專利名稱：一種超聲波測量周期性振動幅度的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量物體機械振動等物理波振幅的方法和系統(tǒng)，特別是一種應用 非線性相位解調(diào)原理實現(xiàn)測量周期性振動幅度的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
超聲波通常被定義為頻率高于20kHz的聲波，具有方向性好，穿透力強，能量易于 集中等優(yōu)點，被廣泛應用于醫(yī)學、軍事、工業(yè)等領(lǐng)域上。在精細加工、材料探傷、生物醫(yī)學等領(lǐng)域，物體機械振動等物理波振幅的測量具有 重要的意義。目前的測量方法有接觸式檢測技術(shù)，通過接觸式傳感器、電極來獲取信息，但 這種方式需要直接或間接的接觸探測對象，對探測對象有一定的束縛和條件限制，因而制 約了其應用范圍。在非接觸式測量的方法中有利用多普勒頻移原理，通過小角近似的方法 分析被調(diào)制的相位，或者采用正切正交解調(diào)的方法分析被調(diào)制的相位的方法，但是這些方 法只能用于測量周期性振動的振動頻率，卻無法測量其幅度。在非接觸式測量周期性振動 幅度的方法中，最為常見的是基于光干涉測量技術(shù)的光學測量法，其優(yōu)勢是可實現(xiàn)高精度 的測量，但是這種方法對于天氣和環(huán)境的依賴性很大。而超聲波的特點是對雨、霧、雪的穿 透力強，因此可以在雨雪、大霧等惡劣天氣下工作，從而彌補光學測量法的缺點。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種超聲波測量周期性振動幅度的方法和系統(tǒng)。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是所述超聲波測量周期性振動幅度的方法包括如下步驟由測量信號生成單元生成 數(shù)字載波信號，該數(shù)字載波信號分成兩路其中一路數(shù)字載波信號發(fā)送到數(shù)據(jù)處理單元； 另一路數(shù)字載波信號驅(qū)動數(shù)字信號/聲波轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生模擬載波信號，所述模擬載波信號經(jīng) 過超聲波功率放大器放大后經(jīng)超聲波發(fā)射換能器處理以將電信號轉(zhuǎn)換為超聲波信號，并由 該超聲波發(fā)射換能器向周期性振動物體發(fā)射超聲波信號，周期性振動物體將所述超聲波信 號反射到超聲波接收換能器，超聲波接收換能器將所接收到的超聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號后 經(jīng)低噪聲放大器放大并發(fā)送到波束成形器進行移相和求和，再由模數(shù)轉(zhuǎn)換器對移相和求和 后的電信號進行采樣并發(fā)送到數(shù)據(jù)處理單元；數(shù)據(jù)處理單元對所接收的數(shù)字載波信號和采 樣后的信號進行混頻處理，對混頻處理后的信號進行傅里葉變換，得到混頻處理后的信號 的基波及各階諧波分量的信號幅度；再計算第i階和第i+2n階諧波分量信號幅度的絕對值 之比，其中，η ^ 1且為整數(shù)；再根據(jù)該絕對值之比與貝塞爾函數(shù)系的相應階數(shù)的理論絕對 值之比計算得到周期性振動物體的第一周期性振動幅度值。進一步，本發(fā)明所述i彡5且η彡2。進一步，本發(fā)明同時還計算第j階和第j+aii階諧波分量的信號幅度的絕對值之 比，其中，m彡1且為整數(shù)，且i Φ j ；再根據(jù)第j階和第j+aii階諧波分量的信號幅度的絕對 值之比與貝塞爾函數(shù)系的相應階數(shù)的理論絕對值之比計算得到周期性振動物體的第二周期性振動幅度值，并比較第一周期性振動幅度值和第二周期性振動幅度值是否相同。進一步，本發(fā)明所述j彡5且m彡2。本發(fā)明實施以上測量方法的系統(tǒng)包括測量信號生成單元、數(shù)字信號/聲波轉(zhuǎn)換 器、超聲波功率放大器、超聲波發(fā)射換能器、超聲波接收換能器、低噪聲放大器、波束成形 器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)處理單元；測量信號生成單元的輸出端分別與數(shù)字信號/聲波轉(zhuǎn)換 器的輸入端、數(shù)據(jù)處理單元連接，數(shù)字信號/聲波轉(zhuǎn)換器的輸出端與超聲波功率放大器的 輸入端連接，超聲波功率放大器的輸出端與超聲波發(fā)射換能器的輸入端連接，超聲波接收 換能器的輸出端與低噪聲放大器的輸入端連接，低噪聲放大器的輸出端與波束成形器的輸 入端連接，波束成形器的輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端連接，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端與數(shù)據(jù) 處理單元連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果是選擇用超聲波來測量周期性振動幅 度，不僅能夠保證測量時良好的方向性和穿透性，而且能采用簡單的硬件結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)該系 統(tǒng)。