CN106052841B - 用于超声波设备的激光振幅测量仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及针对超声波设备的测量技术，旨在提供一种用于超声波设备的激光振幅测量仪及其测量方法。该激光振幅测量仪包括激光位移传感器，以及处理器模块、显示模块、通信模块和电池；所述处理器模块分别与激光位移传感器、显示模块和通信模块相接，电池为各部件供电。本发明使用了成本较低的激光位移传感器作为数据采集器件，在保证仪器成本较低的条件下，大大提高了测量精度。基本达到了激光干涉仪的测量精度。结构简单，体积小巧，携带和使用都非常方便。测量方法简单易行，可测量振幅的范围大、适应性强、误差小，对超声波设备本身没有任何限制。

Description

用于超声波设备的激光振幅测量仪及其测量方法

技术领域

本发明涉及针对超声波设备的测量技术，特别涉及用于超声波设备的激光振幅测量仪及其测量方法。

背景技术

超声波设备的振动频率一般为15kHz---100kHz，振幅(峰峰值)为几十微米。振幅是以正弦函数连续变化的形式，最大振幅通常不超过200微米。在超声波工具的设计和使用过程中，振幅的最大值(简称振幅峰峰值)是一个关键指标。但由于超声波设备具有极高频率和变化速度，振幅的绝对值又很小，导致振幅测量比较困难。

现有的测量方法有多种。利用激光干涉仪可以进行测量，其优点是激光能够以非接触的方式测量，而且精度很高。激光干涉仪的采样频率(兆赫兹级)远高于超声波振动的频率。干涉仪能够直接测量振幅变化过程中的实时值，绘出振幅的变化曲线。其存在的不足是仪器价格昂贵，测量环境条件和使用条件要求高。

现在已经在其他行业普遍使用的激光位移传感器，能够非接触测量距离，直接给出距离值。而且价格比较低，精度还很高。但由于传感器的采样频率很低(约1000赫兹左右)，只能够测量静止或基本静止的物体。如果是测量高频位移的物体，得到的实时振幅数据是零散、随机的。既无法绘出实时振幅变化曲线，也不能够直观得到超声波振幅。

在测量领域有一个基本的原则：测试仪器的采样频率必须高于被测对象的变化频率。采样定理表明，采样频率必须大于被采样信号带宽的两倍。农(Shannon)采样定理指出：为了不失真地恢复模拟信号，采样频率应该不小于模拟信号频谱中最高频率的2倍。但是在实际的情况下，采样频率往往比信号的实际频率要高出5到10倍以上。因为采样频率仅仅高于信号频率的2倍的情况下，测量的精度是不够的。所以，现有的激光位移传感器，是不能够直接测量超声波振动的振幅的。如果要提高激光位移传感器的采样频率，那就是成为激光干涉仪了。虽能够准确测量超声波振幅，仪器的价格也就非常高了。

其二是用各种接触式测量仪器，比如各种高精度的千分表。其优点是方法简单，成本低廉。不足之处是可测量振幅的范围小、适应性弱，对振动系统有影响，误差较大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种用于超声波设备的激光振幅测量仪及其测量方法。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种用于超声波设备的激光振幅测量仪，包括激光位移传感器，还包括：处理器模块、显示模块、通信模块和电池；所述处理器模块分别与激光位移传感器、显示模块和通信模块相接，电池为各部件供电。

本发明中，所述处理器模块还连接至声光报警模块和/或存储模块。

本发明中，所述激光位移传感器、处理器模块、显示模块、通信模块和电池均安装在外壳内。

本发明中，所述通信模块为有线通信模块或无线通信模块，以有线或无线方式连接至上位的工控机或智能控制终端。

本发明中，所述智能控制终端是智能手机、平板电脑或带交互界面的控制器。

本发明中，还包括超声波传感器，超声波传感器与处理器模块相连，并由电池供电。

本发明进一步提供了利用前所述激光振幅测量仪测量超声波设备振幅的方法，包括下述步骤：

(1)将激光位移传感器的激光发射头对准超声波设备的振动端面并保持稳定，启动超声波设备；激光位移传感器按其采样频率连续不断地测量与振动端面之间的实时距离，即位移数据Lx；(超声波发射头的端面的位移数据的变化是一个简谐振动模态，即在时间轴上其位移量的分布是一个标准正弦函数。)

