郭啟凱，郭敏強(qiáng)，李 超，張亞萍，閆向宏

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）物理與光電工程系，山東青島 266580）

超聲波測(cè)距是一種傳統(tǒng)而實(shí)用的非接觸測(cè)量方法，和激光、渦流、無(wú)線電測(cè)距方法相比，具有近距范圍內(nèi)不受光線影響、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等特點(diǎn)，在惡劣環(huán)境中也具有一定的適用性，在工業(yè)自動(dòng)控制、建筑工程測(cè)量和機(jī)器視覺(jué)識(shí)別等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［1－6］。超聲測(cè)距的傳統(tǒng)方法是脈沖回波法，主要是通過(guò)計(jì)算超聲波發(fā)射探頭發(fā)射出超聲波至超聲波接收探頭接收到回波信號(hào)的時(shí)間來(lái)確定探頭至被測(cè)物體的距離［7］。脈沖回波法的測(cè)量原理簡(jiǎn)單，但是精確度不高。近幾年來(lái)，相位差法因其有較高的測(cè)量精度越來(lái)越受到重視，相位差法超聲測(cè)距是利用發(fā)射波和被目標(biāo)反射的接收回波之間聲波的相位差包含的距離信息來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)目標(biāo)距離的測(cè)量［8］。

楊氏模量是表征固體材料形變與內(nèi)應(yīng)力關(guān)系、描述固體材料抵抗形變能力的重要物理量，因此，它是工程技術(shù)中機(jī)械構(gòu)件選材時(shí)的重要參數(shù)之一［9］。測(cè)量楊氏模量的方法很多，傳統(tǒng)測(cè)量中主要采用靜態(tài)拉伸法。通常采用靜態(tài)拉伸法測(cè)量金屬絲微小的形變量時(shí)，應(yīng)用光杠桿的放大原理［10］，光杠桿法的測(cè)量過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng)、過(guò)程復(fù)雜。本文根據(jù)相位差法測(cè)距原理實(shí)現(xiàn)了對(duì)金屬絲楊氏模量的測(cè)量，結(jié)果表明，該方法具有測(cè)量時(shí)間短、自動(dòng)化程度高和操作方便等優(yōu)點(diǎn)。

1 相位差法測(cè)量楊氏模量原理

1.1 相位差法測(cè)距原理

設(shè)在初始時(shí)刻發(fā)射信號(hào)為

忽略信號(hào)經(jīng)過(guò)電路時(shí)引起的相位差，則被接收換能器接收的信號(hào)為

則兩目標(biāo)的距離為

式中f 為超聲波的頻率。

1.2 相位差法測(cè)量楊氏模量原理

相位差法測(cè)量楊氏模量裝置如圖1 所示，在待測(cè)金屬絲下方懸掛一小燒杯，將發(fā)射換能器固定于其下方。在發(fā)射換能器的正下方平行放置接收換能器，兩換能器與測(cè)量?jī)x器相連。測(cè)量時(shí)，首先在燒杯中加入質(zhì)量為M1的鐵砂，質(zhì)量要適中，以保證金屬絲被拉緊，啟動(dòng)測(cè)量裝置，測(cè)出此時(shí)的相位差Δφ1；然后向燒杯中緩慢加入更多鐵砂（測(cè)量發(fā)現(xiàn)，若一次加入鐵砂過(guò)多會(huì)導(dǎo)致儀器的示值發(fā)生較大偏差），隨著燒杯中鐵砂質(zhì)量的增加，發(fā)射換能器隨金屬絲一起下降，使得兩換能器之間的距離縮短。設(shè)鐵砂的質(zhì)量為M2時(shí)停止加入鐵砂，啟動(dòng)測(cè)量裝置，測(cè)出此時(shí)的相位差Δφ2。

圖1 超聲相位差法測(cè)量楊氏模量系統(tǒng)裝置圖

利用公式（4）可以求得加入質(zhì)量為M2－M1的鐵砂時(shí)，金屬絲的長(zhǎng)度變化量ΔL 為

如果金屬絲的直徑為d、起始長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則金屬絲的楊氏模量E 可表示為

式中g(shù) 為重力加速度。

2 測(cè)量?jī)x器硬件設(shè)計(jì)

