电信号的幅值特性信息，完成一次正向激发过程检测；然后，激发接收电路驱动另一侧的换能器发射声波信号，相对一侧的换能器接收声波信号并将其转化为电信号，随后由激发接收电路和数据采集器采集电信号的幅值特性信息，完成一次反向激发过程检测；

A5.保持温控箱温度不变，执行阻抗特性检测，通过控制器控制切换开关使阻抗分析器与测试盒中的任意一个换能器电性连接；阻抗分析器测量换能器的阻抗特性，随后由数据采集器采集阻抗特性信息。

作为优选，还可以在执行A1～A5步骤之后执行下述B1步骤实现多组换能器的批量检测：

B1.执行完一对换能器的信号幅值特性检测后，保持温控箱内温度不变，控制器控制切换开关，使下一对换能器与激发接收电路电性连接，对其进行信号幅值特性检测检测；执行完一对换能器的阻抗特性检测后，保持温控箱内温度不变，控制器控制切换开关，使下一个换能器与阻抗分析器电性连接，对其进行阻抗特性检测

作为优选，还可以在执行A1～A5步骤之后执行下述C1步骤实现多温度条件下的换能器工作特性检测：

C1.执行完对温控箱内所有换能器的信号幅值特性检测和/或阻抗特性检测后，调节温控箱温度至另一设定值，待温控箱内温度稳定后，依次对温控箱内所有换能器进行信号幅值特性检测和/或阻抗特性检测。

本发明的有益效果是：

本发明设计了一种换能器特性检测装置及检测方法，在一个温控箱中完成换能器的信号幅值特性检测和阻抗特性检测功能，减少换能器检测中的装拆操作，提高工作效率；能够保持不同检测功能和不同换能器检测时检测环境温度和压力条件稳定，减小温度调节变化对检测过程引入的误差，能够更准确地对应和评价一定温度下换能器的信号幅值特性和阻抗特性，提高换能器工作特性检测的有效性；换能器安装于测试盒上，测试盒相对密闭但开有气孔，可以减小温控箱中气流对超声波传播的干扰，抑制温度波动造成测试腔中压力的变化，提高换能器的检测精度；换能器的信号幅值特性检测采用对射式检测方案，可以在检测结果中纳入两个成对换能器的匹配特性，提高换能器信号幅值特性检测的有效性；使用切换开关完成检测功能切换和被测换能器的切换，提高检测效率，避免切换过程中破坏环境条件，提高检测精度；切换开关采用信号继电器，消除开关切断时的漏电流，有利于减少检测中的干扰信号，提高检测精度。

附图说明：

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

图1是本发明换能器特性检测装置的简化结构示意图。

图2是本发明换能器特性检测装置中测试盒、换能器和压紧件间的装配结构示意图。

图3是本发明换能器特性检测装置的换能器成对对射安装结构示意图。

图4是本发明换能器特性检测装置的检测装置电路原理结构示意图。

具体实施方式

实施例1：

图1、图2、图3、图4所示的实施例中，换能器特性检测装置，包括温控箱1、测试盒2和检测组件。温控箱1可以设定其内部腔体的温度并维持温度稳定。测试盒2置于温控箱1的内部腔体中，测试盒2内部设有测试腔20，测试盒2的侧壁上分布设有若干个用于安装被测换能器的固定孔5。检测组件包括控制器91、激发接收电路92、阻抗分析器93、切换开关90、数据采集器95；控制器91分别与激发接收电路92、阻抗分析器93和切换开关90电性连接，激发接收电路91和阻抗分析器93分别与切换开关90的一端电性连接，切换开关90 的另一端与换能器3电性连接，切换开关90用于控制激发接收电路92或阻抗分析器93是否与换能器3连接；数据采集器95分别与激发接收电路92和阻抗分析器93电性连接，用于采集激发接收电路92与阻抗分析器93的测量数据。

