CN106644044B - 一种高频率小振幅超声机械振动波功率测量方法及装置 - Google Patents

一种高频率小振幅超声机械振动波功率测量方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高频率小振幅超声机械振动波功率测量方法及装置。该方法能够实现高频率小振幅超声机械振动波功率的测量，并且是精度高，灵敏度高的测量手段；本发明的高频率小振幅超声机械振动波功率测量装置采用电荷变换级、适调级、低通滤波器、高通滤波器、末级功率放大器和过荷保护级将压电加速度传感器检测到的高频率小振幅超声机械振动波的微弱电荷信号进行了放大、滤波、调节等处理，使微弱的信号能够被检测出来，并为高频率小振幅超声机械振动波功率的计算提供了满意的参数数值。

Description

一种高频率小振幅超声机械振动波功率测量方法及装置
技术领域
本发明涉及超声波功率测量方法，特别涉及一种高频率小振幅超声机械振动波功率测量方法及装置。
背景技术
超声机械振动波目前被广泛应用于清洗、破碎、防垢、除垢、医疗、矿山开采等诸多领域，其产生的机械振动波为高频率小振幅的超声机械波。
超声机械振动波在液体中传播时的“声压”剧变使液体发生强烈的“空化”和“乳化”现象，每秒钟产生数百万计的微小旋涡和空化气泡，这些微小旋涡和空化气泡在声压作用下急速的大量产生，并不断地游走和猛烈的爆破，产生强大的冲击力和负压吸力，足以使顽固的污垢剥离。声压的大小取决于超声机械振动波的功率大小，太大时有可能破坏和影响被作用设备的安全运行，所以，要有定量分析的科学依据。
在生产实践中，人们对于低频率大振幅的振动波的功率已有了较成熟的测量手段，但是对于高频率小振幅的超声机械振动波的功率尚未有成型的测量方法。对于超声波设备的能量和功率等数据，以往给出的数据都是理论和经验数据，没有经过科学测量的准确数据。又因为超声机械振动波是超声离散信号，不能用仪器仪表简单测量。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种高频率小振幅超声机械振动波功率测量方法及装置。能够实现高频率小振幅超声机械振动波功率的测量，并且是精度高，灵敏度高的测量手段；本发明的高频率小振幅超声机械振动波功率测量装置采用电荷变换级、适调级、低通滤波器、高通滤波器、末级功率放大器和过荷保护级将压电加速度传感器检测到的高频率小振幅超声机械振动波的微弱电荷信号进行了放大、滤波、调节等处理，使微弱的信号能够被检测出来，并为机械振动波功率的计算提供了满意的参数数值。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种高频率小振幅超声机械振动波功率测量方法，所述方法为：
步骤一、将超声波换能器安装在长和宽均为200mm，厚度为15mm的钢板上，作为超声波振动源，在对应换能器振动源的钢板另一侧安装压电加速度传感器；
步骤二、压电加速度传感器将振动的机械波转换成与其成正比的微弱电荷Q，而且输出阻抗极高(>109Ω)；
步骤三、采集压电加速度传感器的微弱电荷信号和波形信号，并对采集到的信号进行放大、滤波、调节，最后得到清晰的电压波形和电荷值大小；
步骤四、将经过放大、滤波、调节后的电压波形和电荷大小信号接入100MHz的示波器进行显示，所测得的电荷大小按比例得出振动加速度大小值，示波器上显示的电压波形信号可以得出振动波频率和角频率的大小值；
步骤五、将所测得的振动加速度和振动角频率进行计算如下：
a＝ω2A(式中：a为加速度，ω为振动波的角频率，A为振动波的振幅)，
得出振幅值A；
步骤六、再依据如下公式计算出功率密度：
I＝2л2ρC(Af)2
(式中：I为功率密度，单位W/cm2,ρ为传播介质密度，单位Kg/m3，C为传播介质传播速度，单位m/s；A为振幅，单位m,f为振动频率，单位Hz)；
步骤七、计算出功率密度后，再根据换能器接触面积S(cm2)乘以功率密度I得出机械振动波的功率：
P＝IS(式中：P为振动波功率，单位W，I为功率密度，单位W/cm2,S为换能器接触面积，单位cm2)。
用于所述的一种高频率小振幅超声机械振动波功率测量方法的装置为将检测到的压电加速度传感器的电荷信号进行采集、放大、滤波和调节的装置，所述装置包括电荷变换级、适调级、低通滤波器、高通滤波器、末级功率放大器、过荷保护级和电源。
从压电加速度传感器信号接收输入端依次连接电荷变换级、适调级、低通滤波器、高通滤波器、末级功率放大器和过荷保护级，末级功率放大器输出端连接所述装置的输出端子，输出端子连接外部的示波器，电源为装置提供正负15伏的电源。
所述电荷变换级以运算放大器A1为主元件，A1采用的是美国高输入阻抗、低噪声、低漂移、宽带、精密运算放大器，其输入端并联三种电容：
Ca：配接传感器的自身电容；
Cc：传感器输出低噪声电缆电容；
Ci：运算放大器A1的输入电容；
A1还连接有反馈电容Cf1，反馈电容Cf1有101pF、102pF、103pF、104pF四挡，其输出分别为：10mv/pC、1mv/pC、0.1mv/pC、0.01mv/pC，为输出增益Ⅰ。
所述适调级由运算放大器A2和传感器灵敏度适调电位器W组成。
所述低通滤波器以运算放大器A3为主元件，组成二阶巴特沃斯有源滤波器，带通平坦，可有效消除高频干扰信号。
所述高通滤波器以C4和R4连接构成一阶无源高通滤波器，可有效抑制低频干扰信号。
