专利名称：时间门超声探测装置与方法
技术领域：
本发明涉及予定间距内测量材料的物理性质的超声探测器，尤其是时间门超声探测器。
已有各种超声测距系统和超声液面测量系统。比如，Ellinger等在美国专利4，815，323中提出了一种“回波测距”超声换能器以发送超声信号，它从航空燃料箱内的液面反射回並被检测。从发送到接收的往返时间被测量出来，並根据往返时间和贮存的数据由中央处理器计算出燃料的量和密度。
在美国专利4，299，114的另一种超声探测器中，Silvermetz等提出了由发送和接收超声换能器间的超声传输使一电路的反馈环闭合，並当反馈增加到予定量时，该电路振荡。当容器内的物质平面上升到安装发送和接收换能器的位置时，通过该材料的较高反馈量使电路起震。这一类型要求有液体时的反馈量和空气中的反馈量间的差别较大时才能稳定工作。通过探测器体内的不良反馈也会降低稳定度。假若材料中俘获有空气，也会使反馈降低而使探测失败。这类探测器一般比较大，不适合于通过3/4英寸的美国标准锥形螺纹孔(NPT)等小孔插入容器内。这类探测器中，换能器校准失误也会减小通过材料的反馈而使探测失败。
超声探测器也可以检测(接收)晶体上背对背地安装一附加晶体(换能器)来进行自测。驱动该附加晶体，以便在气隙中没有被测材料时激励接收晶体以实现反馈，这样可以测试接收晶体的功能。这不能完全测试探测器检测气隙中有被测材料时的探测能力，因为它不能检测晶体已完全脱离探测器体的情况。並且，这种安排增加了总的体积以及探测器和布线的复杂性。
Silvermetz等在美国专利4，299，114中发明了另一种自测配置在测试方式下，超声系统监测发送晶体和接收晶体间通过一支撑结构的超声传输。这些晶体被连接在一振荡器的反馈环内，当系统可以工作时它起振。若通过支撑结构传播的超声信号的幅度足以维持振荡就认为系统可以工作。但是，当探测器是用塑料支撑结构，这种配置就不易很好工作，因为塑料中的衰减降弱反馈，並且它维持振荡困难。
本发明涉及时间门超声探测器，它根据超声信号通过给定间距时的速度来测量该间距内某种材料的物理性质。比如，通过检测给定间距内有无液体来探测一容器内的液面位置。
该超声探测器包括至少一个与支撑结构相连並与予定间隙相邻近的超声换能器，以便发送和接收超声信号。该超声信号包括通过予定间隙传播的主波形和沿支撑结构传播的自测波形。探测器监测收到的超声信号，以便检查在主时间窗口中接收信号中是否存在主波形，以及监测在自测时间窗口内是否存在自测波形。该探测器根据在主时间窗口内是否存在主波形来检测给定间隙内材料的物理特性(它可以是各种固液、浆体、泡沫或者其它处理材料)。该探测器也根据自测时间窗口是否存在自测波形来确探测器的工作是否正常。
通常，超声信号在液体中的传播比在气体(可以是空气或某种处理气体)快，並且在固体中又比液体快。在一种实施例中，探测器通过测量给定间隙内是否有液体来检测液面的高度。主窗口内有主波形是取决于超声信号是通过液体传播还是通过气体传播，因为它们的传播速度不同。若主窗口中有主波形，则超声信号是通过液体传播的。若主窗口中没有主波形，则超声信号是通过气体传播的，因为这时要接收到主波形要求较长时间。
该探测器可以同时测量材料的密度和材料面的高度，因为信号通过材料的时间与材料的密度有关。在该实施例中，其时间窗口可以调节到既检测材料的密度又检测气隙内有无被测材料。若知道两种材料的密度，该超声探测器还可探测气隙中两种材料的界面位置。
在又一实施方案中，超声探测器包括一发送换能器和一接收换能器，其间是一予定间隙。支撑结构由发送换能器和接收换能器之间的一个支承杆或若干支承杆组成。在另一实施例中，支撑结构是一种器皿或者管，它有一园周壁和一内部直径，它确定了(发收换能器间的)间隙。发送换能器和接收换能器与器皿壁相连，以便超声信号能从发送换能器穿过该间隙传送到接收换能器。
在另一实施方案中，该超声探测器包含单个换能器，它既发送又接收超声信号。在该实施例中，支撑结构是通过间隙与该换能器正对着的一个超声反射面，以使从换能器产生的超声信号通过该间隙到达该反射面，再返回到该换能器。该反射面可以有一中凹的表面，其曲率应选择成能把反射的信号聚焦並通过该间隙送到该换能器。在支撑结构是一容器或管子的实施方案中，该单一换能器应接到容器壁以使从换能器发出的超声信号能穿过内直径到达与换能器对着的容器壁並反射回该换能器。
