專利名稱：一種回波到回波式聲速測(cè)量?jī)x的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及測(cè)量聲速用的儀器裝置目前聲速測(cè)量可借助于超聲測(cè)厚儀或由超聲波發(fā)生一接收器、商用計(jì)數(shù)儀器及示波器等臨時(shí)組合成的聲速測(cè)量裝置。超聲波測(cè)厚儀是一種獨(dú)立的采用脈沖回波法構(gòu)成的儀器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便的優(yōu)點(diǎn)，但這種儀器的測(cè)量精度受其內(nèi)部計(jì)數(shù)頻率的制約，存在±1個(gè)計(jì)數(shù)值的誤差，且借助該儀器只能測(cè)固體聲速。而用商用計(jì)數(shù)儀器等組合成的聲速測(cè)量裝置，具有可測(cè)固體、液體、氣體三種介質(zhì)的聲速，但其測(cè)量精度受商用計(jì)數(shù)儀器的制約，為了達(dá)到高精度測(cè)量，必須配置昂貴的商用計(jì)數(shù)儀器，且因在使用前臨時(shí)搭接組合，給攜帶、使用帶來(lái)不便。
本實(shí)用新型的目的是提供一種獨(dú)立完整的脈沖回波法聲速測(cè)量?jī)x，它采用回波到回波的超聲波脈沖提取方式，進(jìn)一步的目的是提供一種不依賴商用計(jì)數(shù)儀器的高精度低價(jià)格可測(cè)固、液、氣三種介質(zhì)的聲速測(cè)量?jī)x。
本實(shí)用新型是包括殼體，主控振蕩器，發(fā)射電路，接收放大器，回波檢測(cè)器，計(jì)數(shù)時(shí)基脈沖發(fā)生器，門電路，分頻器，數(shù)字累加計(jì)數(shù)器，數(shù)碼顯示器和超聲換能器的聲速測(cè)量裝置。其結(jié)構(gòu)要點(diǎn)是，殼體內(nèi)有主控振蕩器，其輸出分別與發(fā)射電路、分頻器及回波檢測(cè)器的各個(gè)輸入相連接，其中主控振蕩器與回波檢測(cè)器的連接可以消除檢測(cè)回波與計(jì)數(shù)時(shí)基脈沖之間的相關(guān)性，以此提高檢測(cè)精度，發(fā)射電路的輸出與殼體外的超聲換能器的一端連接，超聲換能器的另一端回進(jìn)殼體內(nèi)與殼體內(nèi)的接收放大器、回波檢測(cè)器、門電路依次串聯(lián)形成一個(gè)回波到回波的線路，門電路另一輸入與計(jì)數(shù)時(shí)基脈沖發(fā)生器的輸出相連，其輸出與數(shù)字累加計(jì)數(shù)器的輸入相連，累加計(jì)數(shù)器的另一輸入與分頻器輸出連接，其輸出與數(shù)碼顯示器輸入相連接，使該裝置實(shí)現(xiàn)了與現(xiàn)有商用計(jì)數(shù)儀器不同的隨機(jī)計(jì)數(shù)、算術(shù)平均功能，降低了計(jì)數(shù)量化帶來(lái)的誤差，另外，更換超聲換能器的種類，即可用于測(cè)量固、液、氣三種介質(zhì)的聲速。
本實(shí)用新型的特點(diǎn)是1.該裝置不外接商用計(jì)數(shù)器或示波器，使裝置成本大大下降，并且除超聲換能器外，其余部分組裝在殼體內(nèi)，體積大大縮小。
2.采用了一種簡(jiǎn)易的回波到回波技術(shù)，使聲速測(cè)量不受電路、電纜等延時(shí)的影響。
3.利用主控振蕩器的頻率漂移特性實(shí)現(xiàn)隨機(jī)計(jì)數(shù)平均技術(shù)來(lái)提高計(jì)數(shù)準(zhǔn)確度，大大降低了計(jì)數(shù)量化誤差對(duì)脈沖回波計(jì)數(shù)法聲速測(cè)量精度的限制。
4.選擇固、液、氣不同種類的超聲波換能器，該裝置可測(cè)固體、液體、氣體的聲速。


圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)原理框圖圖2為本實(shí)用新型回波到回波檢測(cè)的時(shí)序圖圖3為主控振蕩器電路的實(shí)施圖圖4為超聲回波檢測(cè)器電路的實(shí)施圖圖5為超聲回波檢測(cè)器電路的時(shí)序圖圖6為數(shù)字累加計(jì)數(shù)器電路的實(shí)施圖結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)用新型的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及實(shí)施。
圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)原理框圖。殼體11內(nèi)的主控振蕩器1分別與發(fā)射電路2、回波檢測(cè)器5、分頻器8的輸入相連，發(fā)射電路2的輸出與殼體11外面的超聲波換能器3一端連接，其另一端接進(jìn)殼體11內(nèi)并與接收放大器4相連，接收放大器4的另一端與回波檢測(cè)器5相連，門電路7分別與計(jì)數(shù)時(shí)基脈沖發(fā)生器6、回波檢測(cè)電路5及累加計(jì)數(shù)器9連接，計(jì)數(shù)器9的另外兩端分別與分頻器8、數(shù)碼顯示器10相連接。除超聲波換能器3外，所有部分構(gòu)成本實(shí)用新型的儀器部分，儀器部分用一殼體11封裝，超聲波換能器3則通過普通的高頻電纜與儀器部分相連。
圖2為本實(shí)用新型回波到回波檢測(cè)的時(shí)序圖。主控振蕩器1產(chǎn)生周期為T的連續(xù)方波(見圖2a)，該方波送發(fā)射電路2、分頻器8及回波檢測(cè)器5，在該方波上升沿的激勵(lì)下，發(fā)射電路2產(chǎn)生一很窄的電壓脈沖，該脈沖作用在超聲波換能器3上，換能器3則發(fā)射出超聲波(見圖2b)，該超聲波在介質(zhì)中傳播遇到反射面時(shí)即產(chǎn)生反射回波。反射回波到達(dá)換能器3后一部分能量被轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)由接收放大器4接收，另一部分能量又返回介質(zhì)，由此造成多次反射，形成回波I、回波II、回波III、……(見圖2b)。接收放大器4將前兩次回波信號(hào)放大到峰峰值為10V，且波形為飽和放大狀態(tài)，該回波即可足以觸發(fā)普通的TTL電路，供回波檢測(cè)器5檢測(cè)所需回波信號(hào)?；夭z測(cè)器5在主控振蕩器1發(fā)出的方波上升沿到來(lái)時(shí)開始工作，并在回波I到達(dá)時(shí)使回波檢測(cè)器5的輸出變高電平，回波II到達(dá)時(shí)輸出回到低電平(見圖2c)，這樣回波檢測(cè)器5輸出的方波信號(hào)的寬度即代表回波I到回波II的時(shí)間。將回波檢測(cè)器5輸出與時(shí)基脈沖計(jì)數(shù)器6(波形見圖2d)分別送入與門電路7的兩個(gè)輸入端，時(shí)基脈沖6則在回波檢測(cè)器5的方波高電平中計(jì)數(shù)得如圖2e所示波形。根據(jù)時(shí)基計(jì)數(shù)脈沖6的周期δ，若圖2e的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)為N，則單次計(jì)數(shù)可產(chǎn)生回波I到回波II的時(shí)間值為Nδ±δ，它有±1個(gè)計(jì)數(shù)字的誤差。分頻器8的分頻值M為計(jì)數(shù)器9的累計(jì)計(jì)數(shù)的次數(shù)；數(shù)碼顯示器10最終顯示的值為M次計(jì)數(shù)后的數(shù)值，這樣顯示靈敏度為δ/M，測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差為 。若數(shù)碼顯示器10最后給出的時(shí)間值為t，則根據(jù)超聲波在介質(zhì)中傳播的距離l，可算出聲速c＝l/t。
為了達(dá)到計(jì)數(shù)累加平均有意義，使測(cè)量精度有所提高，應(yīng)保證回波檢測(cè)器5的輸出方波(見圖2c)的出現(xiàn)時(shí)間與計(jì)數(shù)時(shí)基脈沖發(fā)生器6的輸出信號(hào)之間互不相關(guān)、相互獨(dú)立。為做到這一點(diǎn)，也可采用商用計(jì)數(shù)儀器中的計(jì)數(shù)時(shí)基脈沖產(chǎn)生隨機(jī)抖動(dòng)的電路，但這樣做既不經(jīng)濟(jì)又使計(jì)數(shù)時(shí)基脈沖電路變得復(fù)雜，所以本實(shí)用新型采用主控振蕩器1的振蕩周期存在隨機(jī)抖動(dòng)，在超聲傳播時(shí)間確定條件下由它帶動(dòng)回波檢測(cè)器5輸出方波的出現(xiàn)時(shí)間產(chǎn)生隨機(jī)抖動(dòng)來(lái)消除回波檢測(cè)器5的輸入方波與計(jì)數(shù)時(shí)基脈沖之間的相關(guān)性，這樣也可使累加計(jì)數(shù)平均有意義，又使本實(shí)用新型使用的計(jì)數(shù)平均電路較之商用計(jì)數(shù)儀器中使用的電路簡(jiǎn)單。
圖3為主控振蕩器的實(shí)施例，它是由非門12、13、14與電阻15、電容16組成的振蕩器。非門12的輸入來(lái)自非門14的輸出，非門13的輸出接電阻15的一端，電阻15的另一端接非門14的輸入，非門13的輸入來(lái)自非門12的輸出，電容16的兩端分別接非門12的輸出及非門14的輸入，非門14的輸出作為可控振蕩器的輸出。本實(shí)用新型利用主控振蕩器1輸出方波周期不穩(wěn)定的特點(diǎn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)上述隨機(jī)計(jì)數(shù)之目的。只要使這個(gè)隨機(jī)抖動(dòng)的時(shí)間幅度大于計(jì)數(shù)時(shí)基脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的計(jì)數(shù)時(shí)基脈沖周期δ即可使累加計(jì)數(shù)平均有意義，本裝置中主控振蕩器1產(chǎn)生的方波周期隨機(jī)抖動(dòng)很容易使累加計(jì)數(shù)平均達(dá)到降低量化誤差的效果。
圖4和圖5分別為回波檢測(cè)器5的實(shí)施圖和回波檢測(cè)器5的時(shí)序。主控振蕩器1發(fā)生的信號(hào)接單穩(wěn)17的B輸入端，在主控振蕩器1上升沿到來(lái)時(shí)(見圖5a)，觸發(fā)單穩(wěn)17動(dòng)作產(chǎn)生一個(gè)脈沖(見圖5c)，使單穩(wěn)17輸出的脈沖(圖5c)寬度大于發(fā)射超聲波的余波即可(防止觸發(fā)器19誤觸發(fā))。將單穩(wěn)17輸出Q端的負(fù)脈沖送至觸發(fā)器19的清零端(CLR)，這時(shí)觸發(fā)器19的輸出Q端為低電平。經(jīng)過接收放大器4放大的回波信號(hào)(見圖5b)接至觸發(fā)器19的CK端，直到回波I到達(dá)時(shí)(見圖5b)觸發(fā)器19翻轉(zhuǎn)，輸出Q端變?yōu)楦唠娖?見圖5d)。將觸發(fā)器19的Q輸出送至單穩(wěn)18的B輸入，單穩(wěn)18則在觸發(fā)器19發(fā)生信號(hào)的上升沿到達(dá)時(shí)(即回波1到達(dá)時(shí))輸出一脈沖(見圖5e)，使此脈沖寬度大于回波1的寬度即可(防止觸發(fā)器20的誤觸發(fā))。將單穩(wěn)18輸出Q的負(fù)脈沖送至觸發(fā)器20的清零端(CLR)，觸發(fā)器20則在清零信號(hào)到來(lái)時(shí)輸出端Q被置為低電平(圖5f)。將回波信號(hào)(圖5b)送至觸發(fā)器20的CK端，圖4b所示的回波II到達(dá)時(shí)觸發(fā)器20翻轉(zhuǎn)。因此觸發(fā)器20的Q輸出如圖5f所示，它的正電平方波寬度即為回波I到回波II的時(shí)間，將觸發(fā)器20的Q輸出和門電路7的一個(gè)輸入端相連，門電路7的另一端信號(hào)來(lái)自計(jì)數(shù)時(shí)基脈沖計(jì)數(shù)發(fā)生器6，這樣門電路7輸出的計(jì)數(shù)值即為單次回波I到回波II時(shí)間的計(jì)數(shù)值。
圖6為本實(shí)用新型累加計(jì)數(shù)器9的實(shí)施圖。計(jì)數(shù)器26的計(jì)數(shù)脈沖輸入A來(lái)自圖4中門電路7的輸出。分頻器8輸出接圖6中的單穩(wěn)觸發(fā)器21的輸入B，這樣當(dāng)分頻電路8輸出的上升沿到達(dá)時(shí)單穩(wěn)觸發(fā)器21輸出一個(gè)窄脈沖。單穩(wěn)觸發(fā)器21輸出Q端接緩沖器24與緩沖器25的賦能端(鎖存端)，單穩(wěn)觸發(fā)器21輸出Q端通過電阻22與電容23組成的延遲電路與計(jì)數(shù)器26和計(jì)數(shù)器27的清零端連接。這樣當(dāng)單穩(wěn)觸發(fā)器21發(fā)出一脈沖時(shí)首先將計(jì)數(shù)器26與計(jì)數(shù)器27的計(jì)數(shù)值數(shù)據(jù)存入緩沖器24與緩沖器25，爾后將計(jì)數(shù)器26與計(jì)數(shù)器27清零后，在計(jì)數(shù)輸入到達(dá)時(shí)再重新計(jì)數(shù)。