一種非線性係數自相關聲學體積測量方法及系統的製作方法

2023-12-02 09:39:41

專利名稱：一種非線性係數自相關聲學體積測量方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及質量計量領域的一種非線性係數自相關聲學體積測量方法，更具體地說，一種非線性係數自相關聲學體積測量方法及系統。
背景技術：
砝碼是質量的實物計量器具。工業生產實踐中，大量用到各種大小、形狀的砝碼，如提鈕形、圓柱形、方塊形、絲狀等等。砝碼體積是準確測量砝碼體積值的重要修正參數，需要準確測量。聲學法體積測量原理基於氣體壓縮定律，是一種快速高效的體積測量方法。聲學測量方法在許多領域有廣泛的應用，如表面積、糖分、密度、容積等等物理參數的測量。聲學法與其他體積測量方法，如液體靜力法、組成成分計算法、外形測量法等等相t匕，具有非接觸式的特點，可用於測量帶有調整腔的砝碼體積，並且不會對砝碼錶面造成勿擾，操作方便，測量效率高。其測量原理假設封閉腔體內的空氣呈絕熱變化，則其腔體內體積和壓力滿足一定的關係，通過測量壓力變化，就可測量出腔體內空氣體積。聲壓信號與密閉腔體內空氣的體積也即密閉腔體的容積成反比。通過在測量腔體內放入待測砝碼或參考砝碼，排開一定體積的空氣，密閉腔體的容積改變，腔體內聲壓信號大小也隨之改變。通過放入前後聲壓信號的比較，可以測算出放入砝碼前後密閉腔體容積的變化量，也就是待測砝碼或參考砝碼的體積；其測量裝置一般有兩個密閉腔體組成，密閉腔體間由喇叭隔離。喇叭在正弦信號驅動下，產生振動分別對兩個密閉腔體產生Λ V的體積壓縮，從而在兩個腔體內相位相反的八？1和δρ2的聲壓信號。在絕熱的條件下，一個密閉腔體內的空氣壓力與其體積的Y方的乘積是一個固定的值，如式I所示。其中，Y為空氣的比熱係數，標準大氣壓下約為1.4。壓力X體積Υ =定值 (I)聲學法測量過程中，假設氣體做絕熱變化，氣體內部聲壓與氣體體積呈嚴格的解析關係。而實際測量中，靠近固體表面的空氣做等溫變化，而非絕熱變化。這就造成傳統測量方法由於靠近砝碼壁面的空氣層厚度的不同，導致聲壓測量的非線性誤差，從而造成體積測量的非線性誤差。理論上，僅當待測砝碼和參考砝碼的依靠待測砝碼和參考砝碼的表面積、體積比的一致，也即形狀的近似或一致時，傳統聲學測量方法的非線性測量誤差才可以忽略。傳統的聲學體積測量方法，雖然一般也由兩個測量腔體組成，但是一般將一個作為參考腔體，只在另一個測量腔體內分別放入待測砝碼和參考砝碼。聲學法測量過程中，假設氣體做絕熱變化，氣體內部聲壓與氣體體積呈嚴格的解析關係。而實際測量中，靠近固體表面的空氣做等溫變化。 傳統測量方法使用一個參考腔體和一個測量腔體，參考腔體內空氣體積保持一致。其測量步驟是將待測砝碼和參考砝碼，依次分別放入到測量腔體內，採集分別在參考腔體和測量腔體內產生的聲壓。從而將待測砝碼的體積與參考砝碼相比較，參考砝碼的體積已知，從而得出待測砝碼的體積。因此，傳統測量方法需要依靠待測砝碼和參考砝碼的表面積、體積比的一致，也即是需要待測與參考砝碼的形狀的近似或一致，才能達到保證較高的測量精度。聲學體積測量法實際測量過程中封閉腔體內的空氣並非理想氣體，原理腔體表面的空氣可以看做理想氣體做絕熱變化，而靠近腔體以及待測砝碼或參考砝碼錶面的空氣層則是做等溫變化，當待測砝碼和參考砝碼形狀、體積表面積比近似時，這種非線性的影響可以被忽略，從而取得較高的測量精度。而當待測砝碼和參考砝碼的形狀和體積、表面積比相差較大時，這種非線性的影響就很大，測量誤差也就相應加大。「胡滿紅，王健等.基於聲學原理的砝碼體積測量方法研究[J].儀器儀表學報，2012，(10):2337-2342.」該文章使用的是傳統聲學測量方法。傳統聲學測量方法，只有待測砝碼和參考砝碼的形狀和體積與表面積比接近時，理論上測量才能達到較高的精度，而當形狀和體積與表面積比不一致時，則會產生較大的測量誤差，測量精度低。

