花添雨，封維忠，孫成忠

(南京林業(yè)大學 信息科學技術(shù)學院，江蘇 南京 210037)

基于AD8302的相位差法測聲速

花添雨，封維忠，孫成忠

(南京林業(yè)大學 信息科學技術(shù)學院，江蘇 南京 210037)

對相位差法測量聲速實驗進行了改進，改進后的寬頻帶相位差測量系統(tǒng)由AD8302相位差測量芯片、運放電路和MSP430單片機構(gòu)成，可以直接測量發(fā)射信號與接收信號之間的相位差，實現(xiàn)了相位測量的數(shù)字化，提高了聲速的測量精度.

聲速；相位差；AD8302；MSP430；李薩如圖形

聲速是聲學研究的重要的基本參量，通過聲速測量，可以間接測量材料的切變模量、彈性模量和密度等參量[1]，聲速測量被廣泛應(yīng)用于無損檢測等領(lǐng)域，在其他學科中也有許多應(yīng)用. 聲速的測量是大學物理實驗的重要內(nèi)容，常用方法有：共振法、相位法和時差法. 傳統(tǒng)相位差法測聲速采用示波器觀察發(fā)射波與接收信號垂直振動合成的李薩如圖形來確定相位差. 本文采用AD8302單片寬頻帶相位差測量系統(tǒng)，直接測量出發(fā)射信號與接收信號之間的相位差，實現(xiàn)了相位測量的數(shù)字化，從而提高了聲速的測量精度.

1 李薩如圖形法實驗原理

聲波的傳播速度v與聲波頻率f和波長λ的關(guān)系為

v=fλ.

測量出聲波的頻率與波長，就可以計算出聲速[2]. 由聲波的波源發(fā)出的具有固定頻率的聲波在空間形成聲場，聲場中任一點的振動相位與聲源振動相位之差為

在示波器上可以觀測到發(fā)射波與接收信號的垂直振動合成的李薩如圖形[3]. 若發(fā)射波和接收波的信號為

x=A1cos (ωt+θ1) ,

y=A2cos (ωt+θ2) ,

則該李薩如圖形即合振動方程為

相位差θ=θ2-θ1從0變?yōu)棣袝r，李薩如圖形會依次按圖1所示變化. 由于超聲發(fā)射器發(fā)出的是近似于平面波的聲波，當接收器端面垂直于波的傳播方向時，其端面上各點都具有相同的相位. 沿傳播方向移動接收器時，總可以找到接收到的信號與發(fā)射器激勵信號同相的位置. 繼續(xù)移動接收器，直到接收的信號再次和發(fā)射器的激勵信號同相時，移動的距離必然等于聲波的波長.

圖1 用李薩如圖形觀察相位變化

2 優(yōu)化方案

2.1 基于AD8302的相位差法測聲速原理

相位差法測聲速實驗中，使用示波器觀察李薩如圖形時人為誤差無法控制，因此，本文提出了另一種測量聲速的方法，如圖2所示. 由信號發(fā)生器產(chǎn)生的激勵信號和經(jīng)過換能器[4]接收的信號分別被送入AD8302相位差測量模塊，AD8302輸出與兩信號相位差成反比的電壓信號，經(jīng)MSP430單片機采集模擬電壓信號并進行A/D轉(zhuǎn)化[5]，同時，溫度模塊采集到的溫度也送入單片機，以便進行溫度補償，1602液晶屏上同時顯示兩信號的相位差數(shù)值和空氣的溫度值. 當改變發(fā)射器和接收器之間的距離時，相位差也會發(fā)生變化，當相位差由某特定值經(jīng)過變化后再回到該特定值，移動的距離就是波長或者是半波長. 在數(shù)顯尺上讀出波長或半波長的數(shù)值和數(shù)字信號發(fā)生器顯示的頻率值，即可計算聲速值[6].

圖2 基于AD8302的相位差法測聲速原理框圖

2.2 AD8302相位差檢測模塊原理

AD8302是美國ADI公司推出的單片寬頻帶相位差測量芯片. AD8302內(nèi)部電路框圖如圖3所示，包含2個精密匹配的寬帶對數(shù)放大器、1個寬帶相位檢測器、1.8 V精密基準源，以及模擬標定電路和接口電路，能測量從低頻到2.7 GHz頻率范圍內(nèi)2個輸入信號之間的幅度比和相位差[7]. 輸入信號可以是單端信號，也可以是差分信號. 由于2個精密匹配的對數(shù)放大器集成在1片芯片上，因此可將溫度漂移減至最低限度.

