CN101509942B - 一种超声波换能器频率响应特性的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超声波换能器频率响应特性的检测方法，该方法基于多正交频率测量信号能快速检测超声波换能器频率响应特性，该方法包括：初始化频率参数；产生超声波换能器的激励信号；测量超声波换能器的响应；计算超声波换能器在测试频率点的频率响应特性；计算换能器在给定频率范围内的频率响应特性。该方法的特点是一次采用多个测试频率点的测试信号，通过测试信号在不同频率点之间的正交性对换能器在该频率点上的频率响应特性进行计算，可以快速有效地测量出超声波换能器的频率响应特性，具有检测速度快、实现简单等优点，不但适合各种需要快速检测换能器频率特性的场合，并且也可以用于其他电器产品的频率响应特性快速检测。

Description

一种超声波换能器频率响应特性的检测方法

技术领域

本发明涉及一种超声波换能器频率响应特性检测技术，特别是一种基于多正交频率测量信号的超声波换能器频率响应特性快速检测方法。

背景技术

随着科技的发展，超声波技术已经广泛地应用在探测、医学诊断、测距测速、清洗、焊接、碎石等方面，在医学、军事、工业、农业等领域中有着非常广阔的应用前景和潜力。

超声波换能器是超声波***中的关键器件之一，由于常用的超声波换能器具有较窄的通频带，因此对激励信号的频率准确度要求比较高，只有当激励信号的频率准确地与超声波换能器的中心频率匹配时，换能器才能达到最佳的功率输出效果，否则换能器的输出功率将急剧下降，难以达到设计的要求。因此，如何能准确检测换能器的频率响应特性，特别是其中心频率、通频带等频率参数，是超声波***的生产、组装、调试、检修中重要的环节。

目前常用的超声波换能器频率响应特性检测方法是采用频率扫描的方式，即由频率发生器产生频率在一定范围内变化的等幅单频信号作为激励，通过测量超声波换能器在不同频率的激励信号下的输出来确定其频率特性。扫频检测方法的优点是原理简单，实现容易，不足是检测速度慢，因为它需要在一定的范围内以设定的间隔逐次扫描多个测试频率点，由于超声波换能器存在余振、测量电路的稳定需要时间等因素，每个频率点的检测都需要耗费一定的时间，造成检测仪器处理速度较慢，例如，假设扫频范围为40kHz，每隔20Hz设置一个测试频率点，每个频率点的检测时间需要20ms，则一次频率响应特性的检测时间需要40000Hz/20Hz×20ms＝40000ms＝40s。随着自动化程度的提高，现在电声产品生产线的运转速度非常快，对线上检测设备的检测效率和速度的要求也越来越高。基于扫频方式的换能器频率响应特性检测装置由于检测速度较慢，因此只能用于少量换能器的抽检，无法应用于大规模生产线上的在线全检，给超声波换能器生产过程中的全面质量控制带来一定的困难，同时也不利于应用厂家在进货等过程中对每个超声波换能器进行质量检验。

发明内容

针对目前普遍采用的扫频式超声波换能器频率响应特性检测方法存在速度慢，不利于超声波换能器在生产、进货等过程中的全检，从而影响产品质量控制的缺点，本发明提供了一种超声波换能器频率响应特性的检测方法，该方法基于多正交频率测量信号能快速检测超声波换能器频率响应特性，该方法的特点是一次采用多个测试频率点的测试信号，通过测试信号在不同频率点之间的正交性对换能器在该频率点上的频率响应特性进行计算，可以快速有效地测量出超声波换能器的频率响应特性，与传统的扫频方法相比具有检测速度快、实现简单等优点，不但适合各种需要快速检测换能器频率特性的场合，并且也可以用于其他电器产品的频率响应特性快速检测。

