CN210774331U - 组合式声速测量设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种组合式声速测量设备，包括机械换能装置和声速测量装置，声速测量装置包括电源模块、超声电信号发生模块和超声电信号处理模块，以及超声电信号输出接口和超声电信号输入接口，其中，电源模块连接超声电信号发生模块和超声电信号处理模块；超声电信号发生模块通过超声电信号输出接口连接机械换能装置；超声电信号处理模块连接超声电信号发生模块，超声电信号处理模块通过超声电信号输入接口连接机械换能装置。本实用新型设备作为专用于声速测量实验小型化仪器，能够实现测量声速的功能，同时也可以减小实验空间和实验器材成本。

Description

组合式声速测量设备

技术领域

本实用新型涉及物理实验教学设备技术领域，特别涉及一种组合式声速测量设备。

背景技术

声速测量实验作为经典的大学物理实验之一，能够使得学生们学会用共振干涉法、相位法和时差法进行声速测量，对驻波形成、波长、频率波速三者之间的定量关系，以及介质对声速的影响有较为深入的认识，更加深刻的理解声音传播的本质。目前大学物理实验室所用的声速测量设备通常包含三个部分：任意函数信号发生器(或者超声波电信号发生器)、声程改变装置、示波器(如图1)。

任意函数信号发生器的主要功能是：产生可调频率和幅值的正弦波电信号及脉冲电信号，超声波电信号通过导线传输到声程改变装置。声程改变装置：主要包含两个超声换能器和导轨，一个超声换能器将超声电信号转变为超声信号(压电效应)，在介质中传播一定距离(声程)后被另外一个超声换能器接收，通过导轨可以定量改变超声换能器之间的距离，即改变声程，从而可产生驻波共振、李萨如图等试验现象。而上述实验现象均在示波器上得以呈现。上述试验设备虽然能够满足声速测量的试验要求，但仍有不足的地方：(1)整套声速测量装置包含三大部分，占用较大实验空间；(2)示波器和任意函数信号发生器作为电子技术专业仪器具有一定的操作难度，增加了学生对实验目的以外的仪器操作难度；(3)仪器的功能利用率低，仪器功能浪费严重。如超声电信号的产生，只使用任意函数信号发生器来产生正弦信号或者脉冲信号。而任意函数信号发生器的功能远不止于此。

因此，针对整套声速测量仪器的小型化和集成化就显得尤为必要。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种组合式声速测量设备，该设备作为专用于声速测量实验小型化仪器，能够实现测量声速的功能，同时也可以减小实验空间和实验器材成本。

本实用新型的目的通过下述技术方案实现：一种组合式声速测量设备，包括：机械换能装置和声速测量装置，声速测量装置包括电源模块、超声电信号发生模块和超声电信号处理模块，以及超声电信号输出接口和超声电信号输入接口，其中，

电源模块连接超声电信号发生模块和超声电信号处理模块；

超声电信号发生模块通过超声电信号输出接口连接机械换能装置，并将产生的超声发射电信号发送给机械换能装置；

超声电信号处理模块连接超声电信号发生模块，并接收和处理超声电信号发生模块产生的超声发射电信号，超声电信号处理模块通过超声电信号输入接口连接机械换能装置，并接收和处理机械换能装置根据超声发射电信号产生的超声接收电信号。

优选的，电源模块包括依次连接的直流电源、保护电路、第一滤波电路、第一降压芯片、第二滤波电路、第二降压芯片和第三滤波电路；

直流电源所提供的电压大于第一降压芯片的输出电压和第二降压芯片的输出电压，第一降压芯片的输出电压不等于第二降压芯片的输出电压。

更进一步的，保护电路包括保险丝、第一开关和第一电阻以及指示灯，直流电源一端连接保险丝，另一端接地，保险丝、第一开关和第一电阻以及指示灯的正极依次连接，指示灯的负极接地；

第一滤波电路包括并联连接的第一电容、第二电容和第三电容，第一电容、第二电容和第三电容的一端连接第一降压芯片的输入端口和第一开关，另一端接地；

第二滤波电路包括第一二极管、电感和第四电容，第一二极管的负极连接第一降压芯片的输出端口，第一二极管的正极接地；电感一端连接第一降压芯片的输出端口，另一端连接第二降压芯片的输入端口；第四电容一端连接第二降压芯片的输入端口，另一端接地；第二降压芯片的输入端口连接第一降压芯片的端口；

