CN104198813B - 一种正交相关法测量超声换能器阻抗角的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种正交相关法测量超声换能器阻抗角的装置及方法，该装置包括传感器、调理电路、ARM Cortex‑M3微处理器和LCD显示单元，该方法将传感器采集换能器电压、电流信号；通过调理电路将传感器输出的信号调理成可被模数转换器接收的信号；再模数转换器将电压、电流模拟量转换成数字量；引入与电压正交的数字量，并与电流做时间常数等于0的相关计算；将电压数字量和电流数字量分别做时间常数等于0和1的相关计算和相关计算；由相关计算2和3计算得到实际信号的频率，并引入角度；由相关计算1、相关计算2和角度计算共同得到阻抗角度。本发明测量精度高，计算量小、适用于非同步采样，且非常适合高频信号的相位差测量。

Description

一种正交相关法测量超声换能器阻抗角的装置及方法

技术领域

本发明属于电子测量技术领域，具体涉及用于一种正交相关法测量超声换能器阻抗角的装置及方法。

背景技术

在蜂窝复合材料的超声切割过程中，为了克服切割过程中蜂窝复合材料所出现的撕裂、压塌、毛刺和芯格变形等问题，需要对超声切割所用的换能器和超声波发生器进行匹配，以得到高的换能器工作效率和高的加工质量。然而，在实际切割中，常常由于外界负载、温度等因素的变化，导致发生器和换能器之间达不到良好的匹配，最终导致加工质量和加工效率极度降低，严重时甚至损坏声振系统。因此，有学者提出采用动态匹配的方式，使发生器输出频率动态地跟踪声振系统的谐振频率的变化，故需要通过在线检测超声换能器和超声波发生器组成的匹配系统的阻抗，并据此调节匹配网络的参数,使声振系统始终处于谐振状态，由于不匹配时，匹配系统的阻抗为复阻抗，阻抗角不为零，谐振时阻抗角为零，因此，有必要通过检测换能器和超声波发生器所组成的匹配系统的阻抗角，通过阻抗角的大小来判断系统是否处于谐振状态，并根据阻抗角的大小调节匹配网络的参数，使声振系统处于谐振状态。

工程领域中，阻抗角的测量多采用换能器两端的电压和流经换能器的电流之间的相位差进行检测。常用的相位差测量方法有过零法、频谱分析法和相关法。其中，过零法易受外界因素影响，采样精度不高。频谱分法是利用离散傅里叶变换原理将时域信号变换到频域，再根据相频特性确定两信号的相位差，但该方法往往会产生频谱泄漏和栅栏效应。相关法是在时域内对两信号作相关运算后进而得到相位差。相关分析法具有良好的噪声抑制能力，响应速度快，可准确测量出相位差，实时性较强，但相关法必须在同步采样条件下。然而，在实际测量过程中，由于各种因素的影响，如被测信号频率的缓慢波动、硬件设备的性能不理想等，数据系统很难做到严格的同步采样，且存在周期误差。为了提高相位差测量的准确性，又出现了多种测量新方法。如贝克斯频谱估计法、多谱线插值DFT算法、加窗函数法、非同步FFT算法、神经网络法等。

发明内容

目前常用的相位差测量方法，对工频信号相位差测量技术目前已经很成熟，而对于高频信号，比如超声频信号的相位差测量还有较大困难，测量精度低于传统工频信号相位差测量精度，且往往忽视相位差测量的实时性和工程应用性。因此，本发明的目的是综合考虑相位差测量的精度、实时性和工程应用性，在正交相关法测量相位差的基础上，提出了一种与采样是否同步无关的改进的正交相关测量超声换能器阻抗角的装置及方法，该装置及方法具有极强的噪声抑制能力，其测量精度高于已有的正交相关法，且计算量小，因而特别适用于超声换能器阻抗角的实时测量。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种正交相关法测量超声换能器阻抗角的装置，该装置包括测量换能器电压的电压传感器、测量换能器电流的电流传感器、第一调理电路、第二调理电路、ARM Cortex-M3微处理器和TFT-LCD显示单元；

