一种基于单周波尿素全浓度覆盖的超声品质传感技术的制作方法

1.本发明涉及商用车尾气处理scr系统，具体涉及scr系统用超声波品质传感器，更具体涉及scr系统之超声波尿素浓度探测技术。


背景技术：

2.scr系统是利用32.5%的尿素浓度溶液喷射进入汽车尾气中，利用尾气的余温，尿素与尾气中的nox发生化学反应，反应生成物为氮气与水分子，实现了将尾气中的有害nox物质转化成了无害的氮气与水分子。
3.随着国家对于环保法规的加严，scr系统在国六阶段以及以后的国七标准阶段需要对于尿素浓度进行动态检测，而目前通常的尿素浓度检测技术均采用超声波品质传感器探测。
4.scr超声波品质传感器其构成在硬件上是由其前方的超声波发生器、被称为超声波探头以及其后的后台控制模块组成；后台控制模块又可以分为由电子电路硬件与通信、控制策略等软件组成。
5.超声波探头及其后台的电子电路硬件是超声波品质传感器的基础。其探测浓度的基本原理是利用超声波在不同浓度的溶液中的飞行速度不同，只要我们通过电子电路的设计能够获取超声波在溶液中的飞行时间δt，在飞行距离一致的情况下，δt就可看作是浓度。而这个捕获飞行时间δt的技术称为fot（fly of time），在商业环境中已经具有成熟的fot集成电路技术。品质传感器均是采用专业的fot芯片，并且围绕芯片设计其电子电路以及前端的探头。
6.目前的探头技术均面临着因为传感器外形尺寸的原因以及为了控制成本的原因，均被设计成超声探头单发单收结构，即一个超声波探头既是超声波发射器又是超声波反射波的接收器。其优点就是上面所述的外形尺寸以及成本，但是，却面临着两个致命的缺陷，第一、超声波探头无法避免余震；即使有些设计者尽量让反射片远离超声探头，但是，超声探头在接收回波的同时依然面临原来机械振动的余震；第二、因为超声波在尿素中的飞行距离加大，超声波在飞行路程上的衰减加大，信号相应地减弱。
7.在信号处理上，目前的品质传感器其软件策略是依赖大量的实验室数据求取策略即数据库的数据量批量获取来建立二维关系表，或者是利用数据库的批量数据寻求最佳的拟合函数。无论是数据库相关的二维关系表还是拟合函数求解，其实质都是通过对于应用场景设置，例如不同的探头对应于不同的浓度、不同的温度下的fot时间δt的获取。在上述应用场景中，软件策略遇到的最大的、也是最多的问题是超声信号在高温情况下，fot时间δt会发生崩溃的现象，浓度测量结果出现了反逻辑情况，例如浓度为负值，或者超出了100%。主要的原因为在高温情况下，尿素溶液会因为其内部溶解的二氧化碳、氧气等溶解度的下降而大量析出；同时因为超声波周期性的声压波动同样会造成尿素液体汽化；上述二者因素的叠加作用，在高温段气泡发生机理就越发的剧烈。大量的、大体积的气泡生成带来的后果是超声波发射、返回时候造成信号剧烈衰减，探头能够获取的信号强度有时候与电
子电路的背景噪声相当，硬件上无法正确区分返回超声波的第一波。
8.本发明专利技术，针对上述探头设计以及配套的软件策略所存在的缺陷，提出了一种单周波尿素浓度全覆盖的超声品质传感器技术。


技术实现要素：

9.本发明主要解决的技术问题在于提供了一种基于单周波尿素全浓度覆盖的超声品质传感技术，具体采用如下方法来实现：一种基于单周波尿素全浓度覆盖的超声品质传感技术，其特征是：包括了双探头组件、控制模块、超声探头底座、探头滤网、温度传感器、探头顶盖以及控制模块。
10.所述双探头组件是为品质传感器超声探头的主要机构，是由两个超声波换能器在几何上形成面对面对射的结构布局。
11.具体的，两个换能器，一个是发射换能器，另一个是接收换能器，联结换能器的是双探头组件支架；双探头组件支架、发射换能器以及接收换能器组成了品质传感器的浓度探测腔。
12.所述浓度探测腔是一正四方形柱形实体被掏空了柱形实体的中轴而成的腔体；腔体为圆柱形，圆柱形的两端分别置入接收换能器以及发射换能器；腔体的侧面、两个换能器之间被置入了一圆柱环，此圆柱环开有若干前向入水小孔，同时圆柱环在垂直向上开有出液槽。
13.所述超声探头底座的前端位置被用来安置双探头组件。
14.具体地，超声探头底座前端位置上开有一“t”形双柱形空间，“t”形双柱形空间中，一个为前向柱形空间，另一个与前向柱形空间垂直的横向柱形空间，柱形空间既可以是圆柱形，也可以是四方柱形。