(2)利用下述任意一种方法，对采集获得的振动端面的位移数据Lx进行处理：

A：提取位移数据Lx中的最大值和最小值(随着测量数据的增加，Lx的最大值无限逼近L0+L1，最小值无限逼近L0－L1)；以最大值减去最小值后得到的差值，即为超声波设备的振幅L；或者

B：采集1000个以上的位移数据Lx，其算术平均值Lp就是振动端面与激光位移传感器之间的初始距离L0(即其相当于停留在平衡位置P时的距离值，L0＝Lp)；把采集到的各个位移数据分别与该算术平均值Lp相减后取绝对值，然后再进行算术平均值的计算，得到数值Ld(数值Ld就是两个方向上的振幅L1或L2的有效值)；将数值Ld乘以1.414后再乘以2，即为超声波设备的振幅L；

(3)每间隔3秒再按相同方式采集位移数据Lx以计算最大振幅L，当最后两次计算结果的偏差小于5％时，取最后一次计算结果作为振幅L的测量数据；在向显示模块、工控机或智能控制终端输出测量数据的同时，发出声光报警信号提示结束测量操作。

本发明中，在采样过程中，控制采样时间至少为2秒，或者使采样数据的数量为至少1000个以上，以控制振幅L的偏差在5％以内(采样的时间越长，采样的数据越多，振幅值的准确度也越高)。

本发明还提供了另一种利用前述激光振幅测量仪测量超声波设备振幅的方法，包括下述步骤：

(1)以超声波传感器检测超声波设备的实时工作频率；(超声波传感器检测到空气中的超声波信号，转换为同频率的交流电信号；检测信号经过放大、整流，输入处理器模块进行计数，就能得到超声波设备的实时工作频率。)

(2)将激光位移传感器的激光发射头对准超声波设备的振动端面并保持稳定，启动超声波设备；激光位移传感器按其采样频率连续不断地测量与振动端面之间的实时距离，即位移数据Lx；

(3)利用下述任意一种方法，对采集获得的振动端面的位移数据进行处理：

A：根据超声波的实时频率和激光传感器的检测时间间隔，确认两个相邻测量数据的相位差φ；通过下述的简谐振动公式得到振幅L(即振幅峰峰值)；

Lx＝L/2sin(ωt+φ)+L0，

式中，Lx是振动端面的位移数据；L是振幅，即振幅峰峰值；ω是角速度，ω＝2πf，f为超声波设备的实时工作频率；t是相对于测量开始时各个位移数据对应的时值；φ是激光位移传感器前后测量的两个相邻位移数据的相位差；(相位差与测量这两个数据时的时间差正相关。一个周期的时间是360度。时间差有多少，除以周期再乘以360，其结果就是相位差。)；L0是激光位移传感器与被振动端面的初始距离；

使采样数据的数量为至少500组以上，以控制振幅L的偏差在5％以内；

(4)每间隔3秒再按相同方式采集位移数据Lx以计算振幅L，当最后两次计算结果的偏差小于5％时，取最后一次计算结果作为振幅L的测量数据，在向显示模块、工控机或智能控制终端输出测量数据的同时，发出声光报警信号提示结束测量操作。