第三滤波电路包括并联连接的第五电容和第六电容，第五电容和第六电容的一端连接第二降压芯片的输出端口，另一端接地。

更进一步的，第一降压芯片为LM2576芯片；第二降压芯片为AMS1117芯片。

优选的，超声发射电信号和超声接收电信号均包括正弦波信号和方波信号；

超声电信号发生模块包括函数信号发生芯片、多通道选择芯片、信号频率调节电路、信号正负时间比例调节电路、信号波形线性度调节电路和超声发射强度调节电路，

其中，信号频率调节电路、信号正负时间比例调节电路和信号波形线性度调节电路分别连接函数信号发生芯片，函数信号发生芯片的第一输出端口输出正弦波信号，函数信号发生芯片的第二输出端口输出方波信号；并且第一输出端口和第二输出端口分别连接多通道选择芯片的两个端口；

多通道选择芯片上设置有波形选择端口，并且通过控制波形选择端口的电压控制多通道选择芯片的输出端口输出正弦波信号或者方波信号，多通道选择芯片的输出端口通过超声发射强度调节电路连接超声电信号处理模块和机械换能装置。

更进一步的，函数信号发生芯片为ICL8038芯片，多通道选择芯片为CD4053芯片；

信号频率调节电路包括第一电位器、第二电阻和第七电容，第一电位器的调节端连接函数信号发生芯片和通过第七电容连接电源模块，第一电位器的一个引出端连接电源模块，另一个引出端通过第二电阻接地；

信号正负时间比例调节电路包括第二电位器、第二二极管、第三电阻和第四电阻，第二二极管的正极连接电源模块，第二二极管的负极连接第二电位器的调节端，第二电位器的两个引出端分别通过第三电阻、第四电阻连接至函数信号发生芯片；

信号波形线性度调节电路包括第三电位器和第五电阻，第三电位器的调节端连接函数信号发生芯片，第三电位器的一个引出端连接电源模块，另一个引出端通过第五电阻接地；

超声发射强度调节电路包括第四电位器、三极管、第六电阻、第七电阻、第八电阻和第八电容，第四电位器的一个引出端接地，另一个引出端通过第六电阻连接至多通道选择芯片的输出端口，第四电位器的调节端连接超声电信号处理模块和三极管的基极，三极管的集电极通过第七电阻连接电源模块，三极管的发射极通过第八电阻接地，并且通过第八电容连接超声电信号输出接口。

更进一步的，超声电信号处理模块包括接收增益放大电路、主控电路、模式切换电路和显示驱动电路，其中，

接收增益放大电路通过超声电信号输入接口连接机械换能装置；

主控电路分别连接超声发射强度调节电路、接收增益放大电路、模式切换电路和显示驱动电路。

更进一步的，接收增益放大电路包括增益放大器、第九电阻、第九电容、第十电阻、第十一电阻和第五电位器，以及第十电容、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻，其中，

增益放大器的第一负向输入端口通过串联的第九电阻和第九电容连接超声电信号输入接口，第一正向输入端口通过第十电阻连接电源模块和通过第十一电阻接地，第一输出端口连接第五电位器的一个引出端，第五电位器的另一个引出端接地；

增益放大器的第二负向输入端口通过串联的第十二电阻和第十电容连接第五电位器的调节端，第二正向输入端口通过第十三电阻接地和通过第十四电阻连接电源模块，第二输出端口连接主控电路；

主控电路包括主控芯片、晶振电路和上电复位电路，其中，主控芯片的多个输入端口分别连接超声发射强度调节电路、增益放大器的第二输出端口、模式切换电路以及显示驱动电路；主控芯片设置有模式切换监控端口；

晶振电路包括第一晶体振荡器、第十五电阻、第十一电容和第十二电容，第一晶体振荡器的两端分别通过第十一电容和第十二电容接地，第十五电阻和第一晶体振荡器并联连接，并且第十五电阻的两端分别连接至主控芯片的两个端口；

上电复位电路包括第十六电阻、第十三电容和第二开关，第二开关和第十三电容并联，并且一端连接主控芯片和通过第十六电阻连接电源模块，另一端接地；

模式切换电路包括第二晶体振荡器、第十四电容、第十五电容、第十六电容、第三开关和第十七电阻，其中，

第二晶体振荡器的两端连接至主控芯片，并且分别通过第十四电容和第十五电容接地；第三开关和第十五电容并联，并且一端连接主控芯片的模式切换监控端口和通过第十七电阻连接电源模块，另一端接地；