本发明提供的基于多正交频率激励信号的快速超声波换能器频率响应特性检测方法，具体包含以下步骤：

1、初始化频率参数：根据给定的频率测量范围和频率测量精度，设定检测的下限频率f_min，上限频率f_max和频率间隔Δf，其中闭区间[f_min，f_max]覆盖给定的频率测量范围，Δf小于或等于所给定的频率测量精度，且f_min＝K₁Δf，f_max＝K₂Δf，K₁、K₂为正整数且K₁＜K₂。

2、产生超声波换能器的激励信号：产生激励信号 $e\left(t\right)=A\underset{k=K_1}{\overset{K_2}{\mathrm{\Σ}}}\cos [{2\mathrm{\πf}}_{k}t+{\mathrm{\φ}}_k],$ 并通过功率放大器放大后，送给待测试的超声波换能器，其中其中f_k＝kΔf，K₁＜k＜K₂，为待检测的多个测试频率点，A为常数，φ_k为正弦分量的相位。

3、测量超声波换能器的响应：测量超声波换能器在步骤2的激励信号下电压或电流的变化，得到测量信号y(t)，测量时间不小于T＝1/Δf。

4、计算超声波换能器在测试频率点的频率响应特性：测试频率点f_l＝lΔf上的换能器频率响应特性采用下式直接计算：

$Y\left(f_l\right)={\∫}_0^{\mathrm{mT}}y\left(t\right)\cos \left(2\mathrm{\π}{f}_{l}t\right)\mathrm{dt}---\left(1\right)$

其中T＝1/Δf，K₁＜l＜K₂，m为正整数。

5、计算换能器在给定频率范围内的频率响应特性：对Y(f_l)进行归一化得到Y(f_l)，利用Y(f_l)进行插值运算，得到换能器在给定频率范围内任意频率点的频率响应特性Y(f)。

通过适当选择步骤2中的正弦分量相位φ_k可以避免激励信号出现尖脉冲，使电路能更有效地工作。φ_k可采用以下方法进行设定：

(1)对于每个φ_k，在区间[-π，π)中设定多个侯选值；

(2)计算φ_k在选择不同侯选值组合时，激励信号e(t)绝对值的峰值和平均值；

(3)选出使激励信号e(t)绝对值的峰值和平均值之比最小的φ_k侯选值组合，作为发送激励信号中的φ_k。

步骤2中的φ_k还可以采用以下方法进行设定：

(1)随机产生多组φ_k，并计算相应的激励信号e(t)绝对值的峰值和平均值之比；

(2)选出使激励信号e(t)绝对值的峰值和平均值之比最小的一组φ_k作为发送激励信号中的φ_k。

上述步骤4中换能器在测试频率点的频率响应特性，还可以采用快速傅立叶变换的方法来计算，方法为：

(1)对y(t)进行模/数转换得到离散序列y[n]，并对其补零至长度为2^P，其中

L为y[n]的长度。

(2)对补零后的序列作2^P点的快速傅立叶变换，得到 $f_l=\frac{f_s}{2^P}$ 处换能器的频率响应特性Y(f_l)，其中f_s为采样频率。

上述步骤4中换能器在测试频率点频率响应特性的计算中，可以采用式(1)和快速傅立叶变换相结合的方法，当给定测试频率点的数目使式(1)的运算量小于快速傅立叶变换的运算量时，采用式(1)进行计算，否则则采用快速傅立叶变换进行计算。

上述步骤5中，可以采用多段不相同的测量信号y(t)来对换能器的频率响应特性Y(f)进行计算，并取其结果的平均来作为对Y(f)的最终估计值。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于检测速度快，由于各测试频率点的测试信号是同时产生的，不需要逐个频率点进行扫频测量，因此在激励信号输入稳定后即能一次检测出超声波换能器在给定频率范围内的频率响应特性，所需的检测时间显著减少，非常适合大规模流水式的检测，可以方便地用于生产、进货时换能器的全检，提供更可靠的全面质量控制手段。本发明提供的频率响应特性快速检测方法，不但可以用于检测超声波换能器频率响应特性的快速检测，还可以广泛应用于其他电器产品的频率响应特性快速检测。

