CN207881830U - 一种全自动相位差法声速测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种全自动相位差法声速测量装置，通过数据采集卡采集相位差检测模块输出的电压信号，相位差检测模块将声波接收器产生的电信号与信号源输出的电信号之间的相位差数字化，由单片机和步进电机驱动器控制步进电机的转动，利用步进电机带动丝杠转动，从而实现声波接收器的运动，以达到对各点相位差大小的自动测量；同时在获得数据后，将不同位置的相位差绘制成二维直角坐标图，从而得到直观的相位差变化与接收器位置关系图。与现有技术相比，本实用新型消除了回程误差的影响，声波接收器的移动和数据的采集均实现了自动化，提高了测量的效率，可绘出相位差变化与接收器位置的关系图，测量速度快，精度高，操作简单。

Description

一种全自动相位差法声速测量装置

技术领域

本实用新型涉及教学实验仪器领域，具体涉及一种全自动相位差法声速测量装置。

背景技术

目前，大学物理实验中的声速测量方法主要有两种：驻波法（也叫共振干涉法）和相位比较法。由于相位比较法更准一些，所以，现在的实验教学中一般都采取了相位比较法。相位比较法是将信号源的信号利用分支器一分为二，一路直接给示波器的一个通道，另一路给声波发射器，将声波接收器产生的信号接示波器的另一个通道，然后将示波器调整到X-Y工作状态，得到李莎如图形。改变接收器位置，则接收器产生的信号的位相开始变化。假设在某一位置，两路信号的相位差是的整数倍，则李莎如图形是一三象限的一条直线。由于沿着波传播的方向，每走一个波长，位相改变，一三象限的直线就重复出现一次。将出现一三象限直线的接收器位置记录下来，相邻两个位置的间隔就是波长，有了波长，再乘以频率就得到波速。这种方法就是相位比较法，其优点是形象、直观，缺点是李萨如图形为直线的位置不易确定准确，有可能椭圆的两边没有重合到最好，稍一调节，可能就过了，往回调会有空程差，不往回调又不准确，陷入两难境地。

为改进相位比较法的缺陷，让相位比较法成为一种即简单又准确的声速测量方法，有必要研制一种全自动相位差法声速测量装置。

发明内容

针对上述缺陷，本实用新型的目的是提供一种全自动相位差法声速测量装置，能将相位差数字化，从根本上消除回程差，提高数据采集的效率。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种全自动相位差法声速测量装置，包括数据采集系统、上位机控制器、声波接收器及移动装置，所述数据采集系统包括信号发生器，所述信号发生器连接有声波发射器，声波发射器发出的声波由声波接收器接收，所述声波接收器连接有相位差检测模块，所述相位差检测模块连接有数据采集卡，且所述相位差检测模块和所述数据采集卡分别连接有电源Ⅰ和电源Ⅱ，所述数据采集卡还连接有上位机控制器；所述上位机控制器通过一双向转换器与所述数据采集卡实现信号相互传递；所述声波接收器包括单片机，所述上位机控制器与所述单片机相连，所述单片机连接有电机驱动器，所述电机驱动器也与所述电源Ⅱ相连，且所述电机驱动器上连接有步进电机；所述移动装置包括一底座，所述底座内部分别设有丝杠和导轨，所述步进电机设在所述底座外部，与所述丝杠相连，所述丝杠上套接有滑块，所述声波接收器固定在所述滑块上部，所述滑块下部设在所述导轨上，所述底座内部还设有固定座，所述声波发射器设在所述固定座上，所述声波接收器和所述声波发射器的法线方向与所述丝杠轴向平行，且所述声波接收器和所述声波发射器的设置高度相同；信号发生器输出端接一个分支器，将输出信号一分为二，一路与声波发射器相连，另一路与相位差检测模块的INPB和GND相连。

