CN102141432B - 一种超声波测量周期性振动幅度的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超声波测量周期性振动幅度的方法和系统。其测量方法如下：测量信号生成单元生成数字载波信号，经数字信号/声波转换器转换和超声波功率放大器放大后由超声波发射换能器向周期性振动物体发射测量信号，周期性振动物体将测量信号反射，超声波接收换能器将所接收到的信号转换后经低噪声放大器放大再发送到波束成形器进行移相和求和，再由模数转换器进行采样并发送到数据处理单元与数字载波信号进行混频处理，对混频处理后的信号进行傅里叶变换，再计算第i阶和第i+2n阶谐波分量的信号幅度的绝对值之比，根据该绝对值之比与贝塞尔函数系的相应阶数的理论绝对值之比计算得到周期性振动物体的周期性振动幅度值。

Description

一种超声波测量周期性振动幅度的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种测量物体机械振动等物理波振幅的方法和系统，特别是一种应用非线性相位解调原理实现测量周期性振动幅度的方法和系统。

背景技术

超声波通常被定义为频率高于20kHz的声波，具有方向性好，穿透力强，能量易于集中等优点，被广泛应用于医学、军事、工业等领域上。

在精细加工、材料探伤、生物医学等领域，物体机械振动等物理波振幅的测量具有重要的意义。目前的测量方法有接触式检测技术，通过接触式传感器、电极来获取信息，但这种方式需要直接或间接的接触探测对象，对探测对象有一定的束缚和条件限制，因而制约了其应用范围。在非接触式测量的方法中有利用多普勒频移原理，通过小角近似的方法分析被调制的相位，或者采用正切正交解调的方法分析被调制的相位的方法，但是这些方法只能用于测量周期性振动的振动频率，却无法测量其幅度。在非接触式测量周期性振动幅度的方法中，最为常见的是基于光干涉测量技术的光学测量法，其优势是可实现高精度的测量，但是这种方法对于天气和环境的依赖性很大。而超声波的特点是对雨、雾、雪的穿透力强，因此可以在雨雪、大雾等恶劣天气下工作，从而弥补光学测量法的缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超声波测量周期性振动幅度的方法和系统。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

所述超声波测量周期性振动幅度的方法包括如下步骤：由测量信号生成单元生成数字载波信号，该数字载波信号分成两路：其中一路数字载波信号发送到数据处理单元；另一路数字载波信号驱动数字信号/声波转换器产生模拟载波信号，所述模拟载波信号经过超声波功率放大器放大后经超声波发射换能器处理以将电信号转换为超声波信号，并由该超声波发射换能器向周期性振动物体发射超声波信号，周期性振动物体将所述超声波信号反射到超声波接收换能器，超声波接收换能器将所接收到的超声波信号转换为电信号后经低噪声放大器放大并发送到波束成形器进行移相和求和，再由模数转换器对移相和求和后的电信号进行采样并发送到数据处理单元；数据处理单元对所接收的数字载波信号和采样后的信号进行混频处理，对混频处理后的信号进行傅里叶变换，得到混频处理后的信号的基波及各阶谐波分量的信号幅度；再计算第i阶和第i+2n阶谐波分量信号幅度的绝对值之比，其中，n≥1且为整数；再根据该绝对值之比与贝塞尔函数系的相应阶数的理论绝对值之比计算得到周期性振动物体的第一周期性振动幅度值。

进一步，本发明所述i≤5且n≤2。

进一步，本发明同时还计算第j阶和第j+2m阶谐波分量的信号幅度的绝对值之比，其中，m≥1且为整数，且i≠j；再根据第j阶和第j+2m阶谐波分量的信号幅度的绝对值之比与贝塞尔函数系的相应阶数的理论绝对值之比计算得到周期性振动物体的第二周期性振动幅度值，并比较第一周期性振动幅度值和第二周期性振动幅度值是否相同。

进一步，本发明所述j≤5且m≤2。

本发明实施以上测量方法的系统包括测量信号生成单元、数字信号/声波转换器、超声波功率放大器、超声波发射换能器、超声波接收换能器、低噪声放大器、波束成形器、模数转换器和数据处理单元；测量信号生成单元的输出端分别与数字信号/声波转换器的输入端、数据处理单元连接，数字信号/声波转换器的输出端与超声波功率放大器的输入端连接，超声波功率放大器的输出端与超声波发射换能器的输入端连接，超声波接收换能器的输出端与低噪声放大器的输入端连接，低噪声放大器的输出端与波束成形器的输入端连接，波束成形器的输出端与模数转换器的输入端连接，模数转换器的输出端与数据处理单元连接。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：选择用超声波来测量周期性振动幅度，不仅能够保证测量时良好的方向性和穿透性，而且能采用简单的硬件结构来实现该系统。利用非线性相位解调原理，能够在不需要对接收到的信号幅度进行校正的情况下实现振动幅度的测量。对于数据处理单元，所采用的数据处理方法可以实现自校准，从而保证测量结果的正确性。通过本发明方法可以实现远距离无接触式地测量周期性振动的振动幅度。