15.具体地，前向柱形空间一端与双探头组件圆柱环前向入水小孔连通，另一端是探头进液口：横向柱形空间安置有双探头组件，双探头组件圆柱环出液槽与探头顶盖经出液槽密封圈连通；所述探头进液口上安置有起密封作用的滤网密封圈以及过滤作用的探头滤网；所述探头顶盖的抽液腔尾端为探头出液口，探头出液口在scr系统的抽液管通过密封圈密封，将抽液管与顶盖抽液腔连为一体并形成密闭管道。
16.优选的，圆柱环垂直方向出液槽面积尺寸远大于入水小孔的面积总和，前向入水小孔是自探头进液口至scr系统的抽液管全段腔体的最狭窄处，入水小孔的尿素液流速是最快的。
17.优选的，圆柱环出液槽的液体出口方向对准发射换能器以及接收换能器的超声波发射面以及超声波接收面；高流速液体会冲刷高温时产生的气泡，减少气泡聚集量。
18.具体地，圆柱环与两个换能器的组装关系使得发射换能器以及接收换能器的超声波发射面与超声波接收面间为正对且同轴的位置关系，超声波发射面与超声波接收面间距为h。
19.优选的，圆柱环为金属不锈钢材质，其长度l小于等于h+2h mm；圆柱环的两端分别与发射换能器以及接收换能器的组装限位面形成面接触，圆柱环的两个端面与圆柱环的轴是严格垂直的，且端面为高光面；h是超声波发射面到超声波发射限位面或超声波接收面到超声波接收限位面的距离。
20.所述控制模块包括品质传感器的电源模块、通信模块、驱动及测量模块、ad/da模块、标定与决策模块以及主控模块。
21.所述电源模块给整个控制模块提供电源。
22.所述通信模块是基于sae1939通信协议、起连通品质传感器上位机与品质传感器之功能。
23.特别地，控制模块带有测量尿素温度的温度传感器及相应的电子电路，被测尿素溶液温度测量数据参与标定与决策模块的函数或数据库搭建。
24.优选的，驱动及测量模块的核心芯片选用ms1022或者其迭代更新版本芯片，例如ms1030；被选芯片具有双通道独立操作功能，双通道被标识为发射通道与测量通道。
25.具体地，主控模块与驱动及测量模块协同作用，形成固定频率f0的脉冲方波，脉冲方波被施加于发射换能器的换能片的两极，周期变化的脉冲信号激励换能片产生机械振动；同步地，发射通道在激励信号产生以及施加于换能片的同时开始系统计时；上述发射换能器的换能片因为产生机械振动而向外发射超声波，超声波经过一个固定的飞行距离h而到达接收换能器；ms1022或者ms1030针对接收换能器可以接收主控模块的程控指令在系统指定的时刻、自由定点时刻tb打开测量通道并开始计时，测量通道又会因为程控设定的被测信号幅值单点采样、或者是被测信号连续多点采样，具体采样过程通过与程序所设定的阈值比较而去触发系统计时在规定的时点发生计时读取并存入相应的内存。
26.优选的，本发明对于f0与h的选择关系，被策略性地设定如下：第一、脉冲频率f0对应于脉冲单波脉冲周期宽度t0，t0会因为一个巧妙的h设置而实现如下第二条的规定；第二、超声波对应于尿素浓度为零且尿素温度为4℃时候的飞行速度v0，超声波对应于尿素浓度为50%且尿素温度为70℃时候的飞行速度v50，则t0≥h（1/v0-1/v50）；此公式的意义在于一个单周波脉冲宽度包含了尿素浓度自0%到50%以及对于的温度从4℃到70℃的边界条件；第三、根据上述第二条，有h ≤t0（v0*v50）/（v50-v0），由f0*t0=1，则h ≤（v0*v50）/（（v50-v0）*f0）。
27.单发单收因为存在压电陶瓷片的径向余震带来的超声波回波被扭曲，加上在被测尿素温度超过或者接近70℃的时候产生大量气泡，超声波信号在发射面、反射面以及再次返回发射面的三个面上会面临三次信号衰减，通过捕获第一波的采样策略，信噪比在概率上存在大比例的ρ=（vh/vz）《=2，更加糟糕的情况甚至于会发生ρ=（vh/vz）《=1，vh为信号，vz为噪声；信号、噪声二者在第一波处如此接近，若采用幅值阈值采样设定，系统会面临大概率误触发或者不触发，系统崩溃；即使ms1022芯片采用上升沿过零点以及结合下降沿过零点技术来确定第一波回波信号的包络位置，但是因为应用环境的宽泛特征，具体体现在标准规定的尿素浓度差大，技术方案的探头余震大，应用环境的温差大以及因为高温产生的气泡大且量多，造成测量通道开窗口时间比第一个回波超前打开；在系统信号与噪声比较接近以及存在背景噪声涨落叠加极端情况下的信号畸变，ms1022芯片技术仍然存在小概率的第一波实为噪声而误触发带来的系统崩溃；同时，整个系统精度因为在第一波处信号容易被噪声所叠加而降低。