所述声波接收器输出端具有的芯线和屏蔽线分别与所述相位差检测模块的一个输入端具有的INPA和GND相连。

所述相位差检测模块输出端具有的PHASE和GND分别与所述数据采集卡输入端具有的AIN1和ACOM相连。

所述数据采集卡输出端具有的485G、485A+及485B-分别与所述双向转换器输入端具有的GND、T/R+及T/R-相连。

本实用新型以上位机控制器为核心，通过相位差检测模块将信号源信号与声波接收器产生的电信号之间的相位差数字化，通过数据采集卡采集相位差检测模块的电压值，通过单片机和步进电机驱动器控制步进电机的转动，利用步进电机带动丝杠转动，从而实现声波接收器的运动，以达到对声波接收器在不同点产生的电信号与信号源信号之间相位差的自动测量；同时在获得数据后，将相位差与声波接收器位置的关系绘制成二维直角坐标图，测试完毕后，数据和图片可以保存和输出。

本实用新型利用步进电机带动丝杠以实现声波接收器的移动，不仅代替人工实现了声波接收器的移动，而且容易准确地确定声波接收器的位置。

本实用新型利用相位差检测模块将信号源信号与声波接收器产生的电信号之间的相位差转变为直流电压，实现了相位差的数字化，便于采集和分析，难度小，效果直观。

本实用新型利用数据采集卡采集相位差检测模块输出的直流电压信号，数据采集卡上的输出端通过双向转换器与上位机控制器相连，不仅电路简单，成本低，而且保证了较高的数据采集效率。

本实用新型的有益效果是：本实用新型采用所述相位差检测模块将信号源信号与声波接收器产生的电信号之间的相位差数字化，利用上位机控制器连接的所述数据采集卡直接测量相位差检测模块输出的直流电压，可以精确测量相位差，从根本上消除了回程误差，消除了实验中的人为误差，极大地提高了采集数据点的效率；采集到的相位差数据可以实时绘出相位差与接收器位置的关系图，而且能保存、输出数据和图像以供进一步分析和研究使用。

附图说明

下面结合附图及实施例，对本实用新型的结构及特征做进一步说明。

图1是本实用新型的方框原理图。

图2是所述声波接收器移动装置的结构示意图。

图3是相位差与声波接收器位置关系图。

图2中，1.声波接收器，2.滑块，3.底座，4.固定块，5.步进电机，6.声波发射器，7.导轨，8.丝杠。

具体实施方式

参看图1、2，一种全自动相位差法声速测量装置，包括数据采集系统、上位机控制器、声波接收器及移动装置，所述数据采集系统包括信号发生器，所述信号发生器连接有声波发射器6，声波发射器6与声波接收器1正对，所述声波接收器1连接有相位差检测模块，所述相位差检测模块连接有数据采集卡，且所述相位差检测模块和所述数据采集卡分别连接有电源Ⅰ和电源Ⅱ，所述数据采集卡与上位机控制器相连；所述上位机控制器通过一个RS485转232双向转换器与所述数据采集卡实现信号相互传递；所述声波接收器包括单片机，所述上位机控制器与所述单片机相连，所述单片机连接有电机驱动器，所述电机驱动器也与所述电源Ⅱ相连，且所述电机驱动器上连接有步进电机5；所述移动装置包括一底座3，所述底座内部分别设有丝杠8和导轨7，所述步进电机设在所述底座外部，与所述丝杠相连，所述丝杠上套接有滑块2，所述声波接收器固定在所述滑块上部，所述滑块下部设在所述导轨上，所述底座内部还设有固定块4，所述声波发射器设在所述滑块上，所述声波接收器和所述声波发射器的法线方向与所述丝杠轴向平行，且所述声波接收器和所述声波发射器的设置高度相同。

进一步地，所述声波接收器输出端具有的芯线和屏蔽线分别与所述相位差检测模块输入端INPA的芯线和屏蔽线相连；所述信号源的输出端接分支器，一路信号线与声波发射器相连，另一路信号线的芯线和屏蔽线分别与所述相位差检测模块输入端INPB的芯线和屏蔽线相连。

所述相位差检测模块输出端具有的PHASE和GND分别与所述数据采集卡输入端具有的AIN1和ACOM相连。

所述数据采集卡输出端具有的485G、485A+及485B-分别与所述R485转232双向转换器的输入端具有的GND、T/R+及T/R-相连。

附图1中，需要探测的声波场分布在声波发射器和声波接收器之间，将声波发射器固定在导轨上，声波发射器的法线方向与丝杠的轴向平行；将声波接收器固定在滑块上，声波接收器与声波发射器共轴。利用单片机给步进电机驱动器发送脉冲，由步进电机驱动器驱动步进电机转动，步进电机带着丝杠转动，则滑块沿着声波发射器和声波接收器的轴线方向运动。这样声波接收器就沿着丝杠的轴向扫描，就可以对扫描区域内各点的相位情况进行探测，不仅降低了实现的难度和成本，而且保证了测量的效率。

