一種正交相關(guān)法測量超聲換能器阻抗角的裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種正交相關(guān)法測量超聲換能器阻抗角的裝置及方法，該裝置包括傳感器、調(diào)理電路、ARMCortex-M3微處理器和LCD顯示單元，該方法將傳感器采集換能器電壓、電流信號(hào)；通過調(diào)理電路將傳感器輸出的信號(hào)調(diào)理成可被模數(shù)轉(zhuǎn)換器接收的信號(hào)；再模數(shù)轉(zhuǎn)換器將電壓、電流模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量；引入與電壓正交的數(shù)字量，并與電流做時(shí)間常數(shù)等于0的相關(guān)計(jì)算；將電壓數(shù)字量和電流數(shù)字量分別做時(shí)間常數(shù)等于0和1的相關(guān)計(jì)算和相關(guān)計(jì)算；由相關(guān)計(jì)算2和3計(jì)算得到實(shí)際信號(hào)的頻率，并引入角度；由相關(guān)計(jì)算1、相關(guān)計(jì)算2和角度計(jì)算共同得到阻抗角度。本發(fā)明測量精度高，計(jì)算量小、適用于非同步采樣，且非常適合高頻信號(hào)的相位差測量。
【專利說明】一種正交相關(guān)法測量超聲換能器阻抗角的裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電子測量【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及用于一種正交相關(guān)法測量超聲換能器阻抗角的裝置及方法。

【背景技術(shù)】
[0002]在蜂窩復(fù)合材料的超聲切割過程中，為了克服切割過程中蜂窩復(fù)合材料所出現(xiàn)的撕裂、壓塌、毛刺和芯格變形等問題，需要對超聲切割所用的換能器和超聲波發(fā)生器進(jìn)行匹配，以得到高的換能器工作效率和高的加工質(zhì)量。然而，在實(shí)際切割中，常常由于外界負(fù)載、溫度等因素的變化，導(dǎo)致發(fā)生器和換能器之間達(dá)不到良好的匹配，最終導(dǎo)致加工質(zhì)量和加工效率極度降低，嚴(yán)重時(shí)甚至損壞聲振系統(tǒng)。因此，有學(xué)者提出采用動(dòng)態(tài)匹配的方式，使發(fā)生器輸出頻率動(dòng)態(tài)地跟蹤聲振系統(tǒng)的諧振頻率的變化，故需要通過在線檢測超聲換能器和超聲波發(fā)生器組成的匹配系統(tǒng)的阻抗，并據(jù)此調(diào)節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，使聲振系統(tǒng)始終處于諧振狀態(tài)，由于不匹配時(shí)，匹配系統(tǒng)的阻抗為復(fù)阻抗，阻抗角不為零，諧振時(shí)阻抗角為零，因此，有必要通過檢測換能器和超聲波發(fā)生器所組成的匹配系統(tǒng)的阻抗角，通過阻抗角的大小來判斷系統(tǒng)是否處于諧振狀態(tài)，并根據(jù)阻抗角的大小調(diào)節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，使聲振系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)。
[0003]工程領(lǐng)域中，阻抗角的測量多采用換能器兩端的電壓和流經(jīng)換能器的電流之間的相位差進(jìn)行檢測。常用的相位差測量方法有過零法、頻譜分析法和相關(guān)法。其中，過零法易受外界因素影響，采樣精度不高。頻譜分法是利用離散傅里葉變換原理將時(shí)域信號(hào)變換到頻域，再根據(jù)相頻特性確定兩信號(hào)的相位差，但該方法往往會(huì)產(chǎn)生頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)。