本發(fā)明屬于阻抗測量領(lǐng)域，具體涉及一種超聲換能器聲電閉環(huán)阻抗測量方法與裝置。

背景技術(shù)：

超聲檢測作為一種高精度、高靈敏度的無損檢測方式被越來越多的應(yīng)用于各個領(lǐng)域。超聲換能器作為其中的關(guān)鍵部件，其性能直接影響檢測的準(zhǔn)確性與可靠性。通常在使用超聲換能器之前，要測量出其各性能參數(shù)，其中阻抗是必不可少的一項。首先，在電路設(shè)計方面，當(dāng)超聲換能器工作在諧振狀態(tài)時，能量轉(zhuǎn)換效率最高，發(fā)熱最小，壽命也更久；因此測量超聲換能器的阻抗，有助于設(shè)計最佳阻抗匹配的驅(qū)動電路和負(fù)載電路，使其工作在諧振點附近。第二，阻抗測量有助于選擇最為匹配的收發(fā)超聲換能器。超聲換能器僅工作在一定的頻帶范圍內(nèi)，因此，當(dāng)發(fā)射和接收用的超聲換能器通頻帶和中心頻率一致時，匹配最佳、收發(fā)信號效率最高；但由于制造工藝或材料本身的原因，每個超聲換能器的通頻帶和中心頻率是不一樣的。在阻抗測量時，確定其通頻帶及中心頻率，可以判斷收發(fā)換能器是否最佳匹配，因此測量超聲換能器的阻抗十分必要。

通常我們使用阻抗測量儀來測量超聲換能器的阻抗，但是這種測量方法在實際應(yīng)用時還存在一些不足。(1)從測量方式來看，阻抗測量儀基本都是通過夾具夾住超聲換能器的兩端來測量阻抗，是一種開環(huán)測量，得到的結(jié)果也只是超聲換能器的靜態(tài)阻抗。而實際應(yīng)用場景中，由計算機(jī)產(chǎn)生的信號，經(jīng)過D/A、超聲換能器、聲介質(zhì)后，再到超聲換能器、A/D回到計算機(jī)，因此阻抗測量時要考慮到信號經(jīng)過的所有器件，即使是聲介質(zhì)也能等同于一種負(fù)載，包括在影響阻抗大小的考慮范圍之內(nèi)，同時不可忽視的一點是，此過程中超聲換能器處于聲電轉(zhuǎn)換的工作狀態(tài)中，而且這是一個動態(tài)的過程，所以以實際應(yīng)用為導(dǎo)向，測量閉環(huán)的、動態(tài)的、帶負(fù)載情況下的超聲換能器阻抗更有實際意義。(2)從測量頻寬來看，大多阻抗測量儀的結(jié)果都是單個頻率點的。而實際上，超聲換能器都具有通頻帶，所以實際需求也是某一頻段的阻抗，而不是單個頻率點的。(3)從測量量程、價格等方面考慮，也有很多阻抗測量儀是不合適的，例如DF2893C阻抗測量儀，測量頻率范圍只到40KHz；例如WK6500系列的阻抗測量儀，十分昂貴。

綜上所述，從實際需求出發(fā)，若能設(shè)計一套超聲換能器聲電閉環(huán)阻抗測量裝置，得到寬頻范圍內(nèi)、加負(fù)載時的動態(tài)阻抗值，則對工程應(yīng)用更具有實際意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有的阻抗測量裝置不能進(jìn)行寬頻范圍的閉環(huán)測量等不足之處，本發(fā)明提出一種超聲換能器聲電閉環(huán)阻抗測量方法與裝置。

一種超聲換能器聲電閉環(huán)阻抗測量方法，其特征在于測量時，發(fā)射超聲換能器和接收超聲換能器處于聲電轉(zhuǎn)換的工作狀態(tài)，形成了電信號到聲信號再到電信號的聲電閉環(huán)測量電路。

一種超聲換能器聲電閉環(huán)阻抗測量裝置包括數(shù)據(jù)處理后臺、測量發(fā)送模塊、聲介質(zhì)、測量接收模塊。

所述的數(shù)據(jù)處理后臺用于生成發(fā)射信號，以及處理經(jīng)過測量發(fā)送模塊、聲介質(zhì)、測量接收模塊之后的接收信號，并計算出超聲換能器的阻抗；同時具有與測量發(fā)送模塊、測量接收模塊通信的功能。

所述的測量發(fā)送模塊，集成了D/A以及數(shù)據(jù)通信模塊，用于將來自數(shù)據(jù)處理后臺的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，并將模擬信號發(fā)送給超聲換能器以及接收來自數(shù)據(jù)處理后臺的控制信息。

