CN110118943B - 一种宽频带超声波接收装置及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽频带超声波接收装置及其应用，属于超声波接收技术领域，包括依次连接的发射换能片、接收换能片阵列、信号采集单元和信号补偿单元，发射换能片用于在激励信号的作用下产生超声波信号；接收换能片阵列包括多个谐振频率不同的接收换能片，每个接收换能片用于接收其谐振频率对应的频率响应范围内的超声波信号，将超声波信号转换成电学信号；信号采集单元用于接收电学信号，将电学信号转换成数字信号；信号补偿单元用于接收数字信号，对数字信号进行频域补偿得到最终的超声波信号。本发明装置的频带响应范围为0MHz‑128MHz，本发明是一种能够集成到锂电池组里的拥有宽广的频带响应范围、小体积以及低成本的超声波接收装置。

Description

一种宽频带超声波接收装置及其应用
技术领域
本发明属于超声波接收技术领域，更具体地，涉及一种宽频带超声波接收装置及其应用。
背景技术
现在锂电池的使用很广泛，已经渗入到生活的方方面面，且锂电池的总数还在不断地增长，但是目前仍然存在质量的检测以及电荷量测量不够精确等问题，这是传统测量方法的弊病。目前锂电池行业里对锂电池的测量使用的传统方法都是属于外特性测量，通过电池和外界的接口对内部进行测量，导致无法精确获得锂电池内部状态。
最近被提出来的使用超声波对电池内部状态进行测量是和传统方法截然不同的测量方法，属于内特性测量，是一种很新颖的方法。目前使用的超声波探头均为使用声电转换的换能片形式，而传统的声电转换的换能片拥有单一的谐振频率，且相应的频带不宽，这就相当于超声波穿透锂电池得到的信号在接收探头的地方经过了一个带通滤波器，只能得到谐振频率附近的频率，离谐振频率较远的频率信息基本丢失，因此，现有的超声波锂电检测使用的超声波都是单频或者频带较窄的超声波信号，无法完全描绘宽频带范围的锂电池对超声信号的系统响应函数，导致目前存在数据挖掘不够深入、没有完全利用超声波的信息的问题，限制了超声波锂电检测技术的进一步发展。为了获取更多的信息，更准确去描述电池的状态，现在需要一种能达到宽频带响应的超声波探头。
尽管目前技术可以设计出使用特殊材料以及特殊构造的超声波探头能够达到较宽的频带响应，但是一方面存在问题是频带响应仍然达不到平坦，另一方面问题是在实际应用场景中并不能够应用，考虑生活场景的实际应用需要将超声波探头集成到电池组上，往往需要换能片尽量小的体积，以及尽可能低的成本。所以现有的超声波探头不能满足需求。
因此，需要开发一种能够集成到锂电池组里的拥有宽广的频带响应范围、小体积以及低成本的超声波接收装置。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种宽频带超声波接收装置及其应用，由此解决现有技术存在频带响应范围窄、体积大、成本高的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种宽频带超声波接收装置，包括依次连接的发射换能片、接收换能片阵列、信号采集单元和信号补偿单元，
所述发射换能片，用于在激励信号的作用下产生超声波信号；
所述接收换能片阵列包括多个谐振频率不同的接收换能片，每个接收换能片用于接收其谐振频率对应的频率响应范围内的超声波信号，将超声波信号转换成电学信号；
所述信号采集单元，用于接收电学信号，将电学信号转换成数字信号；
所述信号补偿单元，用于接收数字信号，对数字信号进行频域补偿得到最终的超声波信号。
进一步地，接收换能片阵列中每个接收换能片与发射换能片的距离相等。
进一步地，接收换能片阵列中多个谐振频率不同的接收换能片按照谐振频率从小到大依次排列成等边三角形、正方形、正六边形、正八边形或者圆形。
进一步地，接收换能片阵列中依次排列的相邻两个接收换能片的谐振频率的比为1∶2-1∶4。
进一步地，接收换能片阵列中每个接收换能片的一端连接正引线，另一端连接负引线，接收换能片阵列中所有的接收换能片并联，所有的正引线连接至接收换能片阵列的总信号输入线上同一位置，所有的负引线连接至接收换能片阵列的总信号输出线上同一位置。