对于数据点位置和数目的选取，利用步进电机驱动器的细分功能，将步进电机的步距角设为0.9°，丝杆的导程为4mm，因此步进电机每走一步，声波接收器在竖直方向移动0.01mm。考虑到相位差检测模块和采集卡的速度，脉冲周期要在250ms以上，因此选取数据采集周期为300ms。由于超声发射器和超声接收器的共振频率约为40kHz，超声波的波长约为8.5mm，所以相位差极大值之间距离约为8.5mm，只要测试距离达到60mm，可以测定六七个极大值，就可以方便、准确地计算出声波的波长。由于每隔0.01mm就要测一次数据，这样总共需要测量的数据个数为6000个，测量一次需要的总时间约为30分钟。

相位差检测模块可以把外部输入的两路信号的相位差变成直流信号输出，可以实现相位差的数字化。把声波接收器产生的电信号和信号源的电信号一起输入给相位差检测模块，相位差检测模块输出的直流信号就可以反应相位差的变化情况。当声波接收器运动时，相位差检测模块输出的直流信号的变化就反映出相位随声波接收器位置的变化情况，这样就可以实现声波波长的测量。

对于数据的显示与储存来说，测试出6000个测试点的数据，每一个点都有自己的横坐标和相位，而我们想要得到的是相位差变化与接收器位置的关系图。本实用新型具有绘图功能，横坐标代表声波接收器的位置，纵坐标代表相位差，每测量一个数据，图上就绘制一个点，当数据多了以后，这些点就排列成一条曲线，曲线的起伏，反应了相位差随声波接收器位置变化的情况，将测量数据以Excel格式保存和输出，数据拷贝。由于相邻的两个相位差极大值之间的水平距离刚好等于。而相邻数据点的水平距离是0.01mm，因此，可以方便地确定出波长。频率可以从信号发生器上直接读出，利用就可以计算出声速。

本实用新型中的数据采集卡选用长空电子生产的20路RS485采集卡。电源1的和分别与相位差检测模块的和连接，给相位差测量模块供电。RS485采集卡的和步进电机驱动器的DC电源的连接后共同接到电源2的正极，RS485采集卡的和步进电机驱动器的DC电源的连接后共同接到电源2的负极。

声波接收器输出端具有的芯线和屏蔽线分别与所述相位差检测模块输入端INPA的芯线和屏蔽线相连；所述信号源的输出端接分支器，一路信号线与声波发射器相连，另一路信号线的芯线和屏蔽线分别与所述相位差检测模块输入端INPB的芯线和屏蔽线相连。相位差检测模块输出端具有的PHASE和GND分别与所述数据采集卡输入端具有的AIN1和ACOM相连；RS485采集卡的485G接到RS485转232双向转换器的GND，RS485采集卡的485A+接到RS485转232双向转换器的T/R+，RS485采集卡的485B-接到RS485转232双向转换器的T/R-。RS485转232双向转换器的串口端与上位机的串口通过九针串口线连接。

步进电机的四根线分别与步进电机驱动器的A+、A-、B+、B-连接。步进电机驱动器的VCC和GND分别与电源2的正极和负极连接。步进电机驱动器的PUL+（+5V）和DIR+(+5V)并联后接STC89C52单片机的P40口。步进电机驱动器的PUL-（PUL）接STC89C52单片机的P8口。步进电机驱动器的DIR-（DIR）接STC89C52单片机的P7口。STC89C52单片机的P20口接地。STC89C52单片机的P18口与P19口之间接一个11.0592MHz的晶振。STC89C52单片机的P10口和P11口通过USB线与上位机的USB接口连接。

将信号源的频率调整到共振频率40.08kHz，信号源的波形选择正弦波，信号源的幅度调为，利用室内温度计读出室内温度为。用分支器将信号源输出的信号一分为二，一路连接声波发射器，一路连接相位差检测模块的一个输入端。

