CN114877983A - 一种高度集成的声速测量仪及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高度集成的声速测量仪及测量方法，包括发射端超声压电换能器、接收端超声压电换能器、信号发生器模块、示波器功能模块、超声压电换能器功率驱动模块和供电电源模块；信号发生器模块产生的信号频率及幅值由发生信号参数设置模块来设置，信号发生器模块的数模转换器的信号输出端或DDS信号发生芯片的信号输出端与超声压电换能器功率驱动模块的信号输入端连接，超声压电换能器功率驱动模块的信号输出端与发射端超声压电换能器的信号输入端连接，接收端超声压电换能器的信号输出端与示波器功能模块的信号处理子模块的信号输入端连接；供电电源模块供电。本发明是一种集成程度高、具备人机交互功能的一种高度集成的声速测量仪及测量方法。

Description

一种高度集成的声速测量仪及测量方法

技术领域

本发明属于声速测量领域，尤其涉及一种高度集成的声速测量仪。

背景技术

声速测量仪为观察、研究声波在介质中传播现象，测量介质中声波传播速度的专用仪器，一般用于大学物理实验。目前，进行声速测量时整套的仪器包括声速测量专用测试架、两只超声压电换能器、信号发生器及示波器。其中声速测量专用测试架用于固定相对放置的两只超声压电换能器及用于指示两个换能器相对位置的读数装置，读数装置指的是游标卡尺、容栅尺或光栅尺等；两只换能器具有完全相同的结构，其中位于测试架一侧的换能器，其平面端面用于发射声波，即实现电声转换，位于测试架另一侧的换能器，其平面端面用于接收和反射声波，实现声电转换。信号发生器用于产生激励换能器的信号，考虑到超声压电换能器的负载特性，信号发生器通常还要集成有功率放大模块。示波器用于观察换能器的输入和输出信号。

目前市场上的声速测量仪有将用于产生激励信号的信号发生器集成到声速测量仪主机中，但是没有将示波器集成到声速测量仪中。所以要研制高度集成的声速测量仪，必须将信号发生器模块、示波器功能模块、超声压电换能器功率驱动模块及必要的供电电源模块集成起来。

申请号为201520149548.2的专利公开了一种专用于声速测量试验的信号发生器，包括电源模块、编码器输入模块、单片机控制模块、存储模块、显示模块、DDS正弦波生成模块、低通滤波模块和运算放大模块；电源模块为其他模块提供所需的直流电压；编码器输入模块包括旋转编码器和转向识别电路，旋转编码器的输出端分别与单片机控制模块和转向识别电路的输入端相连接，转向识别电路的输出端与单片机控制模块的输入端相连接；单片机控制模块的输出端分别与存储模块、显示模块和DDS正弦波生成模块的相应输入端相连接，DDS正弦波生成模块的输出端与低通滤波模块的输入端相连接，低通滤波模块的输出端与运算放大模块的输入端相连接。该专利具有调节频率范围集中、没有机械损耗、精度高的特点，但是仍需要额外使用一台示波器来配合进行实验。

发明内容

本发明的目的在于公开一种集成程度高、具备人机交互功能的一种高度集成的声速测量仪及测量方法。

本发明的目的是这样实现的：包括发射端超声压电换能器、接收端超声压电换能器、信号发生器模块、示波器功能模块、超声压电换能器功率驱动模块和供电电源模块；信号发生器模块产生的信号频率及幅值由发生信号参数设置模块来设置，发生信号参数设置模块由具有触摸屏功能的组态屏中的组态软件或运行在具有触摸屏功能的工业计算机中的程序来实现，信号发生器模块的数模转换器的信号输出端或DDS信号发生芯片的信号输出端与超声压电换能器功率驱动模块的信号输入端连接，超声压电换能器功率驱动模块的信号输出端与发射端超声压电换能器的信号输入端连接，接收端超声压电换能器的信号输出端与示波器功能模块的信号处理子模块的信号输入端连接；供电电源模块为信号发生器模块、示波器功能模块和超声压电换能器功率驱动模块供电；示波器功能模块包括信号处理子模块、信号采集子模块、信号传输子模块和波形显示子模块；信号处理子模块由基于运算放大器的滤波电路和放大电路组成；信号采集子模块由高速模数转换器组成，信号传输子模块由支持TCP/IP协议、USB协议或其他高速串行通信协议的电路和传输线组成；波形显示子模块硬件上由具有触摸屏功能的组态屏或运行嵌入式操作系统的工业计算机组成，软件上由组态屏中的组态软件或运行在工业计算机中的程序来实现；信号处理子模块的信号输入端与接收端超声压电换能器的信号输出端连接，信号处理子模块的信号输出端与信号采集子模块的信号输入端连接，信号采集子模块的信号输出端与信号传输子模块的信号输入端连接，信号传输子模块的信号输出端与波形显示子模块的信号输入端连接；波形显示子模块的信号输出端与信号发生器模块的FPGA芯片或DDS信号发生芯片连接。

