专利名称：一种超声波测量周期性振动幅度的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测量物体机械振动等物理波振幅的方法和系统，特别是一种应用 非线性相位解调原理实现测量周期性振动幅度的方法和系统。
背景技术：
超声波通常被定义为频率高于20kHz的声波，具有方向性好，穿透力强，能量易于 集中等优点，被广泛应用于医学、军事、工业等领域上。在精细加工、材料探伤、生物医学等领域，物体机械振动等物理波振幅的测量具有 重要的意义。目前的测量方法有接触式检测技术，通过接触式传感器、电极来获取信息，但 这种方式需要直接或间接的接触探测对象，对探测对象有一定的束缚和条件限制，因而制 约了其应用范围。在非接触式测量的方法中有利用多普勒频移原理，通过小角近似的方法 分析被调制的相位，或者采用正切正交解调的方法分析被调制的相位的方法，但是这些方 法只能用于测量周期性振动的振动频率，却无法测量其幅度。在非接触式测量周期性振动 幅度的方法中，最为常见的是基于光干涉测量技术的光学测量法，其优势是可实现高精度 的测量，但是这种方法对于天气和环境的依赖性很大。而超声波的特点是对雨、雾、雪的穿 透力强，因此可以在雨雪、大雾等恶劣天气下工作，从而弥补光学测量法的缺点。

发明内容
本发明的目的在于提供一种超声波测量周期性振动幅度的方法和系统。为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是所述超声波测量周期性振动幅度的方法包括如下步骤由测量信号生成单元生成 数字载波信号，该数字载波信号分成两路其中一路数字载波信号发送到数据处理单元； 另一路数字载波信号驱动数字信号/声波转换器产生模拟载波信号，所述模拟载波信号经 过超声波功率放大器放大后经超声波发射换能器处理以将电信号转换为超声波信号，并由 该超声波发射换能器向周期性振动物体发射超声波信号，周期性振动物体将所述超声波信 号反射到超声波接收换能器，超声波接收换能器将所接收到的超声波信号转换为电信号后 经低噪声放大器放大并发送到波束成形器进行移相和求和，再由模数转换器对移相和求和 后的电信号进行采样并发送到数据处理单元；数据处理单元对所接收的数字载波信号和采 样后的信号进行混频处理，对混频处理后的信号进行傅里叶变换，得到混频处理后的信号 的基波及各阶谐波分量的信号幅度；再计算第i阶和第i+2n阶谐波分量信号幅度的绝对值 之比，其中，η ^ 1且为整数；再根据该绝对值之比与贝塞尔函数系的相应阶数的理论绝对 值之比计算得到周期性振动物体的第一周期性振动幅度值。进一步，本发明所述i彡5且η彡2。进一步，本发明同时还计算第j阶和第j+aii阶谐波分量的信号幅度的绝对值之 比，其中，m彡1且为整数，且i Φ j ；再根据第j阶和第j+aii阶谐波分量的信号幅度的绝对 值之比与贝塞尔函数系的相应阶数的理论绝对值之比计算得到周期性振动物体的第二周期性振动幅度值，并比较第一周期性振动幅度值和第二周期性振动幅度值是否相同。进一步，本发明所述j彡5且m彡2。本发明实施以上测量方法的系统包括测量信号生成单元、数字信号/声波转换 器、超声波功率放大器、超声波发射换能器、超声波接收换能器、低噪声放大器、波束成形 器、模数转换器和数据处理单元；测量信号生成单元的输出端分别与数字信号/声波转换 器的输入端、数据处理单元连接，数字信号/声波转换器的输出端与超声波功率放大器的 输入端连接，超声波功率放大器的输出端与超声波发射换能器的输入端连接，超声波接收 换能器的输出端与低噪声放大器的输入端连接，低噪声放大器的输出端与波束成形器的输 入端连接，波束成形器的输出端与模数转换器的输入端连接，模数转换器的输出端与数据 处理单元连接。与现有技术相比，本发明具有的有益效果是选择用超声波来测量周期性振动幅 度，不仅能够保证测量时良好的方向性和穿透性，而且能采用简单的硬件结构来实现该系 统。利用非线性相位解调原理，能够在不需要对接收到的信号幅度进行校正的情况下实现 振动幅度的测量。对于数据处理单元，所采用的数据处理方法可以实现自校准，从而保证测 量结果的正确性。通过本发明方法可以实现远距离无接触式地测量周期性振动的振动幅 度。


图1是本发明系统的结构原理图。图中1、测量信号生成单元，2、数字信号/声波转换器，3、超声波功率放大器，4、 超声波发射换能器，5、超声波接收换能器，6、低噪声放大器，7、波束成形器，8、模数转换器， 9、数据处理单元。
具体实施例方式本发明应用非线性相位解调原理进行超声波测量周期性振动幅度。图1示出了一 种用于实施本发明测量方法的装置，它包括测量信号生成单元1、数字信号/声波转换器2、 超声波功率放大器3、超声波发射换能器4、超声波接收换能器5、低噪声放大器6、波束成形 器7、模数转换器8和数据处理单元9 ；测量信号生成单元1的输出端分别与数字信号/声 波转换器2的输入端、数据处理单元9连接，数字信号/声波转换器2的输出端与超声波功 率放大器3的输入端连接，超声波功率放大器3的输出端与超声波发射换能器4的输入端 连接，超声波接收换能器5的输出端与低噪声放大器6的输入端连接，低噪声放大器6的输 出端与波束成形器7的输入端连接，波束成形器7的输出端与模数转换器8的输入端连接， 模数转换器8的输出端与数据处理单元9连接。测量信号生成单元1是一种信号数据产生器，例如，MATLAB产生的数字信号波形 数据、基于LABVIEW的虚拟仪器产生的数字信号波形数据等。数据处理单元9 一般可使用 基于DSP或者FPGA的嵌入式处理系统。利用图1所示的装置进行超声波测量周期性振动幅度的方法的具体步骤如下由测量信号生成单元1生成数字载波信号，该数字载波信号分成两路其中一 路数字载波信号发送到数据处理单元9 ；另一路数字载波信号驱动数字信号/声波转换