图2中根据测试界面显示的信号强度，利用STC89C52单片机给步进电机驱动器发送脉冲，由步进电机驱动器驱动步进电机5转动，步进电机5带着丝杠8转动，则滑块2沿着声波发射器6和声波接收器1的法线方向运动。这样，声波接收器1就沿着丝杠8的轴向运动，就可以对经过区域内各点的相位情况进行探测。

附图3是本实用新型实施例的相位差变化与声波接收器位置关系图。

利用本实用新型采集60mm范围内各点的相位差情况。

测试结果：

采用本实用新型的全自动相位差法声速测量装置给出的相位差变化与接收器位置的关系如图3所示。

传统的声速测量需要寻找声压极大值的位置或李萨如图形为直线的位置，通常的做法是用连接示波器的声波接收器在被测区域内逐处测量，一边移动声波接收器一边观察示波器，当示波器显示到达目标位置时，停止移动声波接收器，将该点的位置读数记录下来。然后重复上述操作，直到找到8-12个目标位置。在寻点过程中，因为并不知道下一时刻的信号强度与这一时刻的信号强度之间的大小关系，通常情况下，接收端停止移动时会错过信号强度极大的位置或不能达到信号强度极大的位置。如果声波接收器反向移动，就会存在空程差。所以，寻点的效率特别低。本实用新型利用上位机通过采集卡和相位差检测模块直接量化和采集声波接收器探测到的电信号与信号源电信号之间的相位差；利用单片机、步进电机驱动器，步进电机和丝杠导轨实现声波接收器的移动。不仅效率高，而且准确度高。此外，本实用新型在使用声波接收器测量各点的相位差的过程中，声波接收器始终朝一个方向运动，直至测量结束。和传统的声速测量仪相比，从根本上克服了回程误差。

本实用新型消除了回程误差，声波接收器的运动、数据的量化、采集、存储均实现了自动化，大大提高了数据采集的效率。本实用新型原理简单、成本低廉、容易操作、效果直观，完全可以取代传统的手动声速测量，在声速的测量，教学和研究方面具有重要意义，具有一定的推广价值。

以上所描述的仅为本实用新型的较佳实施例，上述具体实施例不是对本实用新型的限制，凡本领域的普通技术人员根据以上描述所做的润饰、修改或等同替换，均属于本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种全自动相位差法声速测量装置，包括数据采集系统、上位机控制器、声波接收器及移动装置，所述数据采集系统包括信号发生器，所述信号发生器连接有声波发射器，声波发射器发出的声波由声波接收器接收，所述声波接收器连接有相位差检测模块，所述相位差检测模块连接有数据采集卡，且所述相位差检测模块和所述数据采集卡分别连接有电源Ⅰ和电源Ⅱ，所述数据采集卡还连接有上位机控制器；所述上位机控制器通过一双向转换器与所述数据采集卡实现信号相互传递；所述声波接收器包括单片机，所述上位机控制器与所述单片机相连，所述单片机连接有电机驱动器，所述电机驱动器也与所述电源Ⅱ相连，且所述电机驱动器上连接有步进电机；所述移动装置包括一底座，所述底座内部分别设有丝杠和导轨，所述步进电机设在所述底座外部，与所述丝杠相连，所述丝杠上套接有滑块，所述声波接收器固定在所述滑块上部，所述滑块下部设在所述导轨上，所述底座内部还设有固定座，所述声波发射器设在所述固定座上，所述声波接收器和所述声波发射器的法线方向与所述丝杠轴向平行，且所述声波接收器和所述声波发射器的设置高度相同；信号发生器输出端接一个分支器，将输出信号一分为二，一路与声波发射器相连，另一路与相位差检测模块的INPB和GND相连。

2.如权利要求1所述的全自动相位差法声速测量装置，其特征在于：所述声波接收器输出端具有的芯线和屏蔽线分别与所述相位差检测模块的一个输入端具有的INPA和GND相连。

3.如权利要求1所述的全自动相位差法声速测量装置，其特征在于：所述相位差检测模块输出端具有的PHASE和GND分别与所述数据采集卡输入端具有的AIN1和ACOM相连。

4.如权利要求1所述的全自动相位差法声速测量装置，其特征在于：所述数据采集卡输出端具有的485G、485A+及485B-分别与所述双向转换器输入端具有的GND、T/R+及T/R-相连。