圖3 AD8302內(nèi)部電路框圖

AD8302測量相位差的范圍是0°～180°，理論所對應(yīng)的輸出電壓范圍為0～1.8 V，輸出電壓靈敏度為10 mV/(°)，測量誤差小于0.5°. 當相位差θ=0°時，輸出電壓為1.8 V；當θ=180°時，輸出電壓為30 mV，輸出電流為8 mA. 相位輸出時轉(zhuǎn)換速率為30 MHz，響應(yīng)時間為40～500 ns(視被測相位差而定). AD8302的相位特性曲線如圖4所示.

圖4 AD8302相位特性曲線

由AD8302的相位特性曲線可知，在±180°內(nèi)，由輸出電壓無法區(qū)分相位差的正負，因此實際測量時需要注意，第2次變化到特定相位的距離才是λ. 特別地，在相位差為-90°和90°時，對應(yīng)輸出的電壓均為900 mV，實際測量時，相位差-90°到90°變化時，實際測得的距離為λ/2.

AD8302有3種工作模式：測量模式、比較器模式和控制器模式[8]. 本文中使用AD8302的測量模式且只是測量相位差. AD8302測量模式接線圖如圖5所示.

2.3 放大電路

由于超聲換能器接收的信號比較弱，而且換能器的輸出阻抗很高，AD8302芯片無法正常工作，本文采用了以JFET場效應(yīng)管作為差分輸入級，高輸入阻抗的雙運放LF353組成輸入放大電路，放大電路如圖6所示. 超聲換能器的輸出信號經(jīng)過兩級反相放大后信號送入由AD8302進行相位差測量， MSP430單片機采集AD8302輸出的與兩輸入信號相位差成反比的模擬電壓，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后在液晶顯示屏上顯示相位差值. 實際上，用相位差方法測定相位時，當相位差計顯示數(shù)值為0°時，在這些位置上接收器端面上的聲波，由于換能器振動的傳遞或放大電路的相移，實際上并不一定和聲源同相，而總有一定的相位差，但這對于實驗中波長的測量并無影響.

圖5 AD8302測量模式接線圖

圖6 放大電路原理圖

3 測量結(jié)果

測量結(jié)果如表1所示. 超聲波的頻率f=37.500 kHz,實驗方法1為李薩如圖形相位差法測量聲速,實驗方法2為基于AD8302的相位差法測量聲速,已知聲速在標準大氣壓下與溫度關(guān)系為

表1 測試結(jié)果

4 結(jié)束語

實驗結(jié)果表明，基于AD8302的相位差法測聲速相較于通常的李薩如圖形相位差法測聲速，測量精度較高[9]，實現(xiàn)了測量結(jié)果的數(shù)字化. 而本方法還可以和單片機、步進電機相結(jié)合，實現(xiàn)聲速的自動測量.

[1] 周印雷,趙明水,梁謙. 用聲速法測定軋輥材料的彈性模量[J]. 無損檢測,1994,16(12):347-350.

[2] 張旭德,李永濤,王秦君,等. 智能聲速測量儀[J]. 物理實驗,2014,34(6):19-21.

[3] 宋明秋. 李薩如圖形及其應(yīng)用[J]. 遼寧師專學報,2010,12(1):85-86.

[4] 林書玉. 超聲技術(shù)的基石—超聲換能器的原理及設(shè)計[J]. 物理，2009,38(3):141-148.

[5] 沈建華，楊艷琴. MSP430系列16位超低功耗單片機原理與實踐[M]. 北京:北京航空航天大學出版社,2008:272-290.

[6] 程貞，陳高攀，喻志遠，等. 基于相位差法的聲速測量[J]. 物理通報,2013(11):79-80.

[7] 李星，許國宏，王耀磊. 高精度幅相檢測系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 電子設(shè)計工程,2012,20(1):123-125.

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[9] 劉石劬. 聲速測量及不確定度分析[J]. 大學物理實驗,2013,26(4):99-103.

[責任編輯：尹冬梅]

Sound speed measurement based on phase difference method and AD8302

HUA Tian-yu, FENG Wei-zhong, SUN Cheng-zhong

(College of Information Science and Technology, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China)

The method of measuring sound speed based on phase difference was improved. A wideband phase difference measurement system was constructed with AD8302, operational amplifier and MSP430 single chip computer. It could directly measure the phase difference between the emitted signal and the

signal. The digitization of phase measurement improved the measurement accuracy of sound velocity.

sound speed； phase difference； AD8302； MSP430； Lissojous curve

2016-08-30；修改日期：2016-10-12

花添雨(1993-)，女，江蘇如東人，南京林業(yè)大學信息科學技術(shù)學院2015級碩士研究生,研究方向精密儀器及機械.

封維忠(1950-)，男，江蘇南京人，南京林業(yè)大學信息科學技術(shù)學院教授，碩士，研究方向為計算機測控技術(shù)及儀器.

O422.1

A

1005-4642(2017)08-0010-04