CN112082638B - 一种基于近场微波的非接触高频微小振动信号测量方法 - Google Patents

一种基于近场微波的非接触高频微小振动信号测量方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112082638B
CN112082638B CN202011099460.6A CN202011099460A CN112082638B CN 112082638 B CN112082638 B CN 112082638B CN 202011099460 A CN202011099460 A CN 202011099460A CN 112082638 B CN112082638 B CN 112082638B
Authority
CN
China
Prior art keywords
signal
microwave
vibration
metal sheet
vibration signal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202011099460.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112082638A (zh
Inventor
宦惠庭
彭翠玲
陈晓龙
刘丽娴
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xidian University
Original Assignee
Xidian University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xidian University filed Critical Xidian University
Priority to CN202011099460.6A priority Critical patent/CN112082638B/zh
Publication of CN112082638A publication Critical patent/CN112082638A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112082638B publication Critical patent/CN112082638B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H9/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

本发明涉及无损检测与微波测试领域，具体涉及一种基于近场微波的非接触高频微小振动信号测量方法，其特征是：至少包括：微波信号源、激励源、微小振动样品单元、计算处理单元和微波测量单元，由计算处理单元输出控制信号控制激励源产生激励信号，激励源产生的激励信号输出至微小振动样品单元的金属片上，激励金属片产生相应频率的振动信号并向外传播；微波信号源产生高频的微波信号给微波测量单元，由微波测量单元获取金属片携带的振动信号进行定量表征，给出高频微小振动信号。它能够完整的对相对速度较低的信号进行调制，能够保证整体的振动信号测量具有完整性。