本发明的实现原理描述：

采样定理是人们在此领域多年理论和实践经验的总结，但它有一个前提，就是要想不失真地恢复模拟信号，采样频率越高越好。事实上，激光干涉仪就是这样工作的，它以大大高于超声波振动频率的采样频率，能够把超声波的振幅的变化情况，完整地实时测量出来。通过示波器可以直观地看到超声波的振幅变化正弦曲线，也能够取得振幅的峰峰值。但在超声波领域，用户关心的不是完整的振幅变化情况，只需要知道振幅的峰峰值。而且，超声波振幅的变化是一个规范的正弦函数，同时这个正弦函数的周期(或频率)，是可以用其它方法轻易获得的。在这个前提下，测量就可以做很多的简化。换句话说，就算是一个采样频率很低的传感器，只要适当延长时间，得到足够多的离散振幅数据。再通过合理的运算，就可以知道振幅的峰峰值。采样频率越高，单位时间内得到的离散数据也就越多，结果也就越准确。

超声波发射头的超声波实时的振幅输出，是一个复杂的三维运动。在纵向振动的条件下，我们所关心的，也是起主要作用的，是纵向的伸缩运动。这是一个一维运动，即在平衡位置的往复运动。其往复运动的频率，就是超声波的振动频率。其往复运动的两个顶点之间的位移量，就是超声波振幅峰峰值。相对于正弦函数，就是正半周与负半周(波峰与波谷)的距离。

关于超声波振幅的峰峰值的说明：因为超声波振动的振幅是以正弦函数的形式连续变化，其正半周的峰值与负半周的峰值绝对值相同、方向相反。正半周峰值与负半周峰值间的最大距离，通常就叫做峰峰值。在本发明所述技术领域内，如果没有特别的说明，超声波振幅的测量和表述都是指这个峰峰值。

对于往复运动而言，一定有一个平衡位置，可以把它叫做P点。围绕着平衡点的位移，位移振幅的方向相反，位移量相同。发射头位移到距离P点最远处，叫做P1点。它们之间的距离，是L1。发射头位移到P点另一个方向的最远处，是P2点。它与P点的距离，是L2。P1和P2点之间的距离，就是超声波振幅峰峰值，即L。

显然：L1＝L2，L＝L1+L2＝2L1＝2L2。

把激光位移传感器对准超声波发射头的位移端面。先让发射头静止，其相当于停留在平衡位置P。这时，传感器与被测量端面的距离，是L0。这个静止点的距离L0，是激光传感器可以准确测量的，是已知的。然后让超声波发射头起振，其端面即以平衡位置为中心，进行来回往复运动。往复运动的频率，就是超声波振动的频率(一般是20kHz)。激光位移传感器以其固有的采样频率(一般是每秒钟1000次)进行采样测量。测量得到的位移数据值Lx，就是测量端面与传感器之间的距离。因为采样测量频率远远低于超声波振动的频率，故测量时发射头的位置是随机的，得到的测量结果Lx也是随机的。若P1点是靠近传感器方向，P2点是远离传感器方向，显然：

L0－L1≤Lx≤L0+L2

或L0－L2≤Lx≤L0+L2

或L0－L1≤Lx≤L0+L1

也就是说，传感器以每秒钟1000次左右的频率，实时输出传感器与被测量端面的距离Lx。我们需要知道的是峰峰值L＝2L2或2L1，传感器实际输出的是Lx。

从超声波振动的原理知道，所谓的超声波振动其实质是物体的弹性变化。其振幅分布，符合简谐振动的规律。也就是说，振幅的变化符合正弦函数。任何一个质点，围绕着平衡位置，来回做简谐振动。来回振动的振幅相同，方向相反。传感器以每秒钟1000次左右的频率，实时输出传感器与测量端面的距离Lx。就测量而言需要的是2L1或2L2，但传感器输出的是Lx。从概率的角度很容易知道：传感器的测试点，很难得刚好有P1或P2，但一定有很接近的可能性。测试时间越长，测试得到的数据越多，可能性越大。

即∣Lx∣max≈L0+L1

∣Lx∣min≈L0－L1

∣Lx∣max－∣Lx∣min≈2L1＝L

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明使用了成本较低的激光位移传感器作为数据采集器件，在保证仪器成本较低的条件下，大大提高了测量精度。基本达到了激光干涉仪的测量精度。