所述的聲介質(zhì)，是發(fā)射超聲換能器與接收超聲換能器之間的聲耦合物質(zhì)，可以是水，鋼鐵、醫(yī)用超聲耦合劑等實際探測場景中使用的耦合物質(zhì)。

所述的測量接收模塊，集成了A/D以及數(shù)據(jù)通信模塊，用于接收來自超聲換能器的模擬信號，并將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號發(fā)送給數(shù)據(jù)處理后臺，以及接收來自數(shù)據(jù)處理后臺的控制信息。

一種超聲換能器聲電閉環(huán)阻抗測量方法，其特征在于阻抗測量時，超聲換能器處于聲電轉(zhuǎn)換狀態(tài)，發(fā)射的寬頻信號經(jīng)過發(fā)射超聲換能器轉(zhuǎn)換為聲信號，再經(jīng)過聲介質(zhì)，被接收超聲換能器轉(zhuǎn)換為電信號，由發(fā)射信號和接收信號計算寬頻范圍內(nèi)的聲電閉環(huán)信道響應(yīng)，再根據(jù)聲電閉環(huán)信道的等效電路，擬合出超聲換能器閉環(huán)等效電路中各元件的參數(shù)，進(jìn)而求出阻抗。

一種超聲換能器聲電閉環(huán)阻抗測量方法，其特征在于聲電閉環(huán)信道響應(yīng)的等效電路由兩個超聲換能器閉環(huán)等效電路級聯(lián)而成，如圖1所示；超聲換能器閉環(huán)等效電路如圖2所示，其中Rm是動態(tài)電阻與負(fù)載電阻之和、Cm是動態(tài)電容、Lm是動態(tài)電感、C0是靜態(tài)電容。

所述的一種超聲換能器聲電閉環(huán)阻抗測量方法與裝置，工作過程包含以下步驟：

步驟1.信號發(fā)送：通過數(shù)據(jù)處理后臺設(shè)置好發(fā)送采樣率、起始和截止頻率、幅度、時長，根據(jù)這些參數(shù)產(chǎn)生發(fā)送信號，并發(fā)送給測量發(fā)送模塊。

步驟2.信號傳遞：發(fā)送模塊將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號后傳遞給發(fā)射超聲換能器，經(jīng)過聲介質(zhì)，再傳遞給接收超聲換能器，接收超聲換能器將信號傳遞給測量接收模塊。

步驟3.信號接收：通過數(shù)據(jù)處理后臺設(shè)置好接收采樣率和時長，發(fā)送給測量接收模塊，測量接收模塊將信號傳回數(shù)據(jù)處理后臺。

步驟4.數(shù)據(jù)處理：數(shù)據(jù)處理后臺根據(jù)發(fā)送信號和接收信號，計算聲電閉環(huán)信道響應(yīng)，再根據(jù)聲電閉環(huán)信道的等效電路，擬合出超聲換能器閉環(huán)等效電路中各元件的參數(shù)，進(jìn)而求出阻抗。

本發(fā)明的有益效果是：

1.測量結(jié)果是超聲換能器處于聲電轉(zhuǎn)換的工作狀態(tài)下的阻抗，是一種閉環(huán)測量，不僅考慮了超聲換能器從電信號到聲信號再到電信號的工作過程，還考慮到了收發(fā)超聲換能器之間的聲介質(zhì)的影響，更具有實際意義。

2.電路構(gòu)成簡單，系統(tǒng)搭建方便。

附圖說明

圖1是聲電閉環(huán)信道響應(yīng)等效電路圖；

圖2是超聲換能器閉環(huán)等效電路圖；

圖3是阻抗測量裝置框圖；

具體實施方式

本實施例結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明的實施不限于此。

一種超聲換能器聲電閉環(huán)阻抗測量裝置包括數(shù)據(jù)處理后臺、測量發(fā)送模塊、聲介質(zhì)、測量接收模塊。測量接收模塊、測量發(fā)送模塊和數(shù)據(jù)處理后臺通過無線的方式通信。本實施例中采用WIFI無線通信技術(shù)。

如圖3所示，是所述的一種超聲換能器聲電閉環(huán)阻抗測量裝置，包括數(shù)據(jù)處理后臺301，測量發(fā)送模塊302、測量接收模塊303、超聲換能器304、聲介質(zhì)305。本實施例中測量超聲換能器304在聲電轉(zhuǎn)換的工作狀態(tài)下的阻抗，其中數(shù)據(jù)處理后臺301生成信號，傳遞給測量發(fā)送模塊302，經(jīng)過超聲換能器304、聲介質(zhì)305，傳遞給測量接收模塊303，再傳回數(shù)據(jù)處理后臺301，計算得出超聲換能器304的阻抗。

所述的數(shù)據(jù)處理后臺用于生成信號，以及處理經(jīng)過超聲換能器的信號，得出超聲換能器的阻抗值；同時通過WIFI與測量發(fā)送模塊及測量接收模塊通信。

