CN103234493B - 一种非线性系数自相关声学体积测量方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及质量计量领域的一种非线性系数自相关声学体积测量系方法及装置,这种方法适用于任意复杂形状的固体的高精度的体积测量，采用双测量腔体方式，测量过程中，两个腔体内的空气体积可以保持一致，空气与测量腔体壁面、参考物体及被测物体的接触表面积保持一致，从而使得测量过程中处于等温变化的气体边界层保持一致，可有效减小声学法体积测量过程中非线性因素影响，减小声学法体积测量的非线性不确定度，达到提高体积测量的精度的目标。这种工艺方法为解决高精度声学法体积测量过程中非线性误差较大的问题提供解决途径，特别是对异形砝码的体积测量，为质量计量领域砝码的高精度体积测量提供快速有效的测量方法。

Description

一种非线性系数自相关声学体积测量方法及***

技术领域

本发明涉及质量计量领域的一种非线性系数自相关声学体积测量方法，更具体地说，一种非线性系数自相关声学体积测量方法及***。

背景技术

砝码是质量的实物计量器具。工业生产实践中，大量用到各种大小、形状的砝码，如提钮形、圆柱形、方块形、丝状等等。砝码体积是准确测量砝码体积值的重要修正参数，需要准确测量。

声学法体积测量原理基于气体压缩定律，是一种快速高效的体积测量方法。声学测量方法在许多领域有广泛的应用，如表面积、糖分、密度、容积等等物理参数的测量。

声学法与其他体积测量方法，如液体静力法、组成成分计算法、外形测量法等等相比，具有非接触式的特点，可用于测量带有调整腔的砝码体积，并且不会对砝码表面造成勿扰，操作方便，测量效率高。

其测量原理假设封闭腔体内的空气呈绝热变化，则其腔体内体积和压力满足一定的关系，通过测量压力变化，就可测量出腔体内空气体积。声压信号与密闭腔体内空气的体积也即密闭腔体的容积成反比。通过在测量腔体内放入待测砝码或参考砝码，排开一定体积的空气，密闭腔体的容积改变，腔体内声压信号大小也随之改变。通过放入前后声压信号的比较，可以测算出放入砝码前后密闭腔体容积的变化量，也就是待测砝码或参考砝码的体积；

其测量装置一般有两个密闭腔体组成，密闭腔体间由喇叭隔离。喇叭在正弦信号驱动下，产生振动分别对两个密闭腔体产生△V的体积压缩，从而在两个腔体内相位相反的ΔP₁和ΔP₂的声压信号。

在绝热的条件下，一个密闭腔体内的空气压力与其体积的γ方的乘积是一个固定的值，如式1所示。其中，γ为空气的比热系数，标准大气压下约为1.4。

压力×体积^γ＝定值（1）

声学法测量过程中，假设气体做绝热变化，气体内部声压与气体体积呈严格的解析关系。而实际测量中，靠近固体表面的空气做等温变化，而非绝热变化。这就造成传统测量方法由于靠近砝码壁面的空气层厚度的不同，导致声压测量的非线性误差，从而造成体积测量的非线性误差。理论上，仅当待测砝码和参考砝码的依靠待测砝码和参考砝码的表面积、体积比的一致，也即形状的近似或一致时，传统声学测量方法的非线性测量误差才可以忽略。

传统的声学体积测量方法，虽然一般也由两个测量腔体组成，但是一般将一个作为参考腔体，只在另一个测量腔体内分别放入待测砝码和参考砝码。声学法测量过程中，假设气体做绝热变化，气体内部声压与气体体积呈严格的解析关系。而实际测量中，靠近固体表面的空气做等温变化。

传统测量方法使用一个参考腔体和一个测量腔体，参考腔体内空气体积保持一致。其测量步骤是将待测砝码和参考砝码，依次分别放入到测量腔体内，采集分别在参考腔体和测量腔体内产生的声压。从而将待测砝码的体积与参考砝码相比较，参考砝码的体积已知，从而得出待测砝码的体积。因此，传统测量方法需要依靠待测砝码和参考砝码的表面积、体积比的一致，也即是需要待测与参考砝码的形状的近似或一致，才能达到保证较高的测量精度。