Description

一种基于近场微波的非接触高频微小振动信号测量方法
技术领域
本发明涉及无损检测与微波测试领域，具体涉及一种基于近场微波的非接触高频微小振动信号测量方法。
背景技术
基于超声波的无损检测技术在弹性测量、缺陷探测和材料均匀性表征中扮演重要角色，随着超声检测分辨率不断提高的实际要求，对超声振动的测量难度逐渐增加，其主要体现在频率和幅值两个层面。首先，当超声频率进入MHz域，被测样品与空气之间的声阻抗匹配急剧恶化，致使耦合入空气中的声能量极少，难以实现非接触式测量；其次，MHz频段上的弹性振动幅度很小，仅有亚微米至纳米量级，同样难以进行非接触式检测。目前非接触微小振动的测量，一般使用光学方法，将准直性较好的激光投射于物体，基于反射光的强度或干涉性变化实现对高频微弱超声振动的测量。这类光学方法主要存在三方面的限制：第一，激光投射表面必须为反射性良好的镜面，以保证足够的反射光质量；第二，光学干涉系统对光准直、投射、检测要求较高，依赖复杂光机系统；第三，难以同时满足较高的振动响应能力和水平空间分辨率。
发明内容
本发明针对现有的技术问题提供一种基于近场微波的非接触高频微小振动信号测量方法，以便避免测量过程中对光信号的传递及接收，降低系统测量结果所受的影响。能够满足微小振动测量过程中信号接收和处理保持在较高速度，完整测得信号。能够保证接收的速度大于振动信号的传输速度。能够完整的对相对速度较低的信号进行调制，能够保证整体的振动信号测量具有完整性。
本发明的目的是这样实现的，一种基于近场微波的非接触高频微小振动信号测量方法，其特征是：至少包括：微波信号源、激励源、微小振动样品单元、计算处理单元和微波测量单元，由计算处理单元输出控制信号控制激励源产生激励信号，激励源产生的激励信号输出至微小振动样品单元的金属片上，激励金属片产生相应频率的振动信号并向外传播；微波信号源产生高频的微波信号给微波测量单元，由微波测量单元获取金属片携带的振动信号进行定量表征，给出高频微小振动信号。
所述的微波测量单元包括耦合器、环形器、混频器、近场探针、滤波器构成整个，完成振动信号的调制和解调；滤波器滤出解调后的解调后的振动信号；微小振动样品单元包括：金属片、固定架，金属片垂直固定于固定架上，在金属片的后端固定激励源，激励源的输出端与金属片的面垂直；由计算处理单元输出控制信号控制激励源产生激励信号，激励源产生的激励信号输出至金属片上，激励金属片产生相应频率的振动信号并向外传播；同时，微波信号源产生高频的微波信号，经由耦合器分出两路微波信号，其中一路经由环形器传输给微波近场探针，近场探针与金属片呈垂直状态，两者之间的距离d控制在微波波长λ范围之内，与金属片作用形成了调制微波衰逝场，此时微波信号与振动信号的传递处在微波波长λ范围之内，微波信号传递到金属片上与金属片振动信号在微波近场内形成距离调制，微波近场探针同时接收调制后的微波调制信号，由于控制在近场范围内，保证微波信号中携带的振动信号信息的完整性；由耦合器分出的另一路微波信号作为对距离调制信号进行解调的参考信号，经由波导接收调制信号输出到混频器，混频器同时接收距离调制，与参考微波信号混频，混频器输出经滤波器将距离调制信号中携带的振动信号解调出来得到解调后信号送到计算处理单元。
所述的近场探针或是开口波导或是泄漏谐振腔。
所述的计算处理单元包括锁相放大器、A/D转换器、接口电路和处理分析单元，由锁相放大器对振动信号的幅值、相位进行放大处理，通过A/D转换器和接口电路将数据通过接口电路到处理分析单元，最后通过处理分析单元获取数据值，得到振动信号进行定量表征。
本发明的优点是：
1）通过设置近场微波探针与样品间距，在探针中激励微波信号并由振动信号进行调制，微波信号的宽频率范围可提供正常振动频率范围的信号调制。且由于微波信号的高频率特性，能够满足微小振动测量过程中信号接收和处理保持在较高速度，完整测得信号。
2）微波测量单元通过微波信号与微小振动信号的调制利用微波信号携带振动信号的信息，再通过后端的解调及信号分析对微小振动信号进行信息提取，得到相应的测量值，微波信号的高频特性能够保证接收的速度大于振动信号的传输速度。高速信号能够完整的对相对速度较低的信号进行调制，能够保证整体的振动信号测量具有完整性。
3）选择在微波近场内进行振动信号的获取，将微波信号的输出与调制后振动信号的接收保持在微波波长范围内，保证了获取到的振动信号携带信息的完整性。
附图说明
图1是本发明非接触式微小振动信号微波测量方法的系统组成结构图；
图2是本发明微波近场范围内的系统结构组成图。