进一步地，正引线和负引线的长度均小于8cm。
进一步地，信号采集单元包括运算放大器和模数转换器，
所述运算放大器，用于接收电学信号，将电学信号方法放大；
所述模数转换器，用于接收放大后的电学信号并将其转换成数字信号。
进一步地，信号补偿单元为内置横向滤波器的现场可编程门阵列，所述现场可编程门阵列，用于接收数字信号，控制横向滤波器对数字信号进行滤波以实现频域补偿，得到最终的超声波信号。
按照本发明的另一方面，提供了一种宽频带超声波接收装置的应用，所述装置应用于接收锂电池的超声波信号。
进一步地，应用的具体实现方式为：
将发射换能片和接收换能片阵列分别安装在锂电池的前表面和后表面，发射换能片在激励信号的作用下产生超声波信号；接收换能片阵列接收透过锂电池的超声波信号，将透过锂电池的超声波信号转换成电学信号；信号采集单元将电学信号转换成数字信号；信号补偿单元对数字信号进行频域补偿得到锂电池的超声波信号。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供了一种以现有的低成本、工艺成熟的换能片为基础的宽频带超声波接收装置，能够拥有较小的探头体积，能够深入集成到电池组内部，同时每个接收换能片用于接收其谐振频率对应的频率响应范围内的超声波信号，并且能够转换成电学信号，能够突破单个换能片的频域响应范围的局限，使得超声波接收装置拥有宽广的频域响应范围，超声波接收装置的频带响应范围为0MHz-128MHz。因此，本发明装置是一种能够集成到锂电池组里的拥有宽广的频带响应范围、小体积以及低成本的超声波接收装置。
(2)本发明中接收换能片阵列中每个接收换能片与发射换能片的距离相等，在一定程度上防止各个接收换能片之间接收信号的强弱差别过大。本发明中接收换能片按照谐振频率从小到大依次排列成等边三角形、正方形、正六边形、正八边形或者圆形，可以使阵列的面积尽可能小且保证每个接收换能片与发射换能片的距离相等。
(3)研究表明，谐振频率较低的换能片拥有较窄的频域响应范围，谐振频率较高的换能片拥有较宽的频域响应范围，谐振频率按照1∶2-1∶4的比例进行分布，一方面保证足够宽的频域响应范围，另一方面可以较大程度地减少各个接收换能片响应频率范围之间的重叠度，从而使用接收换能片的数量尽可能小。同时，这些频率分布的接收换能片都可以使用传统方法制造，拥有较小的体积，利于应用。
(4)本发明中正引线和负引线的长度均小于8cm，因为接收装置工作时，多个接收换能片是同时工作，都会产生大小不一的信号，引线尽可能短可以减少环境的电磁干扰，所有的正引线连接至接收换能片阵列的总信号输入线上同一位置，所有的负引线连接至接收换能片阵列的总信号输出线上同一位置，这样的处理可以尽可能减少信号之间的串扰，提高装置的信噪比。
(5)如果简单的将接收换能片并联处理，由于每个接收换能片的谐振频率不同，频域响应曲线不同，简单的叠加会导致整个接收装置的频域响应曲线比较复杂，而且不平坦，往往接收到的超声波信号会失真。而通过大量的实验发现，每一组接收换能片阵列都拥有稳定的系统频域响应，通过现场可编程门阵列(FPGA)内搭建的横向滤波器可以快速地对系统频域响应进行修正或者补偿，从而使接收装置的整体系统频域响应接近平坦，接收到的超声波从时域上看失真度大大改善，还原度高。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种宽频带超声波接收装置的整体结构图；
图2是本发明实施例提供的接收换能片阵列的结构图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1为发射换能片，2为锂电池，3为接收换能片阵列，4为运算放大器，5为模数转换器，6为现场可编程门阵列，7为锂电池截面，8为接收换能片，9为接收换能片的负引线，10为接收换能片阵列的总信号输出线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，一种宽频带超声波接收装置，包括依次连接的发射换能片1、接收换能片阵列3、信号采集单元和信号补偿单元，
