专利名称：一种回波到回波式声速测量仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及测量声速用的仪器装置目前声速测量可借助于超声测厚仪或由超声波发生一接收器、商用计数仪器及示波器等临时组合成的声速测量装置。超声波测厚仪是一种独立的采用脉冲回波法构成的仪器，具有结构简单，使用方便的优点，但这种仪器的测量精度受其内部计数频率的制约，存在±1个计数值的误差，且借助该仪器只能测固体声速。而用商用计数仪器等组合成的声速测量装置，具有可测固体、液体、气体三种介质的声速，但其测量精度受商用计数仪器的制约，为了达到高精度测量，必须配置昂贵的商用计数仪器，且因在使用前临时搭接组合，给携带、使用带来不便。
本实用新型的目的是提供一种独立完整的脉冲回波法声速测量仪，它采用回波到回波的超声波脉冲提取方式，进一步的目的是提供一种不依赖商用计数仪器的高精度低价格可测固、液、气三种介质的声速测量仪。
本实用新型是包括壳体，主控振荡器，发射电路，接收放大器，回波检测器，计数时基脉冲发生器，门电路，分频器，数字累加计数器，数码显示器和超声换能器的声速测量装置。其结构要点是，壳体内有主控振荡器，其输出分别与发射电路、分频器及回波检测器的各个输入相连接，其中主控振荡器与回波检测器的连接可以消除检测回波与计数时基脉冲之间的相关性，以此提高检测精度，发射电路的输出与壳体外的超声换能器的一端连接，超声换能器的另一端回进壳体内与壳体内的接收放大器、回波检测器、门电路依次串联形成一个回波到回波的线路，门电路另一输入与计数时基脉冲发生器的输出相连，其输出与数字累加计数器的输入相连，累加计数器的另一输入与分频器输出连接，其输出与数码显示器输入相连接，使该装置实现了与现有商用计数仪器不同的随机计数、算术平均功能，降低了计数量化带来的误差，另外，更换超声换能器的种类，即可用于测量固、液、气三种介质的声速。
本实用新型的特点是1.该装置不外接商用计数器或示波器，使装置成本大大下降，并且除超声换能器外，其余部分组装在壳体内，体积大大缩小。
2.采用了一种简易的回波到回波技术，使声速测量不受电路、电缆等延时的影响。
3.利用主控振荡器的频率漂移特性实现随机计数平均技术来提高计数准确度，大大降低了计数量化误差对脉冲回波计数法声速测量精度的限制。
4.选择固、液、气不同种类的超声波换能器，该装置可测固体、液体、气体的声速。
图1为本实用新型的结构原理框图图2为本实用新型回波到回波检测的时序图图3为主控振荡器电路的实施图图4为超声回波检测器电路的实施图图5为超声回波检测器电路的时序图图6为数字累加计数器电路的实施图结合附图详细说明本实用新型的构思、具体结构及实施。
图1为本实用新型的结构原理框图。壳体11内的主控振荡器1分别与发射电路2、回波检测器5、分频器8的输入相连，发射电路2的输出与壳体11外面的超声波换能器3一端连接，其另一端接进壳体11内并与接收放大器4相连，接收放大器4的另一端与回波检测器5相连，门电路7分别与计数时基脉冲发生器6、回波检测电路5及累加计数器9连接，计数器9的另外两端分别与分频器8、数码显示器10相连接。除超声波换能器3外，所有部分构成本实用新型的仪器部分，仪器部分用一壳体11封装，超声波换能器3则通过普通的高频电缆与仪器部分相连。
