CN104990621A - 一种差动式超声波低频振动测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种差动式超声波低频振动测量装置和方法，装置包括固定平板一、二，质量块，支撑弹簧一、二，两个超声波发射传感器一、二和两个超声波接收传感器一、二。方法由FPGA产生高稳定度的超声波信号和采样时序信号，对超声波发射传感器一、二与超声波接收传感器一、二的发射信号和接收信号进行并行整周期采样，经过傅里叶正变换(FT)和傅里叶逆变换(IFT)，提取超声波基频信号，得到没有高频干扰的超声波采样数据。对质量块与固定平板一、二之间的距离x₁和x₂，超声波发射传感器一、二分别与超声波接收传感器一、二之间的相位差和，以及超声波波长值λ₀进行标定，进而获取任意温度条件下的质量块实际位移值d。

Description

一种差动式超声波低频振动测量装置和方法

技术领域

本发明涉及振动测量领域，具体是一种差动式超声波低频振动测量装置和方法。

背景技术

目前常用的低频振动测量主要采用磁电式位移传感器，易受电磁干扰，且测量的最低频率有限，虽然可以通过伺服法扩展频率，但同时降低了灵敏度。采用差动式超声波测量低频振动既可以实现较高的灵敏度，又可以测量低至0频的振动信号。

在使用超声波进行测量时，温度的变化对测量结果有很大影响。传统的方法是在测量时设置温度传感器，根据温度与波长的关系修正波长，这种方法要求很高的测温精度，测量电路也较为复杂。

为修正温度对测量结果的影响，根据振动测量装置中两路超声波实际波程之和为定值这一条件，通过算法得到任意温度下的超声波波长修正值λ₁，进而获取任意温度条件下质量块的实际位移值d。

发明内容

本发明的目的是提供一种差动式超声波低频振动测量装置和方法，以解决现有技术存在的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种差动式超声波低频振动测量装置，其特征在于：包括有水平的固定板二和水平设置得固定板二上方的固定板一，固定板一、固定板二之间水平设置有质量块，固定板一底面中心与质量块顶面中心之间连接有支撑弹簧一，固定板二顶面中心与质量块底面中心之间连接有支撑弹簧二，所述固定板一底面中心处嵌入有超声波发射传感器一，固定板二顶面中心处嵌入有超声波发射传感器二，所述质量块顶面中心对应超声波发射传感器一位置嵌入有超声波接收传感器一，质量块底面中心对应超声波发射传感器二位置嵌入有超声波接收传感器二。

一种差动式超声波低频振动测量方法，其特征在于：由FPGA产生高稳定度的超声波信号和采样时序信号，其中采样时序频率为超声波信号频率的2^N倍，N为整数，且N≥4；在给定的25℃温度条件下，对振动测量装置中的质量块与固定平板一、二之间的距离x₁和x₂，超声波发射传感器一、二分别与超声波接收传感器一、二之间的相位差和以及超声波波长值λ₀进行标定；根据振动测量装置中的质量块与固定平板一、二之间的距离之和x₁+x₂＝C、C为定值这一条件，通过算法得到任意温度下的超声波波长修正值λ₁，进而获取任意温度条件下质量块的实际位移值d。

所述的差动式超声波低频振动测量方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

(1)、由FPGA的时钟信号经两个分频器分频后产生两个信号：频率为f₀的超声波信号和频率为2^N×f₀的AD采样时序信号；超声波信号经超声波发射电路产生频率为f₀的超声波，AD采样时序信号给多路并行的AD采集装置提供超声波的采样时序信号，实现2^N×f₀的超声波数据采样率；

(2)、对超声波发射传感器一、二与超声波接收传感器一、二的发射信号和接收信号进行并行整周期采样，采样数据首先经过傅里叶正变换FT，提取超声波基频数据后，再经过傅里叶逆变换IFT，得到没有高频干扰的超声波采样数据；

(3)、根据25℃温度条件下的标定值，即质量块与固定平板一、二之间的距离x₁和x₂，超声波发射传感器一、二与超声波接收传感器一、二之间的超声波相位差和以及超声波波长值λ₀，得到如式(1)和式(2)的关系式：

(4)、在任意温度条件下的振动测量过程中，质量块与固定平板一、二之间的待求距离为y₁和y₂，超声波发射传感器一、二分别与超声波接收传感器一、二之间的实际测量相位差为θ₁和θ₂，需要修正的超声波波长值为λ₁，得到如式(3)和式(4)的关系式：

$y_1=\frac{{\mathrm{\θ}}_1}{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}_1---\left(3\right),$