所述发射换能片，用于在激励信号的作用下产生超声波信号；
所述接收换能片阵列包括多个谐振频率不同的接收换能片，接收换能片阵列中每个接收换能片与发射换能片的距离相等。接收换能片阵列中多个谐振频率不同的接收换能片按照谐振频率从小到大依次排列成等边三角形、正方形、正六边形、正八边形或者圆形。接收换能片阵列中依次排列的相邻两个接收换能片的谐振频率的比为1∶2-1∶4。每个接收换能片用于接收其谐振频率对应的频率响应范围内的超声波信号，将超声波信号转换成电学信号；
信号采集单元包括运算放大器4和模数转换器5，
所述运算放大器，用于接收电学信号，将电学信号方法放大；
所述模数转换器，用于接收放大后的电学信号并将其转换成数字信号。
信号补偿单元为内置横向滤波器的现场可编程门阵列6，所述现场可编程门阵列，用于接收数字信号，控制横向滤波器对数字信号进行滤波以实现频域补偿，得到最终的超声波信号。
一种宽频带超声波接收装置的应用，所述装置应用于接收锂电池的超声波信号。
应用的具体实现方式为：
使用两液混合硬化胶(AB胶)将发射换能片1和接收换能片阵列3分别紧密固定在锂电池2的前表面和后表面，安装时将发射换能片1的中心位置和锂电池另一面的接收换能片阵列3的中心位置正对，发射换能片在激励信号的作用下产生超声波信号；接收换能片阵列接收透过锂电池的超声波信号，将透过锂电池的超声波信号转换成电学信号；信号采集单元将电学信号转换成数字信号；信号补偿单元对数字信号进行频域补偿得到锂电池的超声波信号。
对于信号补偿单元得到的锂电池的超声波信号，现场可编程门阵列在进行快速傅立叶变换(FFT)运算，把时域信号转换成频域信号，和发射换能片1发出超声波信号的频域信息相减，得到锂电池的频域响应函数，锂电池的健康状态会影响频域曲线的形状，通过对频域响应函数的分析，可以得出锂电池的健康状态。
如图2所示，在锂电池截面7上接收换能片阵列中每个接收换能片8的一端连接正引线，另一端连接负引线9，接收换能片阵列中所有的接收换能片并联，所有的正引线连接至接收换能片阵列的总信号输入线上同一位置，所有的负引线连接至接收换能片阵列的总信号输出线10上同一位置。正引线和负引线的长度均小于8cm。
现场可编程门阵列(FPGA)采用XILINX公司的产品xc7a35tftg，接收换能片阵列的多种排列形式：
第一种，接收换能片阵列由8个谐振频率不同的接收换能片组成，接收换能片大小保持一致，接收换能片阵列中多个谐振频率不同的接收换能片按照谐振频率从小到大依次排列成圆形，第一块接收换能片的谐振频率为1MHz，第二块接收换能片的谐振频率为2MHz，第三块接收换能片的谐振频率为4MHz，第四块接收换能片的谐振频率为8MHz，第五块接收换能片的谐振频率为16MHZ，第六块接收换能片的谐振频率为32MHz，第七块接收换能片的谐振频率为64MHz，第八块接收换能片的谐振频率为128MHz。
第二种，接收换能片阵列由8个谐振频率不同的接收换能片组成，接收换能片大小保持一致，接收换能片阵列中多个谐振频率不同的接收换能片按照谐振频率从小到大依次排列成正八边形。第一块接收换能片的谐振频率为1MHz，第二块接收换能片的谐振频率为2MHz，第三块接收换能片的谐振频率为4MHz，第四块接收换能片的谐振频率为8MHz，第五块接收换能片的谐振频率为16MHZ，第六块接收换能片的谐振频率为32MHz，第七块接收换能片的谐振频率为64MHz，第八块接收换能片的谐振频率为128MHz。
第三种，接收换能片阵列由6个谐振频率不同的接收换能片组成，接收换能片大小保持一致，接收换能片阵列中多个谐振频率不同的接收换能片按照谐振频率从小到大依次排列成正六边形。第一块接收换能片的谐振频率为4MHz，第二块接收换能片的谐振频率为8MHz，第三块接收换能片的谐振频率为16MHZ，第四块接收换能片的谐振频率为32MHz，第五块接收换能片的谐振频率为64MHz，第六块接收换能片的谐振频率为128MHz。