28.本发明技术特征包含所述双探头组件，双探头组件中的双探头一发一收，其一、避
免了径向余震造成的超声波回波信号被扭曲的可能，其二、在被测尿素温度超过或者接近70℃的时候超声波信号仅面临两次气泡造成的信号衰减，而不是三次气泡造成的信号衰减，其三、圆柱环的入水小孔形成的高流速液体流会冲刷高温时候产生的气泡，减少气泡聚集量。
29.特别地，所述标定与决策模块、主控模块以及驱动及测量模块经通信模块，会实现自由定点时刻tb开窗，自由定点时刻tb可以避免在第一个回波前，而选择在整个包络的最稳定区间内去随机触发采样，其间噪声的影响概率最小。
30.特别地，基于上述自由定点时刻tb开窗策略特征，本发明的双探头结构改用单探头加反射片结构，即使有效概率有所降低，但同样是本发明的有效特征，且成本稍微占优。
31.具体地，自由定点时刻tb开窗策略对应于发射脉冲数量n，脉冲数量n与压电陶瓷片直径、厚度以及激励电压形成一种函数关系，具体表现为n正比于陶瓷片的厚度及陶瓷片直径，n反比于激励电压;自由定点时刻tb∈[t0，t0+c],c为（n+1）*t0，单位取微秒。
[0032]
具体地，自由定点时刻tb开窗设定、触发采样、系统计时、策略判断、数据存储、数据帧传递等功能，描述如下：主控模块启动脉冲发生、同步ms1022芯片打开发射通道、同步ms1022系统计时tx开始、同步双探头中的发射探头压电陶瓷片被激励、同步陶瓷片产生超声波振动、同步超声波开始传播进入尿素溶液。
[0033]
当系统计时tx达到主控模块设定的测量通道窗口打开时间即自由定点时刻tb时，ms1022测量通道被触发而打开，随后ms1022按照测试芯片内置的采样策略而采样。
[0034]
具体地，当测试通道内的被测信号符合ms1022内置条件，被测信号会按照芯片内置条件对信号采样，采样过程被设置为超声波信号第一个上升沿触发时刻tr、超声波信号第一个下降沿触发时刻td，信号的上升沿以及下降沿超过了程序设定的过零点而触发，td-tr ≤t0，t0 是脉冲信号的一个单周波周期；系统时间tx，tr，td 均被提取、存储，以备标定与决策模块调用。
[0035]
特别地，ms1022芯片计时精度可以达到皮秒级别。
[0036]
所述标定与决策模块包含有对于单个独立双探头利用使用场景、依赖浓度计量仪表、温度计量仪表获取的基于不同浓度cu、不同温度tu下的超声波的飞行时间（fot）数值tf，三者关系可以用函数关系tf = f（cu，tu）表达，也可以是二维表结构；在温度tu确定以及tf确定之下，cu可以查表或者经过函数计算得到。
[0037]
特别地，tf依赖于标定与决策模块内的策略去精准获取，具体策略描述如下：a ：if（td-tr ）》 αt0/2，then tf = tr , else （等待下次触发数据）；b ：if （tf 《 t50）, do tf = tf + t0 until tf ≥ t50;c ：else if （tf 》 t0）, do tf = tf
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t0 until tf ≤ t0；d ：返回主控。
[0038]
优选的，α大于等于0.5，小于等于1。
附图说明
[0039]
图1：探头组件爆炸图1、双探头组件
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2、控制模块
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3、超声探头底座
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4、探头滤网