图中：1-微波信号源，2-耦合器，3-环形器，4-混频器，5-近场探针，51-微波信号，52-微波调制信号，6-滤波器，7-金属片，8-激励源，9-计算处理单元，10-固定架，11-微波测量单元，12-解调后信号。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术途径及优点更加客观清楚，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。
如图1和图2所示，一种基于近场微波的非接触高频微小振动信号测量方法，其特征是：至少包括：微波信号源1、激励源8、微小振动样品单元、计算处理单元和微波测量单元11，由计算处理单元9输出控制信号控制激励源8产生激励信号，激励源8产生的激励信号输出至微小振动样品单元的金属片7上，激励金属片7产生相应频率的振动信号并向外传播；信号源1产生高频的微波信号给微波测量单元11，由微波测量单元11获取金属片7携带的振动信号进行定量表征，给出高频微小振动信号。
微波测量单元11包括耦合器2、环形器3、混频器4、近场探针5、滤波器6构成整个，完成振动信号的调制和解调。滤波器6滤出解调后的解调后的振动信号。
微小振动样品单元金属片7、固定架10，金属片7垂直固定于固定架10上，在金属片7的后端固定激励源8，激励源8的输出端与金属片7的面垂直；由计算处理单元9输出控制信号控制激励源8产生激励信号，激励源8产生的激励信号输出至金属片7上，激励金属片7产生相应频率的振动信号并向外传播；
近场探针5也叫微波探针，采用开口波导或泄漏谐振腔，通过开口波导端口将微波信号传递出去，同一个端口将调制后的信号重新接收。
如图2所示，同时，信号源1产生高频的微波信号51，经由耦合器2分出两路微波信号，其中一路经由环形器3传输给微波近场探针5，此处近场探针选择以开口波导为例进行说明。开口波导的端口与金属片7呈垂直状态，两者之间的距离d控制在微波波长λ范围之内，有极小部分能量通过开口波导的端口辐射，与样品（金属片7）作用形成了调制微波衰逝场，此时微波信号51与振动信号的传递处在微波（波长λ范围之内）近场范围内，微波信号51传递到金属片上与（金属片7）振动信号在微波近场内形成距离调制，微波近场探针5同时接收调制后的微波调制信号52，由于控制在近场范围内，保证微波信号中携带的振动信号信息的完整性。
由耦合器2分出的另一路微波信号作为对距离调制信号进行解调的参考信号，经由波导接收调制信号输出到混频器4，混频器4同时接收距离调制，与参考微波信号混频，混频器4输出经滤波器6将距离调制信号中携带的振动信号解调出来得到解调后的信号12送到计算处理单元9。
从图2可以看出，由耦合器2、环形器3、混频器4、近场探针5、滤波器6构成整个微波测量单元11，完成振动信号的调制和解调。滤波器6滤出解调后的解调后的振动信号。
由激励源1的激励信号在金属片7上作用产生的相应的振动信号，由于振动信号频率高，振动幅值小（解调后的振动信号在普通的示波器上无法显示出来），因此在获取振动信号之后对其进行锁相放大处理。通过使用计算处理单元9对锁相放大器进行参数设置，获得较为精确的振动信号的幅值、相位等数据，最后通过计算处理单元获取到数据值，通过对解调后信号12的数据分析来对信号中携带的振动信号进行定量表征。
计算处理单元9包括锁相放大器、A/D转换器、接口电路和处理分析单元，由锁相放大器对振动信号的幅值、相位进行放大处理，通过A/D转换器和接口电路将数据通过接口电路到处理分析单元，最后通过处理分析单元获取数据值，得到振动信号进行定量表征。
本发明所提供的非接触式微小振动信号微波测量方法在振动信号的提取与处理模块中，采用器件隔离，将接收的提取与处理分隔为两个部分，不会对振动信号的测量结果产生信号污染。
本发明所提供的非接触式微小振动信号微波测量方法中信息接收模块的信号处理由计算处理单元自动控制模块提取，提取出的信号输出至计算处理单元的数据采集模块，并由计算处理单元完成相关的数据信息提取及振动信号的测量结果。
本发明针对高频率微弱超声振动的测量另辟蹊径，通过借鉴近场微波的高空间分辨率特性弥补了传统光学测振方法的不足。主要体现在：第一，采用非光学方法的微小振动非接触测量，避免使用光学仪器进行实验带来的不便与误差；第二，在测量过程中将发生与接收模块进行隔离，并采用高速系统，对振动信号进行快速实时测量；第三，近场微波在空间中的衰减长度远低于微波波长，将被测件与近场探针的距离控制在很小的范围之内，保证了微波信号在测量过程中不会消逝，保证极高的空间分辨率和携带信号的完整性；第四，微波频率设计为300MHz~30000MHz，高于高频超声振动频率的十倍以上，完全覆盖了超声的频段需求，具有丰富的带宽资源。
目前，尚未见将近场微波测量单元应用非接触式微小超声振动的测量相关报道。