显示驱动电路包括驱动器，驱动器的多个端口分别连接主控芯片的多个端口。

更进一步的，主控芯片为STM32系列芯片，增益放大器为LM358芯片，驱动器为ILI9341芯片，显示屏为TFT屏幕。

更进一步的，所述声速测量装置还包括壳体、显示屏和控制面板，其中，

超声电信号输出接口和超声电信号输入接口设置在壳体上，电源模块、超声电信号发生模块和超声电信号处理模块均位于壳体内；

控制面板和显示屏设置在壳体表面，显示屏连接超声电信号处理模块的显示驱动电路；

控制面板设置有电源控制键、模式控制键、超声发射强度控制键、频率控制键和接收增益控制键，其中，

电源控制键连接电源模块；

模式控制键连接模式切换电路，模式控制键所提供的模式包括：驻波共振法、李萨如图法和时差法；

超声发射强度控制键连接超声发射强度调节电路；

频率控制键连接信号频率调节电路；

接收增益控制键连接接收增益放大电路。

本实用新型相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本实用新型组合式声速测量设备，包括机械换能装置和声速测量装置，声速测量装置包括电源模块、超声电信号发生模块和超声电信号处理模块，以及超声电信号输出接口和超声电信号输入接口，其中，电源模块连接超声电信号发生模块和超声电信号处理模块；超声电信号发生模块通过超声电信号输出接口连接机械换能装置，并将产生的超声发射电信号发送给机械换能装置；超声电信号处理模块连接超声电信号发生模块，并接收和处理超声电信号发生模块产生的超声发射电信号，超声电信号处理模块同时通过超声电信号输入接口连接机械换能装置，并接收和处理由机械换能装置根据逆压电效应产生的超声波转换而成的超声接收电信号。本实用新型设备通过将现有的函数信号发生器和示波器部分功能整合在一起，能够作为专用于声速测量实验小型化仪器，既可以满足实验要求，实现测量声速的功能，同时也可以减小不低于80％的实验空间和实验器材成本，适用性和实用性更高。

(2)本实用新型组合式声速测量设备中，超声发射电信号包括正弦波信号和方波信号，由于驻波共振法和李萨如图法所用的超声发射电信号为正弦波信号，时差法所用的超声发射电信号为方波信号，因此本实用新型设备能够提供不同的测量方法，进一步增大了设备的适用范围。

(3)本实用新型组合式声速测量设备中，声速测量装置通过设置电源控制键连接电源模块的第一开关，使得通过控制电源控制键即可实现设备的通断电；模式控制键连接模式切换电路的第三开关，使得通过控制模式控制键即可进行模式的切换，且在主控电路中，主控芯片根据所切换的模式选择给多通道选择芯片发送对应的电平信号，使得多通道选择芯片生成所切换模式需要的正弦波信号或者方波信号；超声发射强度控制键连接超声发射强度调节电路的第四电位器调节端，使得通过控制超声发射强度控制键即可控制超声发射电信号的电压幅值；频率控制键连接信号频率调节电路的第一电位器调节端，使得通过控制频率控制键即可控制超声发射电信号的频率；接收增益控制键连接接收增益放大电路的第五电位器调节端，使得通过控制接收增益控制键即可控制接收超声发射电信号后的放大倍数。由此可见，设备的可操作性更强，使用更为方便。

附图说明

图1是大学物理实验中现有的主流声速测量装置的结构框图。

图2是本实用新型组合式声速测量设备的示意图。

图3是图2中声速测量装置的示意图。

图4是本实用新型声速测量装置的结构框图。

图5是图4中电源模块的电路图。

图6是图4中超声电信号发生模块的电路图。

图7是图4中超声电信号处理模块的电路图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

本实施例公开了一种组合式声速测量设备，如图2～图4所示，包括：机械换能装置和声速测量装置。

如图4所示，声速测量装置包括电源模块、超声电信号发生模块和超声电信号处理模块，以及超声电信号输出接口和超声电信号输入接口。

如图2所示，机械换能装置包括滚轮、第一超声换能器和第二超声换能器，第一超声换能器连接超声电信号输出接口，第二超声换能器连接超声电信号输入接口。第一超声换能器根据逆压电效应将超声电信号输出接口发射的超声发射电信号转换成超声波，第二超声换能器根据压电效应将超声波转换成超声电信号输入接口接收的超声接收电信号。滚轮连接第一超声换能器或者第二超声换能器，通过带动该超声换能器的移动来控制两个超声换能器之间的距离，从而改变声程，使得超声接收电信号和超声发射电信号的相位不同。因此，通过定量改变声程，就能形成驻波共振、特定形状的李萨如图等试验现象，以此记录下该试验现象中波形的相关数据，从而计算出声速。在本实施例中，超声电信号输入接口和超声电信号输出接口为BNC接头。