声学体积测量法实际测量过程中封闭腔体内的空气并非理想气体，原理腔体表面的空气可以看做理想气体做绝热变化，而靠近腔体以及待测砝码或参考砝码表面的空气层则是做等温变化，当待测砝码和参考砝码形状、体积表面积比近似时，这种非线性的影响可以被忽略，从而取得较高的测量精度。而当待测砝码和参考砝码的形状和体积、表面积比相差较大时，这种非线性的影响就很大，测量误差也就相应加大。

“胡满红,王健等.基于声学原理的砝码体积测量方法研究[J].仪器仪表学报,2012,(10):2337-2342.”该文章使用的是传统声学测量方法。传统声学测量方法，只有待测砝码和参考砝码的形状和体积与表面积比接近时，理论上测量才能达到较高的精度，而当形状和体积与表面积比不一致时，则会产生较大的测量误差，测量精度低。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的问题，本发明致力于提供一种非线性系数自相关声学体积测量方法及***。

本发明目的之一的一种非线性系数自相关声学体积测量方法，所述测量方法为双测量腔体方法，同时对两个测量腔体进行声压测量，且所述两个测量腔体内分别放置参考体积和待测体积；测量中通过变化所述参考体积和待测体积在两个测量腔体的位置，得到每次测量到的声压比，进而得到待测体积值；

变化分配所述参考体积和待测体积的过程保持测量过程中空气体积不变、空气与待测体积和参考体积的接触表面积不变。

为了实现变化参考体积和待测体积的位置进行测量的目的，所述双测量腔体方法中变化分配待测体积和参考体积步骤包括：

（1）设置双测量腔体；

（2）将参考体积和待测体积分别放入两个测量腔体中，保持两个测量腔体的气压均衡；

（3）对步骤（2）中的两个测量腔体进行声压测量，分别得到声压信号；

（4）重新分配参考体积和待测体积的位置：将所述参考体积和待测体积互换位置；保持两个测量腔体的气压均衡；

（5）对步骤（4）中的两个测量腔体重新进行声压测量，分别得到声压信号；

（6）再次分配参考体积和待测体积的位置：将所述参考体积和待测体积同时放入一个测量腔体中；保持两个测量腔体的气压均衡；

（7）对步骤（6）中的两个测量腔体再次进行声压测量，分别得到声压信号。

所述双测量腔体方法中变化分配待测体积和参考体积步骤（2），（4）和（6）中保持两个测量腔体的气压均衡的方法为在所述两个测量腔体中间的连接处设置气体连通孔。

所述步骤（3），步骤（5）和（7）中声压测量的过程为采用扬声器发出声波信号，音频信号对测量腔体产生空气体积压缩，并在两个测量腔体内形成声压信号，所述声压信号被探头探测并传输。

所述测量方法根据变化分配参考体积和待测体积的位置，完成体积测量过程，其还包括测量计算步骤：

A将参考体积放入一个测量腔体中，而待测体积置入另一个测量腔体中后，扬声器发出声波信号，对两个测量腔体产生相同的体积压缩，采集声压信号，测量声压信号比为R₀，公式a；

其中，V₀₁、V₀₂分别为两个测量腔体的初始容积；V_t为待测体积值、V_r为参考体积值；

B将上述两个测量腔体中的待测体积和参考体积互换位置，并重复测量声压步骤，测量得到相应的声压信号比为R₁，公式b；

C将待测体积和参考体积放入同一个测量腔体中，再次重复测量声压步骤，并测量得到相应的声压信号比为R₂，满足关系：公式c；

D联立公式a,公式b和公式c，其中参考体积值V_r已知，R₀、R₁、R₂通过测量得到，而待测砝码体积V_r、两个测量腔体的容积V₀₁和V₀₂为未知参数；联立方程组后，消去两个测量腔体的容积V₀₁和V₀₂，即可得到待测体积V_r的值。

