聶 明

(東北石油大學(xué)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心，黑龍江 大慶 163318)

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利用DSO的REF功能測(cè)量超聲波速度

聶 明

(東北石油大學(xué)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心，黑龍江 大慶 163318)

超聲波傳播速度的測(cè)量，在測(cè)距與定位、液體流速測(cè)定、彈性模量測(cè)量、氣體溫度瞬間變化測(cè)量等方面的應(yīng)用中十分重要。文中給出一種基于接收信號(hào)延遲時(shí)間的較直觀(guān)的聲速測(cè)量方法，其中延遲時(shí)間的測(cè)量是充分利用了數(shù)字存儲(chǔ)示波器對(duì)信號(hào)的多種降噪處理方法，并且利用了數(shù)字存儲(chǔ)示波器的參考波形(REF)功能對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行整體對(duì)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)的。實(shí)驗(yàn)證明這種方法的測(cè)量結(jié)果相當(dāng)準(zhǔn)確，為聲速的精密測(cè)量提供了一種新的思路。這種方法可應(yīng)用在大學(xué)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)或課堂演示教學(xué)環(huán)節(jié)，可使學(xué)生對(duì)聲速測(cè)量的原理和過(guò)程有更加直觀(guān)的認(rèn)識(shí)。對(duì)啟發(fā)學(xué)生靈活使用及充分發(fā)揮儀器的功能都有一定的借鑒作用。

數(shù)字存儲(chǔ)示波器；REF；數(shù)字濾波；帶寬限制

1 導(dǎo)言

聲波在空氣介質(zhì)中以縱波傳播。聲波的波長(zhǎng)、強(qiáng)度、傳播速度等是聲波的重要性質(zhì)。而超聲波傳播速度的測(cè)量，在測(cè)距與定位、液體流速測(cè)定、彈性模量測(cè)量、氣體溫度瞬間變化測(cè)量等方面的應(yīng)用中具有重要意義。在通常的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中，超聲波聲速的測(cè)量原理，有的是基于波動(dòng)理論中的關(guān)系式[1-3]：v=f×λ進(jìn)行的。其中超聲波的頻率f就等于為壓電陶瓷換能器提供超聲頻段激勵(lì)的信號(hào)源頻率，而波長(zhǎng)λ可采用“駐波法(共振干涉法)”“雙蹤相位比較法”“李薩如圖形相位比較法”等方法測(cè)量。還有的是利用“時(shí)差法[4,5]”測(cè)量聲速，即利用公式：v=L/t，其中距離L為發(fā)射換能器與接收換能器之間的距離，t為超聲發(fā)射波與接收波之間的間隔時(shí)間。時(shí)差法雖然是超聲波在實(shí)際應(yīng)用中，如測(cè)距、液位檢測(cè)等的理論基礎(chǔ)，但在學(xué)生實(shí)驗(yàn)中時(shí)間t的測(cè)量是由聲速測(cè)定儀自動(dòng)測(cè)量完成的，測(cè)定儀顯示屏上只是顯示一個(gè)時(shí)間值，而且這個(gè)時(shí)間常會(huì)因?yàn)榫嚯x的變動(dòng)和接收增益的調(diào)節(jié)問(wèn)題不時(shí)出現(xiàn)跳變，不容易準(zhǔn)確的判定。對(duì)于學(xué)生而言這相當(dāng)于一個(gè)“黑匣子”實(shí)驗(yàn)，這些都不利于對(duì)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作及分析解決問(wèn)題等方面的訓(xùn)練和相關(guān)知識(shí)的理解。

為此，設(shè)計(jì)了基于接收信號(hào)延遲時(shí)間的較直觀(guān)的空氣媒質(zhì)中超聲波聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)，其中延遲時(shí)間的測(cè)量是充分利用了數(shù)字存儲(chǔ)示波器對(duì)信號(hào)的多種降噪手段以及參考波形(REF)整體對(duì)準(zhǔn)功能完成的，實(shí)驗(yàn)證明測(cè)量結(jié)果相當(dāng)準(zhǔn)確。此實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以避免上述“時(shí)差法”的諸多問(wèn)題，同時(shí)對(duì)訓(xùn)練學(xué)生充分利用數(shù)字存儲(chǔ)示波器的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理及分析功能亦有所裨益。

2 測(cè)量原理及脈沖串參數(shù)選擇

聲速測(cè)量試驗(yàn)裝置如圖1所示，包括雙通道數(shù)字存儲(chǔ)示波器(DS1102E)、具有猝發(fā)功能的DDS函數(shù)信號(hào)發(fā)生器(SPF05A)、諧振頻率匹配的一套壓電陶瓷換能器(PZT)、帶有容柵式距離測(cè)量數(shù)顯表頭的聲速測(cè)量支架(SV7)、BNC接口同軸電纜、T形BNC三通等。