2、本发明的振幅测量仪结构简单，体积小巧，携带和使用都非常方便。

3、本发明所述测量方法简单易行，可测量振幅的范围大、适应性强、误差小，对超声波设备本身没有任何限制。

附图说明

图1为本发明测量仪的结构框图。

图2为本发明所述方法的计算实现原理图。

图3为本发明测量方法的操作示例流程图。

具体实施方式

首先需要说明的是，本发明涉及，是电子技术和计算机技术的应用。在本发明的实现过程中，会涉及到内置于处理器模块中的计算功能软件模块的应用。申请人认为，如在仔细阅读申请文件、准确理解本发明的实现原理和发明目的以后，在结合现有公知技术的情况下，本领域技术人员完全可以运用其掌握的软件编程技能实现本发明。凡本发明申请文件提及的均属此范畴，申请人不再一一列举。

用于超声波设备的激光振幅测量仪，包括激光位移传感器、处理器模块、显示模块、通信模块、声光报警模块和电池；所述处理器模块分别与激光位移传感器、显示模块和通信模块、声光报警模块相接，电池为各部件供电，电池及各部件均安装在外壳内。通信模块为有线通信模块或无线通信模块，以有线或无线方式连接至上位的工控机或智能控制终端。智能控制终端是智能手机、平板电脑或带交互界面的控制器。

作为另一种改进的方案，可以增设超声波传感器，超声波传感器与处理器模块相连，并由电池供电。

所述激光位移传感器可选用市售产品，例如德国SICK西克OD Precision超高精度激光位移传感器的产品，或GOLDEN SENSING精密型激光位移传感器(HDS系列)。处理器模块可选用单片机产品，例如(例如八位处理器EM78)，也可以是通过调用存储芯片中内置程序的芯片(例如EPROM和ROM构成)的产品。超声波传感器可以用常规的高频拾音器，压电陶瓷传感器等。处理器模块中内置了用于对激光位移传感器测量得到的位移数据进行计算的软件功能模块，其实现方法在下面将详细描述，具体编程实现方式可采用业内惯用手段实现，本发明不再赘述。

本发明所述的激光振幅测量仪用于测量超声波设备的振幅，其测量方法根据是否利用超声波传感器分为两大类。

一、不采用超声波传感器，仅使用激光位移传感器的情况

测量超声波设备振幅的方法，包括下述步骤：

(1)将激光位移传感器的激光发射头对准超声波设备的振动端面并保持稳定，启动超声波设备；激光位移传感器按其采样频率连续不断地测量与振动端面之间的实时距离，即位移数据Lx；(超声波发射头的端面的位移数据的变化是一个简谐振动模态，即在时间轴上其位移量的分布是一个标准正弦函数。)

(2)利用下述任意一种方法，对采集获得的振动端面的位移数据Lx进行处理：

A：提取位移数据Lx中的最大值和最小值；随着测量数据的增加，Lx的最大值无限逼近L0+L1，最小值无限逼近L0－L1；以最大值减去最小值后得到的差值，即为超声波设备的振幅L；或者

B：采集1000个以上的位移数据Lx，其算术平均值Lp就是振动端面与激光位移传感器之间的初始距离L0(即其相当于停留在平衡位置P时的距离值，L0＝Lp)；把采集到的各个位移数据分别与该算术平均值Lp相减后取绝对值，然后再进行算术平均值的计算，得到数值Ld(数值Ld就是两个方向上的振幅L1或L2的有效值)；将数值Ld乘以1.414后再乘以2，即为超声波设备的振幅L；

(3)每间隔3秒再按相同方式采集位移数据Lx以计算最大振幅L，当最后两次计算结果的偏差小于5％时，取最后一次计算结果作为振幅L的测量数据，在向显示模块、工控机或智能控制终端输出测量数据的同时，发出声光报警信号提示结束测量操作。