發明內容
為解決上述現有技術中存在的問題，本發明致力於提供一種非線性係數自相關聲學體積測量方法及系統。本發明目的之一的一種非線性係數自相關聲學體積測量方法，所述測量方法為雙測量腔體方法，同時對兩個測量腔體進行聲壓測量，且所述兩個測量腔體內分別放置參考體積和待測體積；測量中通過變化所述參考體積和待測體積在兩個測量腔體的位置，得到每次測量到的聲壓比，進而得到待測體積值；變化分配所述參考體積和待測體積的過程保持測量過程中空氣體積不變、空氣與待測體積和參考體積的接觸表面積不變。
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為了實現變化參考體積和待測體積的位置進行測量的目的，所述雙測量腔體方法中變化分配待測體積和參考體積步驟包括:(I)設置雙測量腔體；(2)將參考體積和待測體積分別放入兩個測量腔體中，保持兩個測量腔體的氣壓均衡；(3)對步驟(2)中的兩個測量腔體進行聲壓測量，分別得到聲壓信號；(4)重新分配參考體積和待測體積的位置:將所述參考體積和待測體積互換位置；保持兩個測量腔體的氣壓均衡；(5)對步驟(4)中的兩個測量腔體重新進行聲壓測量，分別得到聲壓信號；(6)再次分配參考體積和待測體積的位置:將所述參考體積和待測體積同時放入一個測量腔體中；保持兩個測量腔體的氣壓均衡；(7)對步驟(6)中的兩個測量腔體再次進行聲壓測量，分別得到聲壓信號。所述雙測量腔體方法中變化分配待測體積和參考體積步驟(2)，(4)和(6)中保持兩個測量腔體的氣壓均衡的方法為在所述兩個測量腔體中間的連接處設置氣體連通孔。所述步驟(3)，步驟(5)和(7)中聲壓測量的過程為採用揚聲器發出聲波信號，音頻信號對測量腔體產生空氣體積壓縮，並在兩個測量腔體內形成聲壓信號，所述聲壓信號被探頭探測並傳輸。所述測量方法根據變化分配參考體積和待測體積的位置，完成體積測量過程，其還包括測量計算步驟:A將參考體積放入一個測量腔體中，而待測體積置入另一個測量腔體中後，揚聲
器發出聲波信號，對兩個測量腔體產生相同的體積壓縮，採集聲壓信號，測量聲壓信號比為
權利要求
1.一種非線性係數自相關聲學體積測量方法，其特徵在於:所述測量方法為雙測量腔體方法，同時對兩個測量腔體進行聲壓測量，且所述兩個測量腔體內分別放置參考體積和待測體積；測量中通過變化所述參考體積和待測體積在兩個測量腔體的位置，得到每次測量到的聲壓比，進而得到待測體積值； 變化分配所述參考體積和待測體積的過程保持測量過程中空氣體積不變、空氣與待測體積和參考體積的接觸表面積不變。
2.根據權利要求1所述的一種非線性係數自相關聲學體積測量方法，其特徵在於:所述雙測量腔體方法中變化分配待測體積和參考體積步驟包括: (1)設置雙測量腔體； (2)將參考體積和待測體積分別放入兩個測量腔體中，保持兩個測量腔體的氣壓均衡； (3)對步驟(2)中的兩個測量腔體進行聲壓測量，分別得到聲壓信號； (4)重新分配參考體積和待測體積的位置:將所述參考體積和待測體積互換位置；保持兩個測量腔體的氣壓均衡； (5)對步驟(4)中的兩個測量腔體重新進行聲壓測量，分別得到聲壓信號； (6)再次分配參考體積和待測體積的位置:將所述參考體積和待測體積同時放入一個測量腔體中；保持兩個測量腔體的氣壓均衡； (7)對步驟(6)中的兩個測量腔體再次進行聲壓測量，分別得到聲壓信號。
3.根據權利要求2所述的一種非線性係數自相關聲學體積測量方法，其特徵在於:所述雙測量腔體方法中變化分配待測體積和參考體積步驟(2)，(4)和(6)中保持兩個測量腔體的氣壓均衡的方法為在所述兩個測量腔體中間的連接處設置氣體連通孔。