本发明的时间门配置中也提供了利用在支撑结构中传播的自测波形来测试该超声探测器功能完整性的精确而可靠的方法。因为一般超声在固体中的传播比在液体和在气体中快，由于支撑结构是固体材料，所以接收到的第一个波形是沿支撑结构传播的自测波形。收到的第二个波形是穿过间隙传播的主波形。对每一个发射信号总存在自测波形。
该探测器监测予定自测时间窗口期间收到的超声信号以检测自测时间窗口内是否存在自测波形。自测波形存在与否是探测器功能是否正常的标志。这种方法可测试每一个换能器的功能以及换能器检测穿过间隙的液体的能力。若接收换能器脱离支撑结构，由于自测波形不会穿过支撑结构传播，这种失效将会被检测出来。即使处理材料在间隙内並且没有附加的背对背换能器来分别测试发送和接收换能器，也可以连续自测。这种方法减小了整个探测器的复杂性和尺寸。
图1是根据本发明的时间门超声探测器的剖视图。
图2是本发明的附着在管子上的时间门超声探测器的剖视图。
图3给出了图1和图2所示的超声探测器所接收到的主波形和自测波形。
图4是本发明的超声探测器的电原理图。
图5是图4所示超声探测器电路各点信号的波形。
图6是图4所示超声探测电路中的主波形检测脉冲和自测波形检测脉冲的时间图。
图7是本发明的单晶体超声探测器的剖面图。
本发明是一种时间门超声探测器，当该探测器查看通过探测间隙传播的主波形以及通过探测器体传播的自测波形时，以在指定的时间或“窗口”期间门控接收晶体所接收到的超声信号来探测予定间隙内被测材料的物理特性。主窗口内有无主波形表示的间隙内有无被测材料，而在自测时间窗口内有无自测波形则表示该探测器的功能是否正常。
图1是本发明的超声探测器的剖面图。探测器10包括支撑结构12。超声发送换能器(晶体)14和超声接收换能器(晶体)16。支撑结构12包括支承臂18和间隙20。支承臂18也称为桥。换能器14和16安装在支撑结构12上以使它们可通过间隙20以及沿支承臂18发送和接收超声信号。支撑结构12可以用各种材料比如金属或者塑料制成。在一种典型的结构中，换能器14和16被安装在被紧固在支承臂18上的半壳形的结构12上的一对空腔内。支承臂18由固体金属或塑料制成，它上面有凹槽以便引线36穿越。然后把整个探测器13密封。
发送换能器14通过电线32连到发射器30。发射器30周期性地提供电子发送脉冲通过电线32到换能器14。当发射器30向发送换能器14送出发送脉冲时，该脉冲就激励换能器14，使换能器在其自然频率上谐振。换能器14发出通过间隙20和支承臂18传播的超声信号。经间隙20传播的超声信号称为主波形，而经过支承臂18传播的信号称自测波形。
接收换能器16通过电线36接到接收器34。接收换能器16把超声信号22变成电信号加到引线36上。
穿过间隙20所吸收的超声信号22与间隙内材料的密度成反比。因此，当间隙20内无液体时，主波形的衰减远大于间隙内存在液体时的衰减。在高频比如几千赫芝或更高时，衰减特别大。当间隙空时，通过间隙传播的信号基本上是零信号。当间隙充满液体时，换能器16接收到主波形。主波形使换能器16谐振並在引线36上产生电信号。这样，接收换能器16上的主波形是否存在就表示间隙20内有无液体。
对每一发送脉冲总存在穿过支承臂18的超声信号22(自测波形)。该信号可用于自测功能。不管间隙20内有无被测材料均可连续自测。该自测功能将在后面详细讨论。
探测器10可用以测量间隙20内材料的物理特性。比如，可通过探测间隙20内有无液体，而用探测器10来测量一容器内的液面位置。探测器10可以紧固在一法兰装配接合件上，比如标准的NPT3/4吋接头。然后把这种接头紧固到包含被测材料的容器壁上。正如后面将详细说明的，本发明的探测器可以被做得能装进很小的配件内，使它有很大的灵活性以适于各种用途。
本发明的时间门超声探测器並不要求发送接收换能器一定要连到如图1所示的常用探测器“支承臂”上。这两个换能器可以被分别制造，只要它们被能产生自测波形的某种结构相连就行。这样可以把它们安装在任何壁厚度的任何材料构成的任何形状的容器或管子上，只要发送和接收换能器被安装得如图2所示的互相对着就行。
图2是根据本发明把超声探测器附着在管子上的剖视图。发送换能器40和接收换能器42被安装在管子44的壁43上以使它们互相面对。管子44包括每一内径46，它称为“间隙”。主波形48从发送换能器40沿内径46传向接收换能器42。自测波形50沿园周壁43从发送换能器40传到接收换能器42。与图1的支承臂18类似，壁43起支承臂的作用。固而壁43替代了支承臂18。
图3是图1和图2中的接收换能器16和42所接收到的主波形和自测波形的时间图，它说明了接收到的超声信号的幅度与时间的关系。超声信号在液体中的传播比在气体中快，且在固体中传播又比液体中快。所以，超声信号22沿间隙20传播的速度取决于该间隙中有没有液体存在(即液体面高度)。由于超声信号在固体中传播比在液体中快，接收到的第一个信号是沿支承臂(或支承臂)传播的自测信号60。第二个接收信号是穿过间隙中的液体传送的主波形62。自测信号60的幅度在该信号第一次到达的其峰值幅度DO之后趋近于零。主波形62之后是由于沿间隙多次反射产生的后续波形64a到64f。点线所示的波形66表示穿过空气(间隙内无液体)传送所接收的信号。与通过液体传送的波形62和64a～64f相比，波形66的到达相当迟並且幅度相当小。
在先前技术中所用的振荡器型超声探测器中，发送和接收换能器被接到一反馈环中，在间隙中没有处理材料时，该环是稳定的，这称为“干”条件。当材料进入该间隙时，该电路进入振荡状态，这称为“湿”条件。这种振荡器型设计存在许多本发明中遇不到的问题。首先这种干/湿信号比可能不能大到足以使其稳定工作的程度。这可能是由于太多的信号通过探测器的支承臂传走，或者是由于在空气中的衰减只稍稍比处理材料中的衰减大所造成的。其次，被测材料的一致性也会影响探测器的性能。若材料中有很高密度的包裹着的空气，电路也不能起振。
本发明中，当要测量液面位置时，就在主时间窗口测量主信号的幅度，而从支承臂来的信号处于另一时间(依穿过支承臂的时延或者在主时间窗口之前或者在其后)，因而不存在互相干扰。该支承臂
一定是直的，也可以是“U”型的，螺管状的或者其它较长形状以
成较长的超声路径，把自测波形延迟到主波形之后。另一方面，当测量密度时，被测参量是时间，而不是幅度。並不像现有技术那样用幅度来维持振荡。其等效的“干/湿”比总是相当高。这大大改善了质量和可靠性。其等效的干/湿比W1/D1是通过间隙中的被测材料传播的“湿”信号62的幅度W1，与在收到该湿信号62时通过探测器的支承臂传播的“干”信号60的幅度D1之比。因为这时比通过探测器支承臂传播的初始到达的信号60延迟很多，其幅度C1也远小于其峰值幅度DO。如果穿过间隙接收的第一信号太接近于峰值幅度DO，可用此后反射的信号来得到较大的等效“干/湿”比。振荡器型超声探测器的干/湿比是W1/DO，它小于W1/D1。
图4是本发明的时间门超声探测器的构成原理图。该电路包括探测器10、发送器30、接收器34、时间门块70、主波形检测/比较块72、自测波形检测/比较块74、主波形积分块76和自测波形积分块78。时间门块70产生开门信号，它在一定时间“门控”检测/比较块72和74以打开窗口以使积分块76和78寻找接收器34接收的主波形和自测波形。积分块76和78提供较出80和82，它们分别表示在其相应的时间窗口内有没有主波形和自测波形。主波形存在与否表示探测器10的间隙20内有没有液体。自测波形存在与否表示探测器10是否完好。自测波形的幅度可用以测量探测器质量的退化程度。
探测器10包括发送换能器14和接收换能器16。发送器30连接在发送换能器14和时间门块70之间。发送器30包括一振荡器电路，其工作的典型重复频率从10赫到5千赫。每一个振荡器周期，发送器30用延续时间为1/4到1/2的发送换能器自然发送周期的25伏的发送脉冲来激励发送换能器14。该发送脉冲使发送换能器谐振，並产生穿过间隙20和支承臂18(见图1)传播的超声信号22。该超声信号22被接收换能器16接收。接收换能器16把表征超声信号22的电信号加到高通滤波器84。高通滤波器84把已滤波的信号送给放大器86。在放大器输出88是放大了的已滤波信号。
时间门窗口是由时间门块70根据发送器30产生的发送脉冲的上升沿(图4)产生的。时间门块70包括电容器C1、C2和C3，电阻R1、R2和R3和反相器I1、I2、I3和I4组成。电容器C1连到发送器30和反相器I1之间。电阻R1接在地线90和电容C1和反相器I1的结点之间。电阻R1是一可变电阻，其中心抽头92接到电容C1和反相器I1的结点上。反相器I1的输出产生主波形开门信号。
电容C2接在发送器30和反相器I2。电阻R2连到地与电容C2和反相器I2间的结点之间。电阻R2是可变电阻，其中心抽头接到电容C2和反相器I2的结点上。反相器I2的较出是发送脉冲禁止信号。
