全自動(dòng)相位差法聲速測(cè)量裝置的研制與探討

石明吉，宋金璠，郭新峰

(南陽理工學(xué)院 電子與電氣工程學(xué)院,河南 南陽 473004)

聲波是在彈性媒質(zhì)中傳播的縱波，隨著超聲學(xué)研究的迅速發(fā)展，聲學(xué)檢測(cè)在實(shí)際應(yīng)用中已越來越廣泛，對(duì)超聲波傳播速度的測(cè)量在超聲波測(cè)距、無損檢測(cè)、定位、測(cè)量氣體溫度瞬間變化等方面具有重大意義[1]. 超聲波具有波長短、可定向的優(yōu)點(diǎn)，因此，常被用作測(cè)量聲速[2]. 目前，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的聲速測(cè)量方法主要有2種：駐波法(也叫共振干涉法)和相位比較法[3]. 相位比較法因?yàn)闇?zhǔn)確度高而應(yīng)用更加普遍，傳統(tǒng)的相位比較法聲速測(cè)量需要尋找李薩如圖形為直線的位置，通常的做法是用連接示波器的聲波接收器在被測(cè)區(qū)域內(nèi)逐處測(cè)量，一邊移動(dòng)聲波接收器一邊觀察示波器，當(dāng)示波器顯示一三象限或二四象限直線時(shí)，停止移動(dòng)聲波接收器，將該點(diǎn)的位置讀數(shù)記錄下來. 然后重復(fù)上述操作，直到找到8～12個(gè)目標(biāo)位置. 在尋點(diǎn)過程中，因?yàn)橄辔徊顩]有數(shù)字化，只能用眼睛觀察，不容易找準(zhǔn)一三象限或二四象限直線的位置. 如果聲波接收器反向移動(dòng)，就會(huì)存在回程差，所以尋點(diǎn)效率特別低[4-5]. 為改進(jìn)相位比較法的缺陷，讓相位比較法成為既簡單又準(zhǔn)確的聲速測(cè)量方法，筆者研制了全自動(dòng)相位差聲速測(cè)量裝置. 利用AD8302模塊實(shí)現(xiàn)了相位差的數(shù)字化[6]；利用單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，采集卡和上位機(jī)提高了測(cè)量的效率和測(cè)量的精度，消除了回程差的影響.

1 相位比較法測(cè)量空氣中聲速的原理

按照波動(dòng)理論，在聲波的傳播方向上的任何兩點(diǎn)，如果振動(dòng)狀態(tài)相同或者其相位差是2π的整數(shù)倍，這兩點(diǎn)間的距離就是波長的整數(shù)倍. 實(shí)驗(yàn)采用圖1所示實(shí)驗(yàn)裝置. 從聲波發(fā)射器S1發(fā)出的超聲波通過空氣到達(dá)聲波接收器S2，在發(fā)射波和接收波之間產(chǎn)生相位差為

φ=2πl(wèi)/λ.

(1)

式中，l是聲波發(fā)射器與聲波接收器之間的距離，λ是波長. 可見，若要使相位差改變2π，那么聲波發(fā)射器與聲波接收器之間的距離l就要相應(yīng)地改變?chǔ)? 沿聲波傳播方向移動(dòng)接收器時(shí)，總可以找到某位置使得接收到的信號(hào)與發(fā)射器的激勵(lì)電信號(hào)同相位(相位差是2π的整數(shù)倍). 繼續(xù)移動(dòng)接收器，直到找到的信號(hào)再次與發(fā)射器的激勵(lì)信號(hào)同相位時(shí)，移過的這段距離就等于聲波的波長λ. 由信號(hào)發(fā)生器可讀出頻率f，即可算出聲速v=λf，這種方法就是相位比較法[7].