$y_2=\frac{{\mathrm{\θ}}_2}{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}_1---\left(4\right),$

(5)、依据x₁+x₂＝y₁+y₂这一条件，由式(1)至式(4)得到任意温度下的超声波波长修正值λ₁，如公式(5)所示：

(6)、将公式(5)的超声波波长修正值λ₁，代入到公式(3)和公式(4)，得到振动测量过程中的质量块与固定平板一、二之间的距离y₁和y₂，如公式(6)和式(7)所示：

式(6)和式(7)中的和λ₀为25℃温度条件下的标定值，是已知量；θ₁、θ₂为任意温度下的超声波发射传感器一、二分别与超声波接收传感器一、二之间的实际测量相位差；

由此可见，在任意温度下，只需测量出超声波发射传感器一、二分别与超声波接收传感器一、二之间的实际测量相位差θ₁和θ₂，就能够得到质量块与固定平板一、二之间的实际距离y₁和y₂；

(7)、振动测量装置中的质量块的实际位移值d等于质量块与固定平板一、二之间的实际距离y₁和y₂之差，如公式(8)所示：

本发明在任意温度下，通过实时测量差动式超声波的双相位差，就可以动态修正超声波的波长值，进而得到质量块的实际位移值。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图。

具体实施方式

参见图1所示，一种差动式超声波低频振动测量装置，包括有水平的固定板二2和水平设置得固定板二2上方的固定板一1，固定板一1、固定板二2之间水平设置有质量块3，固定板一1底面中心与质量块3顶面中心之间连接有支撑弹簧一4，固定板二2顶面中心与质量块3底面中心之间连接有支撑弹簧二5，固定板一1底面中心处嵌入有超声波发射传感器一6，固定板二2顶面中心处嵌入有超声波发射传感器二7，质量块3顶面中心对应超声波发射传感器一6位置嵌入有超声波接收传感器一8，质量块3底面中心对应超声波发射传感器二7位置嵌入有超声波接收传感器二9。

一种差动式超声波低频振动测量方法，由FPGA产生高稳定度的超声波信号和采样时序信号，其中采样时序频率为超声波信号频率的2^N倍，N为整数，且N≥4；在给定的25℃温度条件下，对振动测量装置中的质量块与固定平板一、二之间的距离x₁和x₂，超声波发射传感器一、二分别与超声波接收传感器一、二之间的相位差和以及超声波波长值λ₀进行标定；根据振动测量装置中的质量块与固定平板一、二之间的距离之和x₁+x₂＝C、C为定值这一条件，通过算法得到任意温度下的超声波波长修正值λ₁，进而获取任意温度条件下质量块的实际位移值d。

差动式超声波低频振动测量方法，具体包括以下步骤：

(1)、由FPGA的时钟信号经两个分频器分频后产生两个信号：频率为f₀的超声波信号和频率为2^N×f₀的AD采样时序信号；超声波信号经超声波发射电路产生频率为f₀的超声波，AD采样时序信号给多路并行的AD采集装置提供超声波的采样时序信号，实现2^N×f₀的超声波数据采样率；

(2)、对超声波发射传感器一、二与超声波接收传感器一、二的发射信号和接收信号进行并行整周期采样，采样数据首先经过傅里叶正变换FT，提取超声波基频数据后，再经过傅里叶逆变换IFT，得到没有高频干扰的超声波采样数据；

(3)、根据25℃温度条件下的标定值，即质量块与固定平板一、二之间的距离x₁和x₂，超声波发射传感器一、二与超声波接收传感器一、二之间的超声波相位差和以及超声波波长值λ₀，得到如式(1)和式(2)的关系式：

(4)、在任意温度条件下的振动测量过程中，质量块与固定平板一、二之间的待求距离为y₁和y₂，超声波发射传感器一、二分别与超声波接收传感器一、二之间的实际测量相位差为θ₁和θ₂，需要修正的超声波波长值为λ₁，得到如式(3)和式(4)的关系式：

$y_1=\frac{{\mathrm{\θ}}_1}{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}_1---\left(3\right),$

$y_2=\frac{{\mathrm{\θ}}_2}{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}_1---\left(4\right),$

(5)、依据x₁+x₂＝y₁+y₂这一条件，由式(1)至式(4)得到任意温度下的超声波波长修正值λ₁，如公式(5)所示：

(6)、将公式(5)的超声波波长修正值λ₁，代入到公式(3)和公式(4)，得到振动测量过程中的质量块与固定平板一、二之间的距离y₁和y₂，如公式(6)和式(7)所示：

