基于多普勒效應(yīng)的超聲波測(cè)振系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周繼惠，陳 剛，曹青松，猶 堃

(華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西南昌 330013)

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基于多普勒效應(yīng)的超聲波測(cè)振系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周繼惠，陳 剛，曹青松，猶 堃

(華東交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西南昌 330013)

連續(xù)超聲波束遇到振動(dòng)物體表面會(huì)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，文中據(jù)此設(shè)計(jì)了超聲波測(cè)振系統(tǒng)，其主要由超聲波發(fā)射接收模塊、數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理模塊等組成。發(fā)射探頭發(fā)出超聲波后，接收探頭獲得由振動(dòng)物體表面反射的超聲波信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再采用微分鑒相方法獲取原振動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)物體的振動(dòng)測(cè)量。最后，對(duì)該超聲波測(cè)振系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證實(shí)了該超聲波測(cè)振系統(tǒng)的有效性。

超聲波；振動(dòng)測(cè)量；多普勒效應(yīng)；微分鑒相

0 引言

機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)是設(shè)備狀態(tài)信息的載體，為了能夠測(cè)量機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)，目前已經(jīng)有接觸式測(cè)振和非接觸式測(cè)振2種方法。接觸式測(cè)振具有技術(shù)成熟，獲取信息豐富等優(yōu)勢(shì)，但測(cè)振傳感器與被測(cè)物體直接接觸，傳感器本身的振動(dòng)和噪聲將會(huì)擾動(dòng)測(cè)量對(duì)象，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)較大誤差。而且，在高溫、強(qiáng)腐蝕等特殊工況下，接觸式測(cè)量方法將無(wú)法達(dá)到有效的測(cè)振目的[1]。為了克服接觸式測(cè)量存在的缺陷，已經(jīng)出現(xiàn)了超聲波測(cè)振、電渦流位移傳感器測(cè)振、光學(xué)干涉測(cè)振等許多非接觸式振動(dòng)測(cè)量方法。光學(xué)干涉測(cè)振法靈敏度高，能夠測(cè)量很微小的振動(dòng)，但是這種方法對(duì)振動(dòng)物體的表面粗糙度很敏感，粗糙的表面會(huì)影響測(cè)量的準(zhǔn)確性[2]。電渦流位移傳感器可以測(cè)量非常微小的振動(dòng)，具有高精度、高頻響的特點(diǎn)。然而，電渦流位移傳感器測(cè)振時(shí)的誤差受溫度影響，溫度越高誤差越大[3-4]，無(wú)法運(yùn)用于高溫工況中。超聲波測(cè)振法能夠運(yùn)用于高溫、高壓、粉塵、強(qiáng)腐蝕等惡劣環(huán)境中，具有測(cè)量精度高、成本低的優(yōu)點(diǎn)[5]。與電渦流位移傳感器測(cè)振法、光學(xué)干涉測(cè)振法相比，超聲波測(cè)振法具有更強(qiáng)的適應(yīng)性，能夠在惡劣的工況中實(shí)現(xiàn)物體的振動(dòng)測(cè)量。

鑒于上述研究背景，本文設(shè)計(jì)基于多普勒效應(yīng)的超聲波測(cè)振系統(tǒng)，該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)反射超聲波信號(hào)的數(shù)據(jù)采集，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行微分鑒相處理，實(shí)現(xiàn)物體的振動(dòng)測(cè)量，并對(duì)該超聲波測(cè)振系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

1 超聲波測(cè)振原理

連續(xù)超聲波束在振動(dòng)表面的的反射原理圖如圖1所示，其中，為超聲波探頭到測(cè)量點(diǎn)的距離，為超聲波束的反射角，為被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)位移。圖1中，發(fā)射探頭發(fā)射的超聲波在振動(dòng)表面會(huì)發(fā)生反射，反射超聲波信號(hào)的相位會(huì)因多普勒效應(yīng)受到調(diào)制，接收探頭接收到的反射超聲波信號(hào)就含有了物體的振動(dòng)信息。

圖1 連續(xù)超聲波束在振動(dòng)表面的的反射原理圖

超聲波發(fā)射探頭發(fā)射的超聲波可表示為：

vt=Atcoswt

(1)

