专利名称：一种非线性系数自相关声学体积测量方法及系统的制作方法
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系统。
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t匕，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Λ V的体积压缩，从而在两个腔体内相位相反的八？1和δρ2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Y方的乘积是一个固定的值，如式I所示。其中，Y为空气的比热系数，标准大气压下约为1.4。压力X体积Υ =定值 (I)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系统。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。
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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:(I)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
权利要求
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。
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。
3.根据权利要求2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。
4.根据权利要求2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。
5.根据权利要求1-4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Rtl,TT-01 _ y = 公式 a ;务 02 — P r 其中，Vc^vci2分别为两个测量腔体的初始容积；vt为待测体积值、I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 ; ^02 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:P —t_f/ =A &式c; ^02 ~ ^ t ~ D联立公式a，公式b和公式c，其中参考体积值I已知，％、Rp R2通过测量得到，而待测砝码体积1、两个测量腔体的容积Vtll和Vtl2为未知参数；联立方程组后，消去两个测量腔体的容积Vtll和Vtl2,即可得到待测体积\的值。
6.根据权利要求1-4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。
7.根据权利要求6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:所述待测破码和参考破码的形状和外表面积不相同。
8.在权利要求1-7之一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。
9.根据权利要求8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。
10.根据权利要求8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。
全文摘要
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。
文档编号G01B17/00GK103234493SQ201310140519
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月22日 优先权日2013年4月22日
发明者胡满红, 王健, 张跃, 蔡常青, 钟瑞麟, 姚弘, 丁京鞍, 王肖磊 申请人:中国计量科学研究院