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5、温度传感器
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6、探头顶盖图2：探头组件图11、发射换能器
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12、双探头组件支架
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13、接收换能器
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14、浓度探测腔
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15、圆柱环
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16、入水小孔
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17、出液槽
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p1、超声波发射面
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p2、超声波接收面
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p3、发射限位面
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p4、接收限位面图3：探头组件截面图31、前向柱形空间
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32、横向柱形空间
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33、探头进液口
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34、滤网密封圈图4：抽液腔截面图61、抽液腔
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62、探头出液口图5：控制模块图21、电源模块
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22、通信模块
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23、驱动及测量模块
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24、ad/da模块
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25、标定与决策模块
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26、主控模块图6：单发射换能器截面图a1、陶瓷片厚度2mm (对应频率1mhz)
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c1、发射面到接收面距离
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d1、压电陶瓷片
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e1、超声波反射面板 。
实施方式
[0040]
下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0041]
如图1所示，一种基于单周波尿素全浓度覆盖的超声品质传感技术，包括了1、双探头组件2、控制模块3、超声探头底座4、探头滤网5、温度传感器6、探头顶盖。
[0042]
如图2所示，双探头组件1是由两个超声波换能器在几何上形成面对面对射的结构布局；两个换能器一个是发射换能器11，另一个是接收换能器13。