式(6)和式(7)中的和λ₀为25℃温度条件下的标定值，是已知量；θ₁、θ₂为任意温度下的超声波发射传感器一、二分别与超声波接收传感器一、二之间的实际测量相位差；

由此可见，在任意温度下，只需测量出超声波发射传感器一、二分别与超声波接收传感器一、二之间的实际测量相位差θ₁和θ₂，就能够得到质量块与固定平板一、二之间的实际距离y₁和y₂；

(7)、振动测量装置中的质量块的实际位移值d等于质量块与固定平板一、二之间的实际距离y₁和y₂之差，如公式(8)所示：

Claims (3)

1.一种差动式超声波低频振动测量装置，其特征在于：包括有水平的固定板二和水平设置得固定板二上方的固定板一，固定板一、固定板二之间水平设置有质量块，固定板一底面中心与质量块顶面中心之间连接有支撑弹簧一，固定板二顶面中心与质量块底面中心之间连接有支撑弹簧二，所述固定板一底面中心处嵌入有超声波发射传感器一，固定板二顶面中心处嵌入有超声波发射传感器二，所述质量块顶面中心对应超声波发射传感器一位置嵌入有超声波接收传感器一，质量块底面中心对应超声波发射传感器二位置嵌入有超声波接收传感器二。

2.一种基于权利要求1所述装置的差动式超声波低频振动测量方法，其特征在于：由FPGA产生高稳定度的超声波信号和采样时序信号，其中采样时序频率为超声波信号频率的2^N倍，N为整数，且N≥4；在给定的25℃温度条件下，对振动测量装置中的质量块与固定平板一、二之间的距离x₁和x₂，超声波发射传感器一、二分别与超声波接收传感器一、二之间的相位差和以及超声波波长值λ₀进行标定；根据振动测量装置中的质量块与固定平板一、二之间的距离之和x₁+x₂＝C、C为定值这一条件，通过算法得到任意温度下的超声波波长修正值λ₁，进而获取任意温度条件下质量块的实际位移值d。

3.根据权利要求2所述的差动式超声波低频振动测量方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

(1)、由FPGA的时钟信号经两个分频器分频后产生两个信号：频率为f₀的超声波信号和频率为2^N×f₀的AD采样时序信号；超声波信号经超声波发射电路产生频率为f₀的超声波，AD采样时序信号给多路并行的AD采集装置提供超声波的采样时序信号，实现2^N×f₀的超声波数据采样率；

(2)、对超声波发射传感器一、二与超声波接收传感器一、二的发射信号和接收信号进行并行整周期采样，采样数据首先经过傅里叶正变换FT，提取超声波基频数据后，再经过傅里叶逆变换IFT，得到没有高频干扰的超声波采样数据；

(3)、根据25℃温度条件下的标定值，即质量块与固定平板一、二之间的距离x₁和x₂，超声波发射传感器一、二与超声波接收传感器一、二之间的超声波相位差和以及超声波波长值λ₀，得到如式(1)和式(2)的关系式：

(4)、在任意温度条件下的振动测量过程中，质量块与固定平板一、二之间的待求距离为y₁和y₂，超声波发射传感器一、二分别与超声波接收传感器一、二之间的实际测量相位差为θ₁和θ₂，需要修正的超声波波长值为λ₁，得到如式(3)和式(4)的关系式：

$y_1=\frac{{\mathrm{\θ}}_1}{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}_1---\left(3\right),$

$y_2=\frac{{\mathrm{\θ}}_2}{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}_1---\left(4\right),$

(5)、依据x₁+x₂＝y₁+y₂这一条件，由式(1)至式(4)得到任意温度下的超声波波长修正值λ₁，如公式(5)所示：

(6)、将公式(5)的超声波波长修正值λ₁，代入到公式(3)和公式(4)，得到振动测量过程中的质量块与固定平板一、二之间的距离y₁和y₂，如公式(6)和式(7)所示：

式(6)和式(7)中的和λ₀为25℃温度条件下的标定值，是已知量；θ₁、θ₂为任意温度下的超声波发射传感器一、二分别与超声波接收传感器一、二之间的实际测量相位差；

由此可见，在任意温度下，只需测量出超声波发射传感器一、二分别与超声波接收传感器一、二之间的实际测量相位差θ₁和θ₂，就能够得到质量块与固定平板一、二之间的实际距离y₁和y₂；

(7)、振动测量装置中的质量块的实际位移值d等于质量块与固定平板一、二之间的实际距离y₁和y₂之差，如公式(8)所示：