电容C3接到发送器30和反相器I3之间。电阻R3接到地线90与电容C3和反相器I3的结点之间。电阻R3是可变电阻，其中心抽头接到电容C3和反相器I3之间的结点上。反相器I3接到反相器I3的较出。反相器I4的输出产生自测波形门控信号。
每一发送脉冲的上升沿98被时间门积分器70的三个RC时间常数积分。电容C1和电阻R1形成第一个时间常数，它控制主波形开门信号的时长，该信号是高电平有效。电容C2和电阻R2形成第二个时间常数，它控制发送脉冲禁止信号有效的时间长度。电容C3和电阻R3形成第三个时间常数，它控制自测波形开门信号有效状态的时长。这些信号将在图5中说明。
图5是具有短支承臂的时间门超声探测器在一个发送器30周期内各个信号波形的时间图。该图表示了信号幅度与时间的关系。放大器的输出88示于该图最上部。到达的第一个波形是发送脉冲波形100。该波形是发送换能器14在其开始振荡时产生的。由于超声信号在固体中的传播比在液体和在气体中快，第二个到达的波形是穿过探测器支承臂18传播的自测波形102。第三个到达的波形是穿过探测器间隙20中的液体传播的主波形104。第四个到达的波形是由间隙20反射造成的主波形104的回波信号。
波形108是自测波形开门信号。当(图4所示的)上升沿98到达时间门发生块70时，自测波形开门信号变高。在电容C3和电阻R3形成的第三时间常数之后，自测波形开门信号变低。
波形110是发送脉冲禁止信号。该发送脉冲禁止信号在发送脉冲的上升沿98时变低，並在由电容C2和电阻R2决定的第二时间常数内维持低电平。在该第二时间常数之后，发送脉冲禁止信号变高。第二时间常数的选择应暂时禁止检测/比较块72和74，以阻止检测发送脉冲波形100。
发送脉冲禁止信号110和自测波形开门信号108在与非门114(图4)进行逻辑与非操作后，产生自测时间窗口116(图5)。自测时间窗口116的选择使自测检测/比较器74能在自测时间窗口116内检测到自测波形102的存在。在自测时间窗口116内存在自测波形102是探测器功能正常的标志。自测时间窗口116中不存在自测波形102表示探测器不能正常工作。
波形112是主波形开门信号。在发送脉冲上升沿98时，主波形开门信号112变低，並在电容C1和电阻R1决定的第一时间常数内维持低电平。在该第一时间常数后，主波形开门信号112变高。主波形开门信号112和发送脉冲禁止信号112在与非门118(图4)进行逻辑与非操作，以产生主波形时间门窗口120(图5)。主波形时间门窗口120允许主波形检测/比较器块72只在该主波形时间门窗口期间检测是否存在主波形104。若在主波形时间门窗口120内有主波形104，则超声信号是通过液体传播的。若主波形时间门窗口120内没有主波形104，则超声信号是通过空气传播的，因为要经过更长时间才能收到主波形信号。並且主波形104在空气中的衰减会使接收换能器16接收的信号基本上是零信号。该主波形时间门窗口120在每一发送器30的周期结束时关闭。但是，可以方便地修正时间门发生块70以使主波形时间门窗口在每一周期结束之前关闭。
主波形检测/比较块72接到放大器86和主波形积分器块76之间。块72包括电阻R4，比较器122和与非门118。电阻R4接在电压源V+和地线90之间。可变电阻R4的中心抽头124接比较器122的非反相输入。比较器122的反相输入接放大器的输出88。比较器122的输出接到与非门118。与非门118产生主波形检测输出126。
中心抽头124给比较器122的非反相输入提供一门限电压。比较器122将放大器输出88的幅度与该主波形门限电压相比较。主波形门限电压通过调节电阻R4的中心抽头124来设定。该门限的调节应使主波形时间门窗口120期间出现所期望的主波形104(图5)幅度。该值随所用的探测器类型、激励频率、探测器的尺寸、间隙中被测材料的物理性质和放大器86增益而不同。比较器122的输出与主波形开门信号112和发送脉冲禁止信号一起接到与非门118，以便只在主波形时间门窗口120期间检测主波形104。
自测波形检测/比较器块74接到放大器86和自测波形积分块78之间。块74包括电阻R5，比较器128和与非门114。电阻R5接到电压源V+和地90之间。该可变电阻R5的中心抽头130接比较器128的非反相输入端。放大器输出88接比较器128的反相输入端。比较器128的输出接到与非门114。与非门114产生自测波形检测输出132。