进一步地，所述的超声压电换能器功率驱动模块由功率放大芯片及辅助阻容电路组成。

进一步地，所述的供电电源模块由变压器、直流转直流芯片和低压差线性稳压器组成；变压器的输出作为直流转直流芯片的输入，直流转直流芯片的输出作为低压差线性稳压器的输入。

进一步地，所述的信号发生器模块由FPGA芯片和数模转换器组成，或由DDS信号发生芯片组成；FPGA芯片和数模转换器通过数模转换器的串行接口或者并行接口连接。

进一步地，一种高度集成的声速测量仪的测量方法，包含以下步骤：

步骤(1)：调整发射端超声压电换能器和接收端超声压电换能器的距离；

步骤(2)：将供电电源模块与市电连接；

步骤(3)：通过组态屏或工业计算机上的发生信号参数设置模块输入目标声波频率；

步骤(4)：发生信号参数设置模块将目标声波频率的信息传输给信号发生器模块；

步骤(5)：信号发生器模块产生目标声波频率的模拟信号；

步骤(6)：超声压电换能器功率驱动模块接收信号发生器模块产生的模拟信号并驱动发射端超声压电换能器产生目标声波频率的声波；

步骤(7)：接收端超声压电换能器接收发射端超声压电换能器产生的声波并产生模拟信号；

步骤(8)：示波器功能模块的信号处理子模块接收由接收端超声压电换能器产生的模拟信号，信号处理子模块对模拟信号进行滤波和放大后传输给信号采集子模块，信号采集子模块将滤波和放大后的模拟信号转换为数字信号，数字信号通过信号传输子模块传输给运行波形显示子模块组态屏或工业计算机，在组态屏或工业计算机中的触摸屏上显示数字信号波形；

步骤(9)：利用驻波法或者相位法测量声波信号的波长；

步骤(10)：利用声速计算公式计算声速。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明将除了发射端超声压电换能器和接收端超声压电换能器之外的信号发生器模块、示波器功能模块、超声压电换能器功率驱动模块和供电电源模块集成起来，提高了现有声速测量仪的集成度，并通过具有示波器功能模块的组态屏或工业计算机提供人机交互功能。

附图说明

图1是一种高度集成的声速测量仪系统组成图；

图2是一种高度集成的声速测量仪系统效果图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如图1所示的一种高度集成的声速测量仪，包括发射端超声压电换能器、接收端超声压电换能器、信号发生器模块、示波器功能模块、超声压电换能器功率驱动模块和供电电源模块；信号发生器模块产生的信号频率及幅值等参数由发生信号参数设置模块来设置，发生信号参数设置模块由具有触摸屏功能的组态屏中的组态软件或运行在具有触摸屏功能的工业计算机中的程序来实现，信号发生器模块的数模转换器的信号输出端或DDS信号发生芯片的信号输出端与超声压电换能器功率驱动模块的信号输入端连接，超声压电换能器功率驱动模块的信号输出端与发射端超声压电换能器的信号输入端连接，接收端超声压电换能器的信号输出端与示波器功能模块的信号处理子模块的信号输入端连接；供电电源模块为信号发生器模块、示波器功能模块和超声压电换能器功率驱动模块供电；示波器功能模块包括信号处理子模块、信号采集子模块、信号传输子模块和波形显示子模块；信号处理子模块由基于运算放大器的滤波电路和放大电路组成；信号采集子模块由高速模数转换器组成，信号传输子模块由支持TCP/IP协议、USB协议或其他高速串行通信协议的电路和传输线组成；波形显示子模块硬件上由具有触摸屏功能的组态屏或运行嵌入式操作系统的工业计算机组成，软件上由组态屏中的组态软件或运行在工业计算机中的程序来实现；信号处理子模块的信号输入端与接收端超声压电换能器的信号输出端连接，信号处理子模块的信号输出端与信号采集子模块的信号输入端连接，信号采集子模块的信号输出端与信号传输子模块的信号输入端连接，信号传输子模块的信号输出端与波形显示子模块的信号输入端连接；波形显示子模块的信号输出端与信号发生器模块的FPGA芯片或DDS信号发生芯片连接。进一步地，超声压电换能器功率驱动模块由功率放大芯片及辅助阻容电路组成。