附图说明

图1为本发明实施例的硬件结构框图

图2为本发明实施例超声波换能器频率响应特性检测流程图

具体实施方式

下面通过本发明的一个较优实施例，来具体说明本发明的实施方式。

本实施例的硬件结构如图1所示，由信号处理模块、A/D转换模块、D/A转换模块、驱动模块、输出/输出接口模块共同构成，其中信号处理模块与A/D转换模块、D/A转换模块和数据输入输出模块连接，完成多正交频率激励信号的产生、换能器频率响应特性的计算、工作参数设定、检测结果输出的功能，上述实施例中，该模块由DSP芯片及其***电路构成，在另一些实施例中，DSP芯片也可以用MCU嵌入式处理器来代替；数据输出/输入模块由显示屏、键盘控制器、键盘、报警电路、USB接口电路共同构成，其中显示屏为用户操作提供界面，键盘控制器和键盘用于接收用户的设定和指令，报警电路用于在检测出产品异常时向工作人员示警，USB接口电路用于连接外部计算机，以便于工作人员收集数据、进行软件升级、或由计算机进行集中控制；D/A转换模块与信号处理模块和驱动模块连接，用以将信号处理模块产生的数字宽带激励信号转换为模拟的激励信号，上述实施例中，D/A转换模块采用D/A转换芯片及其***电路构成；A/D转换模块与信号处理模块及换能器的电压检测点连接，用以将换能器的模拟电压信号转换为数字电压信号，并传送给信号处理模块进行分析处理，上述实施例中，A/D转换模块采用A/D转换芯片及其***电路来实现；驱动模块与D/A转换模块和需检测的超声波换能器连接，将D/A转换模块传送过来的模拟宽带激励信号放大后驱动超声波换能器进行工作，上述实施例中，采用了功率放大芯片及其***电路构成。

上述硬件结构为一超声波换能器生产流水线上用于检测换能器频率响应特性是否符合要求的设备，生产出来的超声波换能器经过上述该设备时，人工或自动地连接到该设备的测试接入点，由上述设备对超声波换能器的频率响应特性进行检测，并与规定的标称值相比较，当超声波换能器的频响参数不符合要求时，上述设备给出警报信号，由人工或自动地将不符合规格的换能器取出生产线。本发明对频率响应特性的检测速度很快，因此可以对生产线上的每个产品都进行检测。

本实施例中，信号处理模块通过其中的软件对其他模块的工作进行控制，采用图2所示的流程来对生产线上的换能器进行检测：

1、软硬件初始化：当上述实施例开机后，首先进行软硬件的初始化工作，完成各模块的自检和/或复位。

2、设定检测参数：用户根据实际需要，通过键盘对需检测的参数进行设定，例如，设定合格的换能器频率响应特性的指标(如中心频率、通频带、Q值等的标准值及可容忍的误差范围等)、频率测量的范围和频率测量的精度、以及其他一些计算过程中需要用到的参数(例如，采用多少次测量片段的计算结果来进行平均，以得到最终频率响应特性估计值等)。信号处理模块根据用户给定的频率测量的范围和频率测量的精度，选择合适的下限频率f_min，上限频率f_max和频率间隔Δf，这三个参数的设定原则为：[f_min，f_max]覆盖给定的频率测量范围，Δf小于或等于所给定的频率测量精度，且f_min＝K₁Δf，f_max＝K₂Δf，K₁、K₂为正整数且K₁＜K₂。用户也可以通过键盘直接对下限频率f_min，上限频率f_max和频率间隔Δf进行设定。

3、产生激励信号：产生激励信号 $e\left(t\right)=A\underset{k=K_1}{\overset{K_2}{\mathrm{\Σ}}}\cos [2\mathrm{\π}{f}_{k}t+{\mathrm{\φ}}_k],$ 其中f_k＝kΔf，K₁＜k＜K₂，为待检测的多个测试频率点，A为常数，φ_k为正弦分量的相位，并通过功率放大器放大后送给待测试的超声波换能器。由于信号处理模块为数字器件，因此产生数字的激励信号，再由D/A转换模块将其转换为模拟信号。数字激励信号可以采用以下公式计算产生：

