基于频率跟踪的压电超声换能器效率优化方法

发布时间：2021-10-02 08:17

　　为了提高钢轨中超声导波的传输效率,提出一种在接收端进行频率跟踪的压电超声换能器效率优化方法。结合变步长扫描思想,采用一发一收机制,通过软件从时域和频域角度分析扫频后接收信号的幅度和功率谱密度等参数,从而实时矫正压电超声换能器的最佳激励频率,提高换能器转换效率。在50,100,200 m不同距离下进行现场测试。实验结果表明:扫频后获得的最佳激励频率远高于34 k Hz换能器串联谐振频率,且扫频后接收信号的快速傅里叶变换（FFT）幅度和功率谱密度均明显增加,尤其在测试距离为50 m时,中心频率的FFT幅值和功率谱密度分别提高了86. 17%和51. 04%。 

【文章来源】：传感器与微系统. 2020,39(06)CSCD

【文章页数】：4 页

【部分图文】：

换能器等效电路

超声导波损伤检测法利用安装在钢轨轨腰上的超声换能器将超声波射入钢轨中，形成沿钢轨长度方向传播的超声导波来进行检测[6,7]。该方法属于机械波检测方式，故不易受电磁干扰、轨道电气参数等因素影响，且具有安装维护简单等优势。超声导波损伤检测系统主要由发射端、接收端和通信模块组成，超声波发送器和超声波接收器交替安装。频率跟踪总体方案框图如图2所示。首先，根据压电超声换能器谐振频率在ARM微处理器中确定扫频范围和步长，通过激励电路驱动换能器工作。然后，超声导波经过钢轨传输，在接收端通过调理电路对信号进行调理，再经模数转换器(analog to digital converter,ADC)采集判断压电超声换能器的最佳激励频率。根据接收信号的振幅最大值作为最佳激励频率的选择依据。扫描结束后在接收端判断出最佳激励频率并通过数传模块传送至发射端，发射端以此频率作为最佳激励频率进行发送，使得压电超声换能器得到最大功率输出。

此数字跟踪滤波器的特点是利用了离散化傅里叶变换算法，首先对信号在时域上通过模/数转换进行N点采集，其次进行N点FFT运算，得到一组幅度和频率对应的值，根据滤波器要求设定带宽范围进行滤波，将不满足要求频率点对应幅值设为零[9]，得到一组新数据，再对这组新数据进行IFFT，即为滤波后的信号。扫频结束后，结合接收信号的时域和频域幅值，取幅值最大的频率作为压电超声换能器的最佳激励频率。频率跟踪原理流程图如图3所示。该方法适应性强、灵活性高、降低电路复杂度、节约成本、易于实现集成和自动化，并且在接收端没有额外的功耗，同时，也适用于其他远程检测应用。3 实验结果与分析

【参考文献】：
期刊论文
[1]空气耦合超声无损检测系统电路设计[J]. 张宸宸,李松松,夏闻泽,李昆,杜剑峰,苏欣.  传感器与微系统. 2019(01)
[2]多通道超声波探伤在役钢轨检测中的应用[J]. 吴桂清,厉振武,陈彦芳.  传感器与微系统. 2013(10)
[3]离散傅里叶变换及反变换在数字滤波器设计中的应用[J]. 周燕.  数字技术与应用. 2011(08)



本文编号：3418318