CN114485896A - 基于聚偏氟乙烯压电薄膜的波导管声速测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于聚偏氟乙烯压电薄膜的波导管声速测量装置及方法，该装置包括首尾依次连接的信号输入单元、信号处理单元和信号触发处理显示模块；所述信号输入单元包括脉冲信号发生器；所述信号处理单元包括超声换能器；信号输入单元被配置为通过脉冲信号发生器生成并输出脉冲电信号；信号处理单元被配置为通过超声换能器将脉冲电信号转换为声信号并传送出去；信号触发处理显示模块被配置为显示声信号幅值。本发明的装置及方法可以将声波在不同长度的波导管中传播的声速测量出来，且结果准确度高。
Description
技术领域
本发明属于声速测量技术领域，具体地说，涉及一种基于聚偏氟乙烯压电薄膜的波导管声速测量装置及方法。
背景技术
随着声学技术的快速发展，测量声学技术在实际检测声学在实际应用中也越来越广泛，在探伤、定位、测距、流体测速、无损检测等声学检测领域中声速的测量尤为重要。而其中测量管道中的声速是一件基础但又十分有意义的研究工作。
目前对于波导管中介质声速测量主要采用的原理有驻波共振法、相位比较法和时差法。驻波共振法的测量原理是保持管内液面高度不变，将水听器固定在管内介质中心，上下移动，测量出驻波场内两个相邻波谷或波峰之间的距离d，即可计算出声速c1＝2d×f。相位比较法也是将水听器固定在管内介质中心并上下移动，通过观看示波器上发射和接收的信号波形两次重合时，水听器移动的距离为波长λ，故声速为c2＝λ×f。而时差法是一种简单可靠的测量声速的方法，通过测量一个脉冲波传播一定距离d2所需要的时间t来计算声速：c3＝d2/t。
上述三种方法的优点是原理简单直观，却各自都有缺点，其中，驻波共振法会因为插入水听器的散射现象引起管内驻波场发生变化导致驻波场场波谷与波谷之间或者波峰与波峰之间位置测量不准，从而影响声速的测量精度。相位比较法也有相同的问题，并且也都存在读数不准的问题，因为难以精确读取水听器移动的距离。时差法大多采用的是回波测量时差法。但也存在一个问题就是当脉冲波碰到管底产生回波开始传输时在碰到任何有缺陷的地方时极易发生模态转换，导致波形变化，而时差法是通过对比发出波和回波相同波形之间的时间。故回波的波形变化会影响到声速的测量精度。
不仅如此，众所周知声速受到诸多因素的影响如:温度条件和压力条件等。因此，有必要提出一种新的对管内介质声速测量的装置与方法。
发明内容
有鉴于此，本发明针对上述的问题，提供了一种基于聚偏氟乙烯压电薄膜的波导管声速测量装置及方法。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于聚偏氟乙烯压电薄膜的波导管声速测量装置，包括首尾依次连接的信号输入单元、信号处理单元和信号触发处理显示模块；所述信号输入单元包括脉冲信号发生器；所述信号处理单元包括超声换能器；
信号输入单元被配置为通过脉冲信号发生器生成并输出脉冲电信号；
信号处理单元被配置为通过超声换能器将脉冲电信号转换为声信号并传送出去；
信号触发处理显示模块被配置为显示声信号幅值。
可选地，所述信号输入单元还包括与脉冲信号发生器依次连接的超声波功率放大器和阻抗匹配器，所述脉冲信号发生器与信号触发处理显示模块相连接；所述的阻抗匹配器与超声换能器相连接。
可选地，所述信号处理单元还包括与超声换能器依次连接的螺旋式波导管和水箱；所述螺旋式波导管的输入端和输出端上分别连接有第一PVDF压电薄膜和第二PVDF压电薄膜，所述的第一PVDF压电薄膜和第二PVDF压电薄膜的另一端均与信号触发处理显示模块相连接。
可选地，所述的螺旋式波导管设置有至少2匝，相邻的两匝之间的间距为2cm，所述的第二PVDF压电薄膜与螺旋式波导管的非第一匝处相连接。
可选地，所述超声换能器与螺旋式波导管之间还连接有声波导入器。
可选地，所述的螺旋式波导管和水箱下方均设置有两个底座；所述的信号处理单元安装在固定板上；所述的信号触发处理显示模块为示波器。
本发明还公开了一种基于聚偏氟乙烯压电薄膜的波导管声速测量方法，包括以下步骤：
通过脉冲信号发生器输入脉冲信号；由超声波功率放大器对脉冲信号进行功率放大处理，得到驱动信号，驱动信号经过阻抗匹配器后，输出脉冲电信号；
通过超声换能器将脉冲电信号转换为声信号并传送出去；
通过信号触发处理显示模块显示声信号幅值大小。
可选地，正弦波信号小于等于10个周期数。
可选地，所述通过超声换能器将脉冲电信号转换为声信号并传送出去，具体为：
通过超声换能器将脉冲电信号转换为声信号，通过声波导入器将声波输送到螺旋式波导管并传送出去；
声波到达第一PVDF压电薄膜处，记录时间为t1；