进一步地，供电电源模块由变压器、直流转直流芯片和低压差线性稳压器组成；变压器的输出作为直流转直流芯片的输入，直流转直流芯片的输出作为低压差线性稳压器的输入。

进一步地，信号发生器模块由FPGA芯片和数模转换器组成，或由DDS信号发生芯片组成；FPGA芯片和数模转换器通过数模转换器的串行接口或者并行接口连接。

信号处理子模块用于实现超声压电换能器输出波形信号的处理，包括滤波及增益可变的放大；信号采集子模块使用高速模数转换器实现模拟信号的采集，高速模数转换器的采样率具有在线可调功能，以匹配示波器的时间尺度缩放功能；信号传输子模块用于将高速模数转换器采集得到的超声压电换能器输出信号传输给上位机。人机交互功能由使用具有触摸屏功能的组态屏或运行嵌入式操作系统的工业计算机编程来实现，工业计算机运行Linux或者WinCE等操作系统，硬件上由中央处理器芯片或包含中央处理器功能的芯片加上必要的外设芯片等构成。

进一步地，一种高度集成的声速测量仪的测量方法，包含以下步骤：

步骤(1)：调整发射端超声压电换能器和接收端超声压电换能器的距离；

步骤(2)：将供电电源模块与市电连接；

步骤(3)：通过组态屏或工业计算机上的发生信号参数设置模块输入目标声波频率；

步骤(4)：发生信号参数设置模块将目标声波频率的信息传输给信号发生器模块；

步骤(5)：信号发生器模块产生目标声波频率的模拟信号；

步骤(6)：超声压电换能器功率驱动模块接收信号发生器模块产生的模拟信号并驱动发射端超声压电换能器产生目标声波频率的声波；

步骤(7)：接收端超声压电换能器接收发射端超声压电换能器产生的声波并产生模拟信号；

步骤(8)：示波器功能模块的信号处理子模块接收由接收端超声压电换能器产生的模拟信号，信号处理子模块对模拟信号进行滤波和放大后传输给信号采集子模块，信号采集子模块将滤波和放大后的模拟信号转换为数字信号，数字信号通过信号传输子模块传输给运行波形显示子模块的组态屏或工业计算机，在组态屏或工业计算机中的触摸屏上显示数字信号波形；

步骤(9)：利用驻波法或者相位法测量声波信号的波长；

步骤(10)：利用声速计算公式计算声速。

如图2是一种高度集成的声速测量仪系统效果图，发射端超声压电换能器和接收端超声压电换能器位于右边的支架上，可以调节两者之间的相对距离；信号发生器模块、示波器功能模块、超声压电换能器功率驱动模块和供电电源模块全部集中在左边的箱体里，触摸屏可以设计在左侧箱体的上表面，方便实际使用。

实施例1：

(1)调整支架使发射和接收超声压电换能器距离约为1厘米；

(2)将发射和接收超声压电换能器的信号线缆分别连接到声速测量仪主机上；

(3)接通电源；

(4)通过人机交互界面输入需要的声波频率，使信号发生器模块产生该频率的信号并通过超声压电换能器功率驱动模块驱动发射超声压电换能器发射超声波，接收超声压电换能器接收超声波转换为电信号，信号处理子模块对该信号进行信号处理，接着信号采集子模块进行模数转换，然后通过数据传输子模块传输给在组态屏或工业计算机，在在组态屏或工业计算机中人机交互界面显示信号波形，观察界面上显示的信号波形，细调节信号发生模块产生的声波频率，使波形显示区域显示的波形振幅最大。此时信号发生模块产生信号的工作频率即为换能器的固有频率；