由圖2可知，超聲波傳播的距離為：

L0=2L+2acosφ

(2)

所以，超聲波接收探頭接收的回波可以表示為：

vr=Arcos[wt-2π·(2L+2acosφ)/λ]

=Arcos(wt-2kL-2kacosφ)

=Arcos(wt-φ0-φDOP)

(3)

k=w/c=2π/λ

(4)

式中：c為超聲波的聲速;λ為超聲波的波長(zhǎng)；φ0為超聲波探頭與障礙物之間的距離引起的相位差，為不變量；φDOP為物體的振動(dòng)引起的相位變化。

總的相位變化為：

φ=φ0+φDOP

令振動(dòng)物體的振動(dòng)位移為一正弦信號(hào)，設(shè)為

a(t)=a0sinwLt

(5)

則此時(shí)振動(dòng)引起的相位變化為：

φDOP=2ka0cosφsin[wL(t-L/c)]

(6)

由式(1)、式(3)、式(6)可知，物體的振動(dòng)引起了反射超聲波的相位變化，該反射波攜帶了物體的振動(dòng)信息，對(duì)其進(jìn)行鑒相處理便可以得到物體的振動(dòng)信號(hào)。本文基于這個(gè)原理設(shè)計(jì)了超聲波測(cè)振系統(tǒng)，該測(cè)振系統(tǒng)通過(guò)微分鑒相法實(shí)現(xiàn)了反射波信號(hào)的相位解調(diào)，從而獲得了物體的振動(dòng)信號(hào)。

圖2 超聲波傳播距離變化圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

超聲波測(cè)振系統(tǒng)如圖3所示。該測(cè)振系統(tǒng)分為2個(gè)模塊，包括超聲波發(fā)射接收模塊，信號(hào)采集和信號(hào)分析處理模塊。

圖3 超聲波測(cè)振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

如圖3所示，計(jì)算機(jī)中的NI ELVIS Traditional軟件使NI ELVIS函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生40 kHz的正弦信號(hào)，該正弦信號(hào)直接輸入到發(fā)射電路，激勵(lì)發(fā)射探頭發(fā)射40 kHz的連續(xù)超聲波束。超聲波傳播過(guò)程中遇到物體振動(dòng)表面，會(huì)因?yàn)槎嗥绽招?yīng)的存在，使得反射超聲波的相位被調(diào)制，超聲波接收電路接收反射波并對(duì)其進(jìn)行一定的預(yù)處理，所得到的信號(hào)由DAQ板卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)上，并進(jìn)行微分鑒相處理，最終得到物體的原振動(dòng)信號(hào)。

2.1 超聲波發(fā)射與接收模塊

超聲波發(fā)射接收模塊包括超聲波發(fā)射探頭和接收探頭、發(fā)射電路、接收和信號(hào)調(diào)理電路等，如圖4所示。

圖4 超聲波發(fā)射與接收模塊

在超聲波發(fā)射電路中2個(gè)電阻直接與超聲波發(fā)射探頭相連接，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易通過(guò)軟件控制探頭發(fā)射一定形式的超聲波。超聲波接收和信號(hào)調(diào)理電路能夠拾取回波信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)十分微弱，這里采用集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的放大電路對(duì)其電壓信號(hào)進(jìn)行放大。

2.2 信號(hào)采集和分析處理模塊

信號(hào)采集和分析處理模塊核心是DAQ板卡和計(jì)算機(jī)，如圖5所示。

圖5 信號(hào)采集和分析處理模塊

經(jīng)過(guò)調(diào)理的調(diào)相信號(hào)輸入到采集板卡的模擬電壓信號(hào)采集端口，再由LabView軟件中的DAQ助手設(shè)置信號(hào)采樣頻率等參數(shù)，采樣后的數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示。最后，將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行微分鑒相處理得到物體的振動(dòng)信號(hào)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)程序流程圖

