（通信与信息系统专业论文）基于超声与cpld的高精度位移检测.pdf

摘要 水电事业的发展已越来越受到人们的关注。课题就是从此背景及现实意义出发，针 对目前水电站水轮发电机组的振动引起的轴向位移，提出了运用超声技术的高精度的检 测方案。 对超声波位移检测的历史及发展现状做了介绍，对超声换能器的特性做了一定分 析，给出了等效电路，给出了基于超声技术的位移检测的工作原理及常用检测方法，重 点介绍了脉冲回波检测法，对影响检测精度的关键问题进行了分析，给出实现高精度检 测的实现方法，并对影响检测精度的因素做了一定的说明。 基于超声与复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 的综合技术，实现了高精度位移的检测。 本系统利用c p l d 捕获超声波传播时间，将时间信息传送给单片机处理，其测量精度取 决于c p l d 计数频率具有测量精度高、成本较低、能实时连续测量、操作方便等优势， 其时差测量理论精度达到1 9 s ，有效解决了传统检测方法中精度受制于微处理器( m c u ) 的工作频率的问题。 分别从理论分析、系统总体设计、系统硬件电路设计、系统软件设计等方面详细地 说明了该工程的实现过程。该系统在软硬件的设计上有一定特色，一是设计中采用c p l d 进行边沿检测并利用高速计数方法实现超声传播时差的精确测量，从而克服了一般时差 测量的不足：二是在软件设计上采用了软件补偿方法，提高了精度；三是利用温度传感 器实时检测环境温度以补偿温度引起的声速变化，保证了检测精度；系统在设计上结合 了单片机与c p l d 的优势，使系统电路结构简单可靠。这一研究成果现正申报国家专 利。 课题在设计上采用收发异体的超声换能器加以实现，为消除了换能器间的距离所引 起的误差，在此基础上进一步探讨了收发同体超声换能器在位移检测中的应用。 关键字：超声、复杂可编程逻辑器件、位移检测、数据通信 a b s t r a c t m o r ea t t e n t i o ni sp a i dt ow a t e r p o w e r , s ot h ep r o j e c tw a sb r o a c h e d v e r t i c a ld i s p l a c e m e n t o ft h eh y d r o e l e c t r i cg e n e r a t i n gs e tc a u s e db yv i b r a t i o n ，ah i g hp r e c i s i o nm e a s u r e m e n tw a s d e v e l o p e d i n t r o d u c e dh i s t o r ya n dd e v e l o p m e n to fu l t r a s o n i cm e a s u r e m e n t , a n a l y z e dc h a r a c t e r so f t r a n s d u c e ra n dp r o v i d e de q u i v a l e n tc i r c u i t s t h e o r yo fm e a s u r e m e n tb a s e do nu l t r a s o n i ca n d s o m eu s u a lm e a n sw e r em e n t i o n e d f o c u s e do nu l t r a s o n i ce c h om e a s u r e m e n t ，k e yp o i n t w h i c ha f f e c t e dt h ep r e c i s i o no fm e a s u r e m e n tw a sm e n t i o n e da n dt h eh i g hp r e c i s i o n m e a s u r e m e n tb a s e do nu l t r a s o n i ca n dc o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c ew a sd e v e l o p e d s o m eo t h e rf a c t o rw h i c hi n t e r f e r e dt h ep r e c i s i o no f m e a s u r e m e n tw e r ee x p l a i n e d b a s e do nu l a a s o n i ca n dc o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ( c p l d ) ，ar e s e a r c h f o c u s e do nh i g h