附图说明

图1是本发明系统的结构原理图。

图中：1、测量信号生成单元，2、数字信号/声波转换器，3、超声波功率放大器，4、超声波发射换能器，5、超声波接收换能器，6、低噪声放大器，7、波束成形器，8、模数转换器，9、数据处理单元。

具体实施方式

本发明应用非线性相位解调原理进行超声波测量周期性振动幅度。图1示出了一种用于实施本发明测量方法的装置，它包括测量信号生成单元1、数字信号/声波转换器2、超声波功率放大器3、超声波发射换能器4、超声波接收换能器5、低噪声放大器6、波束成形器7、模数转换器8和数据处理单元9；测量信号生成单元1的输出端分别与数字信号/声波转换器2的输入端、数据处理单元9连接，数字信号/声波转换器2的输出端与超声波功率放大器3的输入端连接，超声波功率放大器3的输出端与超声波发射换能器4的输入端连接，超声波接收换能器5的输出端与低噪声放大器6的输入端连接，低噪声放大器6的输出端与波束成形器7的输入端连接，波束成形器7的输出端与模数转换器8的输入端连接，模数转换器8的输出端与数据处理单元9连接。

测量信号生成单元1是一种信号数据产生器，例如，MATLAB产生的数字信号波形数据、基于LABVIEW的虚拟仪器产生的数字信号波形数据等。数据处理单元9一般可使用基于DSP或者FPGA的嵌入式处理系统。

利用图1所示的装置进行超声波测量周期性振动幅度的方法的具体步骤如下：

由测量信号生成单元1生成数字载波信号，该数字载波信号分成两路：其中一路数字载波信号发送到数据处理单元9；另一路数字载波信号驱动数字信号/声波转换器2产生模拟载波信号，所述模拟载波信号经过超声波功率放大器3放大后经超声波发射换能器4处理以将电信号转换为超声波信号，并由该超声波发射换能器4向周期性振动物体发射超声波信号(该超声波信号即为测量信号)。测量信号由于为超声波信号，因此可以克服大雾、雨雪等恶劣的天气条件，从而提高测量的准确度。设测量信号为T(t)＝A_T cos(ω₀t+φ(t))，其中，A_T为测量信号的幅度，ω₀为测量信号的振动角频率，φ(t)为测量信号的相位噪声，被探测的周期性振动物体和超声波发射换能器4、超声波接收换能器5的距离均为d₀，被探测周期性振动物体的振动表示为x(t)＝A sin ωt，其中A为周期性振动物体的振动幅度，ω为周期性振动物体的振动角频率，则从超声波发射换能器4到周期性振动物体再到超声波接收换能器5的总距离为dt(t)＝2d₀+2x(t)，周期性振动物体将超声波信号反射到超声波接收换能器5，超声波接收换能器5将所接收到的超声波信号转换为电信号，根据多普勒原理，该转换后的电信号可以表示为

其中，A_R是转换后的电信号的幅度，λ是由超声波发射换能器4向周期性振动物体发射的超声波信号的波长，c是由超声波发射换能器4向周期性振动物体发射的超声波信号的传播速度。经超声波接收换能器5转换的电信号经低噪声放大器6放大并发送到波束成形器7进行移相和求和，再由模数转换器8对移相和求和后的电信号进行采样并发送到数据处理单9。数据处理单元9对所接收的数字载波信号和采样后的信号进行混频处理，得到

其中，A_B是混频处理后信号的幅度，

不仅包含剩余相位噪声

同时包含被探测的周期性振动物体与超声波发射换能器4、超声波接收换能器5之间距离d₀决定的固有相移

θ₀表示受反射平面的相移180度以及器件因素等其他影响。对混频处理后的信号B(t)进行傅里叶变换，得到混频处理后的信号的基波及各阶谐波分量的信号幅度，应用非线性相位解调原理，将混频处理后的信号B(t)按贝塞尔函数系展开成级数，即

