一種超聲波換能器頻率響應特性的檢測方法

2023-05-30 21:43:56

專利名稱：一種超聲波換能器頻率響應特性的檢測方法
技術領域：
本發明涉及一種超聲波換能器頻率響應特性檢測技術,特別是一種基於多正交頻率測量信號的超聲波換能器頻率響應特性快速檢測方法。
背景技術：
隨著科技的發展，超聲波技術已經廣泛地應用在探測、醫學診斷、測距測速、清洗、焊接、碎石等方面，在醫學、軍事、工業、農業等領域中有著非常廣闊的應用前景和潛力。
超聲波換能器是超聲波系統中的關鍵器件之一，由於常用的超聲波換能器具有較窄的通頻帶，因此對激勵信號的頻率準確度要求比較高，只有當激勵信號的頻率準確地與超聲波換能器的中心頻率匹配時，換能器才能達到最佳的功率輸出效果，否則換能器的輸出功率將急劇下降，難以達到設計的要求。因此，如何能準確檢測換能器的頻率響應特性，特別是其中心頻率、通頻帶等頻率參數，是超聲波系統的生產、組裝、調試、檢修中重要的環節。
目前常用的超聲波換能器頻率響應特性檢測方法是採用頻率掃描的方式，即由頻率發生器產生頻率在一定範圍內變化的等幅單頻信號作為激勵,通過測量超聲波換能器在不同頻率的激勵信號下的輸出來確定其頻率特性。掃頻檢測方法的優點是原理簡單,實現容易，不足是檢測速度慢，因為它需要在一定的範圍內以設定的間隔逐次掃描多個測試頻率點，由於超聲波換能器存在餘振、測量電路的穩定需要時間等因素，每個頻率點的檢測都需要耗費一定的時間，造成檢測儀器處理速度較慢，例如，假設掃頻範圍為40kHz，每隔20Hz設置一個測試頻率點，每個頻率點的檢測時間需要20ms，則一次頻率響應特性的檢測時間需要40000Hz/20Hzx20ms=40000ms=40s。隨著自動化程度的提高，現在電聲產品生產線的運轉速度非常快，對線上檢測設備的檢測效率和速度的要求也越來越高。基於掃頻方式的換能器頻率響應特性檢測裝置由於檢測速度較慢，因此只能用於少量換能器的抽檢，無法應用於大規模生產線上的在線全檢，給超聲波換能器生產過程中的全面質量控制帶來一定的困難，同時也不利於應用廠家在進貨等過程中對每個超聲波換能器進行質量檢驗。

發明內容
針對目前普遍採用的掃頻式超聲波換能器頻率響應特性檢測方法存在速度慢，不利於超聲波換能器在生產、進貨等過程中的全檢，從而影響產品質量控制的缺點，本發明提供了一種超聲波換能器頻率響應特性的檢測方法,該方法基於多正交頻率測量信號能快速檢測超聲波換能器頻率響應特性，該方法的特點是一次採用多個測試頻率點的測試信號，通過測試信號在不同頻率點之間的正交性對換能器在該頻率點上的頻率響應特性進行計算，可以快速有效地測量出超聲波換能器的頻率響應特性，與傳統的掃頻方法相比具有檢測速度快、實現簡單等優點，不但適合各種需要快速檢測換能器頻率特性的場合，並且也可以用於其他電器產品的頻率響應特性快速檢測。
本發明提供的基於多正交頻率激勵信號的快速超聲波換能器頻率響應特性檢測方法，具體包含以下步驟
1、 初始化頻率參數根據給定的頻率測量範圍和頻率測量精度，設定檢測的下限頻上限頻率/^和頻率間隔A/，其中閉區間[/^， /皿]覆蓋給定的頻率測量範圍，
A/小於或等於所給定的頻率測量精度，且/^-《A/， /max=^2A/，《、i^為正整數
2、 產生超聲波換能器的激勵信號產生激勵信號eW"堂cos[2;r/j + A]，並通過
功率放大器放大後，送給待測試的超聲波換能器，其中其中y;-A:A/，《<^<《2，為待
檢測的多個測試頻率點，j為常數，A為正弦分量的相位。
3、 測量超聲波換能器的響應測量超聲波換能器在步驟2的激勵信號下電壓或電流
的變化，得到測量信號>^)，測量時間不小於r-i/A/。
4、 計算超聲波換能器在測試頻率點的頻率響應特性測試頻率點//=/4/"上的換能