利用非線性相位解調(diào)原理，能夠在不需要對接收到的信號幅度進行校正的情況下實現(xiàn) 振動幅度的測量。對于數(shù)據(jù)處理單元，所采用的數(shù)據(jù)處理方法可以實現(xiàn)自校準，從而保證測 量結(jié)果的正確性。通過本發(fā)明方法可以實現(xiàn)遠距離無接觸式地測量周期性振動的振動幅 度。
圖1是本發(fā)明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖。圖中1、測量信號生成單元，2、數(shù)字信號/聲波轉(zhuǎn)換器，3、超聲波功率放大器，4、 超聲波發(fā)射換能器，5、超聲波接收換能器，6、低噪聲放大器，7、波束成形器，8、模數(shù)轉(zhuǎn)換器， 9、數(shù)據(jù)處理單元。
具體實施例方式本發(fā)明應用非線性相位解調(diào)原理進行超聲波測量周期性振動幅度。圖1示出了一 種用于實施本發(fā)明測量方法的裝置，它包括測量信號生成單元1、數(shù)字信號/聲波轉(zhuǎn)換器2、 超聲波功率放大器3、超聲波發(fā)射換能器4、超聲波接收換能器5、低噪聲放大器6、波束成形 器7、模數(shù)轉(zhuǎn)換器8和數(shù)據(jù)處理單元9 ；測量信號生成單元1的輸出端分別與數(shù)字信號/聲 波轉(zhuǎn)換器2的輸入端、數(shù)據(jù)處理單元9連接，數(shù)字信號/聲波轉(zhuǎn)換器2的輸出端與超聲波功 率放大器3的輸入端連接，超聲波功率放大器3的輸出端與超聲波發(fā)射換能器4的輸入端 連接，超聲波接收換能器5的輸出端與低噪聲放大器6的輸入端連接，低噪聲放大器6的輸 出端與波束成形器7的輸入端連接，波束成形器7的輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換器8的輸入端連接， 模數(shù)轉(zhuǎn)換器8的輸出端與數(shù)據(jù)處理單元9連接。測量信號生成單元1是一種信號數(shù)據(jù)產(chǎn)生器，例如，MATLAB產(chǎn)生的數(shù)字信號波形 數(shù)據(jù)、基于LABVIEW的虛擬儀器產(chǎn)生的數(shù)字信號波形數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)處理單元9 一般可使用 基于DSP或者FPGA的嵌入式處理系統(tǒng)。利用圖1所示的裝置進行超聲波測量周期性振動幅度的方法的具體步驟如下由測量信號生成單元1生成數(shù)字載波信號，該數(shù)字載波信號分成兩路其中一 路數(shù)字載波信號發(fā)送到數(shù)據(jù)處理單元9 ；另一路數(shù)字載波信號驅(qū)動數(shù)字信號/聲波轉(zhuǎn)換
4器2產(chǎn)生模擬載波信號，所述模擬載波信號經(jīng)過超聲波功率放大器3放大后經(jīng)超聲波發(fā) 射換能器4處理以將電信號轉(zhuǎn)換為超聲波信號，并由該超聲波發(fā)射換能器4向周期性 振動物體發(fā)射超聲波信號(該超聲波信號即為測量信號)。測量信號由于為超聲波信 號，因此可以克服大霧、雨雪等惡劣的天氣條件，從而提高測量的準確度。設測量信號為 T(t) =At coMc^t+ct (t))，其中，At為測量信號的幅度，Oci為測量信號的振動角頻率， Φ (t)為測量信號的相位噪聲，被探測的周期性振動物體和超聲波發(fā)射換能器4、超聲波 接收換能器5的距離均為Cltl，被探測周期性振動物體的振動表示為x(t) =A sin on，其 中A為周期性振動物體的振動幅度，ω為周期性振動物體的振動角頻率，則從超聲波發(fā) 射換能器4到周期性振動物體再到超聲波接收換能器5的總距離為dt(t) = 2d0+2x(t)， 周期性振動物體將超聲波信號反射到超聲波接收換能器5，超聲波接收換能器5將所 接收到的超聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號，根據(jù)多普勒原理，該轉(zhuǎn)換后的電信號可以表示為
權(quán)利要求
