一種高頻率小振幅超聲機械振動波功率測量方法及裝置與流程
2024-03-25 03:25:05
本發明涉及超聲波功率測量方法，特別涉及一種高頻率小振幅超聲機械振動波功率測量方法及裝置。
背景技術：
超聲機械振動波目前被廣泛應用於清洗、破碎、防垢、除垢、醫療、礦山開採等諸多領域，其產生的機械振動波為高頻率小振幅的超聲機械波。
超聲機械振動波在液體中傳播時的「聲壓」劇變使液體發生強烈的「空化」和「乳化」現象，每秒鐘產生數百萬計的微小旋渦和空化氣泡，這些微小旋渦和空化氣泡在聲壓作用下急速的大量產生，並不斷地遊走和猛烈的爆破，產生強大的衝擊力和負壓吸力，足以使頑固的汙垢剝離。聲壓的大小取決於超聲機械振動波的功率大小，太大時有可能破壞和影響被作用設備的安全運行，所以，要有定量分析的科學依據。
在生產實踐中，人們對於低頻率大振幅的振動波的功率已有了較成熟的測量手段，但是對於高頻率小振幅的超聲機械振動波的功率尚未有成型的測量方法。對於超聲波設備的能量和功率等數據，以往給出的數據都是理論和經驗數據，沒有經過科學測量的準確數據。又因為超聲機械振動波是超聲離散信號，不能用儀器儀表簡單測量。
技術實現要素：
為了克服現有技術的不足，本發明提供一種高頻率小振幅超聲機械振動波功率測量方法及裝置。能夠實現高頻率小振幅超聲機械振動波功率的測量，並且是精度高，靈敏度高的測量手段；本發明的高頻率小振幅超聲機械振動波功率測量裝置採用電荷變換級、適調級、低通濾波器、高通濾波器、末級功率放大器和過荷保護級將壓電加速度傳感器檢測到的高頻率小振幅超聲機械振動波的微弱電荷信號進行了放大、濾波、調節等處理，使微弱的信號能夠被檢測出來，並為機械振動波功率的計算提供了滿意的參數數值。
為了達到上述目的，本發明採用以下技術方案實現：
一種高頻率小振幅超聲機械振動波功率測量方法，所述方法為：
步驟一、將超聲波換能器安裝在長和寬均為200mm，厚度為15mm的鋼板上，作為超聲波振動源，在對應換能器振動源的鋼板另一側安裝壓電加速度傳感器；
步驟二、壓電加速度傳感器將振動的機械波轉換成與其成正比的微弱電荷Q，而且輸出阻抗極高(>109Ω)；
步驟三、採集壓電加速度傳感器的微弱電荷信號和波形信號，並對採集到的信號進行放大、濾波、調節，最後得到清晰的電壓波形和電荷值大小；
步驟四、將經過放大、濾波、調節後的電壓波形和電荷大小信號接入100MHz的示波器進行顯示，所測得的電荷大小按比例得出振動加速度大小值，示波器上顯示的電壓波形信號可以得出振動波頻率和角頻率的大小值；
步驟五、將所測得的振動加速度和振動角頻率進行計算如下：
a＝ω2A(式中：a為加速度，ω為振動波的角頻率，A為振動波的振幅)，
得出振幅值A；
步驟六、再依據如下公式計算出功率密度：
I＝2л2ρC(Af)2
(式中：I為功率密度，單位W/cm2,ρ為傳播介質密度，單位Kg/m3，C為傳播介質傳播速度，單位m/s；A為振幅，單位m,f為振動頻率，單位Hz)；
步驟七、計算出功率密度後，再根據換能器接觸面積S(cm2)乘以功率密度I得出機械振動波的功率：
P＝IS(式中：P為振動波功率，單位W，I為功率密度，單位W/cm2,S為換能器接觸面積，單位cm2)。
用於所述的一種高頻率小振幅超聲機械振動波功率測量方法的裝置為將檢測到的壓電加速度傳感器的電荷信號進行採集、放大、濾波和調節的裝置，所述裝置包括電荷變換級、適調級、低通濾波器、高通濾波器、末級功率放大器、過荷保護級和電源。