[0043]
优选的，根据发射和接收功能需要，两个换能器厚度一致，外径可以不一致。
[0044]
所述双探头组件支架12采用尼龙加玻纤材料注塑成型，圆柱环15通过紧配方式压入双探头组件支架12，发射换能器11以及接收换能器13通过换能器密封圈18或密封胶，装进探头组件支架腔体内；发射换能器11的发射限位面p3 跟接收换能器13的接收限位面p4 紧贴圆柱环15，并形成面对面对射的结构布局；通过两端电极盖固定住发射换能器11以及接收换能器13，组装成为双探头组件1；圆柱环15使用不锈钢制作。
[0045]
如图3所示，所述超声探头底座3使用工程塑料加玻纤材料通过模具注塑成型；该部件上的“t”形双柱形空间，一个为前向柱形空间，另一个与前向柱形空间垂直的横向柱形空间，柱形空间既可以是圆柱形，也可以是四方柱形。
[0046]
所述横向柱形空间32，用于安装双探头组件1；先将出液槽密封圈19套在双探头组件1的出液槽17上，再将双探头组件1放进横向柱形空间32里面。
[0047]
所述探头进液口33上安置有起密封作用的滤网密封圈34以及过滤作用的探头滤网4；通过螺丝固定在超声探头底座3的前向柱形空间31里面。
[0048]
如图4所示，所述探头顶盖使用工程塑料加玻纤材料通过模具注塑成型；探头顶盖6与超声探头底座3通过超声波热熔工艺将两者熔合为一体，形成密封的抽液腔61。
[0049]
所述探头顶盖6的抽液腔61尾端为探头出液口62，探头出液口62在scr系统的抽液管进液端通过密封圈密封，将抽液管与探头顶盖6抽液腔61连为一体并形成密闭管道。
[0050]
如图5所示，所述控制模块2集成有电源模块21、通信模块22、驱动及测量模块23、ad/da模块24、标定与决策模块25、主控模块26，其硬件pcba通过外协采购商业化取得。
[0051]
综合权利要求所述，本发明实现单周波覆盖全浓度尿素液其策略的实现取决于脉冲频率f0、超声波在被测尿素溶液中的飞行距离h、超声波在低温4℃、0%的尿素溶液中的飞行速度v0以及超声波在低温70℃、50%的尿素溶液中的飞行速度v50的参数选取。
[0052]
首先，为保险计，我们需要策略性地对于上述v0以及v50做出安排，本发明中软件设定的v0值比实际测量所得的值要略小、v50值比实际测量所得的值要略大。
[0053]
具体地，超声波在低温4℃、0%的尿素溶液中的飞行速度v0以及超声波在高温70℃、50%的尿素溶液中的飞行速度v50通过高精度超声波测速仪表取得。其数据处理可以经过多次测量获取的数据求取平均值，这里我们推荐10次测量的平均值。
[0054]
测速仪表获取的v0与v50平均值分别为1422米/秒与1705米/秒，按照上述策略安排，v0取1400米/秒，v50取1720米/秒。
实施例
[0055]
主控模块26控制产生的脉冲频率f0为1mhz，则依照压电陶瓷片d1频率特性，1mhz频率对应的发射换能器11以及接收换能器13内的换能片几何规格为厚度2mm。
[0056]
优选的压电陶瓷片d1为圆盘，且直径为10mm。
[0057]
优选的压电陶瓷片d1驱动电压为芯片直接输出电压，幅值大小为3.3v。
[0058]
主控程序中的脉冲数n的优选确定：针对双探头组件，利用驱动程序，经过不断调整脉冲方波的数量，借助示波器读取接收换能器的陶瓷芯片达到峰值饱和时幅值，对于幅值进行比较，当脉冲方波数超过某个数后幅值不再增加时，即为获得了脉冲数n的最优值。
[0059]
对应于压电陶瓷片d1厚度为2mm，直径为10mm以及驱动电压为3.3v，实验选取的优选脉冲数量n为5；特别说明，只要满足系统不崩溃的概率特性，符合本发明要求的n还可以选取大于等于3的任意正整数。
[0060]
主控程序中的超声波飞行距离h参数的设定：h ≤（v0*v50）/（（v50-v0）*f0），v50、v0以及f0分别取1720米/秒、1400米/秒以及1mhz，求取h最大值为7.53mm。为了避免要求的双探头组件零部件加工精度以及组装精度过高，h往往选取接近最大值7.5mm，本发明的最优选在7.5mm；特别说明，其他数值的h符合要求的次优选只要没有违背上述公式所定义的要点，仍然是本发明的保护特征。