器頻率響應特性採用下式直接計算-
y(,)-〖、(—(2養 (1)
其中r-i/A/， ^〈/〈夂2， w為正整數。
5、 計算換能器在給定頻率範圍內的頻率響應特性對y(/,)進行歸一化得到F(/;)，
利用F(/,)進行插值運算，得到換能器在給定頻率範圍內任意頻率點的頻率響應特性通過適當選擇步驟2中的正弦分量相位A，可以避免激勵信號出現尖脈衝，使電路
能更有效地工作。A可採用以下方法進行設定
(1) 對於每個A，在區間[-;r,;r)中設定多個侯選值；
(2) 計算A在選擇不同侯選值組合時，激勵信號e(。絕對值的峰值和平均值；(3) 選出使激勵信號e0絕對值的峰值和平均值之比最小的A侯選值組合，作為發送激勵信號中的A。
步驟2中的&還可以採用以下方法進行設定-
(1) 隨機產生多組^，並計算相應的激勵信號e0絕對值的峰值和平均值之比；
(2) 選出使激勵信號eW絕對值的峰值和平均值之比最小的一組^作為發送激勵信號中的A。
.上述步驟4中換能器在測試頻率點的頻率響應特性，還可以採用快速傅立葉變換的方法來計算，方法為
(1) 對;^)進行模/數轉換得到離散序列:vM，並對其補零至長度為2、其中P = 「log2Z，， L為y["]的長度。
(2) 對補零後的序列作2P點的快速傅立葉變換，得到y;-f處換能器的頻率響應特性y(,)，其中/;為採樣頻率。
上述步驟4中換能器在測試頻率點頻率響應特性的計算中，可以採用式(1)和快速
傅立葉變換相結合的方法，當給定測試頻率點的數目使式(1)的運算量小於快速傅立葉變換的運算量時，採用式(1)進行計算，否則則採用快速傅立葉變換進行計算。
上述步驟5中，可以採用多段不相同的測量信號來對換能器的頻率響應特性F00進行計算，並取其結果的平均來作為對F(/0的最終估計值。
與現有技術相比，本發明的有益之處在於檢測速度快，由於各測試頻率點的測試信號是同時產生的，不需要逐個頻率點進行掃頻測量，因此在激勵信號輸入穩定後即能一次檢測出超聲波換能器在給定頻率範圍內的頻率響應特性，所需的檢測時間顯著減少，非常適合大規模流水式的檢測，可以方便地用於生產、進貨時換能器的全檢，提供更可靠的全面質量控制手段。本發明提供的頻率響應特性快速檢ij方法，不但可以用於檢測超聲波換能器頻率響應特性的快速檢測，還可以廣泛應用於其他電器產品的頻率響應特性快速檢測。


圖l為本發明實施例的硬體結構框圖
圖2為本發明實施例超聲波換能器頻率響應特性檢測流程圖
具體實施例方式
下面通過本發明的一個較優實施例，來具體說明本發明的實施方式。
本實施例的硬體結構如圖1所示，由信號處理模塊、A/D轉換模塊、D/A轉換模塊、 驅動模塊、輸出/輸出接口模塊共同構成，其中信號處理模塊與A/D轉換模塊、D/A轉換 模塊和數據輸入輸出模塊連接，完成多正交頻率激勵信號的產生、換能器頻率響應特性的 計算、工作參數設定、檢測結果輸出的功能，上述實施例中，該模塊由DSP晶片及其外 圍電路構成，在另一些實施例中，DSP晶片也可以用MCU嵌入式處理器來代替；數據輸 出/輸入模塊由顯示屏、鍵盤控制器、鍵盤、報警電路、USB接口電路共同構成，其中顯 示屏為用戶操作提供界面，鍵盤控制器和鍵盤用於接收用戶的設定和指令，報警電路用於 在檢測出產品異常時向工作人員示警，USB接口電路用於連接外部計算機，以便於工作 人員收集數據、進行軟體升級、或由計算機進行集中控制；D/A轉換模塊與信號處理模塊 和驅動模塊連接，用以將信號處理模塊產生的數字寬帶激勵信號轉換為模擬的激勵信號， 上述實施例中，D/A轉換模塊採用D/A轉換晶片及其外圍電路構成；A/D轉換模塊與信 號處理模塊及換能器的電壓檢測點連接，用以將換能器的模擬電壓信號轉換為數字電壓信 號，並傳送給信號處理模塊進行分析處理，上述實施例中，A/D轉換模塊採用A/D轉換 晶片及其外圍電路來實現；驅動模塊與D/A轉換模塊和需檢測的超聲波換能器連接，將 D/A轉換模塊傳送過來的模擬寬帶激勵信號放大後驅動超聲波換能器進行工作，上述實施 例中，採用了功率放大晶片及其外圍電路構成。