所述末级功放以运算放大器A4为主元件组成输出增益Ⅱ，输出短路保护，精度高。
所述过荷级以A5为主元件，当输出电压大于10Vp时，发出电荷报警。
所述电源采用DC±15V供电，其由AC220V 50Hz的电源依次连接整流、滤波、再经过可调集成稳压电源稳压后得到。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的方法能够实现高频率小振幅超声机械振动波功率的测量，并且是精度高，灵敏度高的测量手段；
2、本发明的高频率小振幅超声机械振动波功率测量装置采用电荷变换级、适调级、低通滤波器、高通滤波器、末级功率放大器和过荷保护级将压电加速度传感器检测到的高频率小振幅超声机械振动波的微弱电荷信号进行了放大、滤波、调节等处理，使微弱的信号能够被检测出来，并为机械振动波功率的计算提供了满意的参数数值。
附图说明
图1是本发明的高频率小振幅超声机械振动波功率测量装置结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。
一种高频率小振幅超声机械振动波功率测量方法，所述方法为：
步骤一、将超声波换能器安装在长和宽均为200mm，厚度为15mm的钢板上，作为超声波振动源，在对应换能器振动源的钢板另一侧安装压电加速度传感器；
步骤二、压电加速度传感器将振动的机械波转换成与其成正比的微弱电荷Q，而且输出阻抗极高(>109Ω)；
步骤三、采集压电加速度传感器的微弱电荷信号和波形信号，并对采集到的信号进行放大、滤波、调节，最后得到清晰的电压波形和电荷值大小；
步骤四、将经过放大、滤波、调节后的电压波形和电荷大小信号接入100MHz的示波器进行显示，所测得的电荷大小按比例得出振动加速度大小值，示波器上显示的电压波形信号可以得出振动波频率和角频率的大小值；
步骤五、将所测得的振动加速度和振动角频率进行计算如下：
a＝ω2A(式中：a为加速度，ω为振动波的角频率，A为振动波的振幅)，
得出振幅值A；
步骤六、再依据如下公式计算出功率密度：
I＝2л2ρC(Af)2
(式中：I为功率密度，单位W/cm2,ρ为传播介质密度，单位Kg/m3，C为传播介质传播速度，单位m/s；A为振幅，单位m,f为振动频率，单位Hz)；
步骤七、计算出功率密度后，再根据换能器接触面积S(cm2)乘以功率密度I得出机械振动波的功率：
P＝IS(式中：P为振动波功率，单位W，I为功率密度，单位W/cm2,S为换能器接触面积，单位cm2)。
用于所述的一种高频率小振幅超声机械振动波功率测量方法的装置为将检测到的压电加速度传感器的电荷信号进行采集、放大、滤波和调节的装置，如图1所示，所述装置包括电荷变换级、适调级、低通滤波器、高通滤波器、末级功率放大器、过荷保护级和电源。
从压电加速度传感器信号接收输入端依次连接电荷变换级、适调级、低通滤波器、高通滤波器、末级功率放大器和过荷保护级，末级功率放大器输出端连接所述装置的输出端子，输出端子连接外部的示波器，电源为装置提供正负15伏的电源。
所述电荷变换级以运算放大器A1为主元件，A1采用的是美国高输入阻抗、低噪声、低漂移、宽带、精密运算放大器，其输入端并联三种电容：
Ca：配接传感器的自身电容，一般为数千pF，1/2лRaCa决定了传感器低频下限。
Cc：传感器输出低噪声电缆电容，我们采用的是95pF/m。
Ci：运算放大器A1的输入电容，典型值为3pF。
A1电荷变换运算放大器，采用的是美国高输入阻抗、低噪声、低漂移、宽带、精密运算放大器，反馈电容Cf1有101pF、102pF、103pF、104pF四挡，根据米勒定理，反馈电容折合到输入端容量是：C＝(1+K)Cf1。其中K为A1开环增益，电荷变换级的输出电压为：Q/Cf1。所以当反馈电容分别为101pF、102pF、103pF、104pF时，其输出分别为：10mv/pC、1mv/pC、0.1mv/pC、0.01mv/pC，为输出增益Ⅰ。
所述适调级由运算放大器A2和传感器灵敏度适调电位器W组成。此级的作用是在应用不同灵敏度的压电传感器时，整个系统有归一化的输出电压。它采用美国精密数字码盘电位器，线性度0.3％，精度高，日久不氧化，接触可靠，当加速度传感器电荷灵敏度为1–10pC时，W为1.00–10.00。
所述低通滤波器以运算放大器A3为主元件，组成二阶巴特沃斯有源滤波器，带通平坦，可有效消除高频干扰信号。
所述高通滤波器以C4和R4构成一阶无源高通滤波器，可有效抑制低频干扰信号。
所述末级功放以运算放大器A4为主元件组成输出增益Ⅱ，输出短路保护，精度高。
所述过荷级以A5为主元件，当输出电压大于10Vp时，发出电荷报警，应降低增益或查找故障。
所述电源采用DC±15V供电，其由AC220V 50Hz的电源依次连接整流、滤波、再经过可调集成稳压电源稳压后得到。
本发明装置的主要技术指标为：
输入电荷范围：0.06–105pC；
最大输出电压：±10Vp；
最大输出电流：10mA；
精确度：≤1.0％；
谐波失真：<0.5％；
噪声：<6μV(折合到输出端)；
输出增益Ⅰ：0.1、1、10、100mV/Unit；
输出增益Ⅱ：×1、×10；
其中Unit表示机械量单位，取决于所用加速度传感器的单位(m/s2)；
频率范围：0.3–100KHz；
供电电压：AC220V±10％；
工作温度：-10–+50℃；
工作湿度：≤85％RH(无凝结)；
以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