在具体的测量中，所述待测体积和参考体积为砝码，即为待测砝码和参考砝码。所述待测砝码和参考砝码的形状和外表面积相同或者不相同。

本发明的第二个发明点在于在体积测量方法中的测量装置，

所述测量装置包括两个测量腔体；在所述两个测量腔体内部分别设有声压探头和扬声器；且在两个测量腔体中间设置有隔板，在所述隔板上设有气体连通管；所述扬声器设置在所述隔板上；所述参考砝码和待测砝码设置在两个测量腔体中，通过扬声器对待测腔体产生体积压缩，通过声压探头采集声压信号。

两个所述测量腔体包括侧壁、上盖、底板；所述侧壁和上盖放置于底板上时，与底板结合形成密闭的测量腔体。

所述测量腔体的横截面为方形或圆形。

声压是声音纵波振动在空气压力上形成的气压波动。声压的产生通过隔板上安装的扬声器（或喇叭）实现。扬声器（或喇叭）在正弦信号驱动下，产生振动分别对两个密闭腔体产生同为△V的体积压缩，从而在两个腔体内相位相反的ΔP₁和ΔP₂的声压信号。测量腔体之间有连通孔，保证两个腔体内气压的均衡，以及空气湿度、温度的一致。

本发明的目的是提供一种高精度的声学体积测量方法，致力于提供测量精度更高、测量效率更好、而且操作方法简便的测量方法及***。

本发明的特点在于：

1、所提出的双腔体声学体积测量方法在测量过程中，待测砝码和参考砝码分别放置在测量腔体1和测量腔体2内，或者统一放在测量腔体1或测量腔体2内。测量腔体内始终保持空气体积的一致和空气与固体接触面积的一致；

2、测量原理基于声学法体积测量原理。测量过程中，待测砝码和参考砝码均保持在测量的腔体内。放置好待测砝码和参考砝码后，进行声压测量时，测量腔体内的空气体积总和始终保持不变；

3、测量方法的测量装置与传统声学体积测量方法相比，有两个测量腔体，且均为测量腔体，形状可为方形、圆形等。

4、本发明与传统声学体积测量方法相比，一个比较突出的特点是消除了“待测砝码和标准砝码的形状、体积表面积比必须相近或相似，才能进行准确测量”的限制。标准砝码和待测砝码的形状可以是不同的。

现有技术中传统声学测量方法产生误差的主要原因是如果仅在测量腔体内依次放入参考砝码和待测砝码，由于参考砝码和待测砝码的体积不同，从而排开空气的体积也不同，导致测量过程中参考腔体和测量腔体内的空气体积不同，从而产生了非线性的测量误差。

而本发明就针对传统声学测量方法的限制，基于对声学体积测量原理方法和测量误差的分析，提出将传统测量方法中的参考腔体也作为测量腔体使用，也用于放置待测砝码或参考砝码，通过交换待测砝码和参考砝码在两个腔体内的位置进行测量，在测量过程中，保证了两个测量腔体内空气总体积的一致、空气与腔体壁面之间接触面积的一致，从而有效消除了传统测量过程中测量腔体空气体积及空气接触面积不一致引起的非线性测量误差的影响，从而可以更准确地测量各种形状砝码的体积值，提高了体积测量精度。

附图说明

图1为本发明的非线性系数自相关声学体积测量***示意图；

图2为本发明的非线性系数自相关声学体积测量方法中将参考砝码和待测砝码分别放入两个测量腔体的的示意图；

图3为本发明的非线性系数自相关声学体积测量方法中变换参考砝码和待测砝码的位置的示意图；

图4为本发明的非线性系数自相关声学体积测量方法中将参考砝码和待测砝码放入同一个测量腔体的示意图；

图1～4中，附图标记说明如下：1－测量腔体底板；2－测量腔体侧壁和上盖；3－测量腔体一；4－传声器一的声压探头；5－连通管；6－传声器二的声压探头；7－测量腔体二；8－隔板；9－喇叭；10－参考砝码；11－待测砝码。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。但本发明并不仅限于下述实施例。