$e\left(n\right)=\underset{k=K_1}{\overset{K_2}{\mathrm{\Σ}}}A\cos [2\mathrm{\πkn}\·\mathrm{\Δf}/f_s+{\mathrm{\φ}}_k]$

其中f_s为采样频率。

φ_k的设置会影响激励信号e(t)的波形，改变e(t)绝对值的峰值和平均值之比，有可能会对信号的发射和检测产生不良影响。例如，当所有φ_k均设置为0时，e(t)信号表现为一组高幅度、持续时间很短的脉冲信号，在相同的发射功率下容易引起D/A、A/D转换器、换能器等一些器件饱和或过载，较短的持续时间也增加了信号采集、分析的难度，因此有必要对φ_k进行合理的设置，其设置原则是尽量使e(t)绝对值的峰值和平均值之比最小。上述实施例中，用户可以采用两种方法来对φ_k进行设置，第一种方法是采用离线预先计算的方法，在用户给定各种频率参数后，在计算机上预先计算出一组较优的φ_k值，并通过USB接口传送到信号处理模块。计算机上φ_k值的估计采用以下步骤进行：

(1)对于每个φ_k，在区间[-π，π)中设定多个侯选值。上述实施例中，每个φ_k设置8个候选值 $\{-\mathrm{\π},-\frac{3}{4}\mathrm{\π},-\frac{1}{2}\mathrm{\π},-\frac{1}{4}\mathrm{\π},0,\frac{1}{4}\mathrm{\π},\frac{1}{2}\mathrm{\π},\frac{3}{4}\mathrm{\π}\};$

(2)计算各个φ_k在选择不同侯选值组合时，e(t)绝对值的峰值和平均值之比；

(3)在所有的φ_k侯选值组合中，选出使激励信号e(t)绝对值的峰值和平均值之比最小的φ_k侯选值组合，作为发送激励信号中的φ_k。

上述实施例中，φ_k还可以采用另一种不借助计算机、由信号处理模块完成的自动设置方法，其步骤如下：

(1)随机产生多组φ_k，并计算相应的激励信号e(t)绝对值的峰值和平均值之比；随机数的产生可以采用同余法等伪随机数算法。

(2)选出使激励信号e(t)绝对值的峰值和平均值之比最小的那组φ_k作为发送激励信号中的φ_k。

信号处理模块产生的上述数字激励信号通过D/A转换模块转换为模拟的激励信号，并经功率放大模块器放大后，输出到测试接入点。

4、检测是否有换能器接入：测试接入点的电压信号通过A/D转换模块转换为数字信号后输入信号处理模块，信号处理模块可以通过检测当前电平变化来确定是否有换能器接入测试接入点，如果有换能器接入，则进行频率响应特性的检测，否则则等待直至有换能器接入为止。

5、记录一段时间的测量信号：当检测到换能器接入后，信号处理模块记录下一段时间的测量信号y[n]，记录信号的持续时间不小于1/Δf，较佳的实施方法中，记录信号的持续时间远大于1/Δf。信号处理模块根据初试的设定记录多段不相同的y[n]。

6、计算换能器的频率响应特性：测量信号记录完毕后，即可进行换能器频率响应特性的计算。该计算具体又可以分为两个步骤：

(1)计算换能器在测试频率点的频率响应特性：上述实施例中，测试频率点的幅度可以采用直接计算或快速傅立叶变换的方法来计算。直接计算测试频率点的幅度利用了激励信号中正弦分量的正交性，根据频率响应特性的定义，测量信号y(t)可以表示为：