p r e c i s i o nd i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n tw a sd e v e l o p e d i nt h i ss y s t e mt h et i m e i n f o r m a t i o nw a sc a p t u r e db yc p l da n dt r a n s m i t t e dt om c uf o ro p e r a t i n g t h ep r e c i s i o n l e v e lw a sd e t e r m i n e db yf r e q u e n c yo fc p l d t h e r e f o r e ，h i i g hp r e c i s i o nm e a s u r e m e n tw a s a c h i e v e da n dt h et h e o r e t i cp r e c i s i o no ft i m e - p a s s e dc a nr e a c hlu s w i t ht h e s y s t e m s a d v a n t a g e so fh i g hp r e c i s i o n ，l o wc o s t , m e a s u r e m e n to fc o n t i n u u ma n de a s yo p e r a t i o n ，t h e s h o r t a g eo f t r a d i t i o n a lm e a s u r e m e n td e p e n d e do nm c u sf r e q u e n c yw a sa v o i d e d i n t r o d u c e st h ep r o c e s so ft h ep r o j e c ti nt h e o r ya n a l y s i s ，s y s t e mc o l l e c t i v i t y d e s i g n ， s y s t e mh a r d w a r ec i r c u i td e s i g na n ds y s t e ms o f h v a r ec i r c u i td e s i g n t h e r ei sg r e a ti n n o v a t i o n i nt h i ss y s t e m sh a r d w a r ea n ds o t t w a r ed e s i g n f i r s t , r i s i n ge d g et r i g g e rc i r c u i ta n dh i g hs p e e d c o u n t e rw e r ed e s i g n e di nc p l dt or e a l i z eh i g hp r e c i s i o nm e a s u r e m e n ls e c o n d ，s o f t w a r e c o m p e n s a t i o ni su s e dt oi m p r o v ea c c u r a t e n e s s t h i r d , u l t r a s o n i cv e l o c i t yw a sc o m p e n s a t e d t h r o u g ht e m p e r a t u r et r a n s d u c e ra n dt h ep r e c i s i o nw a se n s u r e d c o m b i n a t i o no fm c ua n d c p l de x p a n d st h ef u n c t i o no f t h es y s t e m p a t e n th a db e e na p p l i e d p r o j e c tw a sd e s i g n e dw i t ht r a n s m i t t i n ga n dr e c e i p t i n gt r a n s d u c e r s t oa v o i dt h ee f f e c to f m e a s u r e m e n tw h i c hc a u s e d b yt h e d i s t a n c eo ft w ot r a n s d u c e r s ，t h ea p p l i c a t i o no fa t r a n s m i t t i n g - r e c e i p t i n gt r a n s d u c e ri nm e a s u r e m e n tw a sd i s c u s s e d k e y w o r d s ：u l t r a s o n i c ，c p l d ，d i s t a n c em e a s u r e m e n t ，d a t ac o m m u n i c a t i o n 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全 部责任。 