图2为本实用新型回波到回波检测的时序图。主控振荡器1产生周期为T的连续方波(见图2a)，该方波送发射电路2、分频器8及回波检测器5，在该方波上升沿的激励下，发射电路2产生一很窄的电压脉冲，该脉冲作用在超声波换能器3上，换能器3则发射出超声波(见图2b)，该超声波在介质中传播遇到反射面时即产生反射回波。反射回波到达换能器3后一部分能量被转换成相应的电压信号由接收放大器4接收，另一部分能量又返回介质，由此造成多次反射，形成回波I、回波II、回波III、……(见图2b)。接收放大器4将前两次回波信号放大到峰峰值为10V，且波形为饱和放大状态，该回波即可足以触发普通的TTL电路，供回波检测器5检测所需回波信号。回波检测器5在主控振荡器1发出的方波上升沿到来时开始工作，并在回波I到达时使回波检测器5的输出变高电平，回波II到达时输出回到低电平(见图2c)，这样回波检测器5输出的方波信号的宽度即代表回波I到回波II的时间。将回波检测器5输出与时基脉冲计数器6(波形见图2d)分别送入与门电路7的两个输入端，时基脉冲6则在回波检测器5的方波高电平中计数得如图2e所示波形。根据时基计数脉冲6的周期δ，若图2e的计数个数为N，则单次计数可产生回波I到回波II的时间值为Nδ±δ，它有±1个计数字的误差。分频器8的分频值M为计数器9的累计计数的次数；数码显示器10最终显示的值为M次计数后的数值，这样显示灵敏度为δ/M，测量的标准偏差为 。若数码显示器10最后给出的时间值为t，则根据超声波在介质中传播的距离l，可算出声速c＝l/t。
为了达到计数累加平均有意义，使测量精度有所提高，应保证回波检测器5的输出方波(见图2c)的出现时间与计数时基脉冲发生器6的输出信号之间互不相关、相互独立。为做到这一点，也可采用商用计数仪器中的计数时基脉冲产生随机抖动的电路，但这样做既不经济又使计数时基脉冲电路变得复杂，所以本实用新型采用主控振荡器1的振荡周期存在随机抖动，在超声传播时间确定条件下由它带动回波检测器5输出方波的出现时间产生随机抖动来消除回波检测器5的输入方波与计数时基脉冲之间的相关性，这样也可使累加计数平均有意义，又使本实用新型使用的计数平均电路较之商用计数仪器中使用的电路简单。
图3为主控振荡器的实施例，它是由非门12、13、14与电阻15、电容16组成的振荡器。非门12的输入来自非门14的输出，非门13的输出接电阻15的一端，电阻15的另一端接非门14的输入，非门13的输入来自非门12的输出，电容16的两端分别接非门12的输出及非门14的输入，非门14的输出作为可控振荡器的输出。本实用新型利用主控振荡器1输出方波周期不稳定的特点，来实现上述随机计数之目的。只要使这个随机抖动的时间幅度大于计数时基脉冲发生器产生的计数时基脉冲周期δ即可使累加计数平均有意义，本装置中主控振荡器1产生的方波周期随机抖动很容易使累加计数平均达到降低量化误差的效果。
图4和图5分别为回波检测器5的实施图和回波检测器5的时序。主控振荡器1发生的信号接单稳17的B输入端，在主控振荡器1上升沿到来时(见图5a)，触发单稳17动作产生一个脉冲(见图5c)，使单稳17输出的脉冲(图5c)宽度大于发射超声波的余波即可(防止触发器19误触发)。将单稳17输出Q端的负脉冲送至触发器19的清零端(CLR)，这时触发器19的输出Q端为低电平。经过接收放大器4放大的回波信号(见图5b)接至触发器19的CK端，直到回波I到达时(见图5b)触发器19翻转，输出Q端变为高电平(见图5d)。将触发器19的Q输出送至单稳18的B输入，单稳18则在触发器19发生信号的上升沿到达时(即回波1到达时)输出一脉冲(见图5e)，使此脉冲宽度大于回波1的宽度即可(防止触发器20的误触发)。将单稳18输出Q的负脉冲送至触发器20的清零端(CLR)，触发器20则在清零信号到来时输出端Q被置为低电平(图5f)。将回波信号(图5b)送至触发器20的CK端，图4b所示的回波II到达时触发器20翻转。因此触发器20的Q输出如图5f所示，它的正电平方波宽度即为回波I到回波II的时间，将触发器20的Q输出和门电路7的一个输入端相连，门电路7的另一端信号来自计数时基脉冲计数发生器6，这样门电路7输出的计数值即为单次回波I到回波II时间的计数值。