本发明中，在采样过程中，控制采样时间至少为2秒，或者使采样数据的数量为至少1000个以上，以控制振幅L的偏差在5％以内(采样的时间越长，采样的数据越多，振幅值的准确度也越高)。

二、同时采用超声波传感器和激光位移传感器的情况

测量超声波设备振幅的方法，包括下述步骤：

(1)以超声波传感器检测超声波设备的实时工作频率；(超声波传感器检测到空气中的超声波信号，转换为同频率的交流电信号；检测信号经过放大、整流，输入处理器模块进行计数，就能得到超声波设备的实时工作频率。)

(2)将激光位移传感器的激光发射头对准超声波设备的振动端面并保持稳定，启动超声波设备；激光位移传感器按其采样频率连续不断地测量与振动端面之间的实时距离，即位移数据Lx；

(3)利用下述方法，对采集获得的振动端面的位移数据进行处理：

根据超声波的实时频率和激光传感器的检测时间间隔，确认两个相邻测量数据的相位差φ；通过下述的简谐振动公式得到振幅L；

Lx＝L/2sin(ωt+φ)+L0，

式中，Lx是振动端面的位移数据；L是振幅峰峰值；ω是角速度，ω＝2πf，f为超声波设备的实时工作频率；t是相对于测量开始时各个位移数据对应的时值；φ是两个位移数据的相位差；L0是激光位移传感器与被振动端面的初始距离，是已知的；

使采样数据的数量为至少500组以上，以控制振幅L的偏差在5％以内；

(4)每间隔3秒再按相同方式采集位移数据Lx以计算振幅L，当最后两次计算结果的偏差小于5％时，取最后一次计算结果作为振幅L的测量数据，在向显示模块、工控机或智能控制终端输出测量数据的同时，发出声光报警信号提示结束测量操作。

本发明是在现有的激光位移传感器基础上，增加超声波传感器和测量数据处理的内容，用专门的数据处理方法，方便而准确地得到超声波振动的振幅值。同时，通过增加电池和辅助硬件结构，构成一件实用的测量仪器。本发明能够以激光位移传感器的低价格和高精度，非接触式测量超声波振幅；快速得到准确唯一的测量结果。这是一个革命性的突破，彻底颠覆了传统的采样定理的束缚。本发明表明，在特点的条件下针对特点的目的，采样定理是可以突破的。本发明的激光振幅测量仪是大多数用户能够买得起的，使用方便，体积小便携式。而且使用环境基本无要求，可以随时随地进行测量。

实施例1

激光位移传感器的发射头，以及超声波传感器，都安置在外壳表面，能够随时测量其与发射头端面的距离及超声波信号。测量的得到的数据传送至处理器模块进行累积和运算。运算结果(即振幅值)送入显示模块(例如LED显示屏)，供操作者读数。LED显示屏可以翻起或旋转，便于操作者读数。处理器模块不断地进行数据比对和判断。当最终得到了稳定可信的振幅测量数据时，输出声光报警信号告知已经完成测试。同时，该测量仪还可以存储和输出振幅数据。操作者可以读数，并停止测量。也可以不关机，继续进行测量。通信接口负责与其他仪器或器件的连接和通讯，可以输出测试结果，也可以接受外界控制。电池负责给仪器中各部件供电，可以充电，方便使用。所有的零部件都安装在机外壳里，形成一台完整的仪器。外壳可以带磁性，以利用磁性的吸力固定仪器。整个仪器是独立的，集成了所有的功能，能够完成所有的测量和显示功能。

实施例2：

除激光振幅测量仪之外，还可通过有线通信模块或无线通信模块，以有线或无线方式连接至上位的工控机或智能控制终端。智能控制终端是智能手机、平板电脑或带交互界面的控制器。以智能手机为例，作为控制、显示和数据存储的作用，其功能实现由预装的APP完成。实际的操作和测量过程与前面的示例基本相同。操作者可以在智能控制终端上读数，并停止测量。测试数据保存在智能控制终端上，可以随时读取。

Claims (5)