电阻R5的中心抽头130产生自测波形门限电压。该自测波形门限电压可通过调节中心抽头130来调整，以使自测波形时间门窗口116内的自测波形102为期望的幅度。放大器输出88的幅度和自测门限电压在比较器128做比较。比较器128的输出和自测波形开门信号108以及发送脉冲禁止信号110一起送到与非门114，以便只在自测时间门窗口116期间检测自测波形102。
图6给出了短支承臂探测器的主波形检测输出126和自测波形检测输出132的时间图。图6表示了检测器波形126和132的幅度与时间的关系。对较长的支承臂，自测波形可比主波形后到。主波形检测器输出126包括相应于主波形104(图5)的一系列脉冲134，还包括相应于回波106的一系列脉冲136。自测波形检测器输出132包含相应于自测波形102(图5)的一串脉冲138。在主波形检测器输出132有脉冲串134表示在主波形时间门窗口120内有主波形104。同样，自测检波器输出132有脉冲串138表示在自测波形时间门窗口116内有自测波形102。
主波形检测器输出126被主波形积分器块76积分。自测波形检波器输出132由自测波形积分器块78积分。块76包括反相器I5、主波形计数器及保持电路140和主波形继电器驱动器142。反相器I5接在与非门118和主波形计数及保持电路140之间。主波形计数及保持电路140处于I5和主波形继电器驱动器142之间。主波形计数及保持电路140在每一发送器30的振荡周期内对与非门118所接收的脉冲计数。当每一振荡周期内所计的脉冲数超过给定值(比如3)时，计数器就在输出146产生一信号，以指示在主波形时间门窗口120内存在主波形。
信号146加到主波形继电驱动器142，由它产生主波形输出信号80。主波形计数及保持电路140有一复位输入148，它接到发送器30。在发送器30的每一发送周期的开头，发送器30提供一复位脉冲使主数器和保持电路140复位。通过在给定持续期内对脉冲的数目计数，电路140可以消除对主波形104的假检出。
如前所述，图6中的第二组脉冲136表示在探测器间隙内的回波106(图5)。主波形门限电压可以调节到在放大器输出88的回波106不会在主波形计数及保持电路140的输出产生回波106。但是，这没有必要，因为在每次检测之后计数器的状态将保持在给定的脉冲数，直到被复位为止。
同样，自测波形检测器输出132被自测波形积分器块78所积分。块78包括反相器I6、自测波形计数及保持电路150和自测波形继电驱动器152。反相器I6接到与非门114和自测波形计数及保持电路150之间。电路150接在I6和自测波形继电驱动器152之间。自测波形计数及保持电路150在一发送周期内对自测波形检测器输出132的脉冲数进行计数。当所计的脉冲数目超过一给定值(比如3)时，电路150发送一输出信号154到自测波形继电驱动器152。自测波形继电驱动器152产生自测波形输出82，它表示在自测波形时间门窗口116内是否存在自测波形102。自测波形计数及保持电路150包括一复位输入156，它来自发送器30。电路150在每发送周期的开头被发送器30来的复位脉冲所复位。
主波形输出信号80是探测器10的间隙20内是否存在液体的表示。本发明的时间门超声探测器可用于检测容器内的液体何时达到指定水平。将探测器10装在该指定水平，当液体上升並进入间隙20，超声信号穿过间隙传播的速度就增加，这样，在主波形时间门窗口120内，接收换能器16就能检测到主波形的到达。主波形输出信号80将指示间隙20内有液体。
因为超声信号穿过某材料传播所用的时间与该材料的密度有关，所以这种时间门设计方案可以同时测量材料的密度和界面位置。材料密度的测量是根据穿过该材料时的信号速度，用测量传输时间来反映材料密度的。一般地，当测量密度时，是用自动增益控制(AGC)来控制主波形幅度的。在知道两种材料的密度时，这种探测器可以根据信号速度的变化，来探测间隙中两种材料间的界面。
自测试输出82是探测器10完好的表示。如果探测器10起作用，通过探测器支撑臂18的自检测波形应当随着每一个发送脉冲而始终存在。这就有许多优点。即使间隙中有加工材料也能连续自检测而不增加寄生晶体以单独测试每一个换能器。探测器10的总尺寸可以因此而减少以适应广泛多样的应用。