图6为本实用新型累加计数器9的实施图。计数器26的计数脉冲输入A来自图4中门电路7的输出。分频器8输出接图6中的单稳触发器21的输入B，这样当分频电路8输出的上升沿到达时单稳触发器21输出一个窄脉冲。单稳触发器21输出Q端接缓冲器24与缓冲器25的赋能端(锁存端)，单稳触发器21输出Q端通过电阻22与电容23组成的延迟电路与计数器26和计数器27的清零端连接。这样当单稳触发器21发出一脉冲时首先将计数器26与计数器27的计数值数据存入缓冲器24与缓冲器25，尔后将计数器26与计数器27清零后，在计数输入到达时再重新计数。单稳触发器21输出的脉冲宽度与图4中单稳触发器17输出脉冲宽度相仿。计数器26的最高位Qh再输出给另一个8位计数器27，以此形成16位累加计数。8位计数器26与8位计数器27的输出分别送入8位缓冲器24与8位缓冲器25，由于分频器8的分频数M即为累加计数器的累加数，这样当累加计数达到M时分频器输出信号上升沿到达，它通过单稳21首先将累加计数值存入缓冲器，尔后对计数器26、计数器27清零，再进行下一个M次累加计数过程。缓冲器24、缓冲器25的输出则供图1中的数码显示器10显示累加计数的结果。
本实用新型中的发射电路2与普通超声波测量仪器的发射电路相同，接收放大器4则为普通的宽带放大器，超声波换能器3可选气体、液体、固体超声波换能器，计数时基脉冲发生器6也可由普通的晶体振荡电路实现，分频器8由TTL数字电路组成，数码显器也为常规的多个七段数码显示器及相关电路组成。
权利要求1.一种回波到回波式声速测量仪，由主控振荡器(1)，发射电路(2)，接收放大器(4)，回波检测器(5)，计数时基脉冲发生器(6)，门电路(7)，分频器(8)，数字累加计数器(9)，数码显示器(10)，超声换能器(3)和壳体(11)组成，其特征是，在壳体(11)内，将主控振荡器(1)的输出先与发射电路(2)，分频器(8)的输入相连接，发射电路(2)的输出连接线通向壳体(11)外，与壳体(11)外面的超声换能器(3)的一端连接，超声换能器(3)的另一端连接线进入壳体(11)与壳体(11)内的接收放大器(4)的输入相连，接收放大器(4)的输出与回波检测器(5)的一个输入相连，回波检测器(5)和计数时基脉冲发生器(6)的输出与门电路(7)的两个输入相连接，门电路(7)和分频器(8)的输出同时与数字累加计数器(9)的输入相连接，数字累加计数器(9)的输出与数码显示器(10)相连；主控振荡器(1)的输出还直接与回波检测器(5)的另一输入相连，藉此来消除检测回波与计数时基脉冲之间的相关性。
2.根据权利要求1的声速测量仪，其特征是，更换超声换能器(3)即可适合测量气、液、固体中的声速。
专利摘要一种回波到回波式声速测量仪，由壳体，主控振荡器，发射电路，超声换能器，接收放大器，回波检测器，计数时基脉冲发生器，门电路，分频器，数字累加计数器，数码显示器组成，并采用主控振荡器振荡周期存在的抖动来消除回波检测器输出方波与计数时基脉冲之间的相关性，使数字累加计数器的累加平均有意义，提高了测量精度，本实用新型是一台独立完整的适用于气、液、固体中的声速测量的仪器，并具有结构简单，携带、使用方便，测量精度高等的特点。
文档编号G01H5/00GK2233571SQ9524338
公开日1996年8月21日 申请日期1995年1月23日 优先权日1995年1月23日
发明者刘镇清 申请人:同济大学