基于多普勒效应的超声波测振系统设计

周继惠，陈 刚，曹青松，犹 堃

(华东交通大学机电工程学院，江西南昌 330013)



基于多普勒效应的超声波测振系统设计

周继惠，陈 刚，曹青松，犹 堃

(华东交通大学机电工程学院，江西南昌 330013)

连续超声波束遇到振动物体表面会产生多普勒效应，文中据此设计了超声波测振系统，其主要由超声波发射接收模块、数据采集和信号处理模块等组成。发射探头发出超声波后，接收探头获得由振动物体表面反射的超声波信号，通过数据采集卡转换为数字信号，再采用微分鉴相方法获取原振动信号，实现物体的振动测量。最后，对该超声波测振系统进行了实验，结果证实了该超声波测振系统的有效性。

超声波；振动测量；多普勒效应；微分鉴相

0 引言

机械设备的振动信号是设备状态信息的载体，为了能够测量机械设备的振动，目前已经有接触式测振和非接触式测振2种方法。接触式测振具有技术成熟，获取信息丰富等优势，但测振传感器与被测物体直接接触，传感器本身的振动和噪声将会扰动测量对象，导致测量结果出现较大误差。而且，在高温、强腐蚀等特殊工况下，接触式测量方法将无法达到有效的测振目的[1]。为了克服接触式测量存在的缺陷，已经出现了超声波测振、电涡流位移传感器测振、光学干涉测振等许多非接触式振动测量方法。光学干涉测振法灵敏度高，能够测量很微小的振动，但是这种方法对振动物体的表面粗糙度很敏感，粗糙的表面会影响测量的准确性[2]。电涡流位移传感器可以测量非常微小的振动，具有高精度、高频响的特点。然而，电涡流位移传感器测振时的误差受温度影响，温度越高误差越大[3-4]，无法运用于高温工况中。超声波测振法能够运用于高温、高压、粉尘、强腐蚀等恶劣环境中，具有测量精度高、成本低的优点[5]。与电涡流位移传感器测振法、光学干涉测振法相比，超声波测振法具有更强的适应性，能够在恶劣的工况中实现物体的振动测量。

鉴于上述研究背景，本文设计基于多普勒效应的超声波测振系统，该系统由数据采集卡实现反射超声波信号的数据采集，通过计算机对采集后的数据进行微分鉴相处理，实现物体的振动测量，并对该超声波测振系统进行实验测试。

1 超声波测振原理

连续超声波束在振动表面的的反射原理图如图1所示，其中，为超声波探头到测量点的距离，为超声波束的反射角，为被测对象的振动位移。图1中，发射探头发射的超声波在振动表面会发生反射，反射超声波信号的相位会因多普勒效应受到调制，接收探头接收到的反射超声波信号就含有了物体的振动信息。

图1 连续超声波束在振动表面的的反射原理图

超声波发射探头发射的超声波可表示为：

vt=Atcoswt

(1)

由图2可知，超声波传播的距离为：

L0=2L+2acosφ

(2)

所以，超声波接收探头接收的回波可以表示为：

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为超声波的声速;λ为超声波的波长；φ0为超声波探头与障碍物之间的距离引起的相位差，为不变量；φDOP为物体的振动引起的相位变化。

总的相位变化为：

φ=φ0+φDOP

令振动物体的振动位移为一正弦信号，设为

a(t)=a0sinwLt

(5)

则此时振动引起的相位变化为：

φDOP=2ka0cosφsin[wL(t-L/c)]

(6)

由式(1)、式(3)、式(6)可知，物体的振动引起了反射超声波的相位变化，该反射波携带了物体的振动信息，对其进行鉴相处理便可以得到物体的振动信号。本文基于这个原理设计了超声波测振系统，该测振系统通过微分鉴相法实现了反射波信号的相位解调，从而获得了物体的振动信号。

图2 超声波传播距离变化图

2 系统硬件设计

超声波测振系统如图3所示。该测振系统分为2个模块，包括超声波发射接收模块，信号采集和信号分析处理模块。

图3 超声波测振系统结构原理图

如图3所示，计算机中的NI ELVIS Traditional软件使NI ELVIS函数发生器产生40 kHz的正弦信号，该正弦信号直接输入到发射电路，激励发射探头发射40 kHz的连续超声波束。超声波传播过程中遇到物体振动表面，会因为多普勒效应的存在，使得反射超声波的相位被调制，超声波接收电路接收反射波并对其进行一定的预处理，所得到的信号由DAQ板卡实现数据采集，采集的数据存储在计算机上，并进行微分鉴相处理，最终得到物体的原振动信号。