所述的測量發(fā)送模塊，集成了D/A以及WIFI收發(fā)模塊，用于將來自數(shù)據(jù)處理后臺的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，并將模擬信號發(fā)送給超聲換能器以及接收來自數(shù)據(jù)處理后臺的控制信息。

所述的聲介質(zhì)，是發(fā)射超聲換能器與接收超聲換能器之間的聲耦合物質(zhì)，可以是水，鋼鐵、醫(yī)用超聲耦合劑等實際探測場景中使用的耦合物質(zhì)。本實施例中選用醫(yī)用超聲耦合劑。

所述的測量接收模塊，集成了A/D以及WIFI收發(fā)模塊，用于接收來自超聲換能器的模擬信號，并將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號發(fā)送給數(shù)據(jù)處理后臺，以及接收來自數(shù)據(jù)處理后臺的控制信息。

下面結(jié)合圖3，對聲電轉(zhuǎn)換狀態(tài)下的超聲換能器阻抗測量方法的步驟進(jìn)行描述：

步驟1.信號發(fā)送：通過數(shù)據(jù)處理后臺設(shè)置好發(fā)送采樣率、起始和截止頻率、幅度、時長，根據(jù)這些參數(shù)產(chǎn)生發(fā)送信號，并發(fā)送給測量發(fā)送模塊。

步驟2.信號傳遞：發(fā)送模塊將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號后傳遞給發(fā)射超聲換能器，經(jīng)過聲介質(zhì)，再傳遞給接收超聲換能器，接收超聲換能器將信號傳遞給測量接收模塊。

步驟3.信號接收：通過數(shù)據(jù)處理后臺設(shè)置好接收采樣率和時長，發(fā)送給測量接收模塊，測量接收模塊將信號傳回數(shù)據(jù)處理后臺。

步驟4.數(shù)據(jù)處理：數(shù)據(jù)處理后臺根據(jù)發(fā)送信號和接收信號，計算聲電閉環(huán)信道響應(yīng)，再根據(jù)聲電閉環(huán)信道的等效電路，擬合出超聲換能器閉環(huán)等效電路中各元件的參數(shù)，進(jìn)而求出阻抗。

本實施例中采用最小二乘與最速下降聯(lián)合法求解阻抗，具體步驟如下：

步驟1.對發(fā)送信號x[n]作快速傅里葉變換得到X，對數(shù)據(jù)處理后臺接收回來的信號y[n]作快速傅里葉變換得到Y(jié)，則聲電閉環(huán)信道響應(yīng)為H(jω)＝Y(jié)/X。發(fā)射超聲換能器閉環(huán)等效電路由動態(tài)電容C_m1、動態(tài)電阻與負(fù)載電阻之和R_m1、動態(tài)電感L_m1、靜態(tài)電容C₀₁構(gòu)成。接收超聲換能器閉環(huán)等效電路由動態(tài)電容C_m2、動態(tài)電阻與負(fù)載電阻之和R_m2、動態(tài)電感L_m2、靜態(tài)電容C₀₂構(gòu)成。

步驟2.由超聲換能器的閉環(huán)等效電路圖2知發(fā)射超聲換能器的響應(yīng)為：

令a₁＝C_m1R_m1；b₁＝L_m1C_m1；c₁＝C_m1+C₀₁；d₁＝C₀₁C_m1R_m1；e₁＝C₀₁L_m1C_m1；

則

同理可得接收超聲換能器的頻率響應(yīng)為：

由聲電閉環(huán)信道響應(yīng)等效電路圖1可得

H(jω)＝H₁(jω)·H₂(jω)

步驟3.構(gòu)造最速下降法的目標(biāo)函數(shù)

令α＝[1+a₁jω+b₁(jω)²][1+a₂jω+b₂(jω)²]

β＝[c₁jω+d₁(jω)²+e₁(jω)³][c₂jω+d₂(jω)²+e₂(jω)³]

則

目標(biāo)函數(shù)其中與k對應(yīng)的是ω_k，

令x＝[a₁，b₁，c₁，d₁，e₁，a₂，b₂，c₂，d₂，e₂]

得到目標(biāo)函數(shù)J(x)。

求出使J最小的x即可求出超聲換能器閉環(huán)等效電路圖中各元件的參數(shù)。

步驟4.求最速下降法的初值x₀，容許誤差ε＝10^-5.令i：＝0；采用最小二乘擬合求出x₀；

步驟5.計算若停算，輸出x_i作為近似極小點，即求得阻抗；否則進(jìn)入下一步驟；

其中，

步驟6.取下降方向

步驟7.由線搜索方法確定步長因子λ；

步驟8.令x_i+1＝x_i+λd_i，i增加1，轉(zhuǎn)步驟5。