电压传感器与第一调理电路信号输入接口通过杜邦线连接，电流传感器与第二调理电路通过杜邦线连接；第一调理电路的信号输出接口通过杜邦线与ARM Cortex-M3微处理器内部的一个模数转换器输入口连接；第二调理电路的信号输出接口通过杜邦线与ARMCortex-M3微处理器内部的另一个模数转换器输入口连接；电压传感器接±15V电源，电流传感器接+5V电源，第一调理电路接+5V电源，第二调理电路接+5V电源；ARM Cortex-M3微处理器接+5V电源，ARM Cortex-M3微处理器与TFT-LCD显示屏通过8060总线连接；

所述的第一调理电路，包括第一霍尔电压传感器U1、第一运算放大器U2A、第二运算放大器U2B、第三运算放大器U2C、第四运算放大器U2D、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第一电容C1、第二电容C2、第一二极管D1和第二二极管D2；第一霍尔电压传感器U1的型号为CHV—25P；

第一电阻R1一端与电压传感器的输入端In+相连，另一端与霍尔电压传感器U1的1脚相连，电压传感器的输出端In-与霍尔电压传感器U1的2脚相连，霍尔电压传感器U1的3脚与15V电源的负极相连，霍尔电压传感器U1的4脚与15V电源的正极相连，霍尔电压传感器U1的5脚与第二电阻R2的一端相连，第二电阻R2的另一端与地相连；第三电阻R3的一端与霍尔电压传感器U1的5脚相连，另一端与第一运算放大器U2A的正向输入端相连，第一运算放大器U2A的反向输入端与输出端相连，第一运算放大器U2A的正电源端与+15V电源相连，第一运算放大器U2A的负电源端与-15V电源相连，第一运算放大器U2A的输出端与第四电阻R4的一端相连，第四电阻R4的另一端与第五电阻R5的一端相连，第五电阻R5的另一端与第二运算放大器U2B的正向输入端相连，第一电容C1的一端与第四电阻R4的另一端相连，第一电容C1的另一端与第二运算放大器U2B的输出端相连，第二电容C2的一端与第二运算放大器U2B的正向输入端相连，第二电容C2的另一端与地相连，第二运算放大器U2B的反向输入端与第六电阻R6的一端、第七电阻R7的一端相连，第六电阻R6的另一端与地相连，第七电阻R7的另一端与第二运算放大器U2B的输出端相连，第二运算放大器U2B的正电源端与+15V电源相连，第二运算放大器U2B的负电源端与-15V电源相连，第八电阻R8的一端与第二运算放大器U2B的输出端相连，第八电阻R8的另一端与第三运算放大器U2C的反向输入端、第9电阻R9的一端、第十一电阻R11的一端相连，第九电阻R9的另一端与+5V电源相连，第三运算放大器U2C的正向输入端与第十电阻R10的一端相连，第十电阻R10的另一端与地相连，第十一电阻R11的另一端与第三运算放大器U2C的输出端、第十二电阻R12的一端相连，第三运算放大器U2C的正电源端与+15V电源相连，第三运算放大器U2C的的负电源端与-15V电源相连，第十二电阻R12的另一端与第四运算放大器U2D的反向输入端、第十四电阻R14的一端相连，第四运算放大器U2D的正向输入端与第十三电阻R13的一端相连，第十三电阻R13的另一端与地相连，第十四电阻R14的另一端与第四运算放大器U2D的输出端、第十五电阻R15的一端相连，第四运算放大器U2D的正电源端与+15V电源相连，第四运算放大器U2D的负电源端与-15V电源相连，第十五电阻R15的另一端与第一二极管D1的阳极、第二二极管D2的阴极连接并作为输出接口Out，第一二极管D1的阴极接+3.3V电源，第二二极管D2的阳极与地相连，经第一调理电路调理之后的换能器电压输出接口Out与微处理器ARM Cortex-M3内部模数转换器的一个输入接口相连；

所述的第二调理电路，包括第一霍尔电流传感器，第三电容C3，第一霍尔电流传感器型号为ACS712-05B；

第一霍尔电流传感器的1脚和2脚相连并与电流传感器的信号输入端连接，第一霍尔电流传感器的3端和4端相连并与电流传感器的信号输出端连接，第一霍尔电流传感器的5脚端与+5V电源相连，第一霍尔电流传感器的6脚与微处理器ARM Cortex-M3内部模数转换器的另一个输入接口相连，第一霍尔电流传感器的7脚与第三电容C3的一端相连，第三电容C3的另一端与第一霍尔电流传感器的8脚连接并接地。