[0061]
主控程序中的自由定点时刻tb参数的实现：tb∈[t0，t0+c]，c为（n+1）*t0，单位μs，由上述h最优选7.5mm、n最优选5，v0=1400米/秒，t0=5.36微妙，则11.36μs≥tb≥5.36μs；则tb可通过随机函数实现在5.36 ~ 11.36μs内的取值，含5.36或11.36μs。
[0062]
基于h确定、v0确定以及v50确定下的t0与t50就能够依据如下公式确定：t0=h/v0，t50=h/v50。
[0063]
双探头组件中的圆柱环长度l尺寸的设定：因超声探头压电陶瓷片d1厚度为2mm，当h≤2mm时可以保证压电陶瓷片d1在超声探头内胆内其上表面超出内胆避空圆环台阶从而实现压电陶瓷片d1被吸波胶压住；l=h+
2hmm ≤13mm，本实施例中h取7.5mm，h取1.8mm，则l为11.1mm。
[0064]
本发明技术特征，对于精准的tf在标定与决策模块25规定了如下判定策略：a ：if（td-tr )》 αt0/2 ，then tf = tr , else 等待下次触发采样；b ：if (tf 《 t50), do tf = tf + t0 until tf ≥ t50;c ：else if （tf 》 t0）, do tf = tf
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t0 until tf ≤ t0；d ：返回主控。
[0065]
前述实施例的阐述中，对于上述tf判定策略所涉及参数t0、t0、t50已经完成了具体的设计或者实现方法。但是，上述三参数还不能获取精准的tf，精确的tf还依赖tr、td以及α三个参数：td、tr是在主控模块26控制下，经过驱动及测量模块23开启ms1022芯片的测量通道测试功能，ms1022芯片可以在自由定点时刻tb启动测量通道，进行信号的采样；ms1022采样的具体动作流程是按照tb后续时刻第一个上升沿触发计时tr以及第一个下降沿触发计时td。
[0066]
在获取了tr以及结合上述tf判定策略程序，就能够找到超声波信号第一波的起点时刻。
[0067]
α严格依赖于超声波信号强度与噪声的强度，当信噪比不是很强，我们需要取α尽量接近0.5，当信噪比较强，α可取接近1。
[0068]
阐述至此，基本建立了对于精准飞行时间tf的获取能力，其后续的过程被称为探头及系统标定过程。
[0069]
标定过程可以按照线性分段标定方法获取多温度段下的二维关系表，也可以按照高次函数拟合曲线的方法获取全温度测量范围的精准函数关系式；此二项技术在信息技术领域均为十分成熟的技术。
实施例
[0070]
基于本发明核心之一的技术特征：超声波飞行距离h、激励脉冲数n以及自由定点时刻tb三参数的设计严格关联于压电陶瓷片d1的厚度、直径、激励脉冲的频率f0以及超声波在低温4℃、0%的尿素溶液以及高温70℃、50%的尿素溶液中的飞行速度v0及v50。
[0071]
此技术特征保障了超声波真实飞行时间tf的获取优势如下：第一、不会超尿素浓度范围；第二、同等硬件条件下，自由定点时刻tb保障采样时刻信噪比最优，tf精度受影响小。
[0072]
基于上述理由，满足此技术特征的单发单收结构经相应的设计不失为本发明的有效实施例之一，亦为需要保护的范围，具体如下：如图6所示，所述双探头组件1也可以采用单发射换能器11和超声波反射面板e1面对面的反射结构。
[0073]
优选的，压电陶瓷片d1为圆盘，厚度为2mm，直径为10mm，激励脉冲频率f0为1mhz，飞行距离h小于等于7.5mm；特别地，不同于双探头结构的发射换能器发射面到接收换能器的接收面的距离等于h，单探头发射换能器超声发射面到反射面的距离c1=h/2=3.75mm。
[0074]
优选的，超声波反射面板e1使用不锈钢通过冲压制成，超声波反射面进行研磨抛
光，使其粗糙度≤0.2μm 。
[0075]