眾所周知，在確定的溫度及壓力下，超聲波在組分一定的空氣中以確定的有限的速度傳播。利用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出的短脈沖信號(hào)(脈沖調(diào)制正弦波)作為發(fā)射換能器S1的激勵(lì)信號(hào)，則發(fā)射傳感器響應(yīng)出超聲信號(hào)并以一定的速度傳播出去。因接收傳感器S2與發(fā)射傳感器有一定的距離L，則接收傳感器的激勵(lì)聲壓信號(hào)相對(duì)發(fā)射傳感器輸出的超聲信號(hào)有一定的延遲時(shí)間t?？梢岳镁嚯x與延遲時(shí)間之間的關(guān)系計(jì)算出超聲波的傳播速度，測(cè)量原理如圖2所示。當(dāng)測(cè)量出L和t后即可由v=L/t計(jì)算出聲速。

DDS函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的猝發(fā)功能模式(Burst)

圖1 聲速測(cè)量試驗(yàn)裝置

圖2 基于延遲時(shí)間的聲速測(cè)量原理

圖3 猝發(fā)輸出時(shí)間對(duì)接收換能器響應(yīng)的影響

可以輸出一定周期數(shù)的頻率不變的脈沖串信號(hào)，作為發(fā)射傳感器S1的激勵(lì)信號(hào)。無(wú)論是片狀或管狀PZT，都有一定的共振頻率，在這些頻率附近能量轉(zhuǎn)換效率較高，所以如圖2(a)所示，T0要調(diào)節(jié)到與所用的換能器共振頻率f0相匹配，所以信號(hào)源在猝發(fā)功能模式時(shí)對(duì)猝發(fā)輸出的正弦信號(hào)的頻率要調(diào)節(jié)到f0。當(dāng)作激勵(lì)信號(hào)的脈沖串信號(hào)的周期個(gè)數(shù)N不同時(shí)，接收換能器探測(cè)到的信號(hào)幅度有很大的變化，如圖3所示。Upp為一定距離下接收換能器探測(cè)到的直達(dá)波的峰峰值電壓，可見(jiàn)為了增強(qiáng)探測(cè)信號(hào)的幅度，猝發(fā)輸出的正弦信號(hào)持續(xù)作用時(shí)間愈長(zhǎng)愈好，即周期個(gè)數(shù)N越多越好。而對(duì)于相鄰兩個(gè)猝發(fā)信號(hào)的間隔時(shí)間T，由圖3可知越長(zhǎng)越好，即脈沖信號(hào)的重復(fù)頻率要低，最短也要保證由前一個(gè)激勵(lì)脈沖引起的響應(yīng)衰減完畢之后才可以發(fā)射下一個(gè)聲脈沖，否則就會(huì)前后信號(hào)混淆，無(wú)法對(duì)延遲時(shí)間t進(jìn)行測(cè)量。

3 延遲時(shí)間的REF測(cè)量

簡(jiǎn)單的應(yīng)用v=L/t公式計(jì)算聲速并不精確。原因之一，聲程L很難精確測(cè)量。在利用超聲換能器進(jìn)行測(cè)試中，超聲波并不是直接進(jìn)入被測(cè)材料的，而是在換能器內(nèi)部產(chǎn)生超聲波，再通過(guò)一定的媒質(zhì)使超聲波進(jìn)入測(cè)試材料內(nèi)部。因此，超聲波產(chǎn)生后在介質(zhì)中傳播的聲程包括換能器內(nèi)部的聲程和被測(cè)材料中的聲程；原因之二，延遲時(shí)間t因?yàn)楹芏嘁蛩匾搽y以精確測(cè)量。延遲時(shí)間t本應(yīng)該是超聲波在待測(cè)材料中的傳播時(shí)間，但實(shí)際上還包括了額外的延遲時(shí)間[6]，如電路滯后延時(shí)、電纜延時(shí)、觸發(fā)延時(shí)、換能器延時(shí)、衍射延時(shí)等。額外的延遲時(shí)間是極難精確測(cè)定的，換能器內(nèi)部的聲程也是不容易測(cè)到的。但是它們中很多項(xiàng)在一個(gè)確定的測(cè)試裝置中都是固定不變的，所以可以采用數(shù)據(jù)處理的方法減小這些誤差。設(shè)接收換能器在距離坐標(biāo)為x1時(shí)，對(duì)應(yīng)的接收信號(hào)時(shí)間坐標(biāo)為t1。而當(dāng)接收換能器在距離坐標(biāo)為x2時(shí)，對(duì)應(yīng)的接收信號(hào)時(shí)間坐標(biāo)為t2。則t2與t1之差就僅僅是由于待測(cè)材料中距離的變化x2-x1所帶來(lái)的，所以可以利用公式v=(x2-x1)/(t2-t1)來(lái)計(jì)算測(cè)試材料的聲速。

