針對現(xiàn)有水下超聲波水位測量方法精度偏低,無法滿足水工物理模型實驗測量需求的問題,分析了水下超聲波水位測量誤差來源和誤差量級,綜合考慮水聲速與渡越時間對測量精度的影響,提出了一種水下高精度超聲水位測量方法。首先,分析了超聲波換能器間隙誤差對聲速測量精度的影響,提出了間隙誤差計算方法,從原理上消除了水體環(huán)境變化對水位測量精度的影響;其次,基于超聲波回波信號的包絡形態(tài)不變原則,采用歸一化包絡時差法檢測超聲波渡越時間,并給出了離散數(shù)值計算算法流程,以減小信號衰減特性的渡越時間檢測的影響。理論分析表明,該方法能從水聲速和渡越時間兩方面同時減小水位測量誤差。為了驗證本方法的可行性,開發(fā)了實驗樣機,并進行了計量檢定實驗,實驗結果表明,在400 mm量程范圍內(nèi),水位測量誤差小于0.1 mm,滿足水工物理模型實驗高精度水位測量需求。 

【文章來源】：光學精密工程. 2020,28(09)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

水下超聲水位測量原理

通常采用閾值比較法測量超聲波從發(fā)射到接收的渡越時間,其原理如圖2所示。其中,A為發(fā)射信號,B和C為不同距離的回波信號。以某一電壓值作為閾值,由于發(fā)射信號幅度固定不變,因此計時的起始時刻是確定的,回波信號的強度隨距離增加而快速衰減。在閾值比較過程中,極易丟失一個周期以上的時間。為了提高精度,通常做法是提高放大倍數(shù)和超聲波換能器頻率。但放大倍數(shù)無法一直提高,并且當放大倍數(shù)很大時,環(huán)境噪聲也隨之增大。換能器頻率越高在水中衰減越快,導致量程越小。因此,閾值比較法始終存在著丟失周期的問題。現(xiàn)有水工物理模型中的超聲波水位計的換能器頻率一般為1 MHz,若丟失一個周期,則渡越時間誤差為1 μs,設v=1 498.54 m/s,代入式(3)和式(4)中,可得系統(tǒng)誤差和隨機誤差均高達0.75 mm。當丟失更多的周期時,水位測量誤差也將會更大。

根據(jù)誤差分析結果,只有同時提高水聲速和渡越時間的測量精度,才能真正提高超聲水位測量精度。為此,在水下超聲水位測量儀中,單獨設置一支水聲速測量傳感器,將該傳感器與其他水下超聲波水位測量傳感器置于同一水體環(huán)境中。水聲速測量傳感器實時測量水下聲速,以跟蹤水體環(huán)境變化對聲速的影響,并將水聲速實測值實時反饋給超聲波水位測量傳感器,如圖3所示。3.2 考慮換能器間隙誤差的高精度聲速測量方法

【參考文獻】：
期刊論文
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本文編號：3127715