特别声明，本发明重在阐明上述参数“飞行距离h、激励脉冲数n以及自由定点时刻tb”的设计严格关联于压电陶瓷片d1的厚度、直径、激励脉冲的频率f0以及超声波在低温4℃、0%的尿素溶液以及高温70℃、50%浓度的尿素溶液中的飞行速度v0及v50之技术特征，而实施例中的上述优选的h=7.5mm，n=5以及11.36μs≥tb≥5.36μs对应于压电陶瓷片d1厚度为2mm，直径10mm、激励脉冲频率为1mhz以及v0选1400米/秒和v50选1720米/秒仅仅是符合上述技术特性的特例；其他参数选择，例如f0=500khz或者f0=2mhz，以及按照本发明技术特征所推导得到的h小于等于15.05mm或者3.76mm，n为10或3，32.75μs≥tb≥10.75μs或者4.69μs≥tb≥2.69μs、进一步得到的压电陶瓷片d1厚度为4mm或者1mm以及压电陶瓷片d1厚度确定下的直径最优选择，都是本发明的保护范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

技术特征：
1.一种基于单周波尿素全浓度覆盖的超声品质传感技术，其特征是：包括了双探头组件（1）、控制模块（2）、超声探头底座（3）、探头滤网（4）、温度传感器（5）、探头顶盖（6）；所述双探头组件（1）是为品质传感器超声探头的主要机构，是由两个超声波换能器在几何上形成面对面对射的结构布局；两个换能器一个是发射换能器（11），另一个是接收换能器（13），联结换能器的是双探头组件支架（12）；双探头组件支架（12）、发射换能器（11）以及接收换能器（13）组成了品质传感器的浓度探测腔（14）；所述浓度探测腔（14）是一正四方形柱形实体被掏空了柱形实体的中轴而成的腔体，腔体为圆柱形，圆柱形的两端分别置入接收换能器（13）以及发射换能器（11），腔体的侧面、两个换能器之间被置入了一圆柱环（15），此圆柱环（15）开有若干前向入水小孔（16），同时圆柱环（15）在垂直向上开有出液槽（17）；所述超声探头底座（3）上开有一“t”形双柱形空间，“t”形双柱形空间中，一个为前向柱形空间（31），另一个与前向柱形空间（31）垂直的横向柱形空间（32），被用来安置双探头组件（1）；所述前向柱形空间（31）一端与双探头组件（1）的圆柱环（15）的前向入水小孔（16）连通，另一端是探头进液口（33）；所述横向柱形空间（32）安置有双探头组件（1），双探头组件（1）、圆柱环（15）、出液槽（27），经密封圈与顶盖抽液腔（61）入口连通、与探头顶盖（6）的抽液腔（61）形成密封管道；所述双探头进液口（33）上安置有起密封作用的滤网密封圈(34)以及过滤作用的探头滤网（4）；所述探头顶盖（6）的抽液腔（61）尾端为探头出液口（62），探头出液口（62）在scr系统的抽液管进液端通过密封圈密封，将抽液管与顶盖抽液腔（61）连为一体并形成密闭管道。2.根据权利要求1所述，一种基于单周波尿素全浓度覆盖的超声品质传感技术，其特征是：所述圆柱环（15）为金属不锈钢材质，其长度l小于等于h+2hmm；圆柱环（15）的两端分别与发射换能器（11）以及接收换能器（13）的发射限位面（p3）以及接收限位面（p4）形成面接触，圆柱环（15）的两个端面与圆柱环（15）的轴是严格垂直的，且端面为高光面；h是发射面（p1）到发射限位面（p3）或接收面（p2）到接收限位面 （p4）的距离；圆柱环（15）与两个换能器的组装关系使得发射换能器（11）以及接收换能器（13）的超声波发射面（p1）与超声波接收面（p2）间为正对且同轴的位置关系，超声波发射面（p1）与超声波接收面（p2）的间距为h；圆柱环（15）垂直方向出液槽（17）面积远大于前向入水小孔（16）的面积总和，前向入水小孔（16）是自双探头进液口（33）至scr系统的抽液管全段腔体的最狭窄处；圆柱环（15）前向入水小孔（16）的液体流入方向正对准发射换能器（11）以及接收换能器（13）的超声波发射面（p1）以及超声波接收面（p2）。3.