1.一種超聲波測量周期性振動幅度的方法，其特征是包括如下步驟由測量信號生成單元(1)生成數(shù)字載波信號，該數(shù)字載波信號分成兩路其中一路數(shù) 字載波信號發(fā)送到數(shù)據(jù)處理單元(9)；另一路數(shù)字載波信號驅(qū)動數(shù)字信號/聲波轉(zhuǎn)換器(2) 產(chǎn)生模擬載波信號，所述模擬載波信號經(jīng)過超聲波功率放大器C3)放大后經(jīng)超聲波發(fā)射換 能器(4)處理以將電信號轉(zhuǎn)換為超聲波信號，并由該超聲波發(fā)射換能器向周期性振動 物體發(fā)射超聲波信號，周期性振動物體將所述超聲波信號反射到超聲波接收換能器(5)，超 聲波接收換能器( 將所接收到的超聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號后經(jīng)低噪聲放大器(6)放大并 發(fā)送到波束成形器(7)進行移相和求和，再由模數(shù)轉(zhuǎn)換器⑶對移相和求和后的電信號進 行采樣并發(fā)送到數(shù)據(jù)處理單元(9)；數(shù)據(jù)處理單元(9)對所接收的數(shù)字載波信號和采樣后 的信號進行混頻處理，對混頻處理后的信號進行傅里葉變換，得到混頻處理后的信號的基 波及各階諧波分量的信號幅度；再計算第i階和第i+2n階諧波分量信號幅度的絕對值之 比，其中，η ^ 1且為整數(shù)；再根據(jù)該絕對值之比與貝塞爾函數(shù)系的相應階數(shù)的理論絕對值 之比計算得到周期性振動物體的第一周期性振動幅度值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波測量周期性振動幅度的方法，其特征是所述且 η彡2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超聲波測量周期性振動幅度的方法，其特征是同時 還計算第j階和第j+an階諧波分量的信號幅度的絕對值之比，其中，m ^ 1且為整數(shù)，且 i φ j ；再根據(jù)第j階和第j+an階諧波分量的信號幅度的絕對值之比與貝塞爾函數(shù)系的相 應階數(shù)的理論絕對值之比計算得到周期性振動物體的第二周期性振動幅度值，并比較第一 周期性振動幅度值和第二周期性振動幅度值是否相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超聲波測量周期性振動幅度的方法，其特征是所述j< 5且 m彡2。
5.一種實現(xiàn)權(quán)利要求1的測量方法的系統(tǒng)，其特征是包括測量信號生成單元(1)、數(shù) 字信號/聲波轉(zhuǎn)換器(2)、超聲波功率放大器(3)、超聲波發(fā)射換能器G)、超聲波接收換能 器(5)、低噪聲放大器(6)、波束成形器(7)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器⑶和數(shù)據(jù)處理單元(9)；測量信號 生成單元(1)的輸出端分別與數(shù)字信號/聲波轉(zhuǎn)換器O)的輸入端、數(shù)據(jù)處理單元(9)連 接，數(shù)字信號/聲波轉(zhuǎn)換器( 的輸出端與超聲波功率放大器C3)的輸入端連接，超聲波功 率放大器(3)的輸出端與超聲波發(fā)射換能器的輸入端連接，超聲波接收換能器(5)的 輸出端與低噪聲放大器(6)的輸入端連接，低噪聲放大器(6)的輸出端與波束成形器(7) 的輸入端連接，波束成形器(7)的輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換器(8)的輸入端連接，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(8) 的輸出端與數(shù)據(jù)處理單元(9)連接。
全文摘要
本發(fā)明公開一種超聲波測量周期性振動幅度的方法和系統(tǒng)。其測量方法如下測量信號生成單元生成數(shù)字載波信號，經(jīng)數(shù)字信號/聲波轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換和超聲波功率放大器放大后由超聲波發(fā)射換能器向周期性振動物體發(fā)射測量信號，周期性振動物體將測量信號反射，超聲波接收換能器將所接收到的信號轉(zhuǎn)換后經(jīng)低噪聲放大器放大再發(fā)送到波束成形器進行移相和求和，再由模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行采樣并發(fā)送到數(shù)據(jù)處理單元與數(shù)字載波信號進行混頻處理，對混頻處理后的信號進行傅里葉變換，再計算第i階和第i+2n階諧波分量的信號幅度的絕對值之比，根據(jù)該絕對值之比與貝塞爾函數(shù)系的相應階數(shù)的理論絕對值之比計算得到周期性振動物體的周期性振動幅度值。
文檔編號G01H17/00GK102141432SQ201010588319
公開日2011年8月3日 申請日期2010年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月7日
發(fā)明者冉立新, 潘文森, 皇甫江濤 申請人:浙江大學