4器2产生模拟载波信号，所述模拟载波信号经过超声波功率放大器3放大后经超声波发 射换能器4处理以将电信号转换为超声波信号，并由该超声波发射换能器4向周期性 振动物体发射超声波信号(该超声波信号即为测量信号)。测量信号由于为超声波信 号，因此可以克服大雾、雨雪等恶劣的天气条件，从而提高测量的准确度。设测量信号为 T(t) =At coMc^t+ct (t))，其中，At为测量信号的幅度，Oci为测量信号的振动角频率， Φ (t)为测量信号的相位噪声，被探测的周期性振动物体和超声波发射换能器4、超声波 接收换能器5的距离均为Cltl，被探测周期性振动物体的振动表示为x(t) =A sin on，其 中A为周期性振动物体的振动幅度，ω为周期性振动物体的振动角频率，则从超声波发 射换能器4到周期性振动物体再到超声波接收换能器5的总距离为dt(t) = 2d0+2x(t)， 周期性振动物体将超声波信号反射到超声波接收换能器5，超声波接收换能器5将所 接收到的超声波信号转换为电信号，根据多普勒原理，该转换后的电信号可以表示为
权利要求
1.一种超声波测量周期性振动幅度的方法，其特征是包括如下步骤由测量信号生成单元(1)生成数字载波信号，该数字载波信号分成两路其中一路数 字载波信号发送到数据处理单元(9)；另一路数字载波信号驱动数字信号/声波转换器(2) 产生模拟载波信号，所述模拟载波信号经过超声波功率放大器C3)放大后经超声波发射换 能器(4)处理以将电信号转换为超声波信号，并由该超声波发射换能器向周期性振动 物体发射超声波信号，周期性振动物体将所述超声波信号反射到超声波接收换能器(5)，超 声波接收换能器( 将所接收到的超声波信号转换为电信号后经低噪声放大器(6)放大并 发送到波束成形器(7)进行移相和求和，再由模数转换器⑶对移相和求和后的电信号进 行采样并发送到数据处理单元(9)；数据处理单元(9)对所接收的数字载波信号和采样后 的信号进行混频处理，对混频处理后的信号进行傅里叶变换，得到混频处理后的信号的基 波及各阶谐波分量的信号幅度；再计算第i阶和第i+2n阶谐波分量信号幅度的绝对值之 比，其中，η ^ 1且为整数；再根据该绝对值之比与贝塞尔函数系的相应阶数的理论绝对值 之比计算得到周期性振动物体的第一周期性振动幅度值。
2.根据权利要求1所述的超声波测量周期性振动幅度的方法，其特征是所述且 η彡2。
3.根据权利要求1或2所述的超声波测量周期性振动幅度的方法，其特征是同时 还计算第j阶和第j+an阶谐波分量的信号幅度的绝对值之比，其中，m ^ 1且为整数，且 i φ j ；再根据第j阶和第j+an阶谐波分量的信号幅度的绝对值之比与贝塞尔函数系的相 应阶数的理论绝对值之比计算得到周期性振动物体的第二周期性振动幅度值，并比较第一 周期性振动幅度值和第二周期性振动幅度值是否相同。
4.根据权利要求3所述的超声波测量周期性振动幅度的方法，其特征是所述j< 5且 m彡2。
5.一种实现权利要求1的测量方法的系统，其特征是包括测量信号生成单元(1)、数 字信号/声波转换器(2)、超声波功率放大器(3)、超声波发射换能器G)、超声波接收换能 器(5)、低噪声放大器(6)、波束成形器(7)、模数转换器⑶和数据处理单元(9)；测量信号 生成单元(1)的输出端分别与数字信号/声波转换器O)的输入端、数据处理单元(9)连 接，数字信号/声波转换器( 的输出端与超声波功率放大器C3)的输入端连接，超声波功 率放大器(3)的输出端与超声波发射换能器的输入端连接，超声波接收换能器(5)的 输出端与低噪声放大器(6)的输入端连接，低噪声放大器(6)的输出端与波束成形器(7) 的输入端连接，波束成形器(7)的输出端与模数转换器(8)的输入端连接，模数转换器(8) 的输出端与数据处理单元(9)连接。
全文摘要
本发明公开一种超声波测量周期性振动幅度的方法和系统。其测量方法如下测量信号生成单元生成数字载波信号，经数字信号/声波转换器转换和超声波功率放大器放大后由超声波发射换能器向周期性振动物体发射测量信号，周期性振动物体将测量信号反射，超声波接收换能器将所接收到的信号转换后经低噪声放大器放大再发送到波束成形器进行移相和求和，再由模数转换器进行采样并发送到数据处理单元与数字载波信号进行混频处理，对混频处理后的信号进行傅里叶变换，再计算第i阶和第i+2n阶谐波分量的信号幅度的绝对值之比，根据该绝对值之比与贝塞尔函数系的相应阶数的理论绝对值之比计算得到周期性振动物体的周期性振动幅度值。
文档编号G01H17/00GK102141432SQ201010588319
公开日2011年8月3日 申请日期2010年12月7日 优先权日2010年12月7日
发明者冉立新, 潘文森, 皇甫江涛 申请人:浙江大学