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第 38 卷 第 3 期 周胜友等： 超声波多次回波反射法测量油料密度技术研究 395

如以纯水作为参照，并记由纯水实验得到的拟 线的相关系数 R = 0.998，表明多次回波拟合有利
2
合直线斜率为K w ，由式(9)可得 于减小随机误差。
R/R w = exp (K − K w ) , (10)
2 数据处理与分析
其中，R w 是不锈钢与纯水界面的反射系数，根据纯
水和不锈钢的已知参数(声阻抗)，再根据式(10)，就 选取来自不同厂家的 8 种油料作为实验样品，
可以确定R w ，因此油料的声反射系数可以表示为 其中 0 柴油 4 种，3 喷气燃料 2 种，90 汽油 2 种。
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R = R w · exp (K − K w ) . (11) 实验研究了 6 种油料在不同温度下的声速变化规
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式 (11) 表明，测出油料斜率 K 和纯水斜率 K w 便可 律，温度范围为15 C∼60 C，温度测量间隔为5 C，
求出油料的反射系数 R。再根据式 (6) 便可以求出 对同一油料在每个温度下重复测量5 次后取平均值
油料的声阻抗 [11] 。 作为实验结果。实验结果如图 7 所示，图中 4 号、5
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超声波在不锈钢和油料界面2 处的多次回波信 号为90 汽油，1号、6号为3 喷气燃料，2号、3号为
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号如图5所示。可以清楚地看到7次回波信号，并且 0 柴油。由图 7 可知不同牌号油料随温度的升高，
各回波信号的幅值是逐渐减小的，选取前 7 个回波 其声速近似线性下降；在同一温度下柴油的声速大
信号，对每个回波信号进行快速傅里叶变换，取探头 于喷气燃料和汽油。
中心频率下的幅值代入式 (9) 中。图 6 为回波次数
1400 1Ղ
与回波幅值对数值关系图，从图中可以看出拟合曲 2Ղ
1350 3Ղ
4Ղ
ܦᤴ/(mSs -1 ) 1250
6Ղ
1.0 1300 5Ղ
0.5 1200
1150
ࣨϙ/V 0 1100

1050
20 30 40 50 60
-0.5
ພए/C
-1.0 图 7 不同温度下油料的声速曲线
0 5 10 15 20 25 30
Fig. 7 Sound velocity curve of oil at different tem-
௑ᫎ/ms
peratures
图 5 界面 2 处超声多次回波信号
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Fig. 5 Ultrasonic echo signals at two interfaces 表1给出了20 C条件下，中心频率5 MHz探头
amplitude 的实验测量结果。纯水声阻抗取1.478 kg·m −2 ·s −1 ，
每次实验均重复测量 5 次后取平均值。由实验结果
7.25
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ڀฉࣨएᄊࠫ஝ϙ 可知，测量最大误为 1.2%；0 柴油的测量结果比
લՌᄰጳ
7.00 90 汽油和 3 喷气燃料准确度高，可能是由于不同
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y/֓⊲x⇁⊲ 牌号的物质组成成分不同；随着油料密度的增加，
6.75
2
ln(FFTࣨϙ) 6.50 其声速和声阻抗相应的增大。在测量过程中发现，
R =0.998
温度对声阻抗和声速的测量结果有明显的影响。在
6.25
式 (2) 中，把不锈钢声阻抗看成特定温度下的常数，
6.00
但是当温度变化时不锈钢声阻抗也相应的改变，给
5.75
测量结果带来了不确定的影响，所以测量过程中应
1 2 3 4 5 6 7
ڀฉ൓஝ 减小测量单元温度的变化。8 种不同密度的油料的
图 6 回波次数与回波幅值对数值关系 超声测量结果如图 8 所示，由图可知超声密度测量
Fig. 6 Logarithmic relationship diagram of echo 结果与参考密度直线吻合较好，密度测量达到了较
number and echo 高的精度。