Claims (2)

1.一种基于近场微波的非接触高频微小振动信号测量方法，其特征是：该方法采用非光学方法的微小振动非接触测量，至少包括：微波信号源(1)、激励源(8)、微小振动样品单元、计算处理单元（9）和微波测量单元(11)，由计算处理单元(9)输出控制信号控制激励源(8)产生激励信号，激励源(8)产生的激励信号输出至微小振动样品单元的金属片(7)上，激励金属片(7)产生相应频率的振动信号并向外传播；微波信号源(1)产生高频的微波信号给微波测量单元(11)，由微波测量单元(11)获取金属片(7)携带的振动信号进行定量表征，给出高频微小振动信号；
所述的微波测量单元（11）包括耦合器（2）、环形器（3）、混频器（4）、近场探针（5）、滤波器（6）构成整个，完成振动信号的调制和解调；滤波器（6）滤出解调后的解调后的振动信号；微小振动样品单元包括：金属片（7）和固定架（10），金属片（7）垂直固定于固定架（10）上，在金属片（7）的后端固定激励源（8），激励源（8）的输出端与金属片（7）的面垂直；微波信号源（1）产生高频的微波信号，经由耦合器（2）分出两路微波信号，其中一路经由环形器（3）传输给近场探针（5），近场探针（5）与金属片（7）呈垂直状态，两者之间的距离d控制在微波波长λ范围之内，与金属片（7）作用形成了调制微波衰逝场，此时微波信号与振动信号的传递处在微波波长λ范围之内，微波信号传递到金属片（7）上与金属片（7）振动信号在微波近场内形成距离调制，近场探针（5）同时接收调制后的微波调制信号，由于控制在近场范围内，保证微波信号中携带的振动信号信息的完整性；由耦合器（2）分出的另一路微波信号作为对距离调制信号进行解调的参考信号，经由波导接收调制信号输出到混频器（4），混频器（4）同时接收距离调制，与参考微波信号混频，混频器（4）输出经滤波器（6）将距离调制信号中携带的振动信号解调出来得到解调后信号（12）送到计算处理单元（9）；所述的计算处理单元（9）包括锁相放大器、A/D转换器、接口电路和处理分析单元，由锁相放大器对振动信号的幅值、相位进行放大处理，通过A/D转换器和接口电路将数据通过接口电路到处理分析单元，最后通过处理分析单元获取数据值，得到振动信号进行定量表征。
2.根据权利要求1所述的一种基于近场微波的非接触高频微小振动信号测量方法，其特征是：所述的近场探针（5）或是开口波导或是泄漏谐振腔。
CN202011099460.6A 2020-10-14 2020-10-14 一种基于近场微波的非接触高频微小振动信号测量方法 Active CN112082638B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011099460.6A CN112082638B (zh) 2020-10-14 2020-10-14 一种基于近场微波的非接触高频微小振动信号测量方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011099460.6A CN112082638B (zh) 2020-10-14 2020-10-14 一种基于近场微波的非接触高频微小振动信号测量方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112082638A CN112082638A (zh) 2020-12-15
CN112082638B true CN112082638B (zh) 2022-03-29

Family

ID=73730250

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011099460.6A Active CN112082638B (zh) 2020-10-14 2020-10-14 一种基于近场微波的非接触高频微小振动信号测量方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112082638B (zh)

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5828331A (en) * 1996-02-08 1998-10-27 Mecon Limited Vibration detection
CN101050977A (zh) * 2007-04-28 2007-10-10 浙江大学 利用毫米波对低频振动进行测量的方法和系统
CN201035143Y (zh) * 2007-05-18 2008-03-12 重庆大学 数字式微波微位移测量器
CN102369417A (zh) * 2009-09-25 2012-03-07 罗斯蒙德公司 使用近场微波的流测量
CN104931126A (zh) * 2015-07-06 2015-09-23 江苏安智光电科技有限公司 一种基于超声波外调制的激光干涉振动检测装置
DE102015209092A1 (de) * 2015-05-19 2016-11-24 Volkswagen Ag "Verfahren und Messvorrichtung zum Bestimmen eines mechanischen Schwingungsverhaltens eines unter mechanischer Zugspannung stehenden Elements"
CN106644030A (zh) * 2016-08-31 2017-05-10 上海交通大学 一种基于多普勒雷达的非接触式振动测量方法
CN107101600A (zh) * 2017-05-04 2017-08-29 天津大学 基于微波的动叶片叶尖间隙和振动参数融合测量装置
CN108981623A (zh) * 2018-07-23 2018-12-11 浙江大学 一种基于微波信号的远距离微小位移探测方法
CN110987150A (zh) * 2019-12-16 2020-04-10 上海交通大学 一种基于单频连续波雷达的超微幅振动测量方法与系统
CN111189855A (zh) * 2020-03-02 2020-05-22 张洮 基于阻抗测量的近场微波测量系统