從壓電加速度傳感器信號接收輸入端依次連接電荷變換級、適調級、低通濾波器、高通濾波器、末級功率放大器和過荷保護級，末級功率放大器輸出端連接所述裝置的輸出端子，輸出端子連接外部的示波器，電源為裝置提供正負15伏的電源。
所述電荷變換級以運算放大器A1為主元件，A1採用的是美國高輸入阻抗、低噪聲、低漂移、寬帶、精密運算放大器，其輸入端並聯三種電容：
Ca：配接傳感器的自身電容；
Cc：傳感器輸出低噪聲電纜電容；
Ci：運算放大器A1的輸入電容；
A1還連接有反饋電容Cf1，反饋電容Cf1有101pF、102pF、103pF、104pF四擋，其輸出分別為：10mv/pC、1mv/pC、0.1mv/pC、0.01mv/pC，為輸出增益Ⅰ。
所述適調級由運算放大器A2和傳感器靈敏度適調電位器W組成。
所述低通濾波器以運算放大器A3為主元件，組成二階巴特沃斯有源濾波器，帶通平坦，可有效消除高頻幹擾信號。
所述高通濾波器以C4和R4連接構成一階無源高通濾波器，可有效抑制低頻幹擾信號。
所述末級功放以運算放大器A4為主元件組成輸出增益Ⅱ，輸出短路保護，精度高。
所述過荷級以A5為主元件，當輸出電壓大於10Vp時，發出電荷報警。
所述電源採用DC±15V供電，其由AC220V 50Hz的電源依次連接整流、濾波、再經過可調集成穩壓電源穩壓後得到。
與現有技術相比，本發明的有益效果是：
1、本發明的方法能夠實現高頻率小振幅超聲機械振動波功率的測量，並且是精度高，靈敏度高的測量手段；
2、本發明的高頻率小振幅超聲機械振動波功率測量裝置採用電荷變換級、適調級、低通濾波器、高通濾波器、末級功率放大器和過荷保護級將壓電加速度傳感器檢測到的高頻率小振幅超聲機械振動波的微弱電荷信號進行了放大、濾波、調節等處理，使微弱的信號能夠被檢測出來，並為機械振動波功率的計算提供了滿意的參數數值。
附圖說明
圖1是本發明的高頻率小振幅超聲機械振動波功率測量裝置結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本發明提供的具體實施方式進行詳細說明。
一種高頻率小振幅超聲機械振動波功率測量方法，所述方法為：
步驟一、將超聲波換能器安裝在長和寬均為200mm，厚度為15mm的鋼板上，作為超聲波振動源，在對應換能器振動源的鋼板另一側安裝壓電加速度傳感器；
步驟二、壓電加速度傳感器將振動的機械波轉換成與其成正比的微弱電荷Q，而且輸出阻抗極高(>109Ω)；
步驟三、採集壓電加速度傳感器的微弱電荷信號和波形信號，並對採集到的信號進行放大、濾波、調節，最後得到清晰的電壓波形和電荷值大小；
步驟四、將經過放大、濾波、調節後的電壓波形和電荷大小信號接入100MHz的示波器進行顯示，所測得的電荷大小按比例得出振動加速度大小值，示波器上顯示的電壓波形信號可以得出振動波頻率和角頻率的大小值；
步驟五、將所測得的振動加速度和振動角頻率進行計算如下：
a＝ω2A(式中：a為加速度，ω為振動波的角頻率，A為振動波的振幅)，
得出振幅值A；
步驟六、再依據如下公式計算出功率密度：
I＝2л2ρC(Af)2
(式中：I為功率密度，單位W/cm2,ρ為傳播介質密度，單位Kg/m3，C為傳播介質傳播速度，單位m/s；A為振幅，單位m,f為振動頻率，單位Hz)；