根据权利要求1或者权利要求2所述，一种基于单周波尿素全浓度覆盖的超声品质传感技术，其特征是：所述控制模块（2）包括品质传感器的电源模块（21）、通信模块（22）、驱动及测量模块（23）、ad/da模块（24）、标定与决策模块（25）以及主控模块（26）；所述电源模块（21）给整个控制模块提供电源；所述通信模块（22）是基于sae1939通信协议的，起连通上位机与scr系统之功能；所述控制模块（2）带有测量尿素温度的温度传感器（5）及相应的电子电路，被测尿素溶液温度测量数据参与标定与决策模块（25）的函数或数据库搭建；所述驱动及测量模块（23）选用核心芯片ms1022或者其迭代更新版本，ms1022芯片具有双通道独立操作功能，分别为发射通道与测量通道，对应于双探头之发射换能器（11）以及接收换能器（13）；所述主控模块（26）控制产生固定频率f0的脉冲方波，脉冲方波被施加于发射换能器（11）的换能片的两极而产生超声波，超声波经过一个固定的飞行距离h而到达接收换能器；
所述固定频率f0与飞行距离h具有选择关系，选择关系如下：第一、脉冲频率f0对应于脉冲单波脉冲周期宽度t0，t0会因为一个h特殊设置而实现下述第二条之特别规定；第二、超声波对应于尿素浓度为零且尿素温度为4℃时候的飞行速度v0，超声波对应于尿素浓度为50%且尿素温度为70℃时候的飞行速度v50，特别设定：t0≥h/（1/v0-1/v50）；则一个单周波脉冲宽度t0包含了尿素浓度自0%到50%以及对应于的温度从4℃到70℃的边界条件；对应于v0与h下的超声波飞行时间为t0，对应于v50与h下的超声波飞行时间为t50；第三、根据上述第二条，有h ≤t0（v0*v50）/（v50-v0），由f0*t0=1，则h ≤（v0*v50）/（（v50-v0）*f0）。4.根据权利要求1或者权利要求3所述，一种基于单周波尿素全浓度覆盖的超声品质传感技术，其特征是：所述标定与决策模块（25）、主控模块（26）以及驱动及测量模块（23）经通信模块（22），实现自由定点时刻tb打开测量窗口，所述自由定点时刻tb，其定点打开测量窗口策略对应于发射脉冲数量n，脉冲数量n与压电陶瓷片（d1）直径、厚度以及激励电压形成一种函数关系，具体表现为n正比于陶瓷片的厚度、陶瓷片直径以及反比于激励电压;自由定点时刻tb∈[t0，t0+c],c为（n+1）*t0，单位取微秒。5.根据权利要求1或3所述，一种基于单周波尿素全浓度覆盖的超声品质传感技术，其特征是：所述标定与决策模块（25）包含有对于单个独立探头组件、模拟汽车真实运行场景、依赖浓度计量仪表、温度计量仪表获取的基于不同浓度cu、不同温度tu下的超声波的飞行时间fot数值tf；三者关系可以用函数关系tf = f（cu，tu）表达，也可以是二维关系表结构；精准的tf还依赖于标定与决策模块（25）内的策略设置，具体策略用结构化的语言描述如下：a ：if（td-tr )> αt0/2 ，then tf = tr , else 等待下次触发采样；b ：if (tf < t50), do tf = tf + t0 until tf ≥ t50;c ：else if （tf > t0）, do tf = tf
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t0 until tf ≤ t0；d ：返回主控。6.根据权利要求1或5所述，一种基于单周波尿素全浓度覆盖的超声品质传感技术，其特征是：所述参数1≥α≥ 1/2。

技术总结
基于单周波尿素全浓度覆盖的超声品质传感技术，包括双探头组件、控制模块、超声探头底座、探头滤网、温度传感器、探头顶盖以及控制模块；探头组件由一个发射换能器和一个接收换能器形成面对面布局，换能器之间是圆柱环，三者共同决定超声波飞行距离h，h≤（V0*V50）*T0/（V50-V0），T0是脉冲宽度，V0为超声波在水中4℃时的速度，V50为超声波在50%尿素、70℃时的速度。信号采样、即自由定点时刻tb∈[t0，t0+C],C为（N+1）*T0，t0=h/V0，N为脉冲数；td、tr是MS1022在tb后信号第一个上升沿触发计时以及第一个下降沿触发计时；tr由决策逻辑经过特殊处理后被赋值与超声波飞行时间tf。圆柱环设计有正对换能器发射面及接收面的小孔，有助于带走高温产生的气泡。走高温产生的气泡。走高温产生的气泡。


技术研发人员：陈小青
受保护的技术使用者：深圳科维新技术有限公司
技术研发日：2023.06.25
技术公布日：2023/9/25