水工物理模型水下高精度超声水位测量

发布时间：2021-04-09 13:37

　　针对现有水下超声波水位测量方法精度偏低,无法满足水工物理模型实验测量需求的问题,分析了水下超声波水位测量误差来源和误差量级,综合考虑水声速与渡越时间对测量精度的影响,提出了一种水下高精度超声水位测量方法。首先,分析了超声波换能器间隙误差对声速测量精度的影响,提出了间隙误差计算方法,从原理上消除了水体环境变化对水位测量精度的影响;其次,基于超声波回波信号的包络形态不变原则,采用归一化包络时差法检测超声波渡越时间,并给出了离散数值计算算法流程,以减小信号衰减特性的渡越时间检测的影响。理论分析表明,该方法能从水声速和渡越时间两方面同时减小水位测量误差。为了验证本方法的可行性,开发了实验样机,并进行了计量检定实验,实验结果表明,在400 mm量程范围内,水位测量误差小于0.1 mm,满足水工物理模型实验高精度水位测量需求。 

【文章来源】：光学精密工程. 2020,28(09)北大核心EICSCD

【文章页数】：8 页

【部分图文】：

水下超声水位测量原理

通常采用阈值比较法测量超声波从发射到接收的渡越时间,其原理如图2所示。其中,A为发射信号,B和C为不同距离的回波信号。以某一电压值作为阈值,由于发射信号幅度固定不变,因此计时的起始时刻是确定的,回波信号的强度随距离增加而快速衰减。在阈值比较过程中,极易丢失一个周期以上的时间。为了提高精度,通常做法是提高放大倍数和超声波换能器频率。但放大倍数无法一直提高,并且当放大倍数很大时,环境噪声也随之增大。换能器频率越高在水中衰减越快,导致量程越小。因此,阈值比较法始终存在着丢失周期的问题。现有水工物理模型中的超声波水位计的换能器频率一般为1 MHz,若丢失一个周期,则渡越时间误差为1 μs,设v=1 498.54 m/s,代入式(3)和式(4)中,可得系统误差和随机误差均高达0.75 mm。当丢失更多的周期时,水位测量误差也将会更大。

根据误差分析结果,只有同时提高水声速和渡越时间的测量精度,才能真正提高超声水位测量精度。为此,在水下超声水位测量仪中,单独设置一支水声速测量传感器,将该传感器与其他水下超声波水位测量传感器置于同一水体环境中。水声速测量传感器实时测量水下声速,以跟踪水体环境变化对声速的影响,并将水声速实测值实时反馈给超声波水位测量传感器,如图3所示。3.2 考虑换能器间隙误差的高精度声速测量方法

【参考文献】：
期刊论文
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本文编号：3127715