CN111504586A - 一种振动体机械品质因数的测量系统和测量方法 - Google Patents

一种振动体机械品质因数的测量系统和测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于机械品质因数测量技术领域，具体涉及一种测量振动体机械品质因数的方法和系统。用检测信号波驱动超声换能器激发振动体的振动，沿振动体轴向移动测振装置，测量振动体表面ΔZ微元间距多个质点的振动速度和相位，对振动体上测量质点的振动速度做空间傅里叶变换，得到波数空间内频谱，确定主波数k0，去除1.2k0以上波数，还原质点的振动速度在空间内的分布曲线，计算微元的能量损耗ΔEd和微元的无功能量ΔEr，得出振动体机械品质因数与振动体振幅的对应关系；本发明从原理上避免了连接器的能量损耗对测量结果的影响，保证了测量精度，使用先分析微元，再通过微元分析整体的方法使整个计算过程简单，可进行大规模应用。

Description

一种振动体机械品质因数的测量系统和测量方法
技术领域
本发明属于机械品质因数测量技术领域，具体涉及一种振动体机械品质因数的测量系统和测量方法。
背景技术
超声元件由于具有结构简单、输出功率高、重量小、易于集成等优点，被广泛应用到超声电机、超声声源等设备中。如图1所示，超声元件包括超声换能器1和振动体4，超声换能器1包括压电陶瓷片11和固定设置在压电陶瓷片11上的换能振动体12，振动体4通过连接器2与换能振动体12固定连接，压电陶瓷片11和振动体4二者对超声元件性能具有重要影响。选择振动体4是超声元件设计中必须考虑的问题。为判断某种材料是否适合作为振动体4，需要明确该材料在大振幅条件下机械品质因数与振幅的关系。
现有机械品质因数测量方法包括：(1)锤击法，该方法的实验装置和数据处理方法简单，但无法检测相位数据，外界环境对其方法影响很大，导致测量误差较大，且利用其方法无法定量判断机械品质因数和振幅的关系；(2)阻抗圆法，该方法通过测量共振频率和-3dB带宽确定机械品质因数，但该方法测量速度慢，测量步骤繁杂，且利用该方法无法排除激振材料和振动体间能量损耗对测量结果的影响，测量精度低；(3)脉冲波法，该方法通过检测脉冲波的衰减程度确定机械品质因数，但由于脉冲波能量低，利用其方法无法测量大振幅条件下机械品质因数。鉴于此，需要开发其他方法测量大振幅条件下机械品质因数和振幅的定量关系。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的对振动体机械品质因数的测量精度低，无法同时测量大振幅条件下振动体机械品质因数的缺陷，提供了一种能保证高测量精度的同时测量大振幅条件下振动体机械品质因数的系统和方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种测量振动体机械品质因数的方法，其特征在于,包括步骤：
S1，用检测信号波驱动超声换能器(1)带动振动体(4)振动；
S2，沿振动体(4)轴向移动测振装置(7)，测量振动体(4)表面ΔZ微元间距的多个质点的振动速度和相位；
S3，对振动体(4)上测量的多个质点的振动速度做空间傅里叶变换，得到波数空间内频谱，并确定主波数k0；
S4，利用
Figure BDA0002490131620000021
公式，计算去除1.2k0以上波数；
S5，通过傅里叶逆变换还原多个质点的振动速度在空间内的分布曲线；
S6，假设所述微元的左端为A、正中为B和右端为C，其振动速度分别为VA、VB和VC，其相位分别为θA、θB和θC，计算所述微元的能量损耗ΔEd；
S7，计算所述微元含有的无功能量ΔEr，其计算公式为：
Figure BDA0002490131620000031
S8，计算所述微元机械品质因数Q，其计算公式为：
Figure BDA0002490131620000032
Figure BDA0002490131620000033
S9，得出振动体(4)机械品质因数与振动体(4)振幅的对应关系；
其中，k为波数，所述振动体(4)的材料密度为ρ，所述微元的横截面积为S，所述振动体(4)的材料杨氏模量为Y。
进一步地，通过所述微元横截面LL和LR的有功能量Ein和Eout可由下式计算：
Figure BDA0002490131620000034
Figure BDA0002490131620000035
在LL和LR之间产生的能量损耗为△Ed，其计算公式为：
ΔEd＝Eout-Ein。
进一步地，无功能量ΔEr还可以用下面公式计算：
Figure BDA0002490131620000036
Figure BDA0002490131620000037
进一步地，所述检测信号波为正弦波信号。
进一步地，所述微元长度选为波长的1/50。
进一步地，包括信号源装置(5)，用于给振动体(4)提供检测信号；
信号放大装置(6)，用于接收信号源装置(5)发出的检测信号，并将接收到的检测信号进行功率放大；
测振装置(7)，用于测量振动体(4)表面微元的速度和相位；