雖然理論上可以利用公式v=(x2-x1)/(t2-t1)對(duì)材料中的聲速進(jìn)行精確測(cè)量，但實(shí)際還存在問(wèn)題。由于空氣特性聲阻抗[7]非常小，是超聲波的不良媒質(zhì)。而換能器表面特性聲阻抗又非常大，導(dǎo)致聲波反射很強(qiáng)而透射很弱，即兩者之間耦合得很差，接收信號(hào)因距離增大而衰減很快。在圖4(a)中，信號(hào)在工頻干擾之上又混有很多高頻噪聲，在利用了DSO垂直通道中的帶寬限制與高通數(shù)字濾波，并且數(shù)據(jù)獲取方式采用256次平均采樣后，換能器接收信號(hào)上的高頻干擾噪聲及工頻50Hz干擾得到較大改善，如圖4(b)所示。

圖4 距離較大時(shí)換能器接收的信號(hào)波形

圖5 換能器起振過(guò)程

由于低頻超聲波在發(fā)射和接收過(guò)程中存在一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間的起振過(guò)程，見(jiàn)圖5。尤其是當(dāng)距離L較大時(shí)，接收信號(hào)受環(huán)境噪音等干擾的影響就會(huì)變得更大，即使經(jīng)過(guò)降噪處理之后，信號(hào)仍然不理想，如圖4(b)。即在時(shí)延之前和之后接收換能器采集的信號(hào)波形沒(méi)有明顯的能分辨的特征點(diǎn)，同時(shí)接收信號(hào)幅度因距離增大而衰減很快，所以要想采用在信號(hào)波形上選一個(gè)固定參考點(diǎn)或固定振幅閾值的做法來(lái)確定信號(hào)對(duì)應(yīng)的時(shí)間坐標(biāo)必然會(huì)引入較大的人為誤差。顯然由此所帶來(lái)的精度損失在短距測(cè)量中會(huì)更加明顯，因此有必要對(duì)接收信號(hào)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間坐標(biāo)如何精確的測(cè)定進(jìn)行研究。

對(duì)于延遲時(shí)間的精確測(cè)量方法，近年來(lái)有不少的研究與分析。例如通過(guò)溫差補(bǔ)償[8]、閾值可調(diào)、回波包絡(luò)[9]等方法來(lái)提高超聲系統(tǒng)的精度，由于這些方法對(duì)硬件及技術(shù)要求較高、并且數(shù)據(jù)處理量較大等原因而受到限制。雖然接收換能器采集的信號(hào)在時(shí)延之前和之后的波形上沒(méi)有明顯的能分辨的特征，如波前或波峰等，由于是逐漸起振的并且在距離較大時(shí)起振點(diǎn)處的一段范圍湮沒(méi)在背景噪聲中，找不到一個(gè)可以準(zhǔn)確參考的固定點(diǎn)位。雖然無(wú)法找到一個(gè)確切的參考點(diǎn)，但是可以以接收信號(hào)的整體作為參考點(diǎn)。雖然在距離較大時(shí)信號(hào)上混有干擾和噪聲，但其整體的形貌是固定不變的。取接收換能器移動(dòng)到待測(cè)的距離處的探測(cè)信號(hào)作為參考用波形，此參考波形與接收換能器再次移動(dòng)到原位置的波形是密切相關(guān)的，即信號(hào)只有強(qiáng)度的變化，而波型變化甚微，干擾噪聲與信號(hào)是無(wú)關(guān)的。為此，可以采用數(shù)字示波器的參考波形(REF)功能，來(lái)實(shí)現(xiàn)利用接收信號(hào)的整體作為測(cè)量延遲時(shí)間的參考。

圖6 參考波形與被測(cè)信號(hào)重合的情況

在調(diào)節(jié)參考波形與被測(cè)的接收信號(hào)重合的過(guò)程中，要充分利用示波器垂直檔位調(diào)節(jié)功能，交替使用粗調(diào)和微調(diào)兩種模式來(lái)改善波形顯示的幅度，以利于信號(hào)細(xì)節(jié)的觀(guān)察，使兩個(gè)波形完全重合。利用參考波形測(cè)量延遲時(shí)間的過(guò)程如圖7所示。測(cè)量中要適當(dāng)調(diào)節(jié)水平掃描速度，測(cè)量時(shí)間時(shí)在參考波形上任選一個(gè)固定的位置作為計(jì)時(shí)參考點(diǎn)即可，因?yàn)閰⒖疾ㄐ问枪潭ǖ摹＿€要特別注意在每次測(cè)量過(guò)程中，信號(hào)觸發(fā)位置相對(duì)于視窗中點(diǎn)的水平距離即當(dāng)前波形窗口的觸發(fā)位置不可以移動(dòng)，見(jiàn)窗口右下角顯示“T→1.152ms”，否則時(shí)間測(cè)量錯(cuò)誤。當(dāng)參考波形與被測(cè)信號(hào)波形重合時(shí)，可通過(guò)垂直旋鈕使兩信號(hào)上下錯(cuò)開(kāi)以利于手動(dòng)調(diào)整光標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