1.一种利用激光振幅测量仪测量超声波设备振幅的方法，其特征在于，所述激光振幅测量仪包括处理器模块，处理器模块分别与激光位移传感器、显示模块、存储模块、通信模块、声光报警模块和电池相接，电池为其它部件供电；处理器模块、激光位移传感器、显示模块、存储模块、通信模块、声光报警模块和电池均安装在外壳内；所述通信模块是有线通信模块或无线通信模块，能以有线或无线方式连接至上位的带交互界面的智能控制终端；所述处理器模块是能调用存储模块中内置程序的芯片产品；

该测量方法具体包括下述步骤：

(1)将激光位移传感器的激光发射头对准超声波设备的振动端面并保持稳定，启动超声波设备；激光位移传感器以每秒1000次的采样频率连续不断地测量与振动端面之间的实时距离，即位移数据Lx；

(2)利用下述任意一种方法，对采集获得的振动端面的位移数据Lx进行处理：

A：提取位移数据Lx中的最大值和最小值；以最大值减去最小值后得到的差值，即为超声波设备的振幅L；或者

B：采集1000个以上的位移数据Lx，其算术平均值Lp就是振动端面与激光位移传感器之间的初始距离L0；把采集到的各个位移数据分别与该算术平均值Lp相减后取绝对值，然后再进行算术平均值的计算，得到数值Ld；将数值Ld乘以1.414后再乘以2，即为超声波设备的振幅L；

(3)每间隔3秒再按相同方式采集位移数据Lx以计算最大振幅L，当最后两次计算结果的偏差小于5％时，取最后一次计算结果作为振幅L的测量数据；在向显示模块、工控机或智能控制终端输出测量数据的同时，发出声光报警信号提示结束测量操作。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在采样过程中，控制采样时间至少为2秒，或者使采样数据的数量为至少1000个以上，以控制振幅L的偏差在5％以内。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述智能控制终端是工控机、智能手机或平板电脑。

4.一种利用激光振幅测量仪测量超声波设备振幅的方法，其特征在于，所述激光振幅测量仪包括处理器模块，处理器模块分别与超声波传感器、激光位移传感器、显示模块、存储模块、通信模块、声光报警模块和电池相接，电池为其它部件供电；处理器模块、激光位移传感器、显示模块、存储模块、通信模块、声光报警模块和电池均安装在外壳内；所述通信模块是有线通信模块或无线通信模块，能以有线或无线方式连接至上位的带交互界面的智能控制终端；所述处理器模块是能调用存储模块中内置程序的芯片产品；

该测量方法具体包括下述步骤：

(1)以超声波传感器检测超声波设备的实时工作频率；

(2)将激光位移传感器的激光发射头对准超声波设备的振动端面并保持稳定，启动超声波设备；激光位移传感器以每秒1000次的采样频率连续不断地测量与振动端面之间的实时距离，即位移数据Lx；

(3)利用下述方法对采集获得的振动端面的位移数据进行处理：

根据超声波的实时频率和激光传感器的检测时间间隔，确认两个相邻测量数据的相位差φ；通过下述的简谐振动公式得到振幅L；

Lx＝L/2sin(ωt+φ)+L0，

式中，Lx是振动端面的位移数据；L是振幅，即振幅峰峰值；ω是角速度，ω＝2πf，f为超声波设备的实时工作频率；t是相对于测量开始时各个位移数据对应的时值；φ是激光位移传感器前后测量的两个相邻位移数据的相位差；L0是激光位移传感器与被振动端面的初始距离；

使采样数据的数量为至少500组以上，以控制振幅L的偏差在5％以内；

(4)每间隔3秒再按相同方式采集位移数据Lx以计算振幅L，当最后两次计算结果的偏差小于5％时，取最后一次计算结果作为振幅L的测量数据，在向显示模块、工控机或智能控制终端输出测量数据的同时，发出声光报警信号提示结束测量操作。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述智能控制终端是工控机、智能手机或平板电脑。