4.根據權利要求2所述的一種非線性係數自相關聲學體積測量方法，其特徵在於:所述步驟(3)，步驟(5)和(7)中聲壓測量的過程為採用揚聲器發出聲波信號，音頻信號對測量腔體產生空氣體積壓縮，並在兩個測量腔體內形成聲壓信號，所述聲壓信號被探頭探測並傳輸。
5.根據權利要求1-4之一所述的一種非線性係數自相關聲學體積測量方法，其特徵在於:所述測量方法根據變化分配參考體積和待測體積的位置，完成體積測量過程，其還包括測量計算步驟: A將參考體積放入一個測量腔體中，而待測體積置入另一個測量腔體中後，揚聲器發出聲波信號，對兩個測量腔體產生相同的體積壓縮，採集聲壓信號，測量聲壓信號比為Rtl,TT-01 _ y = 公式 a ;務 02 — P r 其中，Vc^vci2分別為兩個測量腔體的初始容積；vt為待測體積值、I為參考體積值； B將上述兩個測量腔體中的待測體積和參考體積互換位置，並重複測量聲壓步驟，測量得到相應的聲壓信號比為R1,= ^公式b ; ^02 C將待測體積和參考體積放入同一個測量腔體中，再次重複測量聲壓步驟，並測量得到相應的聲壓信號比為R2，滿足關係:P —t_f/ =A &式c; ^02 ~ ^ t ~ D聯立公式a，公式b和公式c，其中參考體積值I已知，％、Rp R2通過測量得到，而待測砝碼體積1、兩個測量腔體的容積Vtll和Vtl2為未知參數；聯立方程組後，消去兩個測量腔體的容積Vtll和Vtl2,即可得到待測體積\的值。
6.根據權利要求1-4之一所述的一種非線性係數自相關聲學體積測量方法，其特徵在於:所述待測體積和參考體積為砝碼，即為待測砝碼和參考砝碼。
7.根據權利要求6所述的一種非線性係數自相關聲學體積測量方法，其特徵在於:所述待測破碼和參考破碼的形狀和外表面積不相同。
8.在權利要求1-7之一所述的體積測量方法中的測量裝置，其特徵在於: 所述測量裝置包括兩個測量腔體；在所述兩個測量腔體內部分別設有聲壓探頭和揚聲器；且在兩個測量腔體中間設置有隔板，在所述隔板上設有氣體連通管；所述揚聲器設置在所述隔板上；所述參考砝碼和待測砝碼設置在兩個測量腔體中，通過揚聲器對待測腔體產生體積壓縮，通過聲壓探頭採集聲壓信號。
9.根據權利要求8所述的體積測量方法中的測量裝置，其特徵在於: 兩個所述測量腔體包括側壁、上蓋、底板；所述側壁和上蓋放置於底板上時，與底板結合形成密閉的測量腔體。
10.根據權利要求8所述的體積測量方法中的測量裝置，其特徵在於: 所述測量腔體的橫截面為方形或`圓形。
全文摘要
本發明涉及質量計量領域的一種非線性係數自相關聲學體積測量系方法及裝置,這種方法適用於任意複雜形狀的固體的高精度的體積測量，採用雙測量腔體方式，測量過程中，兩個腔體內的空氣體積可以保持一致，空氣與測量腔體壁面、參考物體及被測物體的接觸表面積保持一致，從而使得測量過程中處於等溫變化的氣體邊界層保持一致，可有效減小聲學法體積測量過程中非線性因素影響，減小聲學法體積測量的非線性不確定度，達到提高體積測量的精度的目標。這種工藝方法為解決高精度聲學法體積測量過程中非線性誤差較大的問題提供解決途徑，特別是對異形砝碼的體積測量，為質量計量領域砝碼的高精度體積測量提供快速有效的測量方法。
文檔編號G01B17/00GK103234493SQ201310140519
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月22日 優先權日2013年4月22日
發明者胡滿紅, 王健, 張躍, 蔡常青, 鍾瑞麟, 姚弘, 丁京鞍, 王肖磊 申請人:中國計量科學研究院