尤其，这种结构检测探测器的全部功能，而非单个的探测器。这个探测器体用粗的支撑臂来构造以增强机械的完整性。在臂中没有必要象现有技术的振荡器型探测器那样限制信号强度。如果通过支撑臂的信号传输具有高振幅将改善而非削弱性能。
传感测试点(SenSingPoints)可以一起较密地放在多点探测器中(multiPointSenSors)因为这里没有每个探测器之间的串扰，在大约1毫秒内超声信号振幅降低到无意义的水平。因为每一点需要较少的线，大量的检测点是允许的，而且支撑臂可以被制成机械强度高的。需要较少的线是因为不再需要自检测寄生晶体。
相同的性能可以仅用一个换能器来完成。在这个实施例中，被测的超声信号是自换能器从间隙的另一端的表面被反射回的。例如，图7是本发明单一换能探测器的剖面图。探测器160包括体162，桥164，反射器166，换能器168及间隙170向反射器166发射入射波172。从反射器166返回的反射波174穿过间隙170到换能器168。反射器166做成使其邻近间隙170的表面能把反射波174聚焦返回晶体168。在图7所示的实施例中，该表面是具有正确曲度以把反射波174聚焦到晶体168的一种机械做成的凹面。但是，反射器166可以是一般的平面。
图2所示的实施例也可以做得只有单个发送器，它发送並接收超声波。在这种实现方案中，主波形48从换能器40沿内径46传播，並从壁43反射回换能器40。自测波形50沿管子或容器44的壁43传播整整一圈並返回换能器40。
本发明的时间门配置也用于从探测器支撑臂(或者支持壁)中产生的噪声波形中有鉴别地接收主波形。如果探测器支承臂产生的信号不是用于自测功能，则支承臂中的信号就是噪声波形。这种噪声波形一般认为是发送换能器和接收换能器间的串扰。当噪声波形的幅度远小于主波形的幅度时，主波形开门信号可使只在主波形时间门窗口期间进行主波形检测。这提供了相当宽的容限，以便通过调节主波形门限电压抑制掉噪声波形。所以，噪声波形並不干扰主波形。
本发明的时间门超声探测器实质上可用于在给定的间距内测量材料物理特性的任何应用场合。尽管本发明是参照所列的实施例说明的，熟悉这方面技术的人员会发现可对它做形式上或细节上的改变而不背离本发明的精神和范围。比如，放大器输出88(图4)和门限电压间的比较可用划定时间门窗口的微处理器来实现。计算机控制的软件程序也可进行这种比较。数字信号处理机(DSP)集成电路也可用以替代所示电路。当自测信号幅度太大以致在主时间窗口造成干扰时，可以把支承臂做得不连续以加大其衰耗。这种不连续性可以在支承臂上做一些环绕的肋，间之以环状纹，这些纹可以是矩形的、倒三角形的或者三角形的。这些肋作为谐振元件並吸收沿支承臂传播的信号。不连续的密度(thicknesses)最好间隔1/4波长並且离开该支承臂约半个波长。对同一支承臂，不同的尺寸可用不同的胁以便复盖一个波长段。支承臂不一定要置于探测器的一边，也可以置于探测器的中心轴上。
权利要求
1.一种检测给定间隙内是否有材料存在的方法，该方法包括所提供的超声探测器的换能装置通常连接到与该给定间隙相邻近的支撑结构上；给该换能装置上加脉冲所产生的超声信号在该给定间隙内有一主波形；在该信号穿过该给定间隙后用一换能装置接收该超声信号；在一主时间窗口内监测所接收的超声信号以判定该主时间窗口内是否存在主波形；並且根据该主时间窗口内主波形的是否存在提供一表征该给定间隙内是否有被测材料存在的输出。
2.权利要求1的方法，其所提供的超声探测器的换能装置是由发送换能器和接收换能器组成，它们由给定间隙隔开並由支撑结构相连。
3.权利要求1的方法，其提供超声换能器的步骤包括所提供的换能装置是一个换能器以发送和接收超声信号;並且提供的支撑结构具有一隔着给定间隙与该换能器正对着的超声反射表面以便从该换能器发出的超声信号能传到该反射面再返回到该换能器。
4.权利要求1的方法，其监测所接收的超声信号的步骤包括把该接收的超声信号加到一主波形检测器;用一主波形允许信号来产生其主时间窗口，在给换能装置加激励脉冲后的第一予选时间段内该主波形允许信号有效並且在主时间窗口期间它维持有效状态;以及把该主波形允许信号加到该主波形检测器以便在其主波形时间窗口期间允许检测主波形。
5.权利要求4的方法，其监测所接收的超声信号的步骤中还包括用一发送禁止信号产生其主时间窗口，在给其换能装置加激励脉冲之后的一第二予选时段内该发送禁止信号维持无效以阻止换能装置在主波形之前产生的初始发送脉冲波形被检测;並且把该发送禁止信号加到其主波形检测器以便在该发送禁止信号无效时禁止该检测器工作。