Claims (2)

1.用于一种高频率小振幅超声机械振动波功率测量方法的装置，所述方法为：
步骤一、将超声波换能器安装在长和宽均为200mm，厚度为15mm的钢板上，作为超声波振动源，在对应换能器振动源的钢板另一侧安装压电加速度传感器；
步骤二、压电加速度传感器将振动的机械波转换成与其成正比的微弱电荷Q，而且输出阻抗极高，>109Ω；
步骤三、采集压电加速度传感器的微弱电荷信号和波形信号，并对采集到的信号进行放大、滤波、调节，最后得到清晰的电压波形和电荷值大小；
步骤四、将经过放大、滤波、调节后的电压波形和电荷大小信号接入100MHz的示波器进行显示，所测得的电荷大小按比例得出振动加速度大小值，示波器上显示的电压波形信号得出振动波频率和角频率的大小值；
步骤五、将所测得的振动加速度和振动角频率进行计算如下：
a＝ω2A，式中：a为加速度，ω为振动波的角频率，A为振动波的振幅，
得出振幅值A；
步骤六、再依据如下公式计算出功率密度：
I＝2л2ρC(Af)2
式中：I为功率密度，单位W/cm2,ρ为传播介质密度，单位Kg/m3，C为传播介质传播速度，单位m/s；A为振幅，单位m,f为振动频率，单位Hz；
步骤七、计算出功率密度后，再根据换能器接触面积S乘以功率密度I得出机械振动波的功率：
P＝IS，式中：P为振动波功率，单位W，I为功率密度，单位W/cm2,S为换能器接触面积，单位cm2；
用于所述的一种高频率小振幅超声机械振动波功率测量方法的装置，为将检测到的压电加速度传感器的电荷信号进行采集、放大、滤波和调节的装置，其特征在于，所述装置包括电荷变换级、适调级、低通滤波器、高通滤波器、末级功率放大器、过荷保护级和电源；
从压电加速度传感器信号接收输入端依次连接电荷变换级、适调级、低通滤波器、高通滤波器、末级功率放大器和过荷保护级，末级功率放大器输出端连接所述装置的输出端子，输出端子连接外部的示波器，电源为装置提供正负15伏的电源；
所述电荷变换级以运算放大器A1为主元件，A1采用的是高输入阻抗、低噪声、低漂移、宽带、精密运算放大器，其输入端并联三种电容：
Ca：配接传感器的自身电容；
Cc：传感器输出低噪声电缆电容；
Ci：运算放大器A1的输入电容；
A1还连接有反馈电容Cf1，反馈电容Cf1有101pF、102pF、103pF、104pF四挡，其输出分别为：10mv/pC、1mv/pC、0.1mv/pC、0.01mv/pC，为输出增益Ⅰ；
所述适调级由运算放大器A2和传感器灵敏度适调电位器W组成；
所述低通滤波器以运算放大器A3为主元件，组成二阶巴特沃斯有源滤波器，带通平坦，有效消除高频干扰信号；
所述高通滤波器以C4和R4连接构成一阶无源高通滤波器，有效抑制低频干扰信号；
所述末级功率放大器以运算放大器A4为主元件组成输出增益Ⅱ，输出短路保护，精度高；
所述过荷保护级以运算放大器A5为主元件，当输出电压大于10Vp时，发出电荷报警。
2.根据权利要求1所述的用于一种高频率小振幅超声机械振动波功率测量方法的装置，其特征在于，所述电源采用DC±15V供电，其由AC220V50Hz的电源依次连接整流、滤波、再经过可调集成稳压电源稳压后得到。
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