接着声波传至第二PVDF压电薄膜处，记录时间为t2；
将第一PVDF压电薄膜和第二PVDF压电薄膜之间的距离，记为L；
最终计算出螺旋式波导管的声速，计算公式如下：
可选地，通过水箱向螺旋式波导管中注射液体；该方法用于测量螺旋式波导管空管或者充液时的声速。
与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：
本发明测量装置结构简单，可以适用于任意长度波导管，测量方法简单易懂，能够利用聚偏氟乙烯(Poly(vinylidene fluoride)，PVDF)压电薄膜准确的出波导管声速大小，误差小；同时通过加大两个声波接收装置的距离，降低了在驻波共振法、相位比较法中因为读数对声速测量带来的误差。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明一实施例提供的基于聚偏氟乙烯压电薄膜的波导管声速测量装置的结构示意图；
图2是本发明另一实施例提供的基于聚偏氟乙烯压电薄膜的波导管声速测量装置的结构示意图。
图中，10.信号输入单元，20.信号处理单元，30.信号触发处理显示模块，
11.脉冲信号发生器，12.超声波功率放大器，13.阻抗匹配器，
21.超声换能器，22.声波导入器，23.第一PVDF压电薄膜，24.螺旋式波导管，25.第二PVDF压电薄膜，26.水箱，27.底座，28.固定板。
具体实施方式
以下将配合实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
本发明公开了一种基于PVDF压电薄膜的波导管声速测量装置，如图1所示，包括首尾依次连接的信号输入单元10、信号处理单元20和信号触发处理显示模块30；所述信号输入单元10包括脉冲信号发生器11；所述信号处理单元20包括超声换能器21；
信号输入单元10被配置为通过脉冲信号发生器11生成并输出脉冲电信号；
信号处理单元20被配置为通过超声换能器21将脉冲电信号转换为声信号并传送出去；
信号触发处理显示模块30被配置为显示声信号幅值。
在一些实施例中，如图2所示，所述信号输入单元10还包括与脉冲信号发生器11依次连接的超声波功率放大器12和阻抗匹配器13，所述脉冲信号发生器11与信号触发处理显示模块30相连接；所述的阻抗匹配器13与超声换能器21相连接。
具体地，通过脉冲信号发生器11输入脉冲信号；由超声波功率放大器12对脉冲信号进行功率放大处理，得到驱动信号，驱动信号经过阻抗匹配器13后，输出脉冲电信号。
在一些实施例中，所述信号处理单元还包括与超声换能器21依次连接的螺旋式波导管24和水箱26；所述螺旋式波导管24的输入端和输出端上分别连接有第一PVDF压电薄膜23和第二PVDF压电薄膜25，所述的第一PVDF压电薄膜23和第二PVDF压电薄膜25的另一端均与信号触发处理显示模块30相连接。
其中，水箱26方便的往螺旋式波导管24中注水，让螺旋式波导管24形成充水管，这样可以在一套装置中同时测量空管以及充水管中的声速。
螺旋式波导管24采取螺旋式结构，这样可以增加波导管的长度，相邻的两匝之间的间距为2cm，为了更方便贴上PVDF压电薄膜，并且可以通过调节PVDF压电薄膜的位置来改变波导管的测量长度。
在一些实施例中，所述的螺旋式波导管24设置有至少2匝，相邻的两匝之间的间距为2cm，所述的第二PVDF压电薄膜25与螺旋式波导管24的非第一匝处相连接，第一PVDF压电薄膜23位置固定，第二PVDF压电薄膜25可任意调节位置。
在一些实施例中，所述超声换能器21与螺旋式波导管24之间还连接有声波导入器22，其能够更好的使声波进入螺旋式波导管24中，它的形状类似喇叭状，呈广口型，这种形状可以增加超声换能器21与声波导入器22之间的接触角，使声波更有效的输入波导管中。
在一些实施例中，所述的螺旋式波导管24和水箱26下方均设置有两个底座27，方便固定螺旋式波导管24和水箱26；所述的信号处理单元20安装在固定板28上，方便固定信号处理单元20的各个部件；所述的信号触发处理显示模块30为示波器，其型号为KeysightDSOX6004A示波器。
本发明还公开了一种基于PVDF压电薄膜的波导管声速测量方法，包括以下步骤：
通过脉冲信号发生器11输入脉冲信号；由超声波功率放大器12对脉冲信号进行功率放大处理，得到驱动信号，驱动信号经过阻抗匹配器13后，输出脉冲电信号；
其中，所述的脉冲信号为正弦波信号，正弦波信号小于等于10个周期数。
通过超声换能器21将脉冲电信号转换为声信号并传送出去；具体为：
通过超声换能器21将脉冲电信号转换为声信号，通过声波导入器22将声波输送到螺旋式波导管24并传送出去；