上述硬體結構為一超聲波換能器生產流水線上用於檢測換能器頻率響應特性是否符 合要求的設備，生產出來的超聲波換能器經過上述該設備時，人工或自動地連接到該設備 的測試接入點，由上述設備對超聲波換能器的頻率響應特性進行檢測，並與規定的標稱值 相比較，當超聲波換能器的頻響參數不符合要求時，上述設備給出警報信號，由人工或自 動地將不符合規格的換能器取出生產線。本發明對頻率響應特性的檢測速度很快，因此可 以對生產線上的每個產品都進行檢測。
本實施例中，信號處理模塊通過其中的軟體對其他模塊的工作進行控制，採用圖2 所示的流程來對生產線上的換能器進行檢測
1、 軟硬體初始化當上述實施例開機後，首先進行軟硬體的初始化工作，完成各模 塊的自檢和/或復位。
2、 設定檢測參數用戶根據實際需要，通過鍵盤對需檢測的參數進行設定，例如， 設定合格的換能器頻率響應特性的指標(如中心頻率、通頻帶、Q值等的標準值及可容忍 的誤差範圍等)、頻率測量的範圍和頻率測量的精度、以及其他一些計算過程中需要用到 的參數(例如，採用多少次測量片段的計算結果來進行平均，以得到最終頻率響應特性估 計值等)。信號處理模塊根據用戶給定的頻率測量的範圍和頻率測量的精度，選擇合適的下限頻率/^，上限頻率/^和頻率間隔A/，這三個參數的設定原則為[/曲，厶aJ覆 蓋給定的頻率測量範圍，A/小於或等於所給定的頻率測量精度，且/^-《A/， /皿-i^A/， A、《2為正整數且《<《2。用戶也可以通過鍵盤直接對下限頻率/^, 上限頻率/皿和頻率間隔A/進行設定。
3、產生激勵信號產生激勵信號々)"l;cos[2;z^ + A]，其中力"A/，
《<&<《2，為待檢測的多個測試頻率點，^為常數，A為正弦分量的相位，並通過功率
放大器放大後送給待測試的超聲波換能器。由於信號處理模塊為數字器件，因此產生數字 的激勵信號，再由D/A轉換模塊將其轉換為模擬信號。數字激勵信號可以採用以下公式
計算產生
其中,為採樣頻率。
A的設置會影響激勵信號e0的波形，改變e0絕對值的峰值和平均值之比，有可能
會對信號的發射和檢測產生不良影響。例如，當所有A均設置為O時，e0信號表現為一
組高幅度、持續時間很短的脈衝信號，在相同的發射功率下容易引起D/A、 A/D轉換器、 換能器等一些器件飽和或過載，較短的持續時間也增加了信號採集、分析的難度，因此有
必要對A進行合理的設置，其設置原則是儘量使e《)絕對值的峰值和平均值之比最小。上 述實施例中，用戶可以採用兩種方法來對^進行設置，第一種方法是採用離線預先計算 的方法，在用戶給定各種頻率參數後，在計算機上預先計算出一組較優的A值，並通過 USB接口傳送到信號處理模塊。計算機上^值的估計採用以下步驟進行
(1) 對於每個A，在區間[-;r,;r)中設定多個侯選值。上述實施例中，每個^設置
8個候選值"j一；r，一2;T，—丄；r,—丄；r,0，丄;r,丄；r,2;rl;
l 4 2 4 424 J
(2) 計算各個A在選擇不同侯選值組合時，e(^絕對值的峰值和平均值之比；(3)在所有的A侯選值組合中，選岀使激勵信號e0絕對值的峰值和平均值之比最 小的A侯選值組合，作為發送激勵信號中的^。
上述實施例中，麼還可以採用另一種不藉助計算機、由信號處理模塊完成的自動設 置方法，其步驟如下
(1) 隨機產生多組^，並計算相應的激勵信號e0絕對值的峰值和平均值之比；隨
機數的產生可以採用同餘法等偽隨機數算法。
(2) 選出使激勵信號e(r)絕對值的峰值和平均值之比最小的那組A作為發送激勵
信號中的A。
信號處理模塊產生的上述數字激勵信號通過D/A轉換模塊轉換為模擬的激勵信號， 並經功率放大模塊器放大後，輸出到測試接入點。
4、 檢測是否有換能器接入測試接入點的電壓信號通過A/D轉換模塊轉換為數字信 號後輸入信號處理模塊，信號處理模塊可以通過檢測當前電平變化來確定是否有換能器接 入測試接入點，如果有換能器接入，則進行頻率響應特性的檢測，否則則等待直至有換能 器接入為止。
5、 記錄一段時間的測量信號當檢測到換能器接入後，信號處理模塊記錄下一段時
間的測量信號^w]，記錄信號的持續時間不小於1/A/，較佳的實施方法中，記錄信號的
持續時間遠大於1 / A/ 。信號處理模塊根據初試的設定記錄多段不相同的;;[ ]。
6、 計算換能器的頻率響應特性測量信號記錄完畢後，即可進行換能器頻率響應特 性的計算。該計算具體又可以分為兩個步驟
(1)計算換能器在測試頻率點的頻率響應特性上述實施例中，測試頻率點的幅度 可以採用直接計算或快速傅立葉變換的方法來計算。直接計算測試頻率點的幅度利用了激
勵信號中正弦分量的正交性，根據頻率響應特性的定義，測量信號"O可以表示為
其中r(A)為換能器在測試頻率點厶處的頻率響應特性，^'和《為加載在換能器上 的、經過功率放大後的正弦分量幅度和相位。根據正弦信號的正交性，有formula see original document page 10其中r-l/A/，《</<《2， m為正整數。因此如果忽略常係數J的影響，測試頻 率點/, =/4/"上的換能器頻率響應特性為
對於信號處理模塊中的數位訊號，相應的計算公式為
r(/;)-iM"]co如./,/y;)
其中〃=「柳./,// 1;111且^^1, L為Ww的長度，&<a<K2， w為正整數。
採用快速傅立葉變換計算各個測試頻率點的頻率響應特性，首先將在;4"]後 面補0至長度為2 其中/> = 「10§2￡"1， L為》["]的長度，然後對長度為2P的新序列作快
速傅立葉變換，得到/, = *處換能器的頻率響應特性y(/j。
上述兩種計算方法均可以獨立用來估計換能器在測試頻率點處的頻率響應特 性，為了更充分地利用兩種方法的優點，上述實施例中採用了直接計算和快速傅立葉變換
計算相結合的方式，當M'iV〈2^P時，採用直接計算方式，否則採用快速傅立葉變換方
式，其中M為直接計算方法中所需要計算的頻率測試點個數。
(2)對F(/,)進行幅度歸一化，得到歸一化頻率響應特性ny,)，然後利用ny,)進
行插值運算，得到換能器在給定頻率範圍內任意頻率點的頻率響應特性FOO。插值可以
採用多種方法，例如線性插值法等。
上述實施例中，為了增加檢測結果的可靠性，可採用多次計算的平均值作為最終的頻
率響應特性的測量值記錄多段^"]，分別計算每段j;[M]的F(/)，然後取其平均值。
7、利用步驟6得到的換能器頻率響應特性，計算需檢測的頻率參數，例如中心頻率、 通頻帶、Q值等，並與用戶給定的標準值進行比較，如果在誤差範圍內，則該換能器性能
10正常，待檢測的換能器與測試接入點斷開連接後，轉步驟4繼續進行下一個換能器的檢測； 如果誤差超出給定的範圍，則該換能器性能異常，信號處理模塊通過報警模塊發出報警, 由人工或自動地將不符合規格的換能器取出生產線後，轉步驟4繼續繼續進行下一個換能 器的檢測。
上述實施例中，顯示屏為用戶提供設置的界面，並在檢測過程中能實施反映出檢測的 結果。上述實施例還可以通過USB接口與計算機連接，以便於工作人員現場收集數據、 進行軟體升級、或由計算機進行集中控制。
權利要求