论文作者( 签名) ： y 侔j 月叩e l 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文 全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：沙舌年；月叼日 斗 塑童茎兰婴圭兰堡笙皇一塑二雯! ! 笙 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 随着工业的发展，能源消费量急剧增长。水能作为现有能源的重要组成部分，己 受到越来越多的关注。水力发电“1 成为社会发展的重要前提和基础。水能是一种重要的 能源资源，而且是优质的可再生能源和洁净能源，是最应优先开发利用的能源资源。中 国有众多的河流，地理特征和气候特征形成了丰富的水能资源。经过全面的查勘计算， 我国水能资源理论蕴藏量为6 8 8 亿k w ，年发电量5 9 2 1 0 4 亿k w h 。经过最新的经济、 技术、环境综合评估、筛选，我国可开发利用的水能资源为4 4 8 亿k w ，年发电量2 4 7 1 0 4 亿k w h ，约相当于每年燃烧9 亿吨煤炭的能量，是世界上水能资源总量最多的国 家，这是中国经济发展重要而可贵的资源”1 。 中国虽然在1 9 1 2 年就有了第一座水电站( 云南省石龙坝，装机5 0 0 k w ) ，但由于工 业化进程的滞后，水电开发利用真正起步于2 0 世纪的后半期。经过5 0 多年的建设，到 2 0 0 3 年全国水电总装机己达9 2 1 7 万k w ，约占全国电力的2 4 ，年发电量为2 8 3 0 亿 k w h ，约占全国发电量的1 4 8 。从水能资源的储量看，中国水电开发水平远低于世 界上水能资源相对丰富的国家。发达国家水电的利用率均很高，尤其是欧洲的国家充分 地利用了水电，保护了环境。 在中国已经开发的1 亿k w 的水电装机中，有2 8 0 0 多万k w 属于单站5 万k w 以 下的小水电站，约有4 0 0 0 0 余座，占水电总容量的3 3 。小水电资源丰富，为解决广大 农村和偏远山区等大电网难以波及的地区用电起到了积极而有效的作用，代替了一部分 燃煤电源，保护了环境。小水电投资分散，私人和集体投资者多，筹资容易，技术和设 备相对简单，建设周期短，是不可忽视的可再生能源。国家已将小水电列入可再生能源 的优惠政策扶植之列。 单站5 万k w 以上的大中型水电站是中国水电的主力，经过5 0 余年的开发建设， 已建成2 3 0 余座，其中1 0 0 万k w 级以上的水电站2 5 座，5 0 万k w 级以上的4 0 余座， 奠定了我国水电开发领域的勘探、科研、设计、施工的各类人才、专业队伍、规范标准、 组织形式、工程技术的完整基础，中国已有能力开发各类水电站。长江三峡水电站的建 设成功标志着特大型水电站的开发建设能力上升到新的高度，中国的水电开发建设能力 已跃居世界前列，可以说当前是中国水电开发建设的最好时机。 随着我国水力资源的逐步开发，太中型水轮机组不断投产，使得大型水轮机组在整 个电网中的比重越来越大，年平均发电时间延长，检修时间缩短，一旦事故停机，造成 的经济损失极为严重。因此，保证大型水轮机组的正常安全运行，对其状态进行监测“1 ， 及时发现故障征兆，开展水轮机组故障诊断研究十分必要。在故障诊断研究中，研究水 基于超声与c p l d 的高精度位移检测 轮机振动”1 是直接关系到水轮发电机组正常运行的一项重要指标。 引起水轮发电机组振动“1 的原因很多，大致可归纳为机械、水力和电气三个方面。 机械方面 ( 1 )因机组转动部分质量不平衡引起的机组振动，其主要特征：机组振幅随机组转 速变化较敏感，其振幅一般与转速的二次方成正比，且水平振动较大： ( 2 ) 机组转动部件与固定部件相碰( 或摩擦) 所引起的机组振动，其特征为：一般振 动较强烈，并常常伴有撞击声响： ( 3 ) 因轴承间隙过大、主轴过细、轴的刚度不够所引起的振动，其特征为：机组振 幅随机组负荷变化较明显； ( 4 ) 因机组轴线曲折、紧固零部件松动、机组对中心不准、推力轴承调整不良所引 起的机组振动，其特征为：机组在空载低转速运行时，机组便有明显振动。 水力方面 ( 1 ) 水轮机进水流道蜗壳、导叶中的不均匀流场均会产生旋涡，形成涡带进入转轮 引起机组振动，其主要特征为：振动随机组的运行工况变化而变化，且时而明显，时而 消失。另外。