第四种，接收换能片阵列由3个谐振频率不同的接收换能片组成，接收换能片大小保持一致，接收换能片阵列中多个谐振频率不同的接收换能片按照谐振频率从小到大依次排列成等边三角形。第一块接收换能片的谐振频率为14MHz，第二块接收换能片的谐振频率为42MHz，第三块接收换能片的谐振频率为126MHZ。
第五种，接收换能片阵列由4个谐振频率不同的接收换能片组成，接收换能片大小保持一致，接收换能片阵列中多个谐振频率不同的接收换能片按照谐振频率从小到大依次排列成正方形。第一块接收换能片的谐振频率为2MHz，第二块接收换能片的谐振频率为8MHz，第三块接收换能片的谐振频率为32MHZ，第四块接收换能片的谐振频率为128MHz。
这五种接收换能片阵列中第一种的效果最好，按照大概1∶2的比例进行分布，一方面保证足够宽的频域响应范围，另一方面可以较大程度地减少各个换能片响应频率范围之间的重叠度，从而使用换能片的数量尽可能小。
本发明提供了一种以现有的低成本、工艺成熟的换能片为基础，结合现场可编程门阵列可用于电池检测的宽频带超声波接收装置，能够拥有较小的探头体积，能够深入集成到电池组内部，同时拥有宽广的频域响应范围，能够采集到携带了电池内部信息的宽频带超声波信号，解决了以往小探头单一谐振频率导致的探测器频域响应范围窄，获得的超声波信号携带电池内部信息较少而经过特殊设计的超声波探头体积较大，难以深入集成到电池组内部的矛盾问题。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种宽频带超声波接收装置，其特征在于，包括依次连接的发射换能片、接收换能片阵列、信号采集单元和信号补偿单元，
所述发射换能片，用于在激励信号的作用下产生超声波信号；
所述接收换能片阵列包括多个谐振频率不同的接收换能片，每个接收换能片用于接收其谐振频率对应的频率响应范围内的超声波信号，将超声波信号转换成电学信号；
所述信号采集单元，用于接收电学信号，将电学信号转换成数字信号；
所述信号补偿单元，用于接收数字信号，对数字信号进行频域补偿得到最终的超声波信号；
所述接收换能片阵列中每个接收换能片与发射换能片的距离相等；
所述接收换能片阵列中多个谐振频率不同的接收换能片按照谐振频率从小到大依次排列成等边三角形、正方形、正六边形、正八边形或者圆形；
所述接收换能片阵列中依次排列的相邻两个接收换能片的谐振频率的比为1:2-1:4。
2.如权利要求1所述的一种宽频带超声波接收装置，其特征在于，所述接收换能片阵列中每个接收换能片的一端连接正引线，另一端连接负引线，接收换能片阵列中所有的接收换能片并联，所有的正引线连接至接收换能片阵列的总信号输入线上同一位置，所有的负引线连接至接收换能片阵列的总信号输出线上同一位置。
3.如权利要求2所述的一种宽频带超声波接收装置，其特征在于，所述正引线和负引线的长度均小于8cm。
4.如权利要求1-3任一所述的一种宽频带超声波接收装置，其特征在于，所述信号采集单元包括运算放大器和模数转换器，
所述运算放大器，用于接收电学信号，将电学信号方法放大；
所述模数转换器，用于接收放大后的电学信号并将其转换成数字信号。
5.如权利要求4所述的一种宽频带超声波接收装置，其特征在于，所述信号补偿单元为内置横向滤波器的现场可编程门阵列，所述现场可编程门阵列，用于接收数字信号，控制横向滤波器对数字信号进行滤波以实现频域补偿，得到最终的超声波信号。
6.如权利要求1-5任一所述的一种宽频带超声波接收装置的应用，其特征在于，所述装置应用于接收锂电池的超声波信号。
7.如权利要求6所述的一种宽频带超声波接收装置的应用，其特征在于，所述应用的具体实现方式为：
将发射换能片和接收换能片阵列分别安装在锂电池的前表面和后表面，发射换能片在激励信号的作用下产生超声波信号；接收换能片阵列接收透过锂电池的超声波信号，将透过锂电池的超声波信号转换成电学信号；信号采集单元将电学信号转换成数字信号；信号补偿单元对数字信号进行频域补偿得到锂电池的超声波信号。
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