一种正交相关法测量超声换能器阻抗角的方法，具体包括以下步骤：

步骤1：传感器采集换能器电压和换能器电流信号；

换能器两端电压和电流信号近似于正弦信号，为了方便分析，设换能器电压信号和换能器电流信号为标准的正弦信号，其方程式分别为：

u(t)＝Usin(2πft+θ_U)；

i(t)＝Isin(2πft+θ_I)+m(t)；

其中，U为换能器的峰值电压、I换能器的峰值电流、t为时间常数，m(t)为高斯白噪声，f为信号频率，θ_U和θ_I分别为电压信号和电流信号的相位角；

步骤2：将传感器采集后的换能器电压和电流信号经过第一调理电路和第二调理电路调理成可被ARM Cortex-M3内部模数转换器所允许的电压范围0—3.3V；

步骤3：经调理电路调理后的换能器电压信号被ARM Cortex-M3内部模数转换器转换成电压数字量，经调理电路调理后的换能器电流信号被ARM Cortex-M3内部模数转换器转换成电流数字量；

u(n)＝Usin(2πfn/f_s+θ_U)；

i(n)＝Isin(2πfn/f_s+θ_I)+m(n)；

步骤4：引入与换能器电压数字量成正交关系的电压数字量；

其表达式为：

u₂(n)＝Usin(2πfn/f_s+θ₂)+m(n)；

其中，θ_U-θ₂＝90°；

步骤5：所引入的与换能器电压成正交关系的电压数字量与换能器电流数字量做时间常数等于0的相关计算1；考虑到信号与白噪声之间的非相关性，其运算结果如下公式：

步骤6：换能器电压数字量和电流数字量分别做时间常数等于0和1的相关计算2和相关计算3；其运算结果如下公式：

其中，f₁为实际的蜂窝复合材料超声切割过程中换能器两端电压和流过换能

器电流的频率，f_s为微处理器ARM Cortex-M3内部提供的采样频率；

步骤7：相关计算2和相关计算3做运算得到信号的实际频率f₁，此信号频

率用于计算角度偏差α，进而修正阻抗角度；其结果如下公式：

步骤8：由相关计算1、相关计算2和角度偏差α共同计算得到超声换能器阻抗角度；

由于在实际蜂窝复合材料超声切割过程中，换能器电压、电流频率f₁往往发生漂移，致使所引入的正交电压数字量并不总是与换能器电压数字量正交，这时会有一个角度偏差α存在，导致所计算的超声换能器阻抗角存在较大误差；前述步骤8中的角度偏差α的计算结果如下公式：

式中[f_s/4f₁]表示取整的意思。

由相关计算1、相关计算2和角度偏差α共同计算得到超声换能器阻抗角度为：

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)一种改进的正交相关法测量超声换能器阻抗角的装置及方法，无需复杂的硬件电路设计、测量精度高，计算量小、适用于非同步采样，满足对信号实时性要求比较高的场合，且非常适合高频信号的相位差测量。

(2)一种改进的正交相关法测量超声换能器阻抗角的装置及方法，可以实时获取换能器工作过程中的电压、电流信号频率，根据实际信号频率修正测量误差，得到高准确度的换能器阻抗角，且该频率还可以为超声波发生器实现频率跟踪提供依据。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明的一种改进的正交相关法测量超声换能器阻抗角方法的流程图。

图2为本发明的一种改进的正交相关法测量超声换能器阻抗角的装置。

图3为采集超声换能器电压信号所用的第一调理电路的硬件电路图。

图4为采集超声换能器电流信号所用的第二调理电路的硬件电路图。

图5为MATLAB对改进前后的超声换能器阻抗角测量结果对比图。

具体实施方式

如图2、图3、图4所示，一种正交相关法测量超声换能器阻抗角的装置，该装置包括测量换能器电压的电压传感器、测量换能器电流的电流传感器、第一调理电路、第二调理电路、ARM Cortex-M3微处理器和TFT-LCD显示单元；