1、一種超聲波換能器頻率響應特性的檢測方法，其特徵在於包括如下步驟(1)初始化頻率參數根據給定的頻率測量範圍和頻率測量精度，設定檢測的下限頻率fmin，上限頻率Vmax和頻率間隔Δf，其中閉區間[fmin，fmax]覆蓋給定的頻率測量範圍，Δf小於或等於所給定的頻率測量精度，且fmin＝K1Δf，fmax＝K2Δf，K1、K2為正整數且K1<K2；(2)產生超聲波換能器的激勵信號產生激勵信號並通過功率放大器放大後，送給待測試的超聲波換能器，其中fk＝kΔf，K1<k<K2，為待檢測的多個測試頻率點；A為常數，φk為正弦分量的相位；(3)測量超聲波換能器的響應測量超聲波換能器在步驟(2)的激勵信號下電壓或電流的變化，得到測量信號y(t)，測量時間不小於T＝1/Δf；(4)計算超聲波換能器在測試頻率點的頻率響應特性測試頻率點fl＝lΔf上的換能器頻率響應特性採用下式計算其中T＝1/Δf，K1<l<K2，m為正整數；(5)計算換能器在給定頻率範圍內的頻率響應特性對Y(fl)進行歸一化得到Y(fl)，利用Y(fl)進行插值運算，得到換能器在給定頻率範圍內任意頻率點的頻率響應特性Y(f)。
2、 根據權利要求1所述的超聲波換能器頻率響應特性的檢測方法，其特徵在於通過選擇步驟(2)中的正弦分量相位A，避免激勵信號出現尖脈衝，A採用以下方法進行設定(2.1) 對於每個^，在區間[-;r,;r)中設定多個侯選值；(2.2) 計算A在選擇不同侯選值組合時，激勵信號e《)絕對值的峰值和平均值；(2.3) 選出使e(/)絕對值的峰值和平均值之比最小的A侯選值組合，作為發送激勵信號中的A。
3、 根據權利要求1所述的超聲波換能器頻率響應特性的檢測方法，其特徵在於步驟 (2)中的A採用以下方法進行設定(3.1) 隨機產生多組A，並計算相應的激勵信號e( )絕對值的峰值和平均值之比；(3.2) 選出使激勵信號e(0絕對值的峰值和平均值之比最小的一組A作為發送激勵信 號中的A。
4、 根據權利要求2或3所述的超聲波換能器頻率響應特性的檢測方法，其特徵在於 步驟(5)中，採用多段不相同的測量信號3^)來對換能器的頻率響應特性F(/)進行計算，並取其結果的平均來作為對F(/)的最終估計值。
5、 根據權利要求4所述的超聲波換能器頻率響應特性的檢測方法，其特徵在於步驟 (4)中換能器在測試頻率點的頻率響應特性採用快速傅立葉變換的方法來計算，具體為(4.1) 對>4"]，並對其補零至長度為2 其中 P = 「log2Z]， L為少["]的長度；(4.2) 對補零後的序列作2"點的快速傅立葉變換，得到/, =*處換能器的頻率響應特性r(/;)，其中/;為採樣頻率。
6、 根據權利要求5所述的超聲波換能器頻率響應特性的檢測方法，其特徵在於步驟 (4)中超聲波換能器在測試頻率點頻率響應特性的計算中，採用式①和快速傅立葉變換相結合的方法，當給定測試頻率點的數目使式①的運算量小於快速傅立葉變換的運算量 時，採用式①進行計算，否則則採用快速傅立葉變換進行計算。
全文摘要
本發明提供一種超聲波換能器頻率響應特性的檢測方法，該方法基於多正交頻率測量信號能快速檢測超聲波換能器頻率響應特性，該方法包括初始化頻率參數；產生超聲波換能器的激勵信號；測量超聲波換能器的響應；計算超聲波換能器在測試頻率點的頻率響應特性；計算換能器在給定頻率範圍內的頻率響應特性。該方法的特點是一次採用多個測試頻率點的測試信號，通過測試信號在不同頻率點之間的正交性對換能器在該頻率點上的頻率響應特性進行計算，可以快速有效地測量出超聲波換能器的頻率響應特性，具有檢測速度快、實現簡單等優點，不但適合各種需要快速檢測換能器頻率特性的場合，並且也可以用於其他電器產品的頻率響應特性快速檢測。
文檔編號G01R23/00GK101509942SQ20091003727
公開日2009年8月19日 申請日期2009年2月20日 優先權日2009年2月20日
發明者軍 張, 崗 韋 申請人:華南理工大學