试论不同热湿环境对超声波测量影响

试论不同热湿环境对超声波测量影响

丁世强

丁世强

本溪钢铁（集团）有限责任公司板材计控中心（人力资源管理中心）辽宁省本溪市117000

摘要：进入21世纪以来，在社会经济稳步发展的背景下，我国现代化科学技术水平不断进步及发展。对于超声波测量技术来说，在测量作业领域得到了广泛的应用。但是，结合实践工作经验发现，基于超声波测量过程中，空气相对湿度及温度，会影响测量的结果，进而造成测量误差。本课题便重点分析研究不同热湿环境对超声波测量的影响，以期为超声波测量结果的准确性提供有效参考依据。

关键词：不同热湿环境；超声波测量；影响

近年来，在超声技术逐步进步及发展的大背景下，使得超声波测量技术的应用越来越广泛，且价值作用明显[1]。但是，基于实践工作角度分析，超声波基于空气当中的声速和空气的温度、相对湿度等密切相关；受到空气温度及相对湿度的影响，会使超声波声速发生改变，倘若未能测量或补偿温度及相对湿度，则超声波传播速度会产生一定程度的变化，进而使测量结果的精度受到影响，产生测量结果误差。因此，从超声波测量结果精准度角度考虑，本课题围绕“不同热湿环境对超声波测量影响”进行分析研究具备一定的价值意义。

1.声速基础理论概述

基于空气当中的声速和空气温度之间存在密切的关系，同时和空气当中的相对湿度也存在密切关系，声速基本理论计算公式为：

上述公式中，γ代表比热比，T代表空气温度（℃），P代表大气压（Pa，此次研究设定为1.01325105Pa），Ma代表空气摩尔质量（kg/mol），Mw代表水蒸气摩尔质量（kg/mol）；xw代表水蒸气摩尔分数，Z代表压缩性因子，R代表通用气体常数[数值为8.3144598J/（mol·K）]，RH代表相对湿度（0-100%RH）；值得注意的是，水蒸气强化因子F需基于0-100℃工作条件下进行计算；此外，假设空气成分与标准空气保持一致，结合上述公式（1）可知，空气声速的平方和空气中的温度成正比关系，空气的声速的平方和湿度也成正比关系[2]。

值得注意的是，近年来，在超声技术逐步发展及进步的大背景下，超声波测量技术的应用越来越广泛，应用价值也越来越高。国内有学者以超声波的反射特性为依据，把传感器设计为反射式结构，使超声波温度计的尺寸有效减少；同时，在FPGA硬件电路及软件细分算法的充分有效支持下，使在常温及高温条件的精密温度测量得到有效实现。并且，还有学者通过COMSOLMultiphysics软件的应用，对声波传播路径的数值进行计算，纳入声波折射补偿因子，进一步对声波信号传播路径从曲线转变为直线，然后进行补偿处理，结果显示温度场测量的精准度得到有效提升。此外，还有学者表示，不同热湿环境对超声波测量产生的影响有所不同；因此，此结论值得进一步深入分析研究。

2.实验方案设计

本课题重点对“不同热湿环境对超声波测量的影响”进行研究，如下图1所示，为本次实验平台搭建架构流程图；其中，在测区温度获取过程中，需使用到电子温度计；测区温度及湿度调整，需使用到温度调整装置及湿度调整装置；在超声波发射探头发送信号过程中，则需使用到信号发生器；此外，对于探头接收信号、对比信号发射时间、声波速度等数据，则通过数据采集获取。

图1·实验平台搭建架构流程图

本次进行了两组实验，包括：

实验I，设置恒定温度3组，21℃、24℃、27℃，基于湿度范围30-95%RH内，每间隔5%RH相对湿度，对超声波接受信号的变化情况进行分析记录。

实验II，设置恒定温度5组，16℃、19℃、21℃、24℃、27℃，基于湿度范围40-90%RH范围内，每间隔10%RH空气相对湿度，对超声波声速的变化情况进行分析记录。

结合上述两组实验，对不同实验的热湿环境条件下，对温度、空气相对湿度及超声波实验数据进行记录，最终获取不同热湿环境对声速所产生的影响。

3.实验结果分析

3.1相对湿度影响因素分析

对于相对湿度因素来说，主要会对超声波接收信号产生一定程度的影响。基于实验过程中，设置温度不同、相对湿度不同的条件下，进一步对超声波发射信号受到影响进行分析。如下图2所示，代表处于恒定温度条件下，湿度不同，超声波接收信号的振幅变化情况；当中，相对湿度用x轴代表，超声波振幅则用y轴代表。

图2

结合图2可知：

基于空气温度恒定条件下，在空气相对湿度增加时，超声波接收信号会受到一定程度的影响，即相对湿度越高，超声波接收信号（振幅）便越理想；

基于相对湿度为同一数值的情况下，温度越高，超声波接收信号越理想。

此外，基于空气当中，温度越高，则湿度对超声波接收信号所产生的影响则越大。

3.2恒定温度条件影响因素分析

当温度及湿度不同的情况下，对超声波声速所产生的影响也存在一定差异。如图2（b），代表温度及湿度不同条件下超声波声速变化的情况。当中，相对湿度用x轴代表，超声波声速则使用y轴代表；温度有五组，即：16℃、19℃、21℃、24℃、27℃，不同温度条件下，所测量出来的超声波声速数据也有所不同。有图可知：

基于空气温度处于恒定状态条件下，在空气相对湿度增加的情况下，会对超声波声速造成一定影响，即相对湿度提升，超声波声速也提升。

基于空气相对湿度处于恒定状态下，随着温度的升高，超声波声速也会受到一定影响，即温度越高，则超声波声速越大。

当温度逐步上升的情况下，超声波传播速度逐渐变快；相对湿度越高，则超声波传播速度逐渐变化；此外，处于空气当中的湿度，对超声波声速产生的影响，和温度所产生的影响比较起来则更低。

4.结论

综上所述，基于空气的温湿度对超声波的测量接收信号均会产生一定程度的影响，一方面在空气温度恒定条件下，在空气相对湿度增加时，超声波接收信号会受到一定程度的影响，即相对湿度越高，超声波接收信号（振幅）便越理想。另一方面，基于相对湿度为同一数值的情况下，温度越高超声波接收信号越理想。并且，基于空气当中，温度越高，则湿度对超声波接收信号所产生的影响则越大。此外，基于空气温度处于恒定状态条件下，在空气相对湿度增加的情况下，会对超声波声速造成一定影响，即相对湿度提升，超声波声速也提升。总之，不同热湿环境对超声波测量影响较大，需合理控制热湿环境，确保超声波测量精准度，进一步提高超声波测量效率及质量。

参考文献：

[1]王月明，高松，陈波.不同热湿环境对超声波测量影响[J].传感器与微系统，2019（09）：13-14.

[2]谢云，晋刚，胡鑫，王雷.超声波测量高分子材料取向度研究进展[J].塑料工业，2014，42（06）：1-3.