6.权利要求4的方法，其监测接收的超声信号的步骤还包括提供一主波形门限电平;将接收的超声信号幅度与该主波形门限电平相比较;产生一表征该比较结果的比较输出;当主波形允许信号有效，并在主时间窗口期间把该比较输出加到一主波形积分器;並且在其主波形允许信号无效时並且在该主时间窗口之外阻止比较输出信号到达积分器。
7.权利要求6的方法，其提供表征被测材料是否存在的输出表示的步骤包括用其积分器对其比较输出积分以判定是否存在主波形;並且产生一表征主波形存在的输出信号。
8.权利要求7的方法，其产生一比较输出的步骤中还包括在所接收的超声信号超过其门限电平时产生一系列脉冲，並且其积分的步骤包括在其主时间窗口内对其比较输出中的脉冲数目计数;並且根据所计的脉冲数目产生其表征是否存在主波形的输出。
9.一种测量给定间隙内材料的物理性质的超声探测器，该探测器包括一支撑结构;与该支撑结构相连並与该间隙相邻接的换能装置以发送並接收通过该间隙的具有主波形的超声信号;与换能装置相连在发送这些信号之后的主时间窗口期间监测所接收的超声信号的装置，以探测所接收的超声信号是否存在主波形;並且与该监测装置相接以便根据主窗口内是否存在主波形以探测间隙内的材料的物理性质的装置。
10.权利要求9的超声探测器，其换能装置包括被间隙隔开的发送换能器和接收换能器。
11.权利要求10的超声探测器，其支撑结构是由发送换能器和接收换能器间的桥构成。
12.权利要求10的超声探测器，其支撑结构是由具有环形壁的容器构成，其内径构成所述间隙，换能装置与容器壁相连以便超声信号可从发送换能器通过间隙这一第一路径和沿环形容器壁的第二路径传送到接收换能器。
13.权利要求9的超声探测器，其换能装置是一个换能器，它既发送又接收超声波信号。
14.权利要求13的超声探测器，其支撑结构有一隔着间隙与换能器正对的超声反射面，以便从换能器经第一路径传播的超声信号穿过其间隙到达该反射面再返回该换能器。
15.权利要求14的超声探测器，其反射面是一具有予选曲率的凹面以把反射信号通过间隙聚焦到其换能器。
16.权利要求14的超声探测器，其支撑结构还包括一与换能器和反射面相连的桥，以便把换能器发出的通过桥在第二路径传播的超声信号再通过桥返回该换能器。
17.权利要求13的超声探测器，其支撑结构包括一具有环形壁的容器以及确定间隙的内径，换能器连在该壁上从换能器发出並在第一路径内传播的超声信号穿过其内径到达与该换能器对着的容器壁表面再反射回该换能器，並且从换能器发出在第二路径沿环形壁传播的信号再返回该换能器。
18.权利要求9的超声探测器，它还包括一与换能装置相连的振荡器，它周期性地产生一发送脉冲以激励其换能装置並使换能装置产生主波形。
19.权利要求18的超声探测器，其监测装置包括一产生主波形门限电平的门限发生器;一与该门限发生器和所接收的超声信号相连的比较器，以产生表征接收的超声信号和主波形门限电平比较结果的输出，並在每次接收的超声信号幅度超过主波形门限电平对该比较输出就产生一个脉冲;一个与该比较输出相连以在主时间窗口期间对比较输出的脉冲数目计数的计数器，该计数器还根据所计的脉冲数目产生一表征主时间窗口期间是否存在主波形的主波形输出信号;以及接在该振荡器和计数器之间的复位电路，以在收到每一发送脉冲时把该计数器复位。
20.权利要求18的超声探测器，並且它还包括接到其振荡器和其监测装置之间的时间门发生装置，以接收发送脉冲並产生允许信号，以便只在所选定的包括主时间窗口的时间窗口内允许监测装置监测其超声信号。
21.权利要求20的超声探测器，其时间门发生装置产生一主波形允许信号，它在收到发送脉冲后面的某第一予选时段之后有效並在主时间窗口期间维持有效，该主波形允许信号送到监测装置以便只在主时间窗口期间该允许信号有效对才监测接收的超声信号。
22.权利要求21的超声探测器，其时间门发生装置包括一第-RC网络，它根据一第一RC时间常数来产生其主波形允许信号。
23.权利要求20的超声探测器，其时间门发生装置产生一发送脉冲禁止信号，该信号在换能装置因发送脉冲的激励在传送主波形之前发送发送初始波形时禁止监测装置工作。
24.权利要求23的超声探测器，其时间门发生装置有一根据第二RC时间常数产生该发送脉冲禁止信号的第二RC网络。