圖1 相位比較法測(cè)量聲速裝置示意圖

2 整體設(shè)計(jì)

全自動(dòng)相位差法聲速測(cè)量裝置由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、聲波接收器移動(dòng)系統(tǒng)和上位機(jī)3部分構(gòu)成，如圖2所示. 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由聲波接收器、AD8302模塊、數(shù)據(jù)采集卡、待測(cè)聲波場、電源1(給AD8302模塊供電)和電源2(給采集卡和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器供電)組成. 聲波發(fā)射器固定到絲杠導(dǎo)軌的固定塊上，聲波發(fā)生器與信號(hào)發(fā)生器的輸出端相連. 待測(cè)聲波場的媒質(zhì)是空氣. 聲波接收器移動(dòng)系統(tǒng)由STC89C52單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、絲杠導(dǎo)軌(加載有聲波接收器)和電源2構(gòu)成. 聲波接收器利用接收器支架鎖定在絲杠的滑塊上. 聲波接收器要插入并鎖定在接收器支架上，聲波接收器端面的法線方向要與絲杠的軸向剛好平行；聲波接收器的高度與聲波發(fā)生器的高度要相同. 將信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)和接收器接收的信號(hào)分別接到AD8302模塊的INPA和INPB，由AD8302模塊的PHASE端輸出與兩信號(hào)相位差成反比的電壓信號(hào). 上位機(jī)控制系統(tǒng)利用C語言編程，通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，利用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)聲波接收器的運(yùn)動(dòng)；通過數(shù)據(jù)采集卡獲得AD8302輸出的電壓數(shù)據(jù)，利用軟件畫圖，給出相位差變化與接收器位置的關(guān)系圖，并保存數(shù)據(jù)和圖片.

圖2 全自動(dòng)相位差法聲速測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)框圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)時(shí)溫度為15 ℃，諧振頻率為38.61 kHz，設(shè)定數(shù)據(jù)的采集周期為300 ms，數(shù)據(jù)點(diǎn)為4 000個(gè). 利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分功能，將步進(jìn)電機(jī)的步距角設(shè)為0.9°，絲桿的導(dǎo)程為4 mm，因此步進(jìn)電機(jī)每走一步，聲波接收器移動(dòng)0.01 mm. 測(cè)試開始前，發(fā)射器與接收器之間的距離約為4 cm；測(cè)試過程中，二者逐漸遠(yuǎn)離. 將全自動(dòng)相位差法聲速測(cè)量裝置生成的Excel數(shù)據(jù)用Origin軟件處理，可得到AD8302輸出的電壓變化與聲波接收器位置的關(guān)系，如圖3所示.

圖3 AD8302輸出電壓隨接收器位置的變化

v=λf=343.63 m/s.

(2)

已知聲速在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下與傳播介質(zhì)空氣的溫度關(guān)系為[8]

vs=331.45+0.59t.

(3)

此外，圖3中后3個(gè)峰兩端出現(xiàn)了伴峰，尤其是第5個(gè)峰的兩側(cè)，伴峰非常明顯.

4 結(jié)束語

全自動(dòng)相位差法聲速測(cè)量裝置利用AD8302模塊實(shí)現(xiàn)了相位差測(cè)量的數(shù)字化；利用單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)了聲波接收器運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)化；利用上位機(jī)和采集卡實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)化. 在提高測(cè)量精度的同時(shí)，消除了回程誤差，提高了數(shù)據(jù)采集的效率. 采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的同時(shí)，上位機(jī)實(shí)時(shí)繪出相位差變化與接收器位置關(guān)系圖. 本裝置原理簡單、成本低廉、容易操作、效果直觀.

[1] 謝春香，張禹濤，黃篤之. 非簡諧波對(duì)聲速測(cè)量的影響[J]. 湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)， 2013，28(1):120-123.

[2] 孫金林，王國余，胡方圓． 數(shù)字化智能聲速測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 傳感器與微系統(tǒng)，2015，34(10)：114-117,127．

[3] 楊志云． 駐波法與相位比較法測(cè)聲速實(shí)驗(yàn)探討[J]. 產(chǎn)業(yè)與科技論壇,2011,10(7)：86-87.

[4] 劉石劬． 聲速測(cè)量及不確定度分析[J]. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)， 2013，26(4)：99-103.

[5] 張俊玲． 駐波法測(cè)量聲速實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差分析[J]. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2012，25(5)：81-83.

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[7] 陳蘭莉. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M]. 上海：上海交通大學(xué)出版社，2013:245-250.

[8] 張續(xù)文,李萬金. 計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量聲速的設(shè)計(jì)研究[J]. 六盤水師范學(xué)院學(xué)報(bào),2013,25(2):81-85.