$y\left(t\right)=A^{\′}\underset{k=K_1}{\overset{K_2}{\mathrm{\Σ}}}Y\left(f_k\right)\cos [2\mathrm{\πk\Δft}+{\mathrm{\φ}}_k^{\′}]$

其中Y(f_k)为换能器在测试频率点f_k处的频率响应特性，A′和φ′_k为加载在换能器上的、经过功率放大后的正弦分量幅度和相位。根据正弦信号的正交性，有

${\∫}_0^{\mathrm{mT}}y\left(t\right)\cos \left(2\mathrm{\πl\Δft}\right)\mathrm{dt}$

$={\∫}_0^{\mathrm{mT}}\left\{A^{\′}\underset{k=K_1}{\overset{K_2}{\mathrm{\Σ}}}Y\left(f_k\right)\cos \right[2\mathrm{\πk\Δft}+{\mathrm{\φ}}_k^{\′}\left]\cos \left(2\mathrm{\πl\Δft}\right)\mathrm{dt}\right\}$

$={\∫}_0^{\mathrm{mT}}\left\{\frac{A^{\′}}{2}\underset{k=K_1}{\overset{K_2}{\mathrm{\Σ}}}Y\left(f_k\right)\right\{\cos [2\mathrm{\π}(k-l)\mathrm{\Δft}+{\mathrm{\φ}}_k^{\′}]+\cos [2\mathrm{\π}(k+l)\mathrm{\Δft}+{\mathrm{\φ}}_k^{\′}]\left\}\mathrm{dt}\right\}$

$=\frac{A^{\′}}{2}Y\left(f_l\right)$

其中T＝1/Δf，K₁＜l＜K₂，m为正整数。因此如果忽略常系数A′的影响，测试频率点f_l＝lΔf上的换能器频率响应特性为

$Y\left(f_l\right)={\∫}_0^{\mathrm{mT}}y\left(t\right)\cos \left(2\mathrm{\π}{f}_{l}t\right)\mathrm{dt}$

对于信号处理模块中的数字信号，相应的计算公式为：

$Y\left(f_l\right)=\underset{n=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}y\left[n\right]\cos (2\mathrm{\πn}\·f_l/f_s)$

其中

且N≤L，L为y[n]的长度，K₁＜k＜K₂，m为正整数。

采用快速傅立叶变换计算各个测试频率点的频率响应特性，首先将在y[n]后面补0至长度为2^P，其中

L为y[n]的长度，然后对长度为2^P的新序列作快速傅立叶变换，得到 $f_l=\frac{f_s}{2^P}$ 处换能器的频率响应特性Y(f_l)。

上述两种计算方法均可以独立用来估计换能器在测试频率点处的频率响应特性，为了更充分地利用两种方法的优点，上述实施例中采用了直接计算和快速傅立叶变换计算相结合的方式，当M·N＜2^P·P时，采用直接计算方式，否则采用快速傅立叶变换方式，其中M为直接计算方法中所需要计算的频率测试点个数。

(2)对Y(f_l)进行幅度归一化，得到归一化频率响应特性Y(f_l)，然后利用Y(f_l)进行插值运算，得到换能器在给定频率范围内任意频率点的频率响应特性Y(f)。插值可以采用多种方法，例如线性插值法等。

上述实施例中，为了增加检测结果的可靠性，可采用多次计算的平均值作为最终的频率响应特性的测量值：记录多段y[n]，分别计算每段y[n]的Y(f)，然后取其平均值。

7、利用步骤6得到的换能器频率响应特性，计算需检测的频率参数，例如中心频率、通频带、Q值等，并与用户给定的标准值进行比较，如果在误差范围内，则该换能器性能正常，待检测的换能器与测试接入点断开连接后，转步骤4继续进行下一个换能器的检测；如果误差超出给定的范围，则该换能器性能异常，信号处理模块通过报警模块发出报警，由人工或自动地将不符合规格的换能器取出生产线后，转步骤4继续继续进行下一个换能器的检测。