測(cè)量?jī)x器主機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由信號(hào)發(fā)生器、超聲測(cè)量、溫度測(cè)量和信號(hào)處理4部分組成。其中信號(hào)發(fā)生器由AD9833可編程波形發(fā)生器、放大器和射極跟隨器組成［11］，用于產(chǎn)生峰峰值穩(wěn)定、頻率可調(diào)的正弦信號(hào)。該正弦信號(hào)分為2路，一路經(jīng)驅(qū)動(dòng)芯片放大后激勵(lì)發(fā)射換能器向空氣介質(zhì)中輻射聲波，聲波傳播一定距離后被固定在底座上的接收換能器接收（接收換能器上同時(shí)固定有溫度傳感器），接收換能器將超聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并經(jīng)放大器放大后傳送給信號(hào)處理部分；另一路信號(hào)直接傳送給信號(hào)處理部分。由溫度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量周圍的溫度（溫度對(duì)聲速有影響），信號(hào)處理器根據(jù)測(cè)得溫度值對(duì)聲速值進(jìn)行修正。信號(hào)處理器由電平抬升器、穩(wěn)壓電源和DSP 芯片組成，該部分的核心器件是DSP 芯片，它是專門為快速實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法而設(shè)計(jì)的、具有特殊結(jié)構(gòu)、進(jìn)行高速實(shí)時(shí)處理的專用微處理器［12］。通過(guò)內(nèi)置程序?qū)⒔邮盏降臏囟戎祵?duì)聲速進(jìn)行修正反饋、計(jì)算，并將結(jié)果輸出到控制面板的LCD 顯示屏上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)相位差的精確測(cè)量。

圖2 測(cè)量?jī)x器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

測(cè)量前，首先對(duì)測(cè)量?jī)x器的測(cè)量精度進(jìn)行定標(biāo)。實(shí)驗(yàn)時(shí)將發(fā)射換能器固定于螺旋測(cè)微器底端，并豎直放置在支架上；在發(fā)射換能器的正下方一定距離處，水平放置接收換能器，將兩換能器與實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)x器相連。啟動(dòng)儀器，緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)螺旋測(cè)微器，使得發(fā)射換能器緩慢下移，記錄下移距離與儀器所顯示相位差的對(duì)應(yīng)關(guān)系，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 下移距離與儀器所顯示相位差的對(duì)應(yīng)關(guān)系

利用逐差法對(duì)表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到下移距離每變化0.5mm 時(shí)相位差改變值的算術(shù)平均值為18.2°。則每變化一個(gè)相位，換能器下移的距離為0.03mm。

可見(jiàn)，本測(cè)量?jī)x器的測(cè)量精度為0.03mm。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，選用長(zhǎng)度L＝120cm，直徑d＝0.501 mm 的金屬絲。首先在燒杯中加入1kg的鐵砂，使得金屬絲完全繃緊，記錄此時(shí)的相位差；然后緩慢向燒杯中加入鐵砂，每隔1kg記錄一次相位差和拉伸長(zhǎng)度，所得數(shù)據(jù)表2中。利用式（8）給出的測(cè)量?jī)x器的精度計(jì)算出相應(yīng)的拉伸長(zhǎng)度ΔL，也記錄在表2中。

表2 超聲相位差法測(cè)楊氏模量記錄表

采用逐差法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，求得每增加1kg鐵砂時(shí)，金屬絲的拉伸長(zhǎng)度為0.31 mm。由式（6）求得該金屬絲的楊氏模量值為1.96×1011N／m2。與靜態(tài)拉伸法測(cè)得的結(jié)果1.95×1011N／m2相比誤差僅為0.5%，由此可見(jiàn)，運(yùn)用超聲相位差法測(cè)量楊氏模量的精確度與靜態(tài)拉伸法相近。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)相位差法測(cè)距原理設(shè)計(jì)的鋼絲楊氏模量測(cè)量系統(tǒng)具有測(cè)量精度高、操作簡(jiǎn)單、測(cè)量時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)，可以滿足絕大多數(shù)場(chǎng)合的測(cè)量要求，因此，具有較好的應(yīng)用前景。該測(cè)量系統(tǒng)不僅可以測(cè)量楊氏模量，還可以用于其他涉及微距測(cè)量的實(shí)驗(yàn)中，可以大大提高實(shí)驗(yàn)效率。如若基于此原理制作更加精確的測(cè)量?jī)x器，則完全可以投入到商業(yè)化生產(chǎn)中。

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