滤波装置(8)，用于筛选出所述测振装置(7)检测到的与所述信号源装置(5)发出的检测信号频率一致的信号；
所述信号放大装置(6)与超声元件的超声换能器(1)电连接；所述测振装置(7)与所述滤波装置(8)电连接；所述信号放大装置(6)与所述滤波装置(8)电连接。
进一步地，所述滤波装置(8)为锁相放大器或3阶以上巴特沃斯滤波器或4阶以上切贝雪夫滤波器。
进一步地，所述锁相放大器的相位分辨率不低于0.1°。
更进一步地，所述测振装置(7)为激光测振仪或激光位移传感器。
本发明的一种测量振动体机械品质因数的方法的有益效果是：
1、本发明采用滤波装置筛选出与信号发生器发出的检测信号一致的信号，不仅能测量出振动体的机械品质因数与振幅的关系。而且从原理上避免了连接器的能量损耗对测量结果的影响，保证了测量精度。采用先计算微元的机械品质因数推算整体振动体机械品质因数的方法，使整个计算过程简单，可进行大规模应用。
2、本发明微元长度选为波长的1/50，在保证足够测量精度的条件下减小了测量点个数，提高了测量效率。
3、本发明中将滤波装置的截止波数选为1.2k0，有效抑制了测振装置噪声对测量结果的不利影响，同时采用锁相放大器的相位分辨率不低于0.1°，进一步的保证测量的精度。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是现有技术中超声元件的结构示意图；
图2是本发明实施例测量方法的流程图；
图3是本发明实施例测量方法中的微元示意图；
图4是本发明实施例测量系统在应用中的结构示意图；
图5是本发明实施例测量的不锈钢机械品质因数与振幅的关系示意图。
图中:1、超声换能器，11、压电陶瓷片，12、换能振动体，2、连接器，3、螺钉，4、振动体，5、信号源装置，6、信号放大装置，7、测振装置，8、滤波装置。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
振动体4的机械品质因数Q表示振动体4谐振时，因克服内摩擦而消耗的能量，是衡量材料性能的一个重要参数。如图2-图3所示的发明测量机械品质因数的方法为，包括步骤如下：
S1，用检测信号波驱动超声换能器(1)带动振动体(4)振动。
S2，沿振动体(4)轴向移动测振装置(7)，测量振动体(4)表面ΔZ微元间距的多个质点的振动速度和相位；其中微元长度选为波长的1/50，在保证足够测量精度的条件下减小了测量点个数，提高了测量效率。
S3，对振动体(4)上测量的多个质点的振动速度做空间傅里叶变换，得到波数空间内频谱，并确定主波数k0。
S4，利用
Figure BDA0002490131620000061
公式，计算去除1.2k0以上波数；即对检测到的信号进行预处理，去除高频噪声，在滤波过程中截止波数为1.2k0，以减小高频成分对测量结果的不利影响；其中，k为波数。
S5，通过傅里叶逆变换还原多个质点的振动速度在空间内的分布曲线。
S6，假设所述微元的左端为A、正中为B和右端为C，其振动速度分别为VA、VB和VC，其相位分别为θA、θB和θC，计算所述微元的能量损耗ΔEd；如图2所示，通过横截面LL和LR的有功能量Ein和Eout可由下式计算：
Figure BDA0002490131620000071
Figure BDA0002490131620000072
在LL和LR之间产生的能量损耗为ΔEd，计算公式为：
ΔEd＝Eout-Ein
其中，Y为材料杨氏模量，θA、θB和θC为微元左端、正中和右端的相位、微元的横截面积为S，k为波数，所述振动体(4)的材料密度为ρ。
S7，计算所述微元含有的无功能量ΔEr，其计算公式为：
Figure BDA0002490131620000073
S8，计算各微元机械品质因数Q，其计算公式为：
Figure BDA0002490131620000074
S9，得出振动体(4)机械品质因数与振动体(4)振幅的对应关系。
本发明的测量方法使用先分析微元，再通过微元分析整体，从而得出振动体4的机械品质因数和振幅的对应关系，其分析方法简单，可进行大规模的应用。振幅在增加过程中，微元的无功能量ΔEr增加，能量损耗ΔEd降低，使得微元的机械品质因数Q提高，所以利用该方法能测量大振幅条件下振动体4的机械品质因数。
本发明的一种测量振动体4机械品质因数的方法的具体实施例，如图4所示的测量系统包括：信号源装置5，用于给振动体4提供检测信号；信号放大装置6，用于接收信号源装置5发出的检测信号，并将接收到的检测信号放大；测振装置7，用于测量振动体4表面微元的速度和相位；滤波装置8，用于筛选出测振装置7检测到的与信号源装置5发出的检测信号频率一致的信号；信号放大装置6与超声元件的超声换能器1电连接；测振装置7与信号放大装置6电连接。本发明实施例中超声元件的振动体4与连接器2通过螺钉3连接或采用环氧树脂粘接，都适用本发明的检测方法和检测系统。
