【摘要】：連續(xù)超聲波束遇到振動物體表面會產(chǎn)生多普勒效應(yīng),文中據(jù)此設(shè)計了超聲波測振系統(tǒng),其主要由超聲波發(fā)射接收模塊、數(shù)據(jù)采集和信號處理模塊等組成。發(fā)射探頭發(fā)出超聲波后,接收探頭獲得由振動物體表面反射的超聲波信號,通過數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,再采用微分鑒相方法獲取原振動信號,實現(xiàn)物體的振動測量。最后,對該超聲波測振系統(tǒng)進行了實驗,結(jié)果證實了該超聲波測振系統(tǒng)的有效性。
【圖文】：

高溫工況中。超聲波測振法能夠運用于高溫、高壓、粉塵、強腐蝕等惡劣環(huán)境中，具有測量精度高、成本低的優(yōu)點［5］。與電渦流位移傳感器測振法、光學(xué)干涉測振法相比，超聲波測振法具有更強的適應(yīng)性，能夠在惡劣的工況中實現(xiàn)物體的振動測量。鑒于上述研究背景，本文設(shè)計基于多普勒效應(yīng)的超聲波測振系統(tǒng)，該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)反射超聲波信號的數(shù)據(jù)采集，，通過計算機對采集后的數(shù)據(jù)進行微分鑒相處理，實現(xiàn)物體的振動測量，并對該超聲波測振系統(tǒng)進行實驗測試。1超聲波測振原理連續(xù)超聲波束在振動表面的的反射原理圖如圖1所示，其中，為超聲波探頭到測量點的距離，為超聲波束的反射角，為被測對象的振動位移。圖1中，發(fā)射探頭發(fā)射的超聲波在振動表面會發(fā)生反射，反射超聲波信號的相位會因多普勒效應(yīng)受到調(diào)制，接收探頭接收到的反射超聲波信號就含有了物體的振動信息。圖1連續(xù)超聲波束在振動表面的的反射原理圖超聲波發(fā)射探頭發(fā)射的超聲波可表示為:vt=Atcoswt(1)由圖2可知，超聲波傳播的距離為:L0=2L+2acosφ(2)所以，超聲波接收探頭接收的回波可以表示為:vr=Arcos［wt－2π·(2L+2acosφ)/λ］

位差，為不變量;φDOP為物體的振動引起的相位變化�？偟南辔蛔兓癁�:φ=φ0+φDOP令振動物體的振動位移為一正弦信號，設(shè)為a(t)=a0sinwLt(5)則此時振動引起的相位變化為:φDOP=2ka0cosφsin［wL(t－L/c)］(6)由式(1)、式(3)、式(6)可知，物體的振動引起了反射超聲波的相位變化，該反射波攜帶了物體的振動信息，對其進行鑒相處理便可以得到物體的振動信號。本文基于這個原理設(shè)計了超聲波測振系統(tǒng)，該測振系統(tǒng)通過微分鑒相法實現(xiàn)了反射波信號的相位解調(diào)，從而獲得了物體的振動信號。圖2超聲波傳播距離變化圖2系統(tǒng)硬件設(shè)計超聲波測振系統(tǒng)如圖3所示。該測振系統(tǒng)分為2個模塊，包括超聲波發(fā)射接收模塊，信號采集和信號分析處理模塊。圖3超聲波測振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示，計算機中的NIELVISTraditional軟件使NIELVIS函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生40kHz的正弦信號，該正弦信號直接輸入到發(fā)射電路，激勵發(fā)射探頭發(fā)射40kHz的連續(xù)超聲波束。超聲波傳播過程中遇到物體振動表面，會因為多普勒效應(yīng)的存在，使得反射超聲波的相位被調(diào)制，超聲波接收電路接收反射波并對其進行一定的預(yù)處理，所得到的信號由DAQ板卡實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，采集的數(shù)據(jù)存儲在計算機上，并進行微分鑒相處理，最終得到物體的原振動信號。2．1超聲波發(fā)射與接收模塊超聲波發(fā)射接收模塊包括超聲波發(fā)射探頭和接收探頭、發(fā)射電路、接收和信號調(diào)理電路等，如圖4所示。圖4超聲波發(fā)射與接收模塊在超聲波發(fā)射電路中2個電阻直接與超聲波發(fā)射探頭相連接，電路結(jié)構(gòu)簡單，易通過軟件控制探頭發(fā)射一定形式的超聲波。超聲波接收和信號調(diào)理電路能夠拾取回波信號并將其轉(zhuǎn)換為電壓信號，該電壓信號十分微弱，這里采用集成運算放大器構(gòu)成的放大電路對其電壓信號進行放大?

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