(5)缓慢移动接收超声压电换能器，在波形显示窗口上观察到波形振幅的变化。将超声压电换能器移到某一振幅最大处；

(6)使用驻波法或相位法测量超声信号波长；

(7)利用声速计算公式计算声速。

以上所述并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高度集成的声速测量仪，其特征在于：包括发射端超声压电换能器、接收端超声压电换能器、信号发生器模块、示波器功能模块、超声压电换能器功率驱动模块和供电电源模块；信号发生器模块产生的信号频率及幅值由发生信号参数设置模块来设置，发生信号参数设置模块由具有触摸屏功能的组态屏中的组态软件或运行在具有触摸屏功能的工业计算机中的程序来实现，信号发生器模块的数模转换器的信号输出端或DDS信号发生芯片的信号输出端与超声压电换能器功率驱动模块的信号输入端连接，超声压电换能器功率驱动模块的信号输出端与发射端超声压电换能器的信号输入端连接，接收端超声压电换能器的信号输出端与示波器功能模块的信号处理子模块的信号输入端连接；供电电源模块为信号发生器模块、示波器功能模块和超声压电换能器功率驱动模块供电；示波器功能模块包括信号处理子模块、信号采集子模块、信号传输子模块和波形显示子模块；信号处理子模块由基于运算放大器的滤波电路和放大电路组成；信号采集子模块由高速模数转换器组成，信号传输子模块由支持TCP/IP协议、USB协议或其他高速串行通信协议的电路和传输线组成；波形显示子模块硬件上由具有触摸屏功能的组态屏或运行嵌入式操作系统的工业计算机组成，软件上由组态屏中的组态软件或运行在工业计算机中的程序来实现；信号处理子模块的信号输入端与接收端超声压电换能器的信号输出端连接，信号处理子模块的信号输出端与信号采集子模块的信号输入端连接，信号采集子模块的信号输出端与信号传输子模块的信号输入端连接，信号传输子模块的信号输出端与波形显示子模块的信号输入端连接；波形显示子模块的信号输出端与信号发生器模块的FPGA芯片或DDS信号发生芯片连接。

2.根据权利要求1所述的一种高度集成的声速测量仪，其特征在于：所述超声压电换能器功率驱动模块由功率放大芯片及辅助阻容电路组成。

3.根据权利要求1所述的一种高度集成的声速测量仪，其特征在于：所述供电电源模块由变压器、直流转直流芯片和低压差线性稳压器组成；变压器的输出作为直流转直流芯片的输入，直流转直流芯片的输出作为低压差线性稳压器的输入。

4.根据权利要求1所述的一种高度集成的声速测量仪，其特征在于：所述信号发生器模块由FPGA芯片和数模转换器组成，或由DDS信号发生芯片组成；FPGA芯片和数模转换器通过数模转换器的串行接口或者并行接口连接。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种高度集成的声速测量仪的测量方法，其特征在于：包含以下步骤：

步骤(1)：调整发射端超声压电换能器和接收端超声压电换能器的距离；

步骤(2)：将供电电源模块与市电连接；

步骤(3)：通过组态屏或工业计算机上的发生信号参数设置模块输入目标声波频率；

步骤(4)：发生信号参数设置模块将目标声波频率的信息传输给信号发生器模块；

步骤(5)：信号发生器模块产生目标声波频率的模拟信号；

步骤(6)：超声压电换能器功率驱动模块接收信号发生器模块产生的模拟信号并驱动发射端超声压电换能器产生目标声波频率的声波；

步骤(7)：接收端超声压电换能器接收发射端超声压电换能器产生的声波并产生模拟信号；

步骤(8)：示波器功能模块的信号处理子模块接收由接收端超声压电换能器产生的模拟信号，信号处理子模块对模拟信号进行滤波和放大后传输给信号采集子模块，信号采集子模块将滤波和放大后的模拟信号转换为数字信号，数字信号通过信号传输子模块传输给运行波形显示子模块组态屏或工业计算机，在组态屏或工业计算机中的触摸屏上显示数字信号波形；

步骤(9)：利用驻波法或者相位法测量声波信号的波长；

步骤(10)：利用声速计算公式计算声速。

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