單穩(wěn)觸發(fā)器21輸出的脈沖寬度與圖4中單穩(wěn)觸發(fā)器17輸出脈沖寬度相仿。計(jì)數(shù)器26的最高位Qh再輸出給另一個(gè)8位計(jì)數(shù)器27，以此形成16位累加計(jì)數(shù)。8位計(jì)數(shù)器26與8位計(jì)數(shù)器27的輸出分別送入8位緩沖器24與8位緩沖器25，由于分頻器8的分頻數(shù)M即為累加計(jì)數(shù)器的累加數(shù)，這樣當(dāng)累加計(jì)數(shù)達(dá)到M時(shí)分頻器輸出信號(hào)上升沿到達(dá)，它通過單穩(wěn)21首先將累加計(jì)數(shù)值存入緩沖器，爾后對(duì)計(jì)數(shù)器26、計(jì)數(shù)器27清零，再進(jìn)行下一個(gè)M次累加計(jì)數(shù)過程。緩沖器24、緩沖器25的輸出則供圖1中的數(shù)碼顯示器10顯示累加計(jì)數(shù)的結(jié)果。
本實(shí)用新型中的發(fā)射電路2與普通超聲波測(cè)量?jī)x器的發(fā)射電路相同，接收放大器4則為普通的寬帶放大器，超聲波換能器3可選氣體、液體、固體超聲波換能器，計(jì)數(shù)時(shí)基脈沖發(fā)生器6也可由普通的晶體振蕩電路實(shí)現(xiàn)，分頻器8由TTL數(shù)字電路組成，數(shù)碼顯器也為常規(guī)的多個(gè)七段數(shù)碼顯示器及相關(guān)電路組成。
權(quán)利要求1.一種回波到回波式聲速測(cè)量?jī)x，由主控振蕩器(1)，發(fā)射電路(2)，接收放大器(4)，回波檢測(cè)器(5)，計(jì)數(shù)時(shí)基脈沖發(fā)生器(6)，門電路(7)，分頻器(8)，數(shù)字累加計(jì)數(shù)器(9)，數(shù)碼顯示器(10)，超聲換能器(3)和殼體(11)組成，其特征是，在殼體(11)內(nèi)，將主控振蕩器(1)的輸出先與發(fā)射電路(2)，分頻器(8)的輸入相連接，發(fā)射電路(2)的輸出連接線通向殼體(11)外，與殼體(11)外面的超聲換能器(3)的一端連接，超聲換能器(3)的另一端連接線進(jìn)入殼體(11)與殼體(11)內(nèi)的接收放大器(4)的輸入相連，接收放大器(4)的輸出與回波檢測(cè)器(5)的一個(gè)輸入相連，回波檢測(cè)器(5)和計(jì)數(shù)時(shí)基脈沖發(fā)生器(6)的輸出與門電路(7)的兩個(gè)輸入相連接，門電路(7)和分頻器(8)的輸出同時(shí)與數(shù)字累加計(jì)數(shù)器(9)的輸入相連接，數(shù)字累加計(jì)數(shù)器(9)的輸出與數(shù)碼顯示器(10)相連；主控振蕩器(1)的輸出還直接與回波檢測(cè)器(5)的另一輸入相連，藉此來(lái)消除檢測(cè)回波與計(jì)數(shù)時(shí)基脈沖之間的相關(guān)性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的聲速測(cè)量?jī)x，其特征是，更換超聲換能器(3)即可適合測(cè)量氣、液、固體中的聲速。
專利摘要一種回波到回波式聲速測(cè)量?jī)x，由殼體，主控振蕩器，發(fā)射電路，超聲換能器，接收放大器，回波檢測(cè)器，計(jì)數(shù)時(shí)基脈沖發(fā)生器，門電路，分頻器，數(shù)字累加計(jì)數(shù)器，數(shù)碼顯示器組成，并采用主控振蕩器振蕩周期存在的抖動(dòng)來(lái)消除回波檢測(cè)器輸出方波與計(jì)數(shù)時(shí)基脈沖之間的相關(guān)性，使數(shù)字累加計(jì)數(shù)器的累加平均有意義，提高了測(cè)量精度，本實(shí)用新型是一臺(tái)獨(dú)立完整的適用于氣、液、固體中的聲速測(cè)量的儀器，并具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，攜帶、使用方便，測(cè)量精度高等的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01H5/00GK2233571SQ9524338
公開日1996年8月21日 申請(qǐng)日期1995年1月23日 優(yōu)先權(quán)日1995年1月23日
發(fā)明者劉鎮(zhèn)清 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)