2.1 超声波发射与接收模块

超声波发射接收模块包括超声波发射探头和接收探头、发射电路、接收和信号调理电路等，如图4所示。

图4 超声波发射与接收模块

在超声波发射电路中2个电阻直接与超声波发射探头相连接，电路结构简单，易通过软件控制探头发射一定形式的超声波。超声波接收和信号调理电路能够拾取回波信号并将其转换为电压信号，该电压信号十分微弱，这里采用集成运算放大器构成的放大电路对其电压信号进行放大。

2.2 信号采集和分析处理模块

信号采集和分析处理模块核心是DAQ板卡和计算机，如图5所示。

图5 信号采集和分析处理模块

经过调理的调相信号输入到采集板卡的模拟电压信号采集端口，再由LabView软件中的DAQ助手设置信号采样频率等参数，采样后的数据输入到计算机中进行存储和显示。最后，将存储的数据进行微分鉴相处理得到物体的振动信号。

3 系统软件设计

系统程序流程图如图6所示。

图6 系统程序流程图

在进行数据采集时，由LabView软件编写数据采集程序，通过DAQ助手配置DAQ的采样率为1 MHz，每次采集65535个数据。将采集的数据通过微分鉴相处理便能解调出物体的振动信号。为了实现调相信号的微分鉴相，首先对调相信号求一阶导数得到调幅调相信号，然后通过半波检波、峰值检波便可以得到振动信号的一阶导数，再通过积分处理就可以还原振动信号。

4 实验与分析

在系统设计的基础上，本文搭建了基于多普勒效应的的超声波测振实验台，如图7所示。

图7 超声波测振实验台

该超声波测振实验台包括NI ELVIS、扫频信号发生器、激振器、计算机、超声波发射接收模块及固定装置等。取超声波探头至测量点的距离为L=18 mm。选择尺寸为388 mm×30 mm×1 mm的钢板作为被测对象。台钳作为固定装置，固定钢板的一侧，另一侧与激振器连接，通过调节扫频信号发生器使钢板获得一定振幅与频率的振动。

本文利用所搭建的超声波测振实验台对被测钢板进行了测振实验。调节扫频信号发生器使钢板以频率60 Hz，振幅1.5 mm的正弦形式振动。图8所示为获得的超声波反射信号图像。对反射信号经过一阶求导、半波检波和峰值检波再乘以一定的比例系数后，得到了物体振动信号图像，如图9所示。

由实验结果可知，该超声波测振系统能够比较准确的测得物体的振动信号，达到了测振目的。

5 结论

本文根据多普勒效应设计了超声波测振系统，搭建了超声波测振实验台。利用超声波测振实验台进行了测振实验，实验结果表明，该测振系统能够实现物体的振动测量，测得的振动信号能够比较准确地反映被测物体的振动，具有一定的工程实践应用价值。

图8 反射超声波信号

图9 解调出的60Hz振动信号

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

[2] 周月琴，行鸿彦.超声波远距离振动信号检测系统的设计.机械科学与技术， 2008， 27(6): 819-821.

[3] OLIVER B M,JEAN P R,CHRISTIAN B,et al.Noncontact measurement of vibration using airborne ultrasound.IEEE Trans Ultrason Ferroelect Freq Contorl,1998,45(3): 626-632.

[4] YOUNG M S,LI Y C.A high precision ultrasonic system for vibration measurements.Rev.Sci.Instrum.1992,63( 11):5435-5441.

[5] 李勇峰，张彦江，陈志勇，等.大量程、高精度超声测距仪设计.仪表技术与传感器，2013(4):28-31.

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

江西省青年科学基金资助项目(20132BAB216029)；华东交通大学研究生创新专项基金项目(YC2013-X006)

2014-09-16 收修改稿日期：2015-03-28

TH825

A

1002-1841(2015)07-0061-02

周继惠(1978—)，讲师，硕士，主要从事无损检测、机电一体化等方面的研究。E-mail：2000cqs@163.com. 陈刚(1991—)，在读硕士研究生，主要从事仪器科学与技术方面的研究。E-mail：chengang19911017@163.com.