其中J_k(x)为第一类k阶贝塞尔函数。由此可见，第i阶和第i+2n阶的信号幅度的绝对值之比为

其中，n≥1且为整数。根据该绝对值之比与贝塞尔函数系的相应阶数(即第i阶和第i+2n阶)的理论绝对值之比，能够算得

的值，进而算出A的实际值，从而得到周期性振动物体的第一周期性振动幅度值，同时还计算第j阶和第j+2m阶的信号幅度的绝对值之比，其中，m≥1且为整数，且i≠j。根据第j阶和第j+2m阶谐波分量的信号幅度的绝对值之比与贝塞尔函数系的相应阶数(即第j阶和第j+2m阶)的理论绝对值之比计算得到周期性振动物体的第二周期性振动幅度值，并比较第一周期性振动幅度值和第二周期性振动幅度值是否相同，从而实现了对周期性振动幅度值测量的自校准。

由于混频处理后的信号的低阶谐波分量的信号幅度值远大于高阶谐波分量的信号幅度值，因此，作为本发明的优选实施方式，当i≤5且n≤2时，即用混频处理后的信号的低阶谐波分量的信号幅度值来计算第一周期性振动幅度值，可以得到更好的测量结果。

作为本发明的优选实施方式，当j≤5且m≤2时，即用混频处理后的信号的低阶谐波分量的信号幅度值来计算第二周期性振动幅度值，可以得到更好的自校准效果。

而当同时满足i≤5且n≤2、j≤5且m≤2时，即用混频处理后的信号的低阶谐波分量的信号幅度值来计算第一周期性振动幅度值和第二周期性振动幅度值，即可以得到更好的测量结果和自校准效果。

Claims (5)

1.一种超声波测量周期性振动幅度的方法，其特征是包括如下步骤：

由测量信号生成单元（1）生成数字载波信号，该数字载波信号分成两路：其中一路数字载波信号发送到数据处理单元（9）；另一路数字载波信号驱动数字信号/声波转换器（2）产生模拟载波信号，所述模拟载波信号经过超声波功率放大器（3）放大后经超声波发射换能器（4）处理以将电信号转换为超声波信号，并由该超声波发射换能器（4）向周期性振动物体发射超声波信号，周期性振动物体将所述超声波信号反射到超声波接收换能器（5），超声波接收换能器（5）将所接收到的超声波信号转换为电信号后经低噪声放大器（6）放大并发送到波束成形器（7）进行移相和求和，再由模数转换器（8）对移相和求和后的电信号进行采样并发送到数据处理单元（9）；数据处理单元（9）对所接收的数字载波信号和采样后的信号进行混频处理，对混频处理后的信号进行傅里叶变换，得到混频处理后的信号的基波及各阶谐波分量的信号幅度；再计算第i阶和第i+2n阶谐波分量信号幅度的绝对值之比，其中，n≥1且为整数；再根据该绝对值之比与贝塞尔函数系的相应阶数的理论绝对值之比计算得到周期性振动物体的第一周期性振动幅度值。

2.根据权利要求1所述的超声波测量周期性振动幅度的方法，其特征是：所述i≤5且n≤2。

3.根据权利要求1或2所述的超声波测量周期性振动幅度的方法，其特征是：同时还计算第j阶和第j+2m阶谐波分量的信号幅度的绝对值之比，其中，m≥1且为整数，且i≠j；再根据第j阶和第j+2m阶谐波分量的信号幅度的绝对值之比与贝塞尔函数系的相应阶数的理论绝对值之比计算得到周期性振动物体的第二周期性振动幅度值，并比较第一周期性振动幅度值和第二周期性振动幅度值是否相同。

4.根据权利要求3所述的超声波测量周期性振动幅度的方法，其特征是：所述j≤5且m≤2。

5.一种实现权利要求1的超声波测量周期性振动幅度方法的系统，其特征是：包括测量信号生成单元（1）、数字信号/声波转换器（2）、超声波功率放大器（3）、超声波发射换能器（4）、超声波接收换能器（5）、低噪声放大器（6）、波束成形器（7）、模数转换器（8）和数据处理单元（9）；测量信号生成单元（1）的输出端分别与数字信号/声波转换器（2）的输入端、数据处理单元（9）连接，数字信号/声波转换器（2）的输出端与超声波功率放大器（3）的输入端连接，超声波功率放大器（3）的输出端与超声波发射换能器（4）的输入端连接，超声波接收换能器（5）的输出端与低噪声放大器（6）的输入端连接，低噪声放大器（6）的输出端与波束成形器（7）的输入端连接，波束成形器（7）的输出端与模数转换器（8）的输入端连接，模数转换器（8）的输出端与数据处理单元（9）连接。

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