上述实施例中，显示屏为用户提供设置的界面，并在检测过程中能实施反映出检测的结果。上述实施例还可以通过USB接口与计算机连接，以便于工作人员现场收集数据、进行软件升级、或由计算机进行集中控制。

Claims (6)

1.一种超声波换能器频率响应特性的检测方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)初始化频率参数：根据给定的频率测量范围和频率测量精度，设定检测的下限频率f_min，上限频率f_max和频率间隔Δf，其中闭区间[f_min，f_max]覆盖给定的频率测量范围，Δf小于或等于所给定的频率测量精度，且f_min＝K₁Δf，f_max＝K₂Δf，K₁、K₂为正整数且K₁＜K₂；

(2)产生超声波换能器的激励信号：产生激励信号

并通过功率放大器放大后，送给待测试的超声波换能器，其中f_k＝kΔf，K₁＜k＜K₂，f_k为待检测的多个测试频率点；A为常数，φ_k为正弦分量的相位；

(3)测量超声波换能器的响应：测量超声波换能器在步骤(2)的激励信号下电压或电流的变化，得到测量信号y(t)，测量时间不小于T＝1/Δf；

(4)计算超声波换能器在测试频率点的频率响应特性：测试频率点f_l＝lΔf上的超声波换能器频率响应特性采用下式直接计算：

$Y\left(f_l\right)={\∫}_0^{\mathrm{mT}}y\left(t\right)\cos \left(2\mathrm{\π}{f}_{l}t\right)\mathrm{dt}$ ①

其中T＝1/Δf，K₁＜l＜K₂，m为正整数；

(5)计算超声波换能器在给定的频率测量范围内的频率响应特性：对Y(f_l)进行归一化得到

利用

进行插值运算，得到超声波换能器在给定的频率测量范围内任意频率点的频率响应特性

2.根据权利要求1所述的超声波换能器频率响应特性的检测方法，其特征在于通过选择步骤(2)中的正弦分量相位φ_k，避免激励信号出现尖脉冲，φ_k采用以下方法进行设定：

(2.1)对于每个φ_k，在区间[-π，π)中设定多个候选值；

(2.2)计算φ_k在选择不同候选值组合时，激励信号e(t)绝对值的峰值和平均值；

(2.3)选出使e(t)绝对值的峰值和平均值之比最小的φ_k候选值组合，作为发送激励信号中的φ_k。

3.根据权利要求1所述的超声波换能器频率响应特性的检测方法，其特征在于步骤(2)中的φ_k采用以下方法进行设定：

(3.1)随机产生多组φ_k，并计算相应的激励信号e(t)绝对值的峰值和平均值之比；

(3.2)选出使激励信号e(t)绝对值的峰值和平均值之比最小的一组φ_k作为发送激励信号中的φ_k。

4.根据权利要求2或3所述的超声波换能器频率响应特性的检测方法，其特征在于步骤(5)中，采用多段不相同的测量信号y(t)来对超声波换能器的频率响应特性

进行计算，并取其结果的平均来作为对

的最终估计值。

5.根据权利要求4所述的超声波换能器频率响应特性的检测方法，其特征在于步骤(4)中超声波换能器在测试频率点的频率响应特性采用快速傅立叶变换的方法来计算，具体为：

(4.1)对y(t)进行模/数转换得到离散序列y[n]，并对其补零至长度为2^P，其中

L为y[n]的长度；

(4.2)对补零后的序列作2^P点的快速傅立叶变换，得到测试频率点

处超声波换能器的频率响应特性Y(f_l)，其中f_s为采样频率。

6.根据权利要求5所述的超声波换能器频率响应特性的检测方法，其特征在于步骤(4)中超声波换能器在测试频率点的频率响应特性采用式①和快速傅立叶变换相结合的方法进行计算，当给定测试频率点的数目使式①的运算量小于快速傅立叶变换的运算量时，采用式①进行计算，否则采用快速傅立叶变换进行计算。

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