本發明專利技術公開了一種基于聲阻抗分析的任意曲率容器壓力測量系統及測量方法，該系統包括測量組件、電源單元、控制單元、信號源、數據處理單元、數據輸出單元和校準組件，測量組件包含用于發射超聲波的超聲換能器和用于接收超聲波信號的超聲換能器，二者安裝在容器外表面上，不需要對容器進行結構性破壞，控制單元負責激勵超聲換能器并調控其工作參數，數據處理單元接收并處理超聲波信號，通過數學模型分析計算測量數據，最終輸出容器壓力測量結果，電源單元和數據輸出單元分別為系統供電及提供測量結果的實時顯示或遠程傳輸功能。采用本發明專利技術基于聲阻抗分析可以實現對任意曲率容器壓力的精準測量，可以提高超聲波測量容器壓力的可靠性和精度。
1、在工業生產與科學研究中，對容器的絕對壓力進行精準測量是一項至關重要的技術，廣泛應用于壓力容器檢測、氣體儲存監控及mems傳感器設備狀態評估等領域。現有的壓力測量方法，包括依賴于機械式壓力計或基于電阻、電容等原理的壓力傳感器的傳統接觸式壓力測量方法；利用光纖傳感器或干涉儀，通過測量光在不同介質中的折射、干涉或散射特性，實現壓力參數的反演的光學壓力測量方法；以及通過分析超聲波在介質中的傳播行為(如衰減、反射和透射特性)，能夠無損地反演目標介質的物理參數的聲學方法。
2、然而傳統的接觸式壓力測量方法容易對容器的結構完整性進行破壞；現有的光學壓力測量方法通常適用于規則幾何形狀的容器，對于具有復雜曲率的容器，其光路設計和建模復雜度顯著增加，難以滿足精準測量的要求；現有的聲學方法也主要針對規則幾何結構的容器，對于復雜曲率的容器尚未形成完善的測量方案，特別是在復雜曲率條件下，超聲波信號經過多次反射和透射后，其能量顯著衰減，接收端信號強度大幅下降，導致有效信息提取的難度增加，同時，復雜曲率內外表面的形狀顯著影響聲波的傳播路徑和能量分布，而現有的聲學傳播模型通常基于簡單幾何假設，難以準確描述實際的復雜曲率條件。
3、綜上，隨著復雜曲率容器和特殊工況(如高溫、高壓或腐蝕性環境)的應用需求日益增加，現有的壓力測量方法在這些條件下存在對容器結構的破壞、復雜曲率條件下測量精度下降以及動態環境適應性不足等問題。
/>技術實現思路
1、本專利技術提供一種基于聲阻抗分析的任意曲率容器對壓力的測量方法及系統，在避免對容器結構造成破壞的前提下，可以適應復雜曲率和多變的環境條件，確保容器壓力測量的精度和可靠性。
2、為解決以上技術問題，本專利技術實施例提供了一種基于聲阻抗分析的任意曲率容器壓力測量系統，包括測量組件、電源單元、控制單元、信號源、數據處理單元；其中，所述測量組件包括至少一個發射端超聲換能器、至少一個接收端超聲換能器、外部傳感器；
3、所述發射端超聲換能器，用于生成超聲波信號，并將超聲波信號以預設的入射角發射至待測容器內表面；
4、所述接收端超聲換能器，用于接收經過待測容器內、外表面反射和透射后衰減的超聲波信號；
5、所述外部傳感器，用于獲取待測容器的外部參數；
6、所述電源單元，用于為所述系統提供電源；
7、所述控制單元，用于驅動所述信號源對所述發射端超聲換能器提供激勵信號，并調控所述測量組件的工作參數；
8、所述數據處理單元，用于接收超聲波信號，根據界面反射透射模型、聲波衰減模型以及復雜曲率傳播路徑模型對待測容器進行聲阻抗分析，提取反射系數和振幅衰減特性，并根據理想氣體狀態方程，結合標定數據和待測容器的外部參數計算待測容器的內部壓力值或者外部壓力值，得到待測容器的壓力測量結果。
9、作為上述方案的改進，所述系統還包括數據輸出單元以及校準組件，所述測量組件還包括信號調理單元；
10、所述數據輸出單元，用于輸出待測容器的壓力測量結果；
11、所述校準組件，用于采集標定數據，以及根據待測容器的外部參數對待測容器的壓力測量結果進行修正；
12、所述信號調理單元，用于對超聲波信號進行調理；
13、其中，所述信號調理單元包括接收端超聲換能器阻抗匹配電路、接收端超聲換能器信號放大電路、接收端超聲換能器電壓跟隨器以及發射端超聲換能器阻抗匹配電路和超聲換能器等效電路。
14、作為上述方案的改進，所述入射角滿足以下條件：
15、；
16、其中，、、分別為待測容器內部氣體、待測容器材料和待測容器外部氣體的聲速。
17、作為上述方案的改進，在所述數據處理單元中，所述反射系數通過以下公式進行計算：
18、；
19、；
20、其中，、分別為待測容器內表面、外表面的反射系數；分別為待測容器內部、待測容器材料以及待測容器外部的聲阻抗；
21、所述振幅衰減特性為測量時接收端振幅與標定時接收端振幅的比值，通過以下公式進行計算：
22、；
23、其中，、分別為測量時待測容器內表面、外表面的反射系數；、分別為標定時待測容器內表面、外表面的反射系數；為待測容器內表面總的反射次數；為待測容器外表面總的反射次數。
24、作為上述方案的改進，所述待測容器內表面總的反射次數通過以下公式求解：
25、；
26、；
27、；
28、；