声波到达第一PVDF压电薄膜23处，记录时间为t1；
接着声波传至第二PVDF压电薄膜25处，记录时间为t2；
将第一PVDF压电薄膜23和第二PVDF压电薄膜25之间的距离，记为L；
最终可以计算出螺旋式波导管24的声速，计算公式如下：
通过信号触发处理显示模块30显示声信号幅值大小。
其中，通过水箱26向螺旋式波导管24中注射液体；该方法用于测量螺旋式波导管24空管或者充液时的声速。
本发明的装置和方法可以将声波在不同长度的波导管中传播的声速测量出来，且结果准确度高。
上述说明示出并描述了发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离发明的精神和范围，则都应在发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于聚偏氟乙烯压电薄膜的波导管声速测量装置，其特征在于，包括首尾依次连接的信号输入单元(10)、信号处理单元(20)和信号触发处理显示模块(30)；所述信号输入单元(10)包括脉冲信号发生器(11)；所述信号处理单元(20)包括超声换能器(21)；
信号输入单元(10)被配置为通过脉冲信号发生器(11)生成并输出脉冲电信号；
信号处理单元(20)被配置为通过超声换能器(21)将脉冲电信号转换为声信号并传送出去；
信号触发处理显示模块(30)被配置为显示声信号幅值。
2.根据权利要求1所述的基于聚偏氟乙烯压电薄膜的波导管声速测量装置，其特征在于，所述信号输入单元(10)还包括与脉冲信号发生器(11)依次连接的超声波功率放大器(12)和阻抗匹配器(13)，所述脉冲信号发生器(11)与信号触发处理显示模块(30)相连接；所述的阻抗匹配器(13)与超声换能器(21)相连接。
3.根据权利要求1所述的基于聚偏氟乙烯压电薄膜的波导管声速测量装置，其特征在于，所述信号处理单元(20)还包括与超声换能器(21)依次连接的螺旋式波导管(24)和水箱(26)；所述螺旋式波导管(24)的输入端和输出端上分别连接有第一PVDF压电薄膜(23)和第二PVDF压电薄膜(25)，所述的第一PVDF压电薄膜(23)和第二PVDF压电薄膜(25)的另一端均与信号触发处理显示模块(30)相连接。
4.根据权利要求3所述的基于聚偏氟乙烯压电薄膜的波导管声速测量装置，其特征在于，所述的螺旋式波导管(24)设置有至少2匝，相邻的两匝之间的间距为2cm，所述的第二PVDF压电薄膜(25)与螺旋式波导管(24)的非第一匝处相连接。
5.根据权利要求3所述的基于聚偏氟乙烯压电薄膜的波导管声速测量装置，其特征在于，所述超声换能器(21)与螺旋式波导管(24)之间还连接有声波导入器(22)。
6.根据权利要求1所述的基于聚偏氟乙烯压电薄膜的波导管声速测量装置，其特征在于，所述的螺旋式波导管(24)和水箱(26)下方均设置有两个底座(27)；所述的信号处理单元(20)安装在固定板(28)上；所述的信号触发处理显示模块(30)为示波器。
7.一种基于聚偏氟乙烯压电薄膜的波导管声速测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过脉冲信号发生器(11)输入脉冲信号；由超声波功率放大器(12)对脉冲信号进行功率放大处理，得到驱动信号，驱动信号经过阻抗匹配器(13)后，输出脉冲电信号；
通过超声换能器(21)将脉冲电信号转换为声信号并传送出去；
通过信号触发处理显示模块(30)显示声信号幅值大小。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的脉冲信号为正弦波信号，正弦波信号小于等于10个周期数。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述通过超声换能器(21)将脉冲电信号转换为声信号并传送出去，具体为：
通过超声换能器(21)将脉冲电信号转换为声信号，通过声波导入器(22)将声波输送到螺旋式波导管(24)并传送出去；
声波到达第一PVDF压电薄膜(23)处，记录时间为t1；
接着声波传至第二PVDF压电薄膜(25)处，记录时间为t2；
将第一PVDF压电薄膜(23)和第二PVDF压电薄膜(25)之间的距离，记为L；
最终计算出螺旋式波导管(24)的声速，计算公式如下：
10.根据权利要求7-9中任一权利要求所述的方法，其特征在于，通过水箱(26)向螺旋式波导管(24)中注射液体；该方法用于测量螺旋式波导管(24)空管或者充液时的声速。
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