如图5所示，电源模块包括依次连接的直流电源、保护电路、第一滤波电路、第一降压芯片、第二滤波电路、第二降压芯片和第三滤波电路，具体如下：

保护电路包括保险丝F1、第一开关S1和第一电阻R11以及指示灯LED1，直流电源Header1一端连接保险丝，另一端接地。保险丝、第一开关和第一电阻以及指示灯的正极依次连接，指示灯的负极接地。第一电阻和指示灯构成通电指示灯的作用，第一电阻可以保护指示灯，避免其因为电流过大而发热烧坏。本实施例的指示灯为发光二极管。

第一滤波电路包括并联连接的第一电容C4、第二电容C5和第三电容C6，第一电容C4、第二电容C5和第三电容C6的一端连接第一开关和第一降压芯片的输入端口，另一端接地。第一滤波电路起到稳定直流电源的电压的作用。

第二滤波电路包括第一二极管D2、电感L1和第四电容C7，第一二极管的负极连接第一降压芯片的输出端，正极接地；电感的一端连接第一降压芯片的输出端口，另一端连接第二降压芯片的输入端口；第四电容的一端连接第二降压芯片的输入端口，另一端接地，电感和第四电容构成LC滤波。第二降压芯片的输入端口连接第一降压芯片的端口。第二滤波电路起到稳定第一降压芯片的输出电压的作用。

第三滤波电路包括并联连接的第五电容C8、第六电容C9，第五电容和第六电容一端均连接第二降压芯片的输出端口，另一端接地。第三滤波电路起到稳定第二降压芯片的输出电压的作用。

电源模块连接超声电信号发生模块和超声电信号处理模块，用于为超声电信号发生模块和超声电信号处理模块供电。直流电源所提供的电压大于第一降压芯片的输出电压和第二降压芯片的输出电压，第一降压芯片输出电压不等于第二降压芯片的输出电压。

在本实施例中，直流电源所提供的电压为12～24V，最大电流不低于1A，保保险丝F1对应选用不高于1A的最大电流的保险丝。第一降压芯片具体可以为LM2576芯片，输出电压为5V；第二降压芯片具体可以为AMS1117芯片，输出电压为3.3V，第二降压芯片的3端口连接第一降压芯片的4端口。

如图6所示，超声电信号发生模块包括：函数信号发生芯片、多通道选择芯片、信号频率调节电路、信号正负时间比例调节电路、信号波形线性度调节电路和超声发射强度调节电路。

其中，函数信号发生芯片所产生的超声发射电信号包括正弦波信号和方波信号，对应的超声接收电信号也包括正弦波和方波信号。

信号频率调节电路、信号正负时间比例调节电路、信号波形线性度调节电路分别连接函数信号发生芯片，函数信号发生芯片的第一输出端口输出正弦波信号，函数信号发生芯片的第二输出端口输出方波信号，并且第一输出端口和第二输出端口分别连接多通道选择芯片的两个端口。

多通道选择芯片提供的是超声发射电信号的类型选通，具体来说，多通道选择芯片上设置有波形选择端口，并且通过控制波形选择端口的电压，控制多通道选择芯片的输出端口输出正弦波信号或者方波信号。多通道选择芯片的输出端口通过超声发射强度调节电路连接超声电信号处理模块和机械换能装置。

在本实施例中，函数信号发生芯片为ICL8038芯片，该芯片在2端口输出正弦波，9端口输出方波。多通道选择芯片为CD4053芯片，该芯片的12端口连接函数信号发生芯片的9端口，13端口连接函数信号发生芯片的2端口，14端口作为发送给超声发射强度调节电路的输出端口。该芯片的11端口作为波形选择端口，当11端口为高电平时，输出端口输出的是正弦波信号，当11端口为低电平时，输出端口输出的是方波信号。当然，也可以设置成：当11端口为低电平时，输出端口输出的是正弦波信号，当11端口为高电平时，输出端口输出的是方波信号。

信号频率调节电路包括第一电位器RP1、第二电阻R1和第七电容C1，第一电位器的调节端连接函数信号发生芯片的8端口和通过第七电容连接电源模块，第一电位器的一个引出端连接电源模块，另一个引出端通过第二电阻接地。

函数信号发生芯片的8端口为外部扫描频率电压输入端口，因此，信号频率调节电路通过控制第一电位器的调节端，就可以调节8端口的电压，从而起到调节超声发射电信号的频率的作用。

信号正负时间比例调节电路包括第二电位器RP2、第二二极管D1、第三电阻R4和第四电阻R5，第二二极管的正极连接电源模块，第二二极管的负极连接第二电位器的调节端，第二电位器的一个引出端通过第三电阻连接至函数信号发生芯片的5端口，第二电位器的另一个引出端通过第四电阻连接至函数信号发生芯片的4端口。