29、其中，為超聲波信號在待測容器壁中傳播的路徑長度，為投影到待測容器外表面的投影距離；為測量時發射端超聲換能器和接收端超聲換能器表面兩點之間的最短距離，即超聲波信號總的投影距離；為超聲波信號總的傳播路徑長度；為第次反射時待測容器內表面曲率；為第次反射時待測容器外表面曲率；為超聲波信號總的反射次數；為超聲波信號的入射角。
30、作為上述方案的改進，所述待測容器的內部壓力值通過以下公式進行計算：
31、；
32、其中，為所述待測容器的內部壓力值；為理想氣體常數；為標定時接收端振幅；為測量時接收端振幅；、、、、分別為待測容器內部氣體的摩爾質量、聲速、標定時的壓力、標定時的溫度以及測量時的溫度；、分別為待測容器材料的密度、聲速；、、、、、分別為待測容器外部氣體的摩爾質量、聲速、標定時的壓力、標定時的溫度、測量時的壓力和測量時的溫度；為待測容器內表面總的反射次數，為待測容器外表面總的反射次數。
33、作為上述方案的改進，所述待測容器的外部壓力值通過以下公式進行計算：
34、；
35、其中，為所述待測容器的外部壓力值；為理想氣體常數；為標定時接收端振幅；為測量時接收端振幅；、、、、分別為待測容器內部氣體的摩爾質量、聲速、標定時的壓力、標定時的溫度以及測量時的溫度；、分別為待測容器材料的密度、聲速；、、、、、分別為待測容器外部氣體的摩爾質量、聲速、標定時的壓力、標定時的溫度、測量時的壓力和測量時的溫度；為待測容器內表面總的反射次數，為待測容器外表面總的反射次數。
36、作為上述方案的改進，所述測量組件包括多組超聲換能器，每組超聲換能器包括至少一個發射端超聲換能器和至少一個接收端超聲換能器；
37、所述待測容器的內部壓力值或者外部壓力值通過以下公式進行計算：
38、；
39、其中，為待測容器的內部壓力值或者外部壓力值；為第組超聲換能器測量的待測容器的內部壓力值或者外部壓力值；為第組超聲換能器的權重系數。
40、作為上述方案的改進，所述權重系數通過以下公式計算：
41、；
42、其中，表示第組超聲換能器超聲波信號反射路徑的曲率，表示第組換能器反射路徑所經過待測容器壁面的本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種基于聲阻抗分析的任意曲率容器壓力測量系統，其特征在于，包括測量組件、電源單元、控制單元、信號源、數據處理單元；其中，所述測量組件包括至少一個發射端超聲換能器、至少一個接收端超聲換能器、外部傳感器；
2.如權利要求1所述的基于聲阻抗分析的任意曲率容器壓力測量系統，其特征在于，所述系統還包括數據輸出單元以及校準組件，所述測量組件還包括信號調理單元；
3.如權利要求1所述的基于聲阻抗分析的任意曲率容器壓力測量系統，其特征在于，所述入射角滿足以下條件：
4.如權利要求3所述的基于聲阻抗分析的任意曲率容器壓力測量系統，其特征在于，在所述數據處理單元中，所述反射系數通過以下公式進行計算：
5.如權利要求4所述的基于聲阻抗分析的任意曲率容器壓力測量系統，其特征在于，所述待測容器內表面總的反射次數通過以下公式求解：
6.如權利要求5所述的基于聲阻抗分析的任意曲率容器壓力測量系統，其特征在于，所述待測容器的內部壓力值通過以下公式進行計算：
7.如權利要求5所述的基于聲阻抗分析的任意曲率容器壓力測量系統，其特征在于，所述待測容器的外部壓力值通過以下公式進行計算：
8.如權利要求6或7任一項所述的基于聲阻抗分析的任意曲率容器壓力測量系統，其特征在于，所述測量組件包括多組超聲換能器，每組超聲換能器包括至少一個發射端超聲換能器和至少一個接收端超聲換能器；
9.如權利要求8所述的基于聲阻抗分析的任意曲率容器壓力測量系統，其特征在于，所述權重系數通過以下公式計算：
10.一種基于聲阻抗分析的任意曲率容器壓力測量方法，其特征在于，應用于如權利要求1至9任一項所述的基于聲阻抗分析的任意曲率容器壓力測量系統，包括：
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【技術特征摘要】
1.一種基于聲阻抗分析的任意曲率容器壓力測量系統，其特征在于，包括測量組件、電源單元、控制單元、信號源、數據處理單元；其中，所述測量組件包括至少一個發射端超聲換能器、至少一個接收端超聲換能器、外部傳感器；
2.如權利要求1所述的基于聲阻抗分析的任意曲率容器壓力測量系統，其特征在于，所述系統還包括數據輸出單元以及校準組件，所述測量組件還包括信號調理單元；
3.如權利要求1所述的基于聲阻抗分析的任意曲率容器壓力測量系統，其特征在于，所述入射角滿足以下條件：
4.如權利要求3所述的基于聲阻抗分析的任意曲率容器壓力測量系統，其特征在于，在所述數據處理單元中，所述反射系數通過以下公式進行計算：
5.如權利要求4所述的基于聲阻抗分析的任意曲率容器壓力測量系統，其特征在于，所述待測容器內表面總的反射次數通過以下公式求...
【專利技術屬性】
技術研發人員：楊慶喜，陳仕琳，陳肇璽，
申請(專利權)人：中國科學院合肥物質科學研究院，
類型：發明
國別省市：
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