在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，由LabView軟件編寫(xiě)數(shù)據(jù)采集程序，通過(guò)DAQ助手配置DAQ的采樣率為1 MHz，每次采集65535個(gè)數(shù)據(jù)。將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)微分鑒相處理便能解調(diào)出物體的振動(dòng)信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)調(diào)相信號(hào)的微分鑒相，首先對(duì)調(diào)相信號(hào)求一階導(dǎo)數(shù)得到調(diào)幅調(diào)相信號(hào)，然后通過(guò)半波檢波、峰值檢波便可以得到振動(dòng)信號(hào)的一階導(dǎo)數(shù)，再通過(guò)積分處理就可以還原振動(dòng)信號(hào)。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，本文搭建了基于多普勒效應(yīng)的的超聲波測(cè)振實(shí)驗(yàn)臺(tái)，如圖7所示。

圖7 超聲波測(cè)振實(shí)驗(yàn)臺(tái)

該超聲波測(cè)振實(shí)驗(yàn)臺(tái)包括NI ELVIS、掃頻信號(hào)發(fā)生器、激振器、計(jì)算機(jī)、超聲波發(fā)射接收模塊及固定裝置等。取超聲波探頭至測(cè)量點(diǎn)的距離為L(zhǎng)=18 mm。選擇尺寸為388 mm×30 mm×1 mm的鋼板作為被測(cè)對(duì)象。臺(tái)鉗作為固定裝置，固定鋼板的一側(cè)，另一側(cè)與激振器連接，通過(guò)調(diào)節(jié)掃頻信號(hào)發(fā)生器使鋼板獲得一定振幅與頻率的振動(dòng)。

本文利用所搭建的超聲波測(cè)振實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)被測(cè)鋼板進(jìn)行了測(cè)振實(shí)驗(yàn)。調(diào)節(jié)掃頻信號(hào)發(fā)生器使鋼板以頻率60 Hz，振幅1.5 mm的正弦形式振動(dòng)。圖8所示為獲得的超聲波反射信號(hào)圖像。對(duì)反射信號(hào)經(jīng)過(guò)一階求導(dǎo)、半波檢波和峰值檢波再乘以一定的比例系數(shù)后，得到了物體振動(dòng)信號(hào)圖像，如圖9所示。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該超聲波測(cè)振系統(tǒng)能夠比較準(zhǔn)確的測(cè)得物體的振動(dòng)信號(hào)，達(dá)到了測(cè)振目的。

5 結(jié)論

本文根據(jù)多普勒效應(yīng)設(shè)計(jì)了超聲波測(cè)振系統(tǒng)，搭建了超聲波測(cè)振實(shí)驗(yàn)臺(tái)。利用超聲波測(cè)振實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了測(cè)振實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該測(cè)振系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)物體的振動(dòng)測(cè)量，測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)能夠比較準(zhǔn)確地反映被測(cè)物體的振動(dòng)，具有一定的工程實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。

圖8 反射超聲波信號(hào)

圖9 解調(diào)出的60Hz振動(dòng)信號(hào)

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Design of Ultrasonic System for Vibration Measurement Based on Doppler Effect

ZHOU Ji-hui,CHEN Gang,CAO Qing-song,YOU Kun

( School of Mechanical and Electrical Engineering of East China Jiao Tong University,Nan Chang 330013,China )

The ultrasonic system was designed for vibration measurement Doppler effect occurring when continuous ultrasonic beam encountered the surface of vibrating object.The system was composed of ultrasonic transmitting and receiving module and signal acquisition,processing and analysis module.The ultrasound was transmitted by the ultrasonic transmitting probe.The ultrasonic signal reflected from the surface was

by the ultrasonic receiving probe and the reflected ultrasonic signal was converted to the digital signal through the data acquisition card.Then the digital signal was processed through differential phase demodulation to obtain the original vibration signal.Finally,the ultrasonic system for vibration measurement was tested,and the validity of the system was confirmed.

ultrasound；vibration measurement；Doppler effect；differential phase demodulation

江西省青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20132BAB216029)；華東交通大學(xué)研究生創(chuàng)新專項(xiàng)基金項(xiàng)目(YC2013-X006)

2014-09-16 收修改稿日期：2015-03-28

TH825

A

1002-1841(2015)07-0061-02

周繼惠(1978—)，講師，碩士，主要從事無(wú)損檢測(cè)、機(jī)電一體化等方面的研究。E-mail：2000cqs@163.com. 陳剛(1991—)，在讀碩士研究生，主要從事儀器科學(xué)與技術(shù)方面的研究。E-mail：chengang19911017@163.com.