基于多普勒效应的超声波测振系统设计

发布时间：2019-11-28 15:03

【摘要】：连续超声波束遇到振动物体表面会产生多普勒效应,文中据此设计了超声波测振系统,其主要由超声波发射接收模块、数据采集和信号处理模块等组成。发射探头发出超声波后,接收探头获得由振动物体表面反射的超声波信号,通过数据采集卡转换为数字信号,再采用微分鉴相方法获取原振动信号,实现物体的振动测量。最后,对该超声波测振系统进行了实验,结果证实了该超声波测振系统的有效性。
【图文】：

连续超声波,振动表面,反射原理

高温工况中。超声波测振法能够运用于高温、高压、粉尘、强腐蚀等恶劣环境中，具有测量精度高、成本低的优点［5］。与电涡流位移传感器测振法、光学干涉测振法相比，超声波测振法具有更强的适应性，能够在恶劣的工况中实现物体的振动测量。鉴于上述研究背景，本文设计基于多普勒效应的超声波测振系统，该系统由数据采集卡实现反射超声波信号的数据采集，，通过计算机对采集后的数据进行微分鉴相处理，实现物体的振动测量，并对该超声波测振系统进行实验测试。1超声波测振原理连续超声波束在振动表面的的反射原理图如图1所示，其中，为超声波探头到测量点的距离，为超声波束的反射角，为被测对象的振动位移。图1中，发射探头发射的超声波在振动表面会发生反射，反射超声波信号的相位会因多普勒效应受到调制，接收探头接收到的反射超声波信号就含有了物体的振动信息。图1连续超声波束在振动表面的的反射原理图超声波发射探头发射的超声波可表示为:vt=Atcoswt(1)由图2可知，超声波传播的距离为:L0=2L+2acosφ(2)所以，超声波接收探头接收的回波可以表示为:vr=Arcos［wt－2π·(2L+2acosφ)/λ］

超声波传播,超声波

位差，为不变量;φDOP为物体的振动引起的相位变化。总的相位变化为:φ=φ0+φDOP令振动物体的振动位移为一正弦信号，设为a(t)=a0sinwLt(5)则此时振动引起的相位变化为:φDOP=2ka0cosφsin［wL(t－L/c)］(6)由式(1)、式(3)、式(6)可知，物体的振动引起了反射超声波的相位变化，该反射波携带了物体的振动信息，对其进行鉴相处理便可以得到物体的振动信号。本文基于这个原理设计了超声波测振系统，该测振系统通过微分鉴相法实现了反射波信号的相位解调，从而获得了物体的振动信号。图2超声波传播距离变化图2系统硬件设计超声波测振系统如图3所示。该测振系统分为2个模块，包括超声波发射接收模块，信号采集和信号分析处理模块。图3超声波测振系统结构原理图如图3所示，计算机中的NIELVISTraditional软件使NIELVIS函数发生器产生40kHz的正弦信号，该正弦信号直接输入到发射电路，激励发射探头发射40kHz的连续超声波束。超声波传播过程中遇到物体振动表面，会因为多普勒效应的存在，使得反射超声波的相位被调制，超声波接收电路接收反射波并对其进行一定的预处理，所得到的信号由DAQ板卡实现数据采集，采集的数据存储在计算机上，并进行微分鉴相处理，最终得到物体的原振动信号。2．1超声波发射与接收模块超声波发射接收模块包括超声波发射探头和接收探头、发射电路、接收和信号调理电路等，如图4所示。图4超声波发射与接收模块在超声波发射电路中2个电阻直接与超声波发射探头相连接，电路结构简单，易通过软件控制探头发射一定形式的超声波。超声波接收和信号调理电路能够拾取回波信号并将其转换为电压信号，该电压信号十分微弱，这里采用集成运算放大器构成的放大电路对其电压信号进行放大?

【参考文献】