电压传感器与第一调理电路信号输入接口通过杜邦线连接，电流传感器与第二调理电路通过杜邦线连接；第一调理电路的信号输出接口通过杜邦线与ARM Cortex-M3微处理器内部的一个模数转换器输入口连接；第二调理电路的信号输出接口通过杜邦线与ARMCortex-M3微处理器内部的另一个模数转换器输入口连接；电压传感器接±15V电源，电流传感器接+5V电源，第一调理电路接+5V电源，第二调理电路接+5V电源；ARM Cortex-M3微处理器接+5V电源，ARM Cortex-M3微处理器与TFT-LCD显示屏通过8060总线连接；

所述的第一调理电路，包括第一霍尔电压传感器U1、第一运算放大器U2A、第二运算放大器U2B、第三运算放大器U2C、第四运算放大器U2D、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第一电容C1、第二电容C2、第一二极管D1和第二二极管D2；第一霍尔电压传感器U1的型号为CHV—25P；

第一电阻R1一端与电压传感器的输入端In+相连，另一端与霍尔电压传感器U1的1脚相连，电压传感器的输出端In-与霍尔电压传感器U1的2脚相连，霍尔电压传感器U1的3脚与15V电源的负极相连，霍尔电压传感器U1的4脚与15V电源的正极相连，霍尔电压传感器U1的5脚与第二电阻R2的一端相连，第二电阻R2的另一端与地相连；第三电阻R3的一端与霍尔电压传感器U1的5脚相连，另一端与第一运算放大器U2A的正向输入端相连，第一运算放大器U2A的反向输入端与输出端相连，第一运算放大器U2A的正电源端与+15V电源相连，第一运算放大器U2A的负电源端与-15V电源相连，第一运算放大器U2A的输出端与第四电阻R4的一端相连，第四电阻R4的另一端与第五电阻R5的一端相连，第五电阻R5的另一端与第二运算放大器U2B的正向输入端相连，第一电容C1的一端与第四电阻R4的另一端相连，第一电容C1的另一端与第二运算放大器U2B的输出端相连，第二电容C2的一端与第二运算放大器U2B的正向输入端相连，第二电容C2的另一端与地相连，第二运算放大器U2B的反向输入端与第六电阻R6的一端、第七电阻R7的一端相连，第六电阻R6的另一端与地相连，第七电阻R7的另一端与第二运算放大器U2B的输出端相连，第二运算放大器U2B的正电源端与+15V电源相连，第二运算放大器U2B的负电源端与-15V电源相连，第八电阻R8的一端与第二运算放大器U2B的输出端相连，第八电阻R8的另一端与第三运算放大器U2C的反向输入端、第9电阻R9的一端、第十一电阻R11的一端相连，第九电阻R9的另一端与+5V电源相连，第三运算放大器U2C的正向输入端与第十电阻R10的一端相连，第十电阻R10的另一端与地相连，第十一电阻R11的另一端与第三运算放大器U2C的输出端、第十二电阻R12的一端相连，第三运算放大器U2C的正电源端与+15V电源相连，第三运算放大器U2C的的负电源端与-15V电源相连，第十二电阻R12的另一端与第四运算放大器U2D的反向输入端、第十四电阻R14的一端相连，第四运算放大器U2D的正向输入端与第十三电阻R13的一端相连，第十三电阻R13的另一端与地相连，第十四电阻R14的另一端与第四运算放大器U2D的输出端、第十五电阻R15的一端相连，第四运算放大器U2D的正电源端与+15V电源相连，第四运算放大器U2D的负电源端与-15V电源相连，第十五电阻R15的另一端与第一二极管D1的阳极、第二二极管D2的阳极连接并作为输出接口Out，第一二极管D1的阴极接+3.3V电源，第二二极管D2的阴极与地相连，经第一调理电路调理之后的换能器电压输出接口Out与微处理器ARM Cortex-M3内部模数转换器的一个输入接口相连；

所述的第二调理电路，包括第一霍尔电流传感器，第三电容C3，第一霍尔电流传感器型号为ACS712-05B；

第一霍尔电流传感器的1脚和2脚相连并与电流传感器的信号输入端连接，第一霍尔电流传感器的3端和4端相连并与电流传感器的信号输出端连接，第一霍尔电流传感器的5脚端与+5V电源相连，第一霍尔电流传感器的6脚与微处理器ARM Cortex-M3内部模数转换器的另一个输入接口相连，第一霍尔电流传感器的7脚与第三电容C3的一端相连，第三电容C3的另一端与第一霍尔电流传感器的8脚连接并接地。