函数信号发生芯片的5端口和4端口均为方波的占空比调节和正弦波的对称调节端口，因此，信号正负时间比例调节电路通过控制第二电位器的调节端，就可以调整超声发射电信号的正负时间比例，当调节正负时间比例为50％时，即可得到标准的方波和正弦波。在实际应用中可以调试好正负时间比例之后，保持第二电位器的调节端固定不变。

信号波形线性度调节电路包括第三电位器RP3和第五电阻R7，第三电位器的调节端连接函数信号发生芯片的1端口，第三电位器的一个引出端连接电源模块，另一个引出端通过第五电阻接地。

函数信号发生芯片的1端口为正弦波失真度调节端口，因此，信号波形线性度调节电路通过控制第三电位器的调节端，就可以找到最好的波形，因此可以起到调节超声发射电信号的波形线性度的作用。在实际应用中可以调试好波形线性度之后，保持第三电位器的调节端固定不变。

超声发射强度调节电路包括第四电位器RP4、三极管Q1、第六电阻R8、第七电阻R9、第八电阻R10和第八电容C3，第四电位器一个引出端接地，另一个引出端通过第六电阻R8连接至多通道选择芯片的14端口，第四电位器的调节端连接超声电信号处理模块和三极管的基极，三极管的集电极通过第七电阻R9连接电源模块，三极管的发射极通过第八电阻R10接地，并且通过第八电容C3连接超声电信号输出接口，通过超声电信号输出接口可以向第一超声换能器发送超声发射电信号。本实施例三极管Q1的型号可以为S8050。

由于超声发射电信号是激励第一超声换能器所需的电信号，一般要求电信号不低于10V的峰峰值，因此，通过控制第四电位器的调节端，就可以调节超声发射电信号的电压幅值。

如图4所示，超声电信号处理模块连接超声电信号发生模块，并接收和处理超声电信号发生模块产生的超声发射电信号，超声电信号处理模块通过超声电信号输入接口连接机械换能装置，并接收和处理机械换能装置根据超声发射电信号产生的超声接收电信号。

如图7所示，超声电信号处理模块包括接收增益放大电路、主控电路、模式切换电路和显示驱动电路，其中，

接收增益放大电路通过超声电信号输入接口连接机械换能装置。接收增益放大电路包括增益放大器、第九电阻R18、第九电容C13、第十电阻R19、第十一电阻R20和第五电位器，以及第十电容C19、第十二电阻R24、第十三电阻R21、第十四电阻R22，其中，

增益放大器的第一负向输入端口通过串联的第九电阻和第九电容连接超声电信号输入接口，第一正向输入端口通过第十电阻连接电源模块和通过第十一电阻接地，第一输出端口连接第五电位器的一个引出端，第五电位器的另一个引出端接地；

增益放大器的第二负向输入端口通过串联的第十二电阻R24和第十电容C19连接第五电位器的调节端，第二正向输入端口通过第十三电阻接地和通过第十四电阻连接电源模块，第二输出端口连接主控电路，通过控制第五电位器的调节端，就可以控制超声接收电信号的放大倍数。在本实施例中，增益放大器为LM358芯片。

主控电路分别连接超声发射强度调节电路、接收增益放大电路、模式切换电路和显示驱动电路。主控电路包括主控芯片、晶振电路和上电复位电路，其中，主控芯片的多个输入端口分别连接超声发射强度调节电路中第四电位器的调节端、增益放大器的第二输出端口、模式切换电路以及显示驱动电路。主控芯片设置有模式切换监控端口，主控芯片可以根据模式切换监控端口的电平高低，利用内部程序识别出切换到的当前模式，从而实现对模式切换的监控。

在本实施例中，主控芯片为STM32系列芯片，例如可以为STM32F103C8T6，该芯片主频可以达到72MHz，并有两路10位ADC以及4个计时器和足够多的IO口，此时模式切换监控端口为该芯片的2端口。主控芯片的10端口通过超声发射强度调节电路连接多通道选择芯片的14端口，主控芯片的11端口连接增益放大器的7端口。

晶振电路包括第一晶体振荡器Y1、第十五电阻R12、第十一电容C10和第十二电容C11，第一晶体振荡器的两端分别通过第十一电容和第十二电容接地，第十五电阻和第一晶体振荡器并联连接，并且第十五电阻的两端分别连接至主控芯片的两个端口。在本实施例中，第十五电阻的两端具体是连接该芯片的5端口和6端口。

上电复位电路包括第十六电阻R13、第十三电容C12和第二开关S2，第二开关和第十三电容并联，并且一端连接主控芯片和通过第十六电阻连接电源模块，另一端接地。

模式切换电路包括第二晶体振荡器Y2、第十四电容C14、第十五电容C15、第十六电容C20、第三开关S3和第十七电阻R25，其中，

第二晶体振荡器的两端连接至主控芯片，并且分别通过第十四电容和第十五电容接地；第三开关和第十五电容并联，并且一端连接主控芯片的模式切换监控端口和通过第十七电阻连接电源模块，另一端接地。

显示驱动电路包括驱动器，驱动器的多个端口分别连接主控芯片的多个端口。在本实施例中，驱动器为ILI9341芯片，具体如图7所示，主控芯片的14～17端口连接驱动器的CSX、D/CX、WRX、RDX端口，21、22、25～28、45、46端口通过SPI方式连接驱动器的D[17:10]端口。驱动器的D[9:0]端口接地。

如图3所示，所述声速测量装置还包括壳体、显示屏和控制面板，其中，超声电信号输出接口和超声电信号输入接口设置在壳体上，电源模块、超声电信号发生模块和超声电信号处理模块均位于壳体内。

控制面板和显示屏设置在壳体表面，显示屏连接超声电信号处理模块的显示驱动电路；在本实施例中，显示屏为TFT屏幕。

控制面板设置有电源控制键、模式控制键、超声发射强度控制键、频率控制键和接收增益控制键，其中，

电源控制键连接电源模块的第一开关S1。电源控制键可以为切换按钮，通过按下电源控制键即可控制第一开关的连接和断开，从而实现通电或者断电。

模式控制键连接模式切换电路的第三开关S3，通过触碰第三开关，使第三开关闭合或者断开，从而改变模式切换监控端口的电平，实现模式的切换。例如，当按下模式控制键，第二开关状态改变，模式切换监控端口的电平由高变低或者由低变高，使主控芯片根据该电平变化可以监控到模式控制键有动作，从而识别出所切换的模式。因此，通过控制模式控制键就可以控制模式的切换。

在本实施例中，模式控制键所提供的模式包括：驻波共振法、李萨如图法和时差法，模式控制键可以为切换按钮，通过控制切换按钮的按键次数来实现多种模式的循环切换，例如，当模式是按照驻波共振法-李萨如图法-时差法这种顺序排列且当前模式为李萨如图法时，若想切换成驻波共振法，则需按两次切换按钮，第一次按键将李萨如图法切换到时差法，第二次按键将时差法切换到驻波共振法。

由于驻波共振法和李萨如图法所用的超声发射电信号为正弦波信号，时差法所用的超声发射电信号为方波信号，主控芯片可以根据识别出的当前模式，选择给多通道选择芯片的波形选择端口发送对应的电平信号，例如，当切换到驻波共振法或者李萨如图法时，主控芯片向波形选择端口发送高电平，当切换到时差法时，主控芯片向波形选择端口发送低电平，从而控制多通道选择芯片的输出端口输出正弦波信号或者方波信号，以此得到时差法、驻波共振法或者李萨如图法模式下的波形。

超声发射强度控制键连接超声发射强度调节电路的第四电位器调节端，超声发射强度控制键可以为旋钮，通过控制旋转角度来调节输出的电压幅值。

频率控制键连接信号频率调节电路的第一电位器调节端，频率控制键可以为旋钮，通过控制旋转角度来调节信号的频率。

接收增益控制键连接接收增益放大电路的第五电位器调节端，接收增益控制键可以为旋钮，通过控制旋转角度来调节信号的放大倍数。

此外，控制面板上还可以设置正负时间比例控制键和波形线性度控制键，其中，正负时间比例控制键连接信号正负时间比例调节电路的第二电位器调节端，正负时间比例控制键可以为旋钮，通过控制旋转角度来调节信号的正负时间比例；波形线性度控制键连接信号波形线性度调节电路的第三电位器调节端，波形线性度控制键可以为旋钮，通过控制旋转角度来调节信号的波形线性度。

显示屏上设置有第一显示区域、第二显示区域和第三显示区域，第一显示区域用于显示超声电信号发生模块生成的超声发射电信号和接收到的来自机械换能装置的超声接收电信号。第二显示区域用于显示当前声速测量采用的方法，即三个模式：驻波共振法、李萨如图法、时差法。第三显示区域用于显示超声发射电信号的频率F、超声发射电信号的电压峰峰值Vout、超声接收电信号的电压峰峰值Vin，以及超声发射电信号和超声接收电信号的时间差△T。

本实施例的组合式声速测量设备的工作过程具体如下：

通过控制电源控制键来控制电源模块通电，为超声电信号发生模块和超声电信号处理模块供电。

通过控制模式控制键选择所需的模式，主控电路识别出切换到的模式类型，并控制超声电信号发生模块根据模式类型生成对应的超声发射电信号，超声发射电信号通过主控电路进行处理和通过显示驱动电路驱动显示屏，从而显示在显示屏上。

通过控制超声发射强度控制键和频率控制键可以调节超声发射电信号的电压幅值和信号频率，从而在显示屏上可以显示出较好的波形。

通过超声电信号输出接口将超声发射电信号发送给机械换能装置，连接超声电信号输出接口的第一超声换能器根据逆压电效应将超声发射电信号转换成超声波，并传送给第二超声换能器，期间可以通过调节机械换能装置的滚轮来改变声程；第二超声换能器接收到超声波之后，根据压电效应将超声波转换成超声接收电信号，并通过超声电信号输入接口将超声接收电信号发送给超声电信号处理模块。

超声接收电信号依次通过接收增益放大电路、主控电路和显示驱动电路显示在显示屏上，主控电路根据超声发射电信号的发射时间和超声接收电信号的接收时间计算出两者的时间差，并且显示屏上显示有超声发射电信号的频率F、超声发射电信号的电压峰峰值Vout、超声接收电信号的电压峰峰值Vin，以及超声发射电信号和超声接收电信号的时间差△T。

通过控制接收增益控制键来控制接收增益放大电路对超声接收电信号的放大倍数，从而在显示屏上可以较好地显示出波形。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种组合式声速测量设备，其特征在于，包括：机械换能装置和声速测量装置，声速测量装置包括电源模块、超声电信号发生模块和超声电信号处理模块，以及超声电信号输出接口和超声电信号输入接口，其中，

电源模块连接超声电信号发生模块和超声电信号处理模块；

超声电信号发生模块通过超声电信号输出接口连接机械换能装置，并将产生的超声发射电信号发送给机械换能装置；

超声电信号处理模块连接超声电信号发生模块，并接收和处理超声电信号发生模块产生的超声发射电信号，超声电信号处理模块通过超声电信号输入接口连接机械换能装置，并接收和处理机械换能装置根据超声发射电信号产生的超声接收电信号。

2.根据权利要求1所述的组合式声速测量设备，其特征在于，电源模块包括依次连接的直流电源、保护电路、第一滤波电路、第一降压芯片、第二滤波电路、第二降压芯片和第三滤波电路；

直流电源所提供的电压大于第一降压芯片的输出电压和第二降压芯片的输出电压，第一降压芯片的输出电压不等于第二降压芯片的输出电压。

3.根据权利要求2所述的组合式声速测量设备，其特征在于，保护电路包括保险丝、第一开关和第一电阻以及指示灯，直流电源一端连接保险丝，另一端接地，保险丝、第一开关和第一电阻以及指示灯的正极依次连接，指示灯的负极接地；

第一滤波电路包括并联连接的第一电容、第二电容和第三电容，第一电容、第二电容和第三电容的一端连接第一降压芯片的输入端口和第一开关，另一端接地；

第二滤波电路包括第一二极管、电感和第四电容，第一二极管的负极连接第一降压芯片的输出端口，第一二极管的正极接地；电感一端连接第一降压芯片的输出端口，另一端连接第二降压芯片的输入端口；第四电容一端连接第二降压芯片的输入端口，另一端接地；第二降压芯片的输入端口连接第一降压芯片的端口；

第三滤波电路包括并联连接的第五电容和第六电容，第五电容和第六电容的一端连接第二降压芯片的输出端口，另一端接地。

4.根据权利要求3所述的组合式声速测量设备，其特征在于，第一降压芯片为LM2576芯片；第二降压芯片为AMS1117芯片。

5.根据权利要求1所述的组合式声速测量设备，其特征在于，超声发射电信号和超声接收电信号均包括正弦波信号和方波信号；

超声电信号发生模块包括函数信号发生芯片、多通道选择芯片、信号频率调节电路、信号正负时间比例调节电路、信号波形线性度调节电路和超声发射强度调节电路，

其中，信号频率调节电路、信号正负时间比例调节电路和信号波形线性度调节电路分别连接函数信号发生芯片，函数信号发生芯片的第一输出端口输出正弦波信号，函数信号发生芯片的第二输出端口输出方波信号；并且第一输出端口和第二输出端口分别连接多通道选择芯片的两个端口；

多通道选择芯片上设置有波形选择端口，并且通过控制波形选择端口的电压控制多通道选择芯片的输出端口输出正弦波信号或者方波信号，多通道选择芯片的输出端口通过超声发射强度调节电路连接超声电信号处理模块和机械换能装置。