相關(guān)法是在時(shí)域內(nèi)對兩信號(hào)作相關(guān)運(yùn)算后進(jìn)而得到相位差。相關(guān)分析法具有良好的噪聲抑制能力，響應(yīng)速度快，可準(zhǔn)確測量出相位差，實(shí)時(shí)性較強(qiáng)，但相關(guān)法必須在同步采樣條件下。然而，在實(shí)際測量過程中，由于各種因素的影響，如被測信號(hào)頻率的緩慢波動(dòng)、硬件設(shè)備的性能不理想等，數(shù)據(jù)系統(tǒng)很難做到嚴(yán)格的同步采樣，且存在周期誤差。為了提高相位差測量的準(zhǔn)確性，又出現(xiàn)了多種測量新方法。如貝克斯頻譜估計(jì)法、多譜線插值DFT算法、加窗函數(shù)法、非同步FFT算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]目前常用的相位差測量方法，對工頻信號(hào)相位差測量技術(shù)目前已經(jīng)很成熟，而對于高頻信號(hào)，比如超聲頻信號(hào)的相位差測量還有較大困難，測量精度低于傳統(tǒng)工頻信號(hào)相位差測量精度，且往往忽視相位差測量的實(shí)時(shí)性和工程應(yīng)用性。因此，本發(fā)明的目的是綜合考慮相位差測量的精度、實(shí)時(shí)性和工程應(yīng)用性，在正交相關(guān)法測量相位差的基礎(chǔ)上，提出了一種與采樣是否同步無關(guān)的改進(jìn)的正交相關(guān)測量超聲換能器阻抗角的裝置及方法，該裝置及方法具有極強(qiáng)的噪聲抑制能力，其測量精度高于已有的正交相關(guān)法，且計(jì)算量小，因而特別適用于超聲換能器阻抗角的實(shí)時(shí)測量。
[0005]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:
[0006]一種正交相關(guān)法測量超聲換能器阻抗角的裝置，該裝置包括測量換能器電壓的電壓傳感器、測量換能器電流的電流傳感器、第一調(diào)理電路、第二調(diào)理電路、ARM Cortex-M3微處理器和TFT-1XD顯示單元；
[0007]電壓傳感器與第一調(diào)理電路信號(hào)輸入接口通過杜邦線連接，電流傳感器與第二調(diào)理電路通過杜邦線連接；第一調(diào)理電路的信號(hào)輸出接口通過杜邦線與ARM Cortex-M3微處理器內(nèi)部的一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入口連接；第二調(diào)理電路的信號(hào)輸出接口通過杜邦線與ARMCortex-M3微處理器內(nèi)部的另一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入口連接；電壓傳感器接±15V電源，電流傳感器接+5V電源，第一調(diào)理電路接+5V電源，第二調(diào)理電路接+5V電源；ARM Cortex_M3微處理器接+5V電源，ARM Cortex-M3微處理器與TFT-LCD顯示屏通過8060總線連接；
[0008]所述的第一調(diào)理電路，包括第一霍爾電壓傳感器U1、第一運(yùn)算放大器U2A、第二運(yùn)算放大器U2B、第三運(yùn)算放大器U2C、第四運(yùn)算放大器U2D、第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4、第五電阻R5、第六電阻R6、第七電阻R7、第八電阻R8、第九電阻R9、第十電阻R10、第i^一電阻R11、第十二電阻R12、第十三電阻R13、第十四電阻R14、第十五電阻R15、第一電容Cl、第二電容C2、第一二極管Dl和第二二極管D2 ;第一霍爾電壓傳感器Ul的型號(hào)為CHV — 25P ；
[0009]第一電阻Rl —端與電壓傳感器的輸入端In+相連,另一端與霍爾電壓傳感器Ul的I腳相連，電壓傳感器的輸出端In-與霍爾電壓傳感器Ul的2腳相連，霍爾電壓傳感器Ul的3腳與15V電源的負(fù)極相連，霍爾電壓傳感器Ul的4腳與15V電源的正極相連，霍爾電壓傳感器Ul的5腳與第二電阻R2的一端相連,第二電阻R2的另一端與地相連；第三電阻R3的一端與霍爾電壓傳感器Ul的5腳相連,另一端與第一運(yùn)算放大器U2A的正向輸入端相連，第一運(yùn)算放大器U2A的反向輸入端與輸出端相連，第一運(yùn)算放大器U2A的正電源端與+15V電源相連，第一運(yùn)算放大器U2A的負(fù)電源端與-15V電源相連，第一運(yùn)算放大器U2A的輸出端與第四電阻R4的一端相連，第四電阻R4的另一端與第五電阻R5的一端相連,第五電阻R5的另一端與第二運(yùn)算放大器U2B的正向輸入端相連,第一電容Cl的一端與第四電阻R4的另一端相連,第一電容Cl的另一端與第二運(yùn)算放大器U2B的輸出端相連,第二電容C2的一端與第二運(yùn)算放大器U2B的正向輸入端相連,第二電容C2的另一端與地相連,第二運(yùn)算放大器U2B的反向輸入端與第六電阻R6的一端、第七電阻R7的一端相連,第六電阻R6的另一端與地相連，第七電阻R7的另一端與第二運(yùn)算放大器U2B的7端相連，第二運(yùn)算放大器U2B的正電源端與+15V電源相連，第二運(yùn)算放大器U2B的負(fù)電源端與-15V電源相連，第八電阻R8的一端與第二運(yùn)算放大器U2B的輸出端相連，第八電阻R8的另一端與第三運(yùn)算放大器U2C的反向輸入端、第9電阻R9的一端、第^ 電阻Rll的一端相連，第九電阻R9的另一端與+5V電源相連,第三運(yùn)算放大器U2C的正向輸入端與第十電阻RlO的一端相連，第十電阻RlO的另一端與地相連，第十一電阻Rll的另一端與第三運(yùn)算放大器U2C的輸出端、第十二電阻R12的一端相連，第三運(yùn)算放大器U2C的正電源端與+15V電源相連，第三運(yùn)算放大器U2C的的負(fù)電源端與-15V電源相連，第十二電阻R12的另一端與第四運(yùn)算放大器U2D的反向輸入端、第十四電阻R14的一端相連，第四運(yùn)算放大器U2D的正向輸入端與第十三電阻R13的一端相連，第十三電阻R13的另一端與地相連，第十四電阻R14的另一端與第四運(yùn)算放大器U2D的14端、第十五電阻R15的一端相連，第四運(yùn)算放大器U2D的正電源端與+15V電源相連，第四運(yùn)算放大器U2D的負(fù)電源端與-15V電源相連，第十五電阻R15的另一端與第一二極管Dl的陽極、第二二極管D2的陽極連接并作為輸出接口 Out，第一二極管Dl的陰極接+3.3V電源，第二二極管D2的陰極與地相連，經(jīng)調(diào)理電路I調(diào)理之后的換能器電壓輸出接口 Out與微處理器ARM Cortex-M3內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器的一個(gè)輸入接口相連；
[0010]所述的第二調(diào)理電路2，包括第一霍爾電流傳感器，第一電容Cl，第一霍爾電流傳感器型號(hào)為ACS712-05B ；
[0011]第一霍爾電流傳感器的I腳和2腳相連并與電流傳感器的信號(hào)輸入端連接，第一霍爾電流傳感器的3端和4端相連并與電流傳感器的信號(hào)輸出端連接，第一霍爾電流傳感器的5腳端與+5V電源相連，第一霍爾電流傳感器的6腳與微處理器ARM Cortex-M3內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)輸入接口相連，第一霍爾電流傳感器的7腳與第一電容Cl的一端相連，第一電容Cl的另一端與第一霍爾電流傳感器的8腳連接并接地。
[0012]一種正交相關(guān)法測量超聲換能器阻抗角的方法，具體包括以下步驟:
[0013]步驟1:傳感器采集換能器電壓和換能器電流信號(hào)；
[0014]換能器兩端電壓和電流信號(hào)近似于正弦信號(hào)，為了方便分析，設(shè)換能器電壓信號(hào)和換能器電流信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號(hào)，其方程式分別為:
[0015]u (t) = Usin (2 π ft+ Θ y)；
[0016]i (t) = Isin (2 π ft+ θ χ) +m(t)；
[0017]其中，U為換能器的峰值電壓、I換能器的峰值電流、t為時(shí)間常數(shù)，m(t)為高斯白噪聲，f為信號(hào)頻率，9?和Q1分別為電壓信號(hào)和電流信號(hào)的相位角；
[0018]步驟2:將傳感器采集后的換能器電壓和電流信號(hào)經(jīng)過第一調(diào)理電路和第二調(diào)理電路調(diào)理成可被ARM Cortex-M3內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器所允許的電壓范圍O — 3.3V ；
[0019]步驟3:經(jīng)調(diào)理電路調(diào)理后的換能器電壓信號(hào)被ARM Cortex-M3內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電壓數(shù)字量，經(jīng)調(diào)理電路調(diào)理后的換能器電流信號(hào)被ARM Cortex-M3內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電流數(shù)字量；
[0020]u (n) = Usin (2 π fn/fs+ Θ y)；
[0021]i (η) = Isin (2 π fn/fs+ θ ^+mfc)；
[0022]步驟4:引入與換能器電壓數(shù)字量成正交關(guān)系的電壓數(shù)字量；
[0023]其表達(dá)式為:
[0024]u2 (n) = Usin (2 π fn/fs+ θ 2) +m(η)；
[0025]其中，θf θ 2 = 90。；
[0026]步驟5:所引入的與換能器電壓成正交關(guān)系的電壓數(shù)字量與換能器電流數(shù)字量做時(shí)間常數(shù)等于O的相關(guān)計(jì)算I ;考慮到信號(hào)與白噪聲之間的非相關(guān)性，其運(yùn)算結(jié)果如下公式:

【權(quán)利要求】
1.一種正交相關(guān)法測量超聲換能器阻抗角的裝置，該裝置包括測量換能器電壓的電壓傳感器、測量換能器電流的電流傳感器、第一調(diào)理電路、第二調(diào)理電路、ARM Cortex-M3微處理器和TFT-1XD顯示單元； 其特征在于:電壓傳感器與第一調(diào)理電路信號(hào)輸入接口通過杜邦線連接，電流傳感器與第二調(diào)理電路通過杜邦線連接；第一調(diào)理電路的信號(hào)輸出接口通過杜邦線與ARMCortex-M3微處理器內(nèi)部的一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入口連接；第二調(diào)理電路的信號(hào)輸出接口通過杜邦線與ARM Cortex-M3微處理器內(nèi)部的另一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入口連接；電壓傳感器接±15V電源，電流傳感器接+5V電源，第一調(diào)理電路接+5V電源，第二調(diào)理電路接+5V電源；ARM Cortex-M3微處理器接+5V電源，ARM Cortex_M3微處理器與TFT-LCD顯示屏通過8060總線連接； 所述的第一調(diào)理電路，包括第一霍爾電壓傳感器U1、第一運(yùn)算放大器U2A、第二運(yùn)算放大器U2B、第三運(yùn)算放大器U2C、第四運(yùn)算放大器U2D、第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4、第五電阻R5、第六電阻R6、第七電阻R7、第八電阻R8、第九電阻R9、第十電阻R10、第i^一電阻R11、第十二電阻R12、第十三電阻R13、第十四電阻R14、第十五電阻R15、第一電容Cl、第二電容C2、第一二極管Dl和第二二極管D2 ;第一霍爾電壓傳感器Ul的型號(hào)為CHV — 25P ； 第一電阻Rl —端與電壓傳感器的輸入端In+相連,另一端與霍爾電壓傳感器Ul的I腳相連，電壓傳感器的輸出端In-與霍爾電壓傳感器Ul的2腳相連，霍爾電壓傳感器Ul的3腳與15V電源的負(fù)極相連，霍爾電壓傳感器Ul的4腳與15V電源的正極相連，霍爾電壓傳感器Ul的5腳與第二電阻R2的一端相連，第二電阻R2的另一端與地相連；第三電阻R3的一端與霍爾電壓傳感器Ul的5腳相連,另一端與第一運(yùn)算放大器U2A的正向輸入端相連，第一運(yùn)算放大器U2A的反向輸入端與輸出端相連,第一運(yùn)算放大器U2A的正電源端與+15V電源相連，第一運(yùn)算放大器U2A的負(fù)電源端與-15V電源相連，第一運(yùn)算放大器U2A的輸出端與第四電阻R4的一端相連，第四電阻R4的另一端與第五電阻R5的一端相連，第五電阻R5的另一端與第二運(yùn)算放大器U2B的正向輸入端相連,第一電容Cl的一端與第四電阻R4的另一端相連，第一電容Cl的另一端與第二運(yùn)算放大器U2B的輸出端相連,第二電容C2的一端與第二運(yùn)算放大器U2B的正向輸入端相連，第二電容C2的另一端與地相連，第二運(yùn)算放大器U2B的反向輸入端與第六電阻R6的一端、第七電阻R7的一端相連,第六電阻R6的另一端與地相連，第七電阻R7的另一端與第二運(yùn)算放大器U2B的7端相連，第二運(yùn)算放大器U2B的正電源端與+15V電源相連，第二運(yùn)算放大器U2B的負(fù)電源端與-15V電源相連，第八電阻R8的一端與第二運(yùn)算放大器U2B的輸出端相連，第八電阻R8的另一端與第三運(yùn)算放大器U2C的反向輸入端、第9電阻R9的一端、第^ 電阻Rll的一端相連,第九電阻R9的另一端與+5V電源相連,第三運(yùn)算放大器U2C的正向輸入端與第十電阻RlO的一端相連，第十電阻RlO的另一端與地相連，第十一電阻Rll的另一端與第三運(yùn)算放大器U2C的輸出端、第十二電阻R12的一端相連，第三運(yùn)算放大器U2C的正電源端與+15V電源相連，第三運(yùn)算放大器U2C的的負(fù)電源端與-15V電源相連，第十二電阻R12的另一端與第四運(yùn)算放大器U2D的反向輸入端、第十四電阻R14的一端相連，第四運(yùn)算放大器U2D的正向輸入端與第十三電阻R13的一端相連，第十三電阻R13的另一端與地相連，第十四電阻R14的另一端與第四運(yùn)算放大器U2D的14端、第十五電阻R15的一端相連，第四運(yùn)算放大器U2D的正電源端與+15V電源相連，第四運(yùn)算放大器U2D的負(fù)電源端與-15V電源相連，第十五電阻R15的另一端與第一二極管Dl的陽極、第二二極管D2的陽極連接并作為輸出接口 Out，第一二極管Dl的陰極接+3.3V電源，第二二極管D2的陰極與地相連，經(jīng)調(diào)理電路I調(diào)理之后的換能器電壓輸出接口 Out與微處理器ARM Cortex-M3內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器的一個(gè)輸入接口相連；所述的第二調(diào)理電路2，包括第一霍爾電流傳感器，第一電容Cl，第一霍爾電流傳感器型號(hào)為 ACS712-05B ； 第一霍爾電流傳感器的丨腳和2腳相連并與電流傳感器的信號(hào)輸入端連接，第一霍爾電流傳感器的3端和4端相連并與電流傳感器的信號(hào)輸出端連接，第一霍爾電流傳感器的5腳端與+5V電源相連，第一霍爾電流傳感器的6腳與微處理器ARM Cortex-M3內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)輸入接口相連，第一霍爾電流傳感器的7腳與第一電容Cl的一端相連,第一電容Cl的另一端與第一霍爾電流傳感器的8腳連接并接地。