参考图1所示的实现流程，本发明提出的一种改进的正交相关法测量超声换能器阻抗角的方法包括以下步骤：

步骤1：传感器采集换能器两端电压和流过换能器的电流信号。

步骤2：第一调理电路和第二调理电路将传感器输出的信号调理成可被模数转换器接收的信号。

步骤3：模数转换后的换能器电压、电流模拟量转换成数字量，以利于微处理器ARMCortex-M3对信号直接进行相关计算。

步骤4：引入与换能器电压数字量成正交相关的数字量，该数字量相当于离散后的换能器电压数字量向右平移N₀个点所得，其中：

N₀＝[f_s/4f]。

其中，f为采样信号的频率，即换能器电压或电流信号的频率，f_s为采样频率，N₀为整数。由于，在实际蜂窝复合材料超声切割过程中，换能器电压、电流信号的频率f往往发生漂移，致使f_s/4f并不总是整数。因此，所引入的电压数字量并不总是与换能器电压数字量成正交关系，这时会有一个角度α的偏差。

将引入的正交的电压数字量与换能器电流数字量做时间常数等于0的相关计算1，结果如下：

步骤5：将换能器电压数字量和电流数字量分别做时间常数等于0和1的相关计算2和3，其运算结果如下公式：

其中，f₁为实际的蜂窝复合材料超声切割过程中换能器两端电压和流过换能器电流的频率，f_s为微处理器ARM Cortex-M3内部提供的采样频率。

步骤6：由相关计算2和相关计算3得到实际的蜂窝复合材料超声切割过程中换能器两端电压和流过换能器电流的频率f₁，其计算结果如下：

由于，在实际的蜂窝复合材料超声切割过程中，往往由于负载、温度、刚度、刀尖磨损等原因，导致换能器两端电压和流过换能器电流的频率发生漂移，致使引入的正交电压数字量并不总是与换能器电压数字量成正交关系，这时会有一个偏差α的存在，由实际的信号频率f₁和微处理器ARM Cortex-M3内部所设定的采样频率f_s可以计算得到角度偏差α，其计算结果如下：

式中[f_s/4f₁]表示取整的意思。

步骤7：由相关计算1、相关计算2和角度偏差α共同计算得到超声换能器阻抗角度，其计算结果如下：

进一步，为了证明所提出的一种改进的正交相关法测量超声换能器阻抗角的装置及方法的正确性，本发明针对改进前和改进后的正交相关法计算超声换能器阻抗角。

假设换能器两端电压和流过换能器的电流信号为20KHz的超声频信号，其信号分别为：

u(t)＝200sin(2π×20000t+π/3)；

i(t)＝3sin(2π×20000t)；

即换能器电压、电流信号的幅值分别为200V和3A，两者相位差为

θ＝π/3；

考虑到实际超声切割过程中，换能器电压、电流信号的频率并不总是20KHz，故仿真时假设信号频率随机选为20111Hz，在不同采样频率下，分别利用MATLAB对改进前后的正交相关法测量超声换能器阻抗角的方法进行仿真验证，其仿真结果如下所示：

由上表可以看出，采用改进的正交相关法测量超声换能器阻抗角的测量精度明显高于改进前的测量精度，且与采样是否同步无关，随着采样频率的提高，测得的实际信号频率和阻抗角精度有明显增高，但并不会一直增高，采样频率过高，同样会影响数据量的处理，不利于实时性。

进一步，通过选取一个范围的超声换能器电压、电流信号频率对改进的正交相关法阻抗角进行仿真验证。

考虑实际蜂窝复合材料超声切割过程中，换能器电压、电流频率并不总是一个固定值，其波动大小无可预见性，而是受实际加工的负载、温度、刚度等因素干扰。为了方便分析，故假设换能器电压、电流频率在19.5KHz到25.0KHz范围内波动，考虑实际数据采集设备的采样频率通常为一定值，为了得到反映实际信号的信号，且采样数据量不能过大，故取采样频率为300KHz。通过MATLAB对改进前后的阻抗角测量方法进行仿真验证，其仿真结果如图5所示，通过曲线图可知，改进前的阻抗角测量范围在60°—61.4046°范围内变化，其变化范围为0—1.4°，而改进后的阻抗角测量范围在0—0.4°内变化，且针对于特性信号频率时，改进后的测量精度高于改进前的测量精度。