為了衡量測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度，需與理論聲速進(jìn)行比較。考慮到環(huán)境溫度t和相對(duì)濕度r等的影響，空氣中理論聲速計(jì)算公式為[10]

v0=331.45

圖7 利用參考波形測(cè)量接收信號(hào)的時(shí)間坐標(biāo)

次數(shù)x1/mmx2/mmL=x2-x1/mmt1/mst2/mst=t2-t1/msv=L/t/(m·s-1)10.00332.61332.610.1441.1000.956347.9220.00259.78259.780.1760.9280.752345.4530.00330.37330.370.1501.0950.945349.6040.00330.00330.000.1561.1030.947348.6550.00340.46340.460.1881.1700.982346.7360.00266.80266.800.1900.9620.772345.69

根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，并考慮到數(shù)顯表頭對(duì)距離測(cè)量和DS1102E數(shù)字存儲(chǔ)示波器對(duì)時(shí)間測(cè)量帶來(lái)的B類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度，以及由于數(shù)據(jù)的分散性帶來(lái)的A類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度，綜合考慮上述因素，可得到具有可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)(測(cè)量不確定度)的聲速測(cè)量結(jié)果：

理論聲速為：v0=348.14m·s-1

4 結(jié)語(yǔ)

這里介紹的方法,與測(cè)量絕對(duì)聲速精度最高的一種方法即脈沖回波重合法[11]有一些相通之處，但又避免了硬件的設(shè)計(jì)與制作。這種方法直接利用了DSO具有的REF功能，是利用信號(hào)的整體來(lái)對(duì)延遲前后的換能器接收信號(hào)的波形整體進(jìn)行時(shí)間定位測(cè)量。由于是利用信號(hào)的整體進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)定位，對(duì)信號(hào)混有的噪聲容限很高，定位準(zhǔn)確，延遲時(shí)間測(cè)量的精度很高，所以聲速測(cè)量結(jié)果的誤差很小。

在這種聲速測(cè)量方法中，并沒(méi)有增加對(duì)換能器接收的信號(hào)進(jìn)行前置放大環(huán)節(jié)。其原因，一是在已有的裝置中接收換能器可移動(dòng)的距離有限，雖然信號(hào)較弱且信噪比低，但通過(guò)增加示波器垂直通道靈敏度以及采用多種降噪措施之后幅度已經(jīng)足夠；二是為了演示即使不需增加任何儀器，利用現(xiàn)有的硬件和采用靈活的方法，也可以達(dá)到開(kāi)拓思路擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)的目的。這種方法可應(yīng)用在大學(xué)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)及課堂演示教學(xué)環(huán)節(jié)，可使學(xué)生對(duì)聲速測(cè)量的原理和過(guò)程有更加直觀(guān)的認(rèn)識(shí)，也可應(yīng)用于聲波近場(chǎng)區(qū)傳播規(guī)律的研究等。同時(shí)在操作過(guò)程中也可以讓學(xué)生了解數(shù)字存儲(chǔ)示波器具有的一系列信號(hào)處理的功能，這對(duì)啟發(fā)學(xué)生如何將現(xiàn)有儀器功能發(fā)揮到極致有一定的借鑒作用。

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ULTRASONIC VELOCITYMEASUREMENT BY USING REF FUNCTION OF DSO

Nie Ming

(College Physics Experimental Center, Northeast Petroleum University, Daqing Heilongjiang 163318)

Measuring ultrasonic velocity plays a vital role in ranging and localization, liquid flow-rate measurement, elastic modulus measurement, transient gas temperature change measurement and other applications. A straightforward sound velocity measuring method which is based on delay time in receiving signal is presented in this paper, and measuring delay time is presented by fully using noise reduction treatments of digital storage oscilloscope on signal and taking advantage of REF function of digital storage oscilloscope to achieve integral calibration. The experiment testifies that measurements are fairly accurate and a new thread of thought is provided for accurate sound velocity measurement. This method can be applied in the basic college physics experiment or the demonstration teaching in classroom, which enables students to intuitively understand the principle and process of sound velocity measurement, and has certain references to inspire students’ flexible and full use of the function of instruments.

digital storage oscilloscope; REF; digital filter; bandwidth limit

2016-07-12

聶明，男，講師，主要從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)科研工作,研究方向?yàn)榇烹娕c偏振光檢測(cè)等，nieming_2008@126.com。

聶明. 利用DSO的REF功能測(cè)量超聲波速度[J]. 物理與工程，2017，27(3)：30-35.