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100370263C (zh) * 2005-06-23 2008-02-20 中国科学技术大学 用扫描近场微波显微镜测量材料压电系数的方法及装置

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5828331A (en) * 1996-02-08 1998-10-27 Mecon Limited Vibration detection
CN101050977A (zh) * 2007-04-28 2007-10-10 浙江大学 利用毫米波对低频振动进行测量的方法和系统
CN201035143Y (zh) * 2007-05-18 2008-03-12 重庆大学 数字式微波微位移测量器
CN102369417A (zh) * 2009-09-25 2012-03-07 罗斯蒙德公司 使用近场微波的流测量
DE102015209092A1 (de) * 2015-05-19 2016-11-24 Volkswagen Ag "Verfahren und Messvorrichtung zum Bestimmen eines mechanischen Schwingungsverhaltens eines unter mechanischer Zugspannung stehenden Elements"
CN104931126A (zh) * 2015-07-06 2015-09-23 江苏安智光电科技有限公司 一种基于超声波外调制的激光干涉振动检测装置
CN106644030A (zh) * 2016-08-31 2017-05-10 上海交通大学 一种基于多普勒雷达的非接触式振动测量方法
CN107101600A (zh) * 2017-05-04 2017-08-29 天津大学 基于微波的动叶片叶尖间隙和振动参数融合测量装置
CN108981623A (zh) * 2018-07-23 2018-12-11 浙江大学 一种基于微波信号的远距离微小位移探测方法
CN110987150A (zh) * 2019-12-16 2020-04-10 上海交通大学 一种基于单频连续波雷达的超微幅振动测量方法与系统
CN111189855A (zh) * 2020-03-02 2020-05-22 张洮 基于阻抗测量的近场微波测量系统

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
《基于微波感知的挠性结构动态响应监测》;熊玉勇等;《振动与冲击》;20200815;第39卷(第15期);第278页第1.1节及图1 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN112082638A (zh) 2020-12-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA1230753A (en) Laser heterodyne interferometric method and system for measuring ultrasonic displacement
US7798000B1 (en) Non-destructive imaging, characterization or measurement of thin items using laser-generated lamb waves
KR910004225B1 (ko) 물품 표면의 비균질성 검사방법 및 그 장치
WO2023201928A1 (zh) 一种自适应全光纤激光超声测量仪
US20130088724A1 (en) Method and apparatus for the inspection of sandwich structures using laser-induced resonant frequencies
CN106996962A (zh) 激光注入光纤与相干探测的激光超声无损检测系统
CN107091877A (zh) 激光注入光纤与相干探测的激光超声无损检测方法
CN115825033A (zh) 一种基于金刚石nv色心的微波反射检测装置及方法
CN102445416B (zh) 一种复合材料实时在线无损检测装置
CA2258913C (en) Ultrasonic technique for inspection of weld and heat-affected zone for localized high temperature hydrogen attack
Bruttomesso et al. Development of interferometer for acoustic emission testing
CN112082638B (zh) 一种基于近场微波的非接触高频微小振动信号测量方法
CN111426700A (zh) 吸收性缺陷单光束光热测量装置和测量方法
US5672828A (en) Strength determination of sheet materials by utrasonic testing
CN112782279B (zh) 非接触式热声成像方法与装置
CN105910989B (zh) 一种碳纳米管激光超声增强层材料的制备方法
JP2003507727A (ja) 物体の振動と特性を遠隔的に測定するための方法と装置
CN115728393A (zh) 一种基于脉冲反转技术的非线性超声系数修正方法
JPH1078415A (ja) 非接触非破壊の材料評価方法とその装置及び弾性波励起方法と弾性波励起装置
KR100337642B1 (ko) 근접장 탐침을 이용한 광 혼합 밀리미터파 생성장치
Michalski et al. A 1550-nm-wavelength compatible photoconductive microprobe transceiver for Terahertz near-field reflection measurements
JPH0547212B2 (zh)
CN110823530A (zh) 一种获取微谐振腔品质因子的方法
CN112197941B (zh) 一种在片上波导上的原位损耗测量装置及方法
JPS59206758A (ja) 超音波顕微鏡装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant