CN109143245A - 一种基于超声波的非接触式振动信号测量系统及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于超声波的非接触式振动信号测量系统，所述振动信号测量系统包括信号发生单元、信号发射单元、信号接收单元、信号调理单元、控制处理单元、显示单元、按键输入单元和存储单元；所述振动信号测量系统采用超声波检测被测物体的振动信息，通过对反射超声波进行AM‑FM分解，并进行能量算子计算，得到所述反射超声波瞬时频率，进而计算出所述被测物体的振动速度信号。本发明提供一种基于超声波的非接触式振动信号测量系统和方法，对反射超声波信号进行AM‑FM分解，并结合能量子计算，得到反射超声波信号瞬时频率，进而计算出被测物体的振动速度，有效提高振动的测量范围。
Description
技术领域
本发明属于超声波检测技术领域，特别涉及一种基于超声波的非接触式振动信号测量系统及其测量方法。
背景技术
随着科技的不断发展，越来越多的机械设备出现在人们的生产生活中，为了能够更好的工作，需要对这些机械设备进行检测，而振动状况是机械设备重要的检测项目之一。
机械设备振动检测组要采用接触式和非接触式两种方式，在常见的非接触式振动检测方法中，超声波的机械振动检测测量精度高，能够适用多种恶劣环境。本发明对超声波反射信号进行分析，结合能量算子解调算法，得到超声波反射信号频率，计算出被测物体的振动频率，实现对振动信号的测量，能够有效提高振动的测量范围。
发明内容
本发明提供一种基于超声波的非接触式振动信号测量系统和方法，对反射超声波信号进行AM-FM分解，并结合能量子计算，得到反射超声波信号瞬时频率，进而计算出被测物体的振动速度，有效提高振动的测量范围。
本发明具体为一种基于超声波的非接触式振动信号测量系统，所述振动信号测量系统包括信号发生单元、信号发射单元、信号接收单元、信号调理单元、控制处理单元、显示单元、按键输入单元和存储单元，所述信号发生单元与所述信号发射单元相连接，所述信号接收单元与所述信号调理单元、所述控制处理单元顺序连接，所述控制处理单元还分别与所述信号发生单元、所述显示单元、所述按键输入单元、所述存储单元相连接；所述振动信号测量系统采用超声波检测被测物体的振动信息，通过对反射超声波进行AM-FM分解，并进行能量算子计算，得到所述反射超声波瞬时频率，进而计算出所述被测物体的振动速度信号。
所述信号发生单元采用函数发生器输出频率为40KHz的信号。
所述信号发射单元包括发射电路和超声波发射探头，所述信号接收单元包含超声波接收探头，所述超声波发射探头发出超声波信号至被测物体，经反射至所述超声波接收探头。
所述信号调理单元包括放大模块和A/D转换模块，通过所述放大模块将所述反射超声波信号进行放大，输出符合所述A/D转换模块输入要求的信号，并经过所述A/D转换模块进行A/D转换。
所述控制处理单元对所述反射超声波信号进行分析计算，得到所述反射超声波信号的频率值，进而得到所述被测物体振动速度。
所述控制处理单元包含串行接口，能够对所述振动信号测量系统进行参数设定；所述按键输入单元结合所述显示单元、所述存储单元也能够进行参数设定，还能够进行信息查询。
本发明还提供一种基于超声波的非接触式振动信号测量系统的测量方法，所述测量测方法包括如下步骤：
步骤(1)：所述信号发生单元输出频率为40KHz的信号；
步骤(2)：经过所述信号发射单元发出超声波信号至所述被测物体；
步骤(3)：所述信号接收单元接收经过所述被测物体反射的所述反射超声波信号；
步骤(4)：经过所述放大模块进行信号放大；
步骤(5)：经过所述A/D转换模块进行A/D转换，并输入所述控制处理单元；
步骤(6)：所述控制处理单元将所述反射超声波信号转换为AM-FM信号x(n)＝Ar·cos[φ(n)]，Ar为所述反射超声波幅值，ω为所述反射超声波频率，h为被测物体的振动位移，为所述反射超声波回波和法线的夹角，c为超声波在空气中的传播速度，L为平衡状态的被测点与超声波传感器之间的直线距离；
步骤(7)：将所述AM-FM信号x(n)进行AM-FM分解，得到纯调频信号：x1(n)＝cos[φ(n)]；
步骤(8)：计算所述纯调频信号x1(n)的对称差分信号
步骤(9)：对所述纯调频信号对称差分信号y(n)进行AM-FM分解，得到纯调频信号：x2(n)＝sin[φ(n)]；
步骤(10)：构造复信号z(n)＝x1(n)+jx2(n)＝cos[φ(n)]+jsin[φ(n)]；