本发明实施例中使用激光测振仪作为测振装置7进行非接触式测量，激光测振仪的输出电压和振幅成正比。激光测振仪采样频率高，能精确还原被测体运动轨迹并通过图像显示出来。在工作频率低于30kHz的条件下，测量系统中激光测振仪可替换为激光位移传感器，对于大多数激光位移传感器产品，其内设低通滤波器的截至频率设置为30kHz。当振动体的振动频率过高时，使用激光位移传感器的测量结果不准确。本发明实施例中信号源装置5采用信号发生器，信号发生器产生正弦波信号输入信号放大装置6中，产生高电压，将高电压接传输给压电陶瓷片11，使之产生驻波，带动换能振动体12振动，换能振动体12通过连接器2带动振动体4振动，沿着振动体4轴向移动激光测振仪，检测振动体4表面相差Δz微元的振动速度和相位，并将检测信号输入滤波装置8中，以确定各个质点的振动速度及其与信号发生器输出信号间相位差。本实施例中滤波装置8采用锁相放大器，锁相放大器采用零差检测方法和低通滤波技术，能在极强噪声环境中提取信号幅值和相位信息，有效地避免了换能振动体12和振动体4之间的连接器2的能量损耗对检测振动体4机械品质因数的影响。本发明实施例中锁相放大器的相位分辨率至少为0.1°，进一步地来保证整个振动体机械品质因数测量的精度。
使用本发明的测量方法和本发明的测量系统，对不锈钢的机械品质因数和振幅的对应关系进行了测量，测量数据如图5所示，在低振幅条件下，振幅小于2.5μm时，不锈钢的机械品质因数高于2000，当振幅超过5μm时，不锈钢的机械品质因数低于500。
应当理解，以上所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。由本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种测量振动体机械品质因数的方法，其特征在于,包括步骤：
S1，用检测信号波驱动超声换能器(1)带动振动体(4)振动；
S2，沿振动体(4)轴向移动测振装置(7)，测量振动体(4)表面ΔZ微元间距的多个质点的振动速度和相位；
S3，对振动体(4)上测量的多个质点的振动速度做空间傅里叶变换，得到波数空间内频谱，并确定主波数k0；
S4，利用
Figure FDA0002490131610000011
公式，计算去除1.2k0以上波数；
S5，通过傅里叶逆变换还原多个质点的振动速度在空间内的分布曲线；
S6，假设所述微元的左端为A、正中为B和右端为C，其振动速度分别为VA、VB和VC，其相位分别为θA、θB和θC，计算所述微元的能量损耗ΔEd；
S7，计算所述微元含有的无功能量ΔEr，其计算公式为：
Figure FDA0002490131610000012
S8，计算各微元机械品质因数Q，其计算公式为：
Figure FDA0002490131610000013
S9，得出振动体(4)机械品质因数与振动体(4)振幅的对应关系；
其中，k为波数，所述振动体(4)的材料密度为ρ，所述微元的横截面积为S，所述振动体(4)的材料杨氏模量为Y。
2.根据权利要求1所述的一种测量振动体机械品质因数的方法，其特征在于：通过所述微元横截面LL和LR的有功能量分别为Ein和Eout可由下式计算：
Figure FDA0002490131610000021
Figure FDA0002490131610000022
在LL和LR之间产生的能量损耗为△Ed，其计算公式为：
ΔEd＝Eout-Ein。
3.根据权利要求1所述的一种测量振动体机械品质因数的方法，其特征在于：无功能量ΔEr还可以用下面公式计算：
Figure FDA0002490131610000023
Figure FDA0002490131610000024
4.根据权利要求1所述的一种测量振动体机械品质因数的方法，其特征在于：所述检测信号波为正弦波信号。
5.根据权利要求1所述的一种测量振动体机械品质因数的方法，其特征在于：所述微元长度选为波长的1/50。
6.一种测量振动体机械品质因数的系统，其特征在于：包括信号源装置(5)，用于给振动体(4)提供检测信号；
信号放大装置(6)，用于接收信号源装置(5)发出的检测信号，并将接收到的检测信号进行功率放大；
测振装置(7)，用于测量振动体(4)表面微元的速度和相位；
滤波装置(8)，用于筛选出所述测振装置(7)检测到的与所述信号源装置(5)发出的检测信号频率一致的信号；
所述信号放大装置(6)与超声元件的超声换能器(1)电连接；所述测振装置(7)与所述滤波装置(8)电连接；所述信号放大装置(6)与所述滤波装置(8)电连接。
7.根据权利要求6所述的一种测量振动体机械品质因数的系统，其特征在于：所述滤波装置(8)为锁相放大器或3阶以上巴特沃斯滤波器或4阶以上切贝雪夫滤波器。
8.根据权利要求7所述的测量一种振动体机械品质因数的系统，其特征在于：所述锁相放大器的相位分辨率不低于0.1°。
9.根据权利要求6所述的一种测量振动体机械品质因数的系统，其特征在于：所述测振装置(7)为激光测振仪或激光位移传感器。
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