2.一種正交相關(guān)法測量超聲換能器阻抗角的方法，其特征在于，具體包括以下步驟: 步驟1:傳感器采集換能器電壓和換能器電流信號(hào)； 換能器兩端電壓和電流信號(hào)近似于正弦信號(hào)，為了方便分析，設(shè)換能器電壓信號(hào)和換能器電流信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號(hào)，其方程式分別為:u (t) = Usin (2 n ft+ Θ y)；i (t) = Isin (2 n ft+ θ χ) +m(t)； 其中，U為換能器的峰值電壓、I換能器的峰值電流、t為時(shí)間常數(shù)，m(t)為高斯白噪聲，f為信號(hào)頻率，9?和Q1分別為電壓信號(hào)和電流信號(hào)的相位角； 步驟2:將傳感器采集后的換能器電壓和電流信號(hào)經(jīng)過第一調(diào)理電路和第二調(diào)理電路調(diào)理成可被ARM Cortex-M3內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器所允許的電壓范圍O — 3.3V ； 步驟3:經(jīng)調(diào)理電路調(diào)理后的換能器電壓信號(hào)被ARM Cortex-M3內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電壓數(shù)字量，經(jīng)調(diào)理電路調(diào)理后的換能器電流信號(hào)被ARM Cortex-M3內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電流數(shù)字量；
u (n) = Usin (2 n fn/fs+ Θ y)；
i (η) = Isin (2 η fn/fs+ θ ^+mfc)； 步驟4:引入與換能器電壓數(shù)字量成正交關(guān)系的電壓數(shù)字量； 其表達(dá)式為:
U2 (n) = Usin (2 π fn/fs+ θ 2) +m (η)； 其中，θυ-θ2 = 90。； 步驟5:所引入的與換能器電壓成正交關(guān)系的電壓數(shù)字量與換能器電流數(shù)字量做時(shí)間常數(shù)等于O的相關(guān)計(jì)算I ;考慮到信號(hào)與白噪聲之間的非相關(guān)性，其運(yùn)算結(jié)果如下公式:
I, Hf
Ri?.(O )=:乞'.(")"2 (") = 丁sin (私-沒/ )




贅 步驟6:換能器電壓數(shù)字量和電流數(shù)字量分別做時(shí)間常數(shù)等于O和I的相關(guān)計(jì)算2和相關(guān)計(jì)算3 ;其運(yùn)算結(jié)果如下公式:
R,:" (0) = 7 乞 z.(")w (") = Ycos ()
7V n=QLΛ




i
其中，f:為實(shí)際的蜂窩復(fù)合材料超聲切割過程中換能器兩端電壓和流過換能器電流的頻率，fs為微處理器ARM Cortex-M3內(nèi)部提供的采樣頻率； 步驟7:相關(guān)計(jì)算2和相關(guān)計(jì)算3做運(yùn)算得到信號(hào)的實(shí)際頻率，此信號(hào)頻率用于計(jì)算角度偏差α，進(jìn)而修正阻抗角度；其結(jié)果如下公式:
2π.步驟8:由相關(guān)計(jì)算1、相關(guān)計(jì)算2和角度偏差α共同計(jì)算得到超聲換能器阻抗角度；由于在實(shí)際蜂窩復(fù)合材料超聲切割過程中，換能器電壓、電流頻率往往發(fā)生漂移，致使所引入的正交電壓數(shù)字量并不總是與換能器電壓數(shù)字量正交，這時(shí)會(huì)有一個(gè)角度偏差α存在，導(dǎo)致所計(jì)算的超聲換能器阻抗角存在較大誤差；前述步驟8中的角度偏差α的計(jì)算結(jié)果如下公式:
由相關(guān)計(jì)算1、相關(guān)計(jì)算2和角度偏差α共同計(jì)算得到超聲換能器阻抗角度為:.1
【文檔編號(hào)】G01R25/00GK104198813SQ201410196215
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年5月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月9日
【發(fā)明者】紀(jì)華偉, 李旭龍, 胡小平, 葉紅仙, 趙志磊, 董昕頔 申請人:杭州電子科技大學(xué)