步骤(11)：计算所述复信号z(n)的能量算子ψd[z(n)]＝ψd[x1(n)]+ψd[x2(n)]＝1-cos[2ω(n)]，ψd[x1(n)]＝x1 2(n)-x1(n-1)x1(n+1)＝cos2[φ(n)]-cos[φ(n-1)]cos[φ(n+1)]，ψd[x2(n)]＝x2 2(n)-x2(n-1)x2(n+1)＝sin2[φ(n)]-sin[φ(n-1)]sin[φ(n+1)]；
步骤(11)：计算所述AM-FM信号x(n)瞬时频率所述瞬时频率ω(n)；
步骤(12)：计算所述被测物体的振动速度信号
步骤(13)：通过所述存储单元、所述显示单元进行数据存储显示。
附图说明
图1为本发明一种基于超声波的非接触式振动信号测量系统的结构示意图。
图2为本发明一种基于超声波的非接触式振动信号测量系统的测量方法的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明一种基于超声波的非接触式振动信号测量系统的具体实施方式做详细阐述。
如图1所示，本发明的振动信号测量系统包括信号发生单元、信号发射单元、信号接收单元、信号调理单元、控制处理单元、显示单元、按键输入单元和存储单元，所述信号发生单元与所述信号发射单元相连接，所述信号接收单元与所述信号调理单元、所述控制处理单元顺序连接，所述控制处理单元还分别与所述信号发生单元、所述显示单元、所述按键输入单元、所述存储单元相连接；所述振动信号测量系统采用超声波检测被测物体的振动信息，通过对反射超声波进行AM-FM分解，并进行能量算子计算，得到所述反射超声波瞬时频率，进而计算出所述被测物体的振动速度信号。
所述信号发生单元采用函数发生器输出频率为40KHz的信号。
所述信号发射单元包括发射电路和超声波发射探头，所述信号接收单元包含超声波接收探头，所述超声波发射探头发出超声波信号至被测物体，经反射至所述超声波接收探头。
所述信号调理单元包括放大模块和A/D转换模块，通过所述放大模块将所述反射超声波信号进行放大，输出符合所述A/D转换模块输入要求的信号，并经过所述A/D转换模块进行A/D转换。
所述控制处理单元对所述反射超声波信号进行分析计算，得到所述反射超声波信号的频率值，进而得到所述被测物体振动速度。
所述控制处理单元包含串行接口，能够对所述振动信号测量系统进行参数设定；所述按键输入单元结合所述显示单元、所述存储单元也能够进行参数设定，还能够进行信息查询。
如图2所示，本发明还提供一种基于超声波的非接触式振动信号测量系统的测量方法，所述测量测方法包括如下步骤：
步骤(1)：所述信号发生单元输出频率为40KHz的信号；
步骤(2)：经过所述信号发射单元发出超声波信号至所述被测物体；
步骤(3)：所述信号接收单元接收经过所述被测物体反射的所述反射超声波信号；
步骤(4)：经过所述放大模块进行信号放大；
步骤(5)：经过所述A/D转换模块进行A/D转换，并输入所述控制处理单元；
步骤(6)：所述控制处理单元将所述反射超声波信号转换为AM-FM信号x(n)＝Ar·cos[φ(n)]，Ar为所述反射超声波幅值，ω为所述反射超声波频率，h为被测物体的振动位移，为所述反射超声波回波和法线的夹角，c为超声波在空气中的传播速度，L为平衡状态的被测点与超声波传感器之间的直线距离；
步骤(7)：将所述AM-FM信号x(n)进行AM-FM分解，得到纯调频信号：x1(n)＝cos[φ(n)]；
步骤(8)：计算所述纯调频信号x1(n)的对称差分信号
步骤(9)：对所述纯调频信号对称差分信号y(n)进行AM-FM分解，得到纯调频信号：x2(n)＝sin[φ(n)]；
步骤(10)：构造复信号z(n)＝x1(n)+jx2(n)＝cos[φ(n)]+jsin[φ(n)]；
步骤(11)：计算所述复信号z(n)的能量算子ψd[z(n)]＝ψd[x1(n)]+ψd[x2(n)]＝1-cos[2ω(n)]，ψd[x1(n)]＝x1 2(n)-x1(n-1)x1(n+1)＝cos2[φ(n)]-cos[φ(n-1)]cos[φ(n+1)]，ψd[x2(n)]＝x2 2(n)-x2(n-1)x2(n+1)＝sin2[φ(n)]-sin[φ(n-1)]sin[φ(n+1)]；
步骤(11)：计算所述AM-FM信号x(n)瞬时频率所述瞬时频率ω(n)；
步骤(12)：计算所述被测物体的振动速度信号
步骤(13)：通过所述存储单元、所述显示单元进行数据存储显示。
