為了提高鋼軌中超聲導(dǎo)波的傳輸效率,提出一種在接收端進(jìn)行頻率跟蹤的壓電超聲換能器效率優(yōu)化方法。結(jié)合變步長(zhǎng)掃描思想,采用一發(fā)一收機(jī)制,通過軟件從時(shí)域和頻域角度分析掃頻后接收信號(hào)的幅度和功率譜密度等參數(shù),從而實(shí)時(shí)矯正壓電超聲換能器的最佳激勵(lì)頻率,提高換能器轉(zhuǎn)換效率。在50,100,200 m不同距離下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:掃頻后獲得的最佳激勵(lì)頻率遠(yuǎn)高于34 k Hz換能器串聯(lián)諧振頻率,且掃頻后接收信號(hào)的快速傅里葉變換（FFT）幅度和功率譜密度均明顯增加,尤其在測(cè)試距離為50 m時(shí),中心頻率的FFT幅值和功率譜密度分別提高了86. 17%和51. 04%。 

【文章來源】：傳感器與微系統(tǒng). 2020,39(06)CSCD

【文章頁數(shù)】：4 頁

【部分圖文】：

換能器等效電路

超聲導(dǎo)波損傷檢測(cè)法利用安裝在鋼軌軌腰上的超聲換能器將超聲波射入鋼軌中，形成沿鋼軌長(zhǎng)度方向傳播的超聲導(dǎo)波來進(jìn)行檢測(cè)[6,7]。該方法屬于機(jī)械波檢測(cè)方式，故不易受電磁干擾、軌道電氣參數(shù)等因素影響，且具有安裝維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。超聲導(dǎo)波損傷檢測(cè)系統(tǒng)主要由發(fā)射端、接收端和通信模塊組成，超聲波發(fā)送器和超聲波接收器交替安裝。頻率跟蹤總體方案框圖如圖2所示。首先，根據(jù)壓電超聲換能器諧振頻率在ARM微處理器中確定掃頻范圍和步長(zhǎng)，通過激勵(lì)電路驅(qū)動(dòng)換能器工作。然后，超聲導(dǎo)波經(jīng)過鋼軌傳輸，在接收端通過調(diào)理電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter,ADC)采集判斷壓電超聲換能器的最佳激勵(lì)頻率。根據(jù)接收信號(hào)的振幅最大值作為最佳激勵(lì)頻率的選擇依據(jù)。掃描結(jié)束后在接收端判斷出最佳激勵(lì)頻率并通過數(shù)傳模塊傳送至發(fā)射端，發(fā)射端以此頻率作為最佳激勵(lì)頻率進(jìn)行發(fā)送，使得壓電超聲換能器得到最大功率輸出。

此數(shù)字跟蹤濾波器的特點(diǎn)是利用了離散化傅里葉變換算法，首先對(duì)信號(hào)在時(shí)域上通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)行N點(diǎn)采集，其次進(jìn)行N點(diǎn)FFT運(yùn)算，得到一組幅度和頻率對(duì)應(yīng)的值，根據(jù)濾波器要求設(shè)定帶寬范圍進(jìn)行濾波，將不滿足要求頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)幅值設(shè)為零[9]，得到一組新數(shù)據(jù)，再對(duì)這組新數(shù)據(jù)進(jìn)行IFFT，即為濾波后的信號(hào)。掃頻結(jié)束后，結(jié)合接收信號(hào)的時(shí)域和頻域幅值，取幅值最大的頻率作為壓電超聲換能器的最佳激勵(lì)頻率。頻率跟蹤原理流程圖如圖3所示。該方法適應(yīng)性強(qiáng)、靈活性高、降低電路復(fù)雜度、節(jié)約成本、易于實(shí)現(xiàn)集成和自動(dòng)化，并且在接收端沒有額外的功耗，同時(shí)，也適用于其他遠(yuǎn)程檢測(cè)應(yīng)用。3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]空氣耦合超聲無損檢測(cè)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)[J]. 張宸宸,李松松,夏聞澤,李昆,杜劍峰,蘇欣.  傳感器與微系統(tǒng). 2019(01)
[2]多通道超聲波探傷在役鋼軌檢測(cè)中的應(yīng)用[J]. 吳桂清,厲振武,陳彥芳.  傳感器與微系統(tǒng). 2013(10)
[3]離散傅里葉變換及反變換在數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 周燕.  數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用. 2011(08)



本文編號(hào)：3418318