实施例1

将以圆柱形砝码的体积测量为例，使用OIML形状参考砝码，如图1～4所示，结合本发明方法的内容说明以下实施例。

两个测量腔体如图1所示，测量腔体一3和测量腔体二7通过隔板8相连。测量腔体侧壁和上盖2可上下运动，与测量腔体底板1结合形成密闭的测量腔体一3和测量腔体二7。声压是声音纵波振动在空气压力上形成的气压波动。声压的产生通过隔板上安装的喇叭9（或扬声器）实现。喇叭9（或扬声器）在正弦信号驱动下，产生振动分别对两个密闭的测量腔体产生同为△V的体积压缩，从而在两个腔体内相位相反的ΔP₁和ΔP₂的声压信号。测量腔体之间有连通管5，保证两个腔体内气压的均衡，以及空气湿度、温度的一致。声压信号的测量通过封闭的测试腔体内传声器的声压探头采集来实现。采集的信号再经过功率放大器放大，即可得到两个腔体的声压E₁和E₂。两个声压信号之比，记为声压比R，如式1所示。

$R=\frac{E_1}{E_2}---\left(1\right)$

圆柱形砝码的双测量腔体声学体积测量法步骤如图2所示，具体的工艺流程如图2～4所示。圆柱形砝码为待测砝码11，体积为V_t，OIML形状砝码为参考砝码10，体积为V_r。当测量腔体一3和测量腔体二7不放入砝码时，其容积分别为V₀₁和V₀₂。

第一步，将待测砝码11放入测量腔体一3，参考砝码10放入测量腔体二7，如图2所示。测量相应的声压信号比为R₀，满足式2所示的关系：

$\frac{V_{01}-V_t}{V_{02}-V_r}=R_0---\left(2\right)$

第二步，打开腔体，将待测砝码11与参考砝码10交换位置，即待测砝码11放入测量腔体二7，参考砝码放入测量腔体一3，如图3所示。测量相应的声压信号比为R₁，满足式3所示的关系：

$\frac{V_{01}-V_r}{V_{02}-V_t}=R_1---\left(3\right)$

第三步，打开腔体，将待测砝码11和参考砝码10一起放入测量腔体一3或测量腔体二7，如图4所示。测量相应的声压信号比为R₂，满足式4所示的关系：

$\frac{V_{01}}{V_{02}-V_t-V_r}=R_2---\left(4\right)$

方程2～4中，参考砝码10的体积V_r已知，R₀、R₁、R₂通过测量得到，未知参数有3个，分别是待测砝码11的体积V_r、测量腔体一3容积V₀₁和测量腔体二7容积V₀₂。联立方程组2～4，消去测量腔体一3容积V₀₁和测量腔体二7容积V₀₂，即可得到待测砝码11体积V_r的值。

如图2～4所示，本发明提出的方法在测量过程中两个测量腔体内空气体积V_空气始终一定，如式5所示：

V_空气=V₀₁+V₀₂-V_t-V_r（5）

本发明提出的方法相对于传统声学体积测量方法的优势在于，测量腔体内空气体积的恒定，从而解决了传统声学体积测量法测量异形砝码形状时，由于表面积、表面积和体积之比与标准砝码不同，而造成测量非线性误差大的问题。

Claims (9)

1.一种非线性系数自相关声学体积测量方法，其特征在于：所述测量方法为双测量腔体方法，同时对两个测量腔体进行声压测量，且所述两个测量腔体内分别放置参考体积和待测体积；测量中通过变化所述参考体积和待测体积在两个测量腔体的位置，得到每次测量到的声压比，进而得到待测体积值；