6.根据权利要求5所述的组合式声速测量设备，其特征在于，函数信号发生芯片为ICL8038芯片，多通道选择芯片为CD4053芯片；

信号频率调节电路包括第一电位器、第二电阻和第七电容，第一电位器的调节端连接函数信号发生芯片和通过第七电容连接电源模块，第一电位器的一个引出端连接电源模块，另一个引出端通过第二电阻接地；

信号正负时间比例调节电路包括第二电位器、第二二极管、第三电阻和第四电阻，第二二极管的正极连接电源模块，第二二极管的负极连接第二电位器的调节端，第二电位器的两个引出端分别通过第三电阻、第四电阻连接至函数信号发生芯片；

信号波形线性度调节电路包括第三电位器和第五电阻，第三电位器的调节端连接函数信号发生芯片，第三电位器的一个引出端连接电源模块，另一个引出端通过第五电阻接地；

超声发射强度调节电路包括第四电位器、三极管、第六电阻、第七电阻、第八电阻和第八电容，第四电位器的一个引出端接地，另一个引出端通过第六电阻连接至多通道选择芯片的输出端口，第四电位器的调节端连接超声电信号处理模块和三极管的基极，三极管的集电极通过第七电阻连接电源模块，三极管的发射极通过第八电阻接地，并且通过第八电容连接超声电信号输出接口。

7.根据权利要求5所述的组合式声速测量设备，其特征在于，超声电信号处理模块包括接收增益放大电路、主控电路、模式切换电路和显示驱动电路，其中，

接收增益放大电路通过超声电信号输入接口连接机械换能装置；

主控电路分别连接超声发射强度调节电路、接收增益放大电路、模式切换电路和显示驱动电路。

8.根据权利要求7所述的组合式声速测量设备，其特征在于，接收增益放大电路包括增益放大器、第九电阻、第九电容、第十电阻、第十一电阻和第五电位器，以及第十电容、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻，其中，

增益放大器的第一负向输入端口通过串联的第九电阻和第九电容连接超声电信号输入接口，第一正向输入端口通过第十电阻连接电源模块和通过第十一电阻接地，第一输出端口连接第五电位器的一个引出端，第五电位器的另一个引出端接地；

增益放大器的第二负向输入端口通过串联的第十二电阻和第十电容连接第五电位器的调节端，第二正向输入端口通过第十三电阻接地和通过第十四电阻连接电源模块，第二输出端口连接主控电路；

主控电路包括主控芯片、晶振电路和上电复位电路，其中，主控芯片的多个输入端口分别连接超声发射强度调节电路、增益放大器的第二输出端口、模式切换电路以及显示驱动电路；主控芯片设置有模式切换监控端口；

晶振电路包括第一晶体振荡器、第十五电阻、第十一电容和第十二电容，第一晶体振荡器的两端分别通过第十一电容和第十二电容接地，第十五电阻和第一晶体振荡器并联连接，并且第十五电阻的两端分别连接至主控芯片的两个端口；

上电复位电路包括第十六电阻、第十三电容和第二开关，第二开关和第十三电容并联，并且一端连接主控芯片和通过第十六电阻连接电源模块，另一端接地；

模式切换电路包括第二晶体振荡器、第十四电容、第十五电容、第十六电容、第三开关和第十七电阻，其中，

第二晶体振荡器的两端连接至主控芯片，并且分别通过第十四电容和第十五电容接地；第三开关和第十五电容并联，并且一端连接主控芯片的模式切换监控端口和通过第十七电阻连接电源模块，另一端接地；

显示驱动电路包括驱动器，驱动器的多个端口分别连接主控芯片的多个端口。

9.根据权利要求8所述的组合式声速测量设备，其特征在于，主控芯片为STM32系列芯片，增益放大器为LM358芯片，驱动器为ILI9341芯片，显示屏为TFT屏幕。

10.根据权利要求7所述的组合式声速测量设备，其特征在于，所述声速测量装置还包括壳体、显示屏和控制面板，其中，

超声电信号输出接口和超声电信号输入接口设置在壳体上，电源模块、超声电信号发生模块和超声电信号处理模块均位于壳体内；

控制面板和显示屏设置在壳体表面，显示屏连接超声电信号处理模块的显示驱动电路；

控制面板设置有电源控制键、模式控制键、超声发射强度控制键、频率控制键和接收增益控制键，其中，

电源控制键连接电源模块；

模式控制键连接模式切换电路，模式控制键所提供的模式包括：驻波共振法、李萨如图法和时差法；

超声发射强度控制键连接超声发射强度调节电路；

频率控制键连接信号频率调节电路；

接收增益控制键连接接收增益放大电路。

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