25.权利要求20的超声探测器，其换能装置发送並接收沿支撑结构传播的自测波形超声信号，並且该探测器还有监测接收的超声信号的装置，以监测在一自测时间窗口内是否存在该自测波形，其监测自测波形的装置接在换能装置和时间门积分装置之间。
26.权利要求25的超声探测器，其时间门发生装置一在自测时间窗口期间有效的自测允许信号並加到监测该自测波形的装置上以便只在自测时间窗口期间监测其波形。
27.权利要求26的超声探测器，其时间门发生装置有一根据第三RC时间常数产生该自测允许信号的第三RC网络。
28.权利要求25超声探测器，其监测自测波形的装置包括一产生自测波形门限电平的门限发生器;一连接到该门限发生器和接收的超声信号的比较器，以产生一表征所接收的超声信号与自测波形门限电平比较结果的比较输出，每当接收的信号幅度超过其自测门限电平时该比较输出就产生一个脉冲。一接到该比较输出以在自测时间窗口期间对比较输出中的脉冲数目计数的计数器，它根据所计的脉冲数目产生一表征自测时间窗口期间是否存在测试波形的测试波形输出信号;以及接在振荡器和计数器之间以在收到每一发送脉冲时将计数器复位的复位电路。
29.一种在超声波材料界面探测器中从噪声波形内
别接收到主波形的方法，这种探测器中其主波形通过间隙从发送换能器传到接收换能器，其噪声波形通过连接这两个换能器的一支撑结构传播，这种方法包括脉冲激励其发送换能器的产生在间隙中传播的主波形和在其支撑结构中传播的噪声波形;用接收换能器接收其主波形和噪声波形;以及在一其噪声波形的幅度远小于其主波形幅度的一时间窗口期间检测主波形是否存在。
30.一种测试超声探测器好坏的方法，这种探测器的换能装置和一通常与给定间隙相邻近的支撑结构相连，这种方法包括脉冲激励其发送换能装置以产生在间隙中传播的主波形和在其支撑结构中传播的自测波形;在主波形和自测波形分别通过间隙和支撑结构后用该换能装置接收这些超声信号;在一予定的自测时间窗口内监测收到的波形以检测该时间窗口内是否存在自测波形;並根据自测时间窗口内自测波形是否存在提供一表征该探测器功能是否正常的自测输出。
31.权利要求30的方法，其监测所收到的超声信号以判定自测波形的步骤包括把其接收的超声信号加到一自测波形检测器;产生具有自测波形允许信号的自测时间窗口，该允许信号在脉冲激励发送换能器后的第一予选时段内有效並在自器时间窗口期间维持有效;並把该自测波形允许信号加到自测波形检测器以允许在其自测时间窗口期间检测自测波形。
32.权利要求31的方法，其监测接收的超声信号的步骤还包括产生带一发送禁止信号的自测时间窗口，该禁止信号在脉冲激励换能装置后的一第二予选时段内维持无效以便在主波形之前阻止检测换能装置产生的初始波形;並且把该发送禁止信号加到自测波形检测器以便在该发送禁止信号无效期间禁止该检测器工作。
33.权利要求31的方法，其监测接收的超声信号的步骤还包括提供一自测波形门限电平;将该接收的超声信号的幅度与自测波形门限电平相比较;产生一表征该比较结果的比较输出;在自测时间窗口期间自测波形允许信号有效时把该比较输出加到一积分器;並且在自测时间窗口之外该自测波形允许信号无效时阻止比较输出到达积分器。
34.权利要求33的方法，其提供表征探测器功能是否正常的自测输出的步骤包括用积分器对该比较输出积分以探测自测波形是否存在;並产生一表征自测波形是否存在的输出。
35.权利要求34的方法，其产生一比较输出的步骤是在接收的超声信号超过其自测波形门限电平时产生脉冲，並且其积分步骤包括在自测时间窗口期间对比较输出中的脉冲数目计数;並且根据所计的脉冲数目产生一表征存在自测波形的输出。
36.权利要求30的方法，它还包括在自测时间窗口之后出现的一予定的主波形时间窗口期间监测其接收的波形;並且若主波形时间窗口内存在主波形，就提供一表征其给定的间隙内有被测材料存在的输出。
全文摘要
时间门超声探测器测量给定间隙内材料的物理性质，比如材料是否存在。该探测器包括至少一个与一支撑结构相连并与给定间隙邻近的换能器以发射并接收超声信号。该超声信号包括沿给定间隙传播的主波形和沿其支撑结构传播的自测波形。探测器根据在一主时间窗口内是否存在主波形来判定给定间隙内是否有被测材料存在。并根据一自测时间窗口是否有自测波形来判断探测器功能是否正常。
文档编号G01V1/00GK1069123SQ9111261
公开日1993年2月17日 申请日期1991年12月30日 优先权日1991年7月29日
发明者亚历山大·J·埃辛, 鲍里斯·S·罗塞尔森 申请人:基·雷/森索尔有限公司