对换能器进行工作特性检测时，将换能器3安装于测试盒2上，测试盒2置于温控箱1中；设定温控箱1的温度，经一定时间后，温控箱1内部的环境气体以及测试盒2被调节至设定温度并维持稳定，环境气体温度稳定后也使得环境气体压力稳定。使用控制器91操作切换开关90，使激发接收电路92与换能器3电性连接，断开阻抗分析器93与换能器3的电信连接，进行换能器的信号幅值特性检测，检测数据由数据采集器95收集。激发接收电路 92能够产生激发电信号，驱动换能器发射超声波，也可以采集超声波经换能器转换成的电信号。完成信号幅值特性检测后，保持温控箱的温度不变，使用控制器91操作切换开关90，使阻抗分析器93与换能器3电性连接，断开激发接收电路92与换能器3的电信连接，进行换能器的阻抗特性检测，检测数据由数据采集器95收集。阻抗分析器93可以向换能器3发送不同频率的激发电信号，根据接收到的响应电信号评价换能器3的阻抗特性。

在换能器的信号幅值特性检测和阻抗特性检测过程中，不操作温控箱1，保持温控箱 1内部以及测试盒2的环境条件稳定，可以最大程度地减小环境条件改变对换能器信号幅值特性和阻抗特性检测带来的误差。由于在两个检测过程之间不需要拆装换能器，提高了换能器的检测效率。

温控箱1内的气体可能因为不同位置的温度差而发生对流，有的温控箱会主动驱动气体对流以加快调温速率。为了避免环境气流对超声波传播产生影响，测试盒2设置为相对密闭的盒状结构，测试盒2的侧壁合围形成内部的测试腔20，除用于安装换能器的固定孔5之外，测试盒2的侧壁基本密闭。但测试盒2的侧壁完全密闭会造成测试腔20的压力不可控，由于测试腔20内的气体无法与腔外气体交换，当测试腔20内气体温度变化后，测试腔20内的压力将发生改变。为了平抑温度变化造成测试腔20内压力相对测试腔20外压力的差异，在测试盒2的侧壁上开设气孔7，连通测试腔20与测试盒外的环境气体。当测试腔20内气体的温度升高或降低后，气体将通过气孔7排出或进入测试腔20，以维持测试腔20内的压力与环境气体压力相同。考虑气流的影响，不宜设置气孔的孔径过大；考虑换气阻力和气流流速过高引起的冲击等影响，不宜设置气孔的孔径过小；优选地，设置气孔7的直径在 1mm～5mm范围内。

为了更有效地评价换能器在对射使用方案中的工作特性，可以设置测试盒2的固定孔 5同轴心地成对布置于测试盒2的对侧壁面上。进行换能器特性检测时，换能器成对地安装于测试盒2对侧壁面上的对应固定孔5；通过控制器91控制切换开关，使激发接收电路92 与成对安装的一对换能器电性连接；一次信号幅值特性检测过程包括至少一次正向激发检测过程和至少一次反向激发检测过程；激发接收电路92在控制器91的控制下，驱动一侧的换能器发射声波信号，相对一侧的换能器接收声波信号并将其转化为电信号，随后由激发接收电路92和数据采集器95采集电信号的幅值特性信息，完成一次正向激发过程检测；然后，激发接收电路92驱动另一侧的换能器发射声波信号，相对一侧的换能器接收声波信号并将其转化为电信号，随后由激发接收电路92和数据采集器95采集电信号的幅值特性信息，完成一次反向激发过程检测。对射式检测方案完整包含了从激发电信号经发射换能器转换为声波，再由接收换能器转换为接收电信号的过程，测量整个传递过程后的信号幅值特性，并且包含正向和反向两个声波对射方向的检测，能够反映成对设置的换能器的匹配特性在内的工作特性，能够更全面、有效地评价换能器的工作性能。