为了进一步验证本发明所提出的一种改进的正交相关法测量超声换能器阻抗角的装置和方法的实用性，通过搭建实验平台，测量处于谐振状态的蜂窝复合材料超声加工，谐振状态时阻抗角度等于0度，在用示波器观察超声换能器电压和电流信号的同时，利用本发明所提及的装置，分别以不同的采样频率对调理过后的换能器电压和电流信号进行采集，最终在LCD液晶显示屏上显示出阻抗角度的大小，其实验结果如下所示：

本发明通过示波器所得的超声换能器电压和电流信号的频率为20.20KHz，阻抗角度接近于0度，而利用本发明所提及的一种改进的正交相关法测量超声换能器阻抗角的装置及方法所得的数据如上表所示，通过对比发现，改进后的换能器阻抗角测量方法测量精度明显高于改进前的，且针对于不同采样频率，所得到的测量精度不同。

Claims (2)

1.一种正交相关法测量超声换能器阻抗角的装置，该装置包括测量换能器电压的电压传感器、测量换能器电流的电流传感器、第一调理电路、第二调理电路、ARM Cortex-M3微处理器和TFT-LCD显示单元；

其特征在于：电压传感器与第一调理电路信号输入接口通过杜邦线连接，电流传感器与第二调理电路通过杜邦线连接；第一调理电路的信号输出接口通过杜邦线与ARMCortex-M3微处理器内部的一个模数转换器输入口连接；第二调理电路的信号输出接口通过杜邦线与ARM Cortex-M3微处理器内部的另一个模数转换器输入口连接；电压传感器接±15V电源，电流传感器接+5V电源，第一调理电路接+5V电源，第二调理电路接+5V电源；ARMCortex-M3微处理器接+5V电源，ARM Cortex-M3微处理器与TFT-LCD显示屏通过8060总线连接；

所述的第一调理电路，包括第一霍尔电压传感器U1、第一运算放大器U2A、第二运算放大器U2B、第三运算放大器U2C、第四运算放大器U2D、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第一电容C1、第二电容C2、第一二极管D1和第二二极管D2；第一霍尔电压传感器U1的型号为CHV—25P；

第一电阻R1一端与电压传感器的输入端In+相连，另一端与霍尔电压传感器U1的1脚相连，电压传感器的输出端In-与霍尔电压传感器U1的2脚相连，霍尔电压传感器U1的3脚与15V电源的负极相连，霍尔电压传感器U1的4脚与15V电源的正极相连，霍尔电压传感器U1的5脚与第二电阻R2的一端相连，第二电阻R2的另一端与地相连；第三电阻R3的一端与霍尔电压传感器U1的5脚相连，另一端与第一运算放大器U2A的正向输入端相连，第一运算放大器U2A的反向输入端与输出端相连，第一运算放大器U2A的正电源端与+15V电源相连，第一运算放大器U2A的负电源端与-15V电源相连，第一运算放大器U2A的输出端与第四电阻R4的一端相连，第四电阻R4的另一端与第五电阻R5的一端相连，第五电阻R5的另一端与第二运算放大器U2B的正向输入端相连，第一电容C1的一端与第四电阻R4的另一端相连，第一电容C1的另一端与第二运算放大器U2B的输出端相连，第二电容C2的一端与第二运算放大器U2B的正向输入端相连，第二电容C2的另一端与地相连，第二运算放大器U2B的反向输入端与第六电阻R6的一端、第七电阻R7的一端相连，第六电阻R6的另一端与地相连，第七电阻R7的另一端与第二运算放大器U2B的输出端相连，第二运算放大器U2B的正电源端与+15V电源相连，第二运算放大器U2B的负电源端与-15V电源相连，第八电阻R8的一端与第二运算放大器U2B的输出端相连，第八电阻R8的另一端与第三运算放大器U2C的反向输入端、第9电阻R9的一端、第十一电阻R11的一端相连，第九电阻R9的另一端与+5V电源相连，第三运算放大器U2C的正向输入端与第十电阻R10的一端相连，第十电阻R10的另一端与地相连，第十一电阻R11的另一端与第三运算放大器U2C的输出端、第十二电阻R12的一端相连，第三运算放大器U2C的正电源端与+15V电源相连，第三运算放大器U2C的的负电源端与-15V电源相连，第十二电阻R12的另一端与第四运算放大器U2D的反向输入端、第十四电阻R14的一端相连，第四运算放大器U2D的正向输入端与第十三电阻R13的一端相连，第十三电阻R13的另一端与地相连，第十四电阻R14的另一端与第四运算放大器U2D的输出端、第十五电阻R15的一端相连，第四运算放大器U2D的正电源端与+15V电源相连，第四运算放大器U2D的负电源端与-15V电源相连，第十五电阻R15的另一端与第一二极管D1的阳极、第二二极管D2的阴极连接并作为输出接口Out，第一二极管D1的阴极接+3.3V电源，第二二极管D2的阳极与地相连，经第一调理电路调理之后的换能器电压输出接口Out与微处理器ARM Cortex-M3内部模数转换器的一个输入接口相连；

