周繼惠，陳 剛，曹青松，猶 堃

(華東交通大學(xué)機電工程學(xué)院，江西南昌 330013)

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基于多普勒效應(yīng)的超聲波測振系統(tǒng)設(shè)計

周繼惠，陳 剛，曹青松，猶 堃

(華東交通大學(xué)機電工程學(xué)院，江西南昌 330013)

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。

超聲波；振動測量；多普勒效應(yīng)；微分鑒相

0 引言

機械設(shè)備的振動信號是設(shè)備狀態(tài)信息的載體，為了能夠測量機械設(shè)備的振動，目前已經(jīng)有接觸式測振和非接觸式測振2種方法。接觸式測振具有技術(shù)成熟，獲取信息豐富等優(yōu)勢，但測振傳感器與被測物體直接接觸，傳感器本身的振動和噪聲將會擾動測量對象，導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)較大誤差。而且，在高溫、強腐蝕等特殊工況下，接觸式測量方法將無法達到有效的測振目的[1]。為了克服接觸式測量存在的缺陷，已經(jīng)出現(xiàn)了超聲波測振、電渦流位移傳感器測振、光學(xué)干涉測振等許多非接觸式振動測量方法。光學(xué)干涉測振法靈敏度高，能夠測量很微小的振動，但是這種方法對振動物體的表面粗糙度很敏感，粗糙的表面會影響測量的準確性[2]。電渦流位移傳感器可以測量非常微小的振動，具有高精度、高頻響的特點。然而，電渦流位移傳感器測振時的誤差受溫度影響，溫度越高誤差越大[3-4]，無法運用于高溫工況中。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]

=Arcos(wt-2kL-2kacosφ)

=Arcos(wt-φ0-φDOP)

(3)

k=w/c=2π/λ

(4)

式中：c為超聲波的聲速;λ為超聲波的波長；φ0為超聲波探頭與障礙物之間的距離引起的相位差，為不變量；φDOP為物體的振動引起的相位變化。

總的相位變化為：

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NI ELVIS Traditional軟件使NI ELVIS函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生40 kHz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40 kHz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。

2.2 信號采集和分析處理模塊

信號采集和分析處理模塊核心是DAQ板卡和計算機，如圖5所示。

圖5 信號采集和分析處理模塊

經(jīng)過調(diào)理的調(diào)相信號輸入到采集板卡的模擬電壓信號采集端口，再由LabView軟件中的DAQ助手設(shè)置信號采樣頻率等參數(shù)，采樣后的數(shù)據(jù)輸入到計算機中進行存儲和顯示。最后，將存儲的數(shù)據(jù)進行微分鑒相處理得到物體的振動信號。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)程序流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)程序流程圖

在進行數(shù)據(jù)采集時，由LabView軟件編寫數(shù)據(jù)采集程序，通過DAQ助手配置DAQ的采樣率為1 MHz，每次采集65535個數(shù)據(jù)。將采集的數(shù)據(jù)通過微分鑒相處理便能解調(diào)出物體的振動信號。為了實現(xiàn)調(diào)相信號的微分鑒相，首先對調(diào)相信號求一階導(dǎo)數(shù)得到調(diào)幅調(diào)相信號，然后通過半波檢波、峰值檢波便可以得到振動信號的一階導(dǎo)數(shù)，再通過積分處理就可以還原振動信號。

4 實驗與分析

在系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上，本文搭建了基于多普勒效應(yīng)的的超聲波測振實驗臺，如圖7所示。

圖7 超聲波測振實驗臺

該超聲波測振實驗臺包括NI ELVIS、掃頻信號發(fā)生器、激振器、計算機、超聲波發(fā)射接收模塊及固定裝置等。取超聲波探頭至測量點的距離為L=18 mm。選擇尺寸為388 mm×30 mm×1 mm的鋼板作為被測對象。臺鉗作為固定裝置，固定鋼板的一側(cè)，另一側(cè)與激振器連接，通過調(diào)節(jié)掃頻信號發(fā)生器使鋼板獲得一定振幅與頻率的振動。

本文利用所搭建的超聲波測振實驗臺對被測鋼板進行了測振實驗。調(diào)節(jié)掃頻信號發(fā)生器使鋼板以頻率60 Hz，振幅1.5 mm的正弦形式振動。圖8所示為獲得的超聲波反射信號圖像。對反射信號經(jīng)過一階求導(dǎo)、半波檢波和峰值檢波再乘以一定的比例系數(shù)后，得到了物體振動信號圖像，如圖9所示。

由實驗結(jié)果可知，該超聲波測振系統(tǒng)能夠比較準確的測得物體的振動信號，達到了測振目的。

5 結(jié)論

本文根據(jù)多普勒效應(yīng)設(shè)計了超聲波測振系統(tǒng)，搭建了超聲波測振實驗臺。利用超聲波測振實驗臺進行了測振實驗，實驗結(jié)果表明，該測振系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)物體的振動測量，測得的振動信號能夠比較準確地反映被測物體的振動，具有一定的工程實踐應(yīng)用價值。

圖8 反射超聲波信號

圖9 解調(diào)出的60Hz振動信號

[1] MONCHALIN J P.Optical detection of ultrasound.IEEE Trans Ultrason Ferroelect Freq Contorl,1986,33(5):485-499.

[2] 周月琴，行鴻彥.超聲波遠距離振動信號檢測系統(tǒng)的設(shè)計.機械科學(xué)與技術(shù)， 2008， 27(6): 819-821.

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Design of Ultrasonic System for Vibration Measurement Based on Doppler Effect

ZHOU Ji-hui,CHEN Gang,CAO Qing-song,YOU Kun

( School of Mechanical and Electrical Engineering of East China Jiao Tong University,Nan Chang 330013,China )

The ultrasonic system was designed for vibration measurement Doppler effect occurring when continuous ultrasonic beam encountered the surface of vibrating object.The system was composed of ultrasonic transmitting and receiving module and signal acquisition,processing and analysis module.The ultrasound was transmitted by the ultrasonic transmitting probe.The ultrasonic signal reflected from the surface was

by the ultrasonic receiving probe and the reflected ultrasonic signal was converted to the digital signal through the data acquisition card.Then the digital signal was processed through differential phase demodulation to obtain the original vibration signal.Finally,the ultrasonic system for vibration measurement was tested,and the validity of the system was confirmed.

ultrasound；vibration measurement；Doppler effect；differential phase demodulation

江西省青年科學(xué)基金資助項目(20132BAB216029)；華東交通大學(xué)研究生創(chuàng)新專項基金項目(YC2013-X006)

2014-09-16 收修改稿日期：2015-03-28

TH825

A

1002-1841(2015)07-0061-02

周繼惠(1978—)，講師，碩士，主要從事無損檢測、機電一體化等方面的研究。E-mail：2000cqs@163.com. 陳剛(1991—)，在讀碩士研究生，主要從事儀器科學(xué)與技術(shù)方面的研究。E-mail：chengang19911017@163.com.