为了提高换能器的检测效率，测试盒2上设置多对固定孔5；切换开关90由两个切换子开关93组成，每个切换子开关93由一个双向开关93a和多个单向开关93b组成，双向开关93a的双接点一端分别与激发接收电路92和阻抗分析器94电性连接，双向开关93a单接点一端与多个并联的单向开关93b电性连接，单向开关93b的另一端用于与换能器连接。进行换能器工作特性检测时，首先将待检测的所有换能器3安装于测试盒2上，每个换能器3 与对应的单向开关93b电性连接；控制器91与各个双向开关93a和单向开关93b电性连接。通过控制器91操作双向开关93a，可以选择激发接收电路92或是阻抗分析器94与被测换能器电性连接，也即选择装置的检测功能；通过控制器91操作单向开关93b，可以选择接入检测组件进行检测的换能器。在进行换能器的信号幅值特性检测时，切换子开关93选择接通激发接收电路92一侧，接通成对安装的换能器所连接的单向开关93b，断开其他单向开关93b；完成一对换能器的信号幅值特性检测后，断开当前换能器对连接的单向开关94b，接通下一对换能器连接的单向开关93b。在进行换能器的阻抗特性检测时，切换子开关93选择接通阻抗分析器94一侧，接通单个换能器连接的单向开关93b，断开其他单向开关93b；完成单个换能器的阻抗特性检测后，断开当前换能器连接的单向开关93b，接通下一个换能器连接的单向开关93b。采用切换开关实现自动操作功能，可以在不开启温控箱1，不破坏检测环境条件的情况下，依次完成各个换能器的信号幅值特性检测和阻抗特性检测。优选地，所述双向开关93a和单向开关93b选用信号继电器，可以保证断开开关时没有漏电流，避免产生噪声电信号或者不期望地激发换能器产生噪声声波干扰检测。

测试盒2可配有与固定孔5相配合的压紧件6，压紧件6部分或完全置于固定孔5中，换能器设置于固定孔5和压紧件6间配合所形成的空间区域中,压紧件6紧贴换能器外侧，通过压紧件6和固定孔5间的吸引磁力将换能器稳定可靠的限制于固定孔中。采用压紧件6 实现换能器的快装操作，可以提高换能器批量检测时的装拆效率。

实施例2：

图1、图2、图3、图4所示的实施例中，一种换能器特性检测方法，包括如下检测步骤：

A1.将待检测的换能器成对安装于测试盒上的固定孔；

A2.将安装有换能器的测试盒置于温控箱内；

A3.设定温控箱温度，待温控箱内温度达到设定值并保持稳定后，进行信号幅值特性检测，或进行阻抗特性检测，信号幅值特性检测和阻抗特性检测的执行先后顺序可任意调换；

A4.执行信号幅值特性检测，通过控制器控制切换开关，使激发接收电路与成对安装的一对换能器电性连接；一次信号幅值特性检测过程包括至少一次正向激发检测过程和至少一次反向激发检测过程；激发接收电路在控制器的控制下，驱动一侧的换能器发射声波信号，相对一侧的换能器接收声波信号并将其转化为电信号，随后由激发接收电路和数据采集器采集电信号的幅值特性信息，完成一次正向激发过程检测；然后，激发接收电路驱动另一侧的换能器发射声波信号，相对一侧的换能器接收声波信号并将其转化为电信号，随后由激发接收电路和数据采集器采集电信号的幅值特性信息，完成一次反向激发过程检测；

A5.保持温控箱温度不变，执行阻抗特性检测，通过控制器控制切换开关使阻抗分析器与测试盒中的任意一个换能器电性连接；阻抗分析器测量换能器的阻抗特性，随后由数据采集器采集阻抗特性信息。

还可以在执行A1～A5步骤之后执行下述B1步骤实现多组换能器的批量检测：

B1.执行完一对换能器的信号幅值特性检测后，保持温控箱内温度不变，控制器控制切换开关，使下一对换能器与激发接收电路电性连接，对其进行信号幅值特性检测检测；执行完一对换能器的阻抗特性检测后，保持温控箱内温度不变，控制器控制切换开关，使下一个换能器与阻抗分析器电性连接，对其进行阻抗特性检测

还可以在执行A1～A5步骤之后执行下述C1步骤实现多温度条件下的换能器工作特性检测：

C1.执行完对温控箱内所有换能器的信号幅值特性检测和/或阻抗特性检测后，调节温控箱温度至另一设定值，待温控箱内温度稳定后，依次对温控箱内所有换能器进行信号幅值特性检测和/或阻抗特性检测。