若是因蜗壳中的不均匀流场所引起的振动，其振动频率可表示为： f ：旦 7 6 0 式中：z 2 一转轮叶片数目；n 一机组转速。 并且，这类振动多半发生在高比速轴流式水轮机中；若是因导叶中的不均匀流场所 引起的机组振动，则多半发生在低转速水轮机中。该类水轮机转轮离导叶很远，导叶中 的不均匀水流对转轮影响大。 ( 2 )由转轮叶片尾部的卡门涡列所诱发的机组振动，因卡门涡列的形成与流体速度 和绕流体尾部的断面形状和尺寸有关，所以该振动特征为：振幅随过机流量增加而明显 增大，且其振动频率可表示为： f ：s t 旦 d 式中：m l 转轮进口处的水流相对速度； 厨一流体力学中的斯特罗哈数，实验测得= o 。1 8 0 2 2 ； d 一绕流体尾部的最大宽度。 ( 3 ) 因水轮机偏离设计工况较远，尤其在低水头、低负荷运动时转轮出口产生旋转 水流，形成偏心涡带，使在尾水管中产生压力脉动并诱发机组振动。其振动特点为：振 动强弱与水轮机的运行工况关系较密切，某些区域振动强烈，某些区域振动又明显减小， 甚至恢复正常。其振动频率一般为： 11 厂2 【“j ) 河海大学硕士学位论文第一章绪论 式中：工一机组转速频率。 ( 4 ) 高水头混流式水轮机因止漏环结构型式和间隙组合不当及运行间隙不均匀引 起水压力咏动诱发的机组振动，该振动特征为：振动摆度及压力脉动幅值，均随机纽负 荷和过机流量的增加而明显增大。 电气方面 ( 1 ) 发电机转动部分因受不平衡力( 这些不平衡力主要来自于周期性的不平衡磁拉 力分量，定、转子不均匀空气隙所引起的作用力，转子线圈短路时引起的力和发电机在 不对称工况下运行时产生的力) 的作用下产生的机组振动，其振动特征为：振动随励磁 电流增大而增大，且上机架处振动较为明显； ( 2 ) 发电机定子绕组每极分数槽绕组形成的磁场特殊谐波成分引起的磁拉力，而定 予在波数较少的磁拉力作用下就要产生振动，其振动特征为：振动随定子电流增大而增 大，振级与电流几乎呈线性关系，且上机架处振动为明显； ( 3 ) 因定子铁芯组合缝松动或定子铁芯松动所引起的机组振动，其特征为：振动随 机组转速变化较明显，且当机组载上一定负荷后，其振幅又随时间增长而减小，对因定 子铁芯组合缝松动所引起的振动，还有一特征为：其振动频率一般为电流频率的两倍； ( 4 ) 定子绕组固定不良，在较高电气负荷和电磁负荷作用下使绕组及机组产生振 动。其振动特点为：振动随转速、负荷运行工况变化而变化，上机架处振动亦较为明显 但不会出现载上某一负荷后其振动随时间增长而减小的情况。 水轮发电机组的振动信息在很大程度上会在其轴向位移”3 信息中体现出来。，园此， 水轮发电机组的轴向位移的检测“，对保证水轮发电机组运转的安全性、可靠性和稳 定性有着十分重要的作用。 水电站水轮发电机组的位移检测比较常用的方法：大多数水电站通常采用定期检查 维护的方式，部分大型水电站是采用高精度传感器进行在线监测，但这种方式一般成本 较高，且传感器大多以进口为主，系统可维护性不高，难以加以推广应用。本课题基于 超声技术的位移检测就是在以上问题背景下提出的对解决水电站水轮发电机组轴向位 移信息采集的问题上提出了一种新的思路和方法。 1 2 国内外超声波位移检测的发展概况 利用超声波测量。己知基准位置和目标物体表面之间的距离，称为超声波位移检测 ”一；利用超声波作为定位技术“。是蝙蝠等一些无目视能力的生物作为防御及捕捉猎物生 存的手段r 也就是南生物体发射不被人们听到的超声波( 2 0 k h z 以上的机械波) ，借助空 气媒质传播，由被待捕捉的猎物或障碍物反射回来的时间间隔长短与被反射的超声波的 强弱判断猎物性质或障碍位置的方法。由于超声波的速度相对于光速要小的多，其传播 时间就比较容易检测，并且易于定向发射，方向性好强度好控制，因而人类采用仿真 时间就比较容易检测，并且易于定向发射，方向性好强度好控制，因而人类采用仿真 基于超声与c p l d 的高精度位移检测 技能利用超声波位移检测。超声波位移检测是一种利用声波特性、电子信息技术相结合 来实现非接触式距离测量的方法。它在很多距离探测应用中有很重要的用途，包括非损 害测量、过程检测、机器人检测和定位、以及流体液面高度测量等。 国外在提高超声波位移检测方面做了大量的研究”3 。，国内一些学者也作了相莱的 研究”“。对超声波位移检测的精度主要取决于所测的超声波传输时间”和超声波在介质 中的传输速度，二者中以传输时间的精度影响较大，所以大部分文献采用降低传输时间 的不确定度来提高位移检测精度。目前相位探测法和声谱轮廓分析法或二者结合起来的 方法是主要的降低探测传输不确定度的方法。厦门大学的童峰“”研究了种回波轮廓分 析法。该方法在测距中通过两次探测求取回波包络曲线来得到回波的起点，通过这样处 理后超声波的传输时间的精度得到了报大提高。东南大学无线电工程系研究了针对窄带 超声换能器对测距精度的影响，采用基于横向滤波器的解卷积处理方法扩展了接收信号 带宽，并利用最小均方误差( l m s ) 算法进行解卷积滤波器的构造。