变化分配所述参考体积和待测体积的过程保持测量过程中空气体积不变、空气与待测体积和参考体积的接触表面积不变；

所述双测量腔体方法中变化分配待测体积和参考体积步骤包括：

(1)设置双测量腔体；

(2)将参考体积和待测体积分别放入两个测量腔体中，保持两个测量腔体的气压均衡；

(3)对步骤(2)中的两个测量腔体进行声压测量，分别得到声压信号；

(4)重新分配参考体积和待测体积的位置：将所述参考体积和待测体积互换位置；保持两个测量腔体的气压均衡；

(5)对步骤(4)中的两个测量腔体重新进行声压测量，分别得到声压信号；

(6)再次分配参考体积和待测体积的位置：将所述参考体积和待测体积同时放入一个测量腔体中；保持两个测量腔体的气压均衡；

(7)对步骤(6)中的两个测量腔体再次进行声压测量，分别得到声压信号。

2.根据权利要求1所述的一种非线性系数自相关声学体积测量方法，其特征在于：所述双测量腔体方法中变化分配待测体积和参考体积步骤(2)，(4)和(6)中保持两个测量腔体的气压均衡的方法为在所述两个测量腔体中间的连接处设置气体连通孔。

3.根据权利要求1所述的一种非线性系数自相关声学体积测量方法，其特征在于：步骤(3)，步骤(5)和(7)中声压测量的过程为采用扬声器发出声波信号，音频信号对测量腔体产生空气体积压缩，并在两个测量腔体内形成声压信号，所述声压信号被探头探测并传输。

4.根据权利要求1-3之一所述的一种非线性系数自相关声学体积测量方法，其特征在于：所述测量方法根据变化分配参考体积和待测体积的位置，完成体积测量过程，其还包括测量计算步骤：

A将参考体积放入一个测量腔体中，而待测体积置入另一个测量腔体中后，扬声器发出声波信号，对两个测量腔体产生相同的体积压缩，采集声压信号，测量声压信号比为R₀，公式a；

其中，V₀₁、V₀₂分别为两个测量腔体的初始容积；V_t为待测体积、V_r为参考体积；

B将上述两个测量腔体中的待测体积和参考体积互换位置，并重复测量声压步骤，测量得到相应的声压信号比为R₁，公式b；

C将待测体积和参考体积放入同一个测量腔体中，再次重复测量声压步骤，并测量得到相应的声压信号比为R₂，满足关系：公式c；

D联立公式a,公式b和公式c，其中参考体积V_r已知，R₀、R₁、R₂通过测量得到，而待测体积V_t、两个测量腔体的容积V₀₁和V₀₂为未知参数；联立方程组后，消去两个测量腔体的容积V₀₁和V₀₂，即可得到待测体积V_t的值。

5.根据权利要求1-3之一所述的一种非线性系数自相关声学体积测量方法，其特征在于：所述待测体积和参考体积为砝码，即为待测砝码和参考砝码。

6.根据权利要求5所述的一种非线性系数自相关声学体积测量方法，其特征在于：所述待测砝码和参考砝码的形状和外表面积不相同。

7.在权利要求1所述的体积测量方法中的测量装置，其特征在于：

所述测量装置包括两个测量腔体；在所述两个测量腔体内部分别设有声压探头和扬声器；且在两个测量腔体中间设置有隔板，在所述隔板上设有气体连通管；所述扬声器设置在所述隔板上；所述参考体积和待测体积设置在两个测量腔体中，通过扬声器对待测腔体产生体积压缩，通过声压探头采集声压信号。

8.根据权利要求7所述的体积测量方法中的测量装置，其特征在于：

两个所述测量腔体包括侧壁、上盖、底板；所述侧壁和上盖放置于底板上时，与底板结合形成密闭的测量腔体。

9.根据权利要求7所述的体积测量方法中的测量装置，其特征在于：所述测量腔体的横截面为方形或圆形。