在本发明位置关系描述中，出现诸如术语“内”、“外”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示方位或者位置关系的为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了方便描述实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上内容和结构描述了本发明产品的基本原理、主要特征和本发明的优点，本行业的技术人员应该了解。上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都属于要求保护的本发明范围之内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种换能器特性检测装置，其特征在于：包括测试盒、温控箱和检测组件，测试盒置于温控箱内，测试盒侧壁上设置用于固定换能器的固定孔；检测组件包括控制器、激发接收电路、阻抗分析器、切换开关、数据采集器；控制器分别与激发接收电路、阻抗分析器和切换开关电性连接，激发接收电路和阻抗分析器分别与切换开关的一端电性连接，切换开关的另一端与换能器电性连接，切换开关用于控制激发接收电路或阻抗分析器是否与换能器连接；数据采集器分别与激发接收电路和阻抗分析器电性连接，用于采集激发接收电路与阻抗分析器的测量数据；所述测试盒侧壁合围形成测试腔，侧壁上设置气孔，气孔连通测试盒内的测试腔与温控箱内腔体；用于固定待检测换能器的所述固定孔同轴心地成对分布于测试盒的对侧壁面上；进行换能器信号幅值特性检测时，待检测换能器成对地安装于测试盒对侧壁面上的对应固定孔。

2.按照权利要求1所述的换能器特性检测装置，其特征在于：所述的气孔直径在1mm～5mm范围内。

3.按照权利要求1所述的换能器特性检测装置，其特征在于：所述的切换开关由两个切换子开关组成，每个切换子开关由一个双向开关和多个单向开关组成，双向开关的双接点一端分别与激发接收电路和阻抗分析器电性连接，双向开关单接点一端与多个并联的单向开关电性连接，单向开关的另一端用于与换能器连接。

4.按照权利要求3所述的换能器特性检测装置，其特征在于：所述双向开关和单向开关是信号继电器。

5.按照权利要求1所述的换能器特性检测装置，其特征在于：所述测试盒包括压紧件，压紧件通过磁性吸引将换能器压紧固定于所述固定孔内。

6.一种换能器特性检测方法，其特征在于包括如下检测步骤：

A1.将待检测的换能器成对安装于测试盒上的固定孔；

A2.将安装有换能器的测试盒置于温控箱内；

A3.设定温控箱温度，待温控箱内温度达到设定值并保持稳定后，进行信号幅值特性检测，或进行阻抗特性检测，信号幅值特性检测和阻抗特性检测的执行先后顺序可任意调换；

A4.执行信号幅值特性检测，通过控制器控制切换开关，使激发接收电路与成对安装的一对换能器电性连接；一次信号幅值特性检测过程包括至少一次正向激发检测过程和至少一次反向激发检测过程；激发接收电路在控制器的控制下，驱动一侧的换能器发射声波信号，相对一侧的换能器接收声波信号并将其转化为电信号，随后由激发接收电路和数据采集器采集电信号的幅值特性信息，完成一次正向激发过程检测；然后，激发接收电路驱动另一侧的换能器发射声波信号，相对一侧的换能器接收声波信号并将其转化为电信号，随后由激发接收电路和数据采集器采集电信号的幅值特性信息，完成一次反向激发过程检测；

A5.保持温控箱温度不变，执行阻抗特性检测，通过控制器控制切换开关使阻抗分析器与测试盒中的任意一个换能器电性连接；阻抗分析器测量换能器的阻抗特性，随后由数据采集器采集阻抗特性信息。

7.如权利要求6所述的一种换能器特性检测方法，其特征在于还包括如下检测步骤：

B1.执行完一对换能器的信号幅值特性检测后，保持温控箱内温度不变，控制器控制切换开关，使下一对换能器与激发接收电路电性连接，对其进行信号幅值特性检测检测；执行完一对换能器的阻抗特性检测后，保持温控箱内温度不变，控制器控制切换开关，使下一个换能器与阻抗分析器电性连接，对其进行阻抗特性检测。

8.如权利要求6所述的一种换能器特性检测方法，其特征在于还包括如下检测步骤：

C1.执行完对温控箱内所有换能器的信号幅值特性检测和/或阻抗特性检测后，调节温控箱温度至另一设定值，待温控箱内温度稳定后，依次对温控箱内所有换能器进行信号幅值特性检测和/或阻抗特性检测。

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