步驟七、計算出功率密度後，再根據換能器接觸面積S(cm2)乘以功率密度I得出機械振動波的功率：
P＝IS(式中：P為振動波功率，單位W，I為功率密度，單位W/cm2,S為換能器接觸面積，單位cm2)。
用於所述的一種高頻率小振幅超聲機械振動波功率測量方法的裝置為將檢測到的壓電加速度傳感器的電荷信號進行採集、放大、濾波和調節的裝置，如圖1所示，所述裝置包括電荷變換級、適調級、低通濾波器、高通濾波器、末級功率放大器、過荷保護級和電源。
從壓電加速度傳感器信號接收輸入端依次連接電荷變換級、適調級、低通濾波器、高通濾波器、末級功率放大器和過荷保護級，末級功率放大器輸出端連接所述裝置的輸出端子，輸出端子連接外部的示波器，電源為裝置提供正負15伏的電源。
所述電荷變換級以運算放大器A1為主元件，A1採用的是美國高輸入阻抗、低噪聲、低漂移、寬帶、精密運算放大器，其輸入端並聯三種電容：
Ca：配接傳感器的自身電容，一般為數千pF，1/2лRaCa決定了傳感器低頻下限。
Cc：傳感器輸出低噪聲電纜電容，我們採用的是95pF/m。
Ci：運算放大器A1的輸入電容，典型值為3pF。
A1電荷變換運算放大器，採用的是美國高輸入阻抗、低噪聲、低漂移、寬帶、精密運算放大器，反饋電容Cf1有101pF、102pF、103pF、104pF四擋，根據米勒定理，反饋電容折合到輸入端容量是：C＝(1+K)Cf1。其中K為A1開環增益，電荷變換級的輸出電壓為：Q/Cf1。所以當反饋電容分別為101pF、102pF、103pF、104pF時，其輸出分別為：10mv/pC、1mv/pC、0.1mv/pC、0.01mv/pC，為輸出增益Ⅰ。
所述適調級由運算放大器A2和傳感器靈敏度適調電位器W組成。此級的作用是在應用不同靈敏度的壓電傳感器時，整個系統有歸一化的輸出電壓。它採用美國精密數字碼盤電位器，線性度0.3％，精度高，日久不氧化，接觸可靠，當加速度傳感器電荷靈敏度為1–10pC時，W為1.00–10.00。
所述低通濾波器以運算放大器A3為主元件，組成二階巴特沃斯有源濾波器，帶通平坦，可有效消除高頻幹擾信號。
所述高通濾波器以C4和R4構成一階無源高通濾波器，可有效抑制低頻幹擾信號。
所述末級功放以運算放大器A4為主元件組成輸出增益Ⅱ，輸出短路保護，精度高。
所述過荷級以A5為主元件，當輸出電壓大於10Vp時，發出電荷報警，應降低增益或查找故障。
所述電源採用DC±15V供電，其由AC220V 50Hz的電源依次連接整流、濾波、再經過可調集成穩壓電源穩壓後得到。
本發明裝置的主要技術指標為：
輸入電荷範圍：0.06–105pC；
最大輸出電壓：±10Vp；
最大輸出電流：10mA；
精確度：≤1.0％；
諧波失真：<0.5％；
噪聲：<6μV(折合到輸出端)；
輸出增益Ⅰ：0.1、1、10、100mV/Unit；
輸出增益Ⅱ：×1、×10；
其中Unit表示機械量單位，取決於所用加速度傳感器的單位(m/s2)；
頻率範圍：0.3–100KHz；
供電電壓：AC220V±10％；
工作溫度：-10–+50℃；
工作溼度：≤85％RH(無凝結)；
以上實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於上述的實施例。上述實施例中所用方法如無特別說明均為常規方法。