最后应该说明的是，结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其限制。所属领域的普通技术人员应当理解到，本领域技术人员可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。
Claims (7)
1.一种基于超声波的非接触式振动信号测量系统，其特征在于，所述振动信号测量系统包括信号发生单元、信号发射单元、信号接收单元、信号调理单元、控制处理单元、显示单元、按键输入单元和存储单元，所述信号发生单元与所述信号发射单元相连接，所述信号接收单元与所述信号调理单元、所述控制处理单元顺序连接，所述控制处理单元还分别与所述信号发生单元、所述显示单元、所述按键输入单元、所述存储单元相连接；所述振动信号测量系统采用超声波检测被测物体的振动信息，通过对反射超声波进行AM-FM分解，并进行能量算子计算，得到所述反射超声波瞬时频率，进而计算出所述被测物体的振动速度信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于超声波的非接触式振动信号测量系统，其特征在于，所述信号发生单元采用函数发生器输出频率为40KHz的信号。
3.根据权利要求2所述的一种基于超声波的非接触式振动信号测量系统，其特征在于，所述信号发射单元包括发射电路和超声波发射探头，所述信号接收单元包含超声波接收探头，所述超声波发射探头发出超声波信号至被测物体，经反射至所述超声波接收探头。
4.根据权利要求3所述的一种基于超声波的非接触式振动信号测量系统，其特征在于，所述信号调理单元包括放大模块和A/D转换模块，通过所述放大模块将所述反射超声波信号进行放大，输出符合所述A/D转换模块输入要求的信号，并经过所述A/D转换模块进行A/D转换。
5.根据权利要求4所述的一种基于超声波的非接触式振动信号测量系统，其特征在于，所述控制处理单元对所述反射超声波信号进行分析计算，得到所述反射超声波信号的频率值，进而得到所述被测物体振动速度。
6.根据权利要求5所述的一种基于超声波的非接触式振动信号测量系统，其特征在于，所述控制处理单元包含串行接口，能够对所述振动信号测量系统进行参数设定；所述按键输入单元结合所述显示单元、所述存储单元也能够进行参数设定，还能够进行信息查询。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的基于超声波的非接触式振动信号测量系统的测量方法，其特征在于，所述检测方法包括如下步骤：
步骤(1)：所述信号发生单元输出频率为40KHz的信号；
步骤(2)：经过所述信号发射单元发出超声波信号至所述被测物体；
步骤(3)：所述信号接收单元接收经过所述被测物体反射的所述反射超声波信号；
步骤(4)：经过所述放大模块进行信号放大；
步骤(5)：经过所述A/D转换模块进行A/D转换，并输入所述控制处理单元；
步骤(6)：所述控制处理单元将所述反射超声波信号转换为AM-FM信号x(n)＝Ar·cos[φ(n)]，Ar为所述反射超声波幅值，ω为所述反射超声波频率，h为被测物体的振动位移，为所述反射超声波回波和法线的夹角，c为超声波在空气中的传播速度，L为平衡状态的被测点与超声波传感器之间的直线距离；
步骤(7)：将所述AM-FM信号x(n)进行AM-FM分解，得到纯调频信号：x1(n)＝cos[φ(n)]；
步骤(8)：计算所述纯调频信号x1(n)的对称差分信号
步骤(9)：对所述纯调频信号对称差分信号y(n)进行AM-FM分解，得到纯调频信号：x2(n)＝sin[φ(n)]；
步骤(10)：构造复信号z(n)＝x1(n)+jx2(n)＝cos[φ(n)]+jsin[φ(n)]；
步骤(11)：计算所述复信号z(n)的能量算子ψd[z(n)]＝ψd[x1(n)]+ψd[x2(n)]＝1-cos[2ω(n)]，ψd[x1(n)]＝x1 2(n)-x1(n-1)x1(n+1)＝cos2[φ(n)]-cos[φ(n-1)]cos[φ(n+1)]，ψd[x2(n)]＝x2 2(n)-x2(n-1)x2(n+1)＝sin2[φ(n)]-sin[φ(n-1)]sin[φ(n+1)]；
步骤(11)：计算所述AM-FM信号x(n)瞬时频率所述瞬时频率ω(n)；
步骤(12)：计算所述被测物体的振动速度信号
步骤(13)：通过所述存储单元、所述显示单元进行数据存储显示。
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