所述的第二调理电路，包括第一霍尔电流传感器，第三电容C3，第一霍尔电流传感器型号为ACS712-05B；

第一霍尔电流传感器的1脚和2脚相连并与电流传感器的信号输入端连接，第一霍尔电流传感器的3端和4端相连并与电流传感器的信号输出端连接，第一霍尔电流传感器的5脚端与+5V电源相连，第一霍尔电流传感器的6脚与微处理器ARM Cortex-M3内部模数转换器的另一个输入接口相连，第一霍尔电流传感器的7脚与第三电容C3的一端相连，第三电容C3的另一端与第一霍尔电流传感器的8脚连接并接地。

2.一种正交相关法测量超声换能器阻抗角的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：传感器采集换能器电压和换能器电流信号；

换能器两端电压和电流信号近似于正弦信号，为了方便分析，设换能器电压信号和换能器电流信号为标准的正弦信号，其方程式分别为：

u(t)＝U sin(2πft+θ_U)；

i(t)＝I sin(2πft+θ_I)+m(t)；

其中，U为换能器的峰值电压、I换能器的峰值电流、t为时间常数，m(t) 为高斯白噪声，f为信号频率，θ_U和θ_I分别为电压信号和电流信号的相位角；

步骤2：将传感器采集后的换能器电压和电流信号经过第一调理电路和第二调理电路调理成可被ARM Cortex-M3内部模数转换器所允许的电压范围0—3.3V；

步骤3：经调理电路调理后的换能器电压信号被ARM Cortex-M3内部模数转换器转换成电压数字量，经调理电路调理后的换能器电流信号被ARMCortex-M3内部模数转换器转换成电流数字量；

u(n)＝U sin(2πfn/f_s+θ_U)；

i(n)＝I sin(2πfn/f_s+θ_I)+m(n)；

步骤4：引入与换能器电压数字量成正交关系的电压数字量；

其表达式为：

u₂(n)＝U sin(2πfn/f_s+θ₂)+m(n)；

其中，θ_U-θ₂＝90°；

步骤5：所引入的与换能器电压成正交关系的电压数字量与换能器电流数字量做时间常数等于0的相关计算1；考虑到信号与白噪声之间的非相关性，其运算结果如下公式：

步骤6：换能器电压数字量和电流数字量分别做时间常数等于0和1的相关计算2和相关计算3；其运算结果如下公式：

其中，f₁为实际的蜂窝复合材料超声切割过程中换能器两端电压和流过换能器电流的频率，f_s为微处理器ARM Cortex-M3内部提供的采样频率；

步骤7：相关计算2和相关计算3做运算得到信号的实际频率f₁，此信号频率用于计算角度偏差α，进而修正阻抗角度；其结果如下公式：

步骤8：由相关计算1、相关计算2和角度偏差α共同计算得到超声换能器阻抗角度；

由于在实际蜂窝复合材料超声切割过程中，换能器电压、电流频率f₁往往发生漂移，致使所引入的正交电压数字量并不总是与换能器电压数字量正交，这时会有一个角度偏差α存在，导致所计算的超声换能器阻抗角存在较大误差；前述步骤8中的角度偏差α的计算结果如下公式：

其中N₀＝[f_s/4f₁]，N₀为整数；

由相关计算1、相关计算2和角度偏差α共同计算得到超声换能器阻抗角度为：