实验结果表明，这 种处理方法有效提高了系统的测距精度。 意大利的c a r u l i o 等人介绍了一种自适应系统，采用特殊的发射波形来获得好的回 波包络，同时采用对环境的噪声进行估测，设置一定的回波开门电平，且采用自动增益 的控制放大器，通过这些措施来提高超声波的探测精度。日本三菱电气公司的t o m o n o r i 等人采用两种的发射频率来发射超声波，通过比较两种回波的相位来决定回波的起点， 也提高了传播时间的精度，从而提高了超声波的测距精度。 另外也有大量的文献研究采用数字信号处理技术“”和小波变换理论来提高传输时 间的精度。这些处理方法都取得了较好的结果。 1 3 现有超声波位移检测的主要问题 随着超声波位移检测在各种测控场合的广泛应用，其不足越来越明显，表现在： ( 1 ) 有效作用距离比较短，而靠提高发射功率并不能很好的解决问题： ( 2 ) 检测精度不高，主要表现在回波信号的信噪比仅靠增加放大电路的增益并不能得 到有效的改善。 从测量技术角度来说，测量误差主要来自于以下几个方面： ( 1 ) 超声波波束对探测目标的入射角的影响； ( 2 ) 超声波回波声强与待测距离的远近有直接关系，所以实际测量时，定是第一个 回波的过零点触发： ( 3 ) 超声波传播速度对检测的影响。稳定准确的超声波传播速度是保证测量精度的必 要条件，波的传播速度取决于传播媒质的特性。传播媒质的温度、压力、密度对声速都 将产生直接的影响。因此需对声速加以修正。 对于超声波位移检测而言，引起声速变化的主要原因是环境温度、湿度的变化，而 以温度的影响更为普遍。 4 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 影响测量误差的因素很多，还包括现场环境的变化、测量电路本身的扰动等。 1 4 课题的主要工作 为了提高测量精度和抗干扰性能，结合专用微处理器和复杂可编程逻辑器件，提高 系统检测精度。单片机为主控芯片，复杂可编程逻辑器件负责超声波的产生，发送和接 收，并对超声波的传播时间进行高速计数。进而实现位移的高精度检测。具体而言，本 课题的主要工作： ( 1 ) 分析超声波的特点、位移检测方法及超声波位移检测的一般原理： ( 2 ) 分析复杂可编程逻辑器件的原理及其开发流程； ( 3 ) 分析基于超声技术结合微处理器和复杂可编程逻辑器件进行位移检测的原理； ( 4 ) 给出基于超声技术的位移检测的硬件电路实现和软件实现模块，并对测量结果 进行分析。 本课题最终要达到的目的： ( 1 ) 把复杂可编程逻辑器件应用到超声波位移检测中，实现检测精度与抗干扰性能 的提高： ( 2 ) 给出系统的硬件电路设计、软件模块调试。 本文首先介绍了本课题的背景与意义，接着介绍了超声波位移检测的原理，结合微 处理器和复杂可编程逻辑器件，提出了高精度检测系统的实现方案。给出了硬件设计图 和软件实现。对系统整体测试做了一定分析，为后续系统的升级提出了改进方案，对超 声位移检测提出了一些设想。 论文研究内容和章节安排如下： 第一章：介绍了本课题的提出背景与现实意义，研究的超声波位移检测的历史与发 展现状，给出了本课题的主要工作要求； 第二章：介绍了超声波的基本概念和传播特点，对超声换能器的特性做了一定分析， 给出了等效电路，然后给出了超声波位移检测的工作原理重点介绍了脉冲回波检测法， 提出检测精度的关键问题： 第三章：介绍了基于超声技术位移检测的硬件电路设计；概述了e d a 技术的发展 现状，引入课题设计中所用的主控芯片x c 9 5 1 0 8 和a t 8 9 c 5 2 ，然后重点分析了系统的 总体设计框架，对各部分单元电路的设计做出具体分析说明，其中重点介绍了通信接口 电路，对r s 一2 3 2 及r s 4 8 5 通信接口电路做了详细的分析，并分别给出了各具体单元电 路。 第四章：介绍了基于超声技术位移检测的软件设计；概述了硬件描述语言的发展现 状及其特点，突出了课题设计中的v e r i l o g h d l 和c 语言设计，并对涉及的开发平台做 了简单介绍。本章重点是分析论述了系统的软件设计，对各组成模块分别加以论述，重 点对单片机和复杂可编程逻辑器件的软件设计过程及具体流程进行说明。 基于超声与c p l d 的高精度位移检测 第五章：介绍了系统整体测试和分析，论述了整个系统的调试背景及调试过程，葡 系统进行了误差分析，并针对不同的误差类型提出了对应的解决办法；另外，系统对粤 片机与可编程逻辑器件的数据通信以及单片机与上位机的数据通信进行分析，结合了霹 课题对上述内容加以论述。对系统处理中的不足也有一定的认识。 第六章：介绍了采用收发同体换能器位移检测方案。本章对课题的改进进行了探讨 并对其中关键问题换能器匹配问题做了定分析，给出采用收发同体换能器位移检测掣 系统框图，此部分工作还有待进一步研究。 第七章：总结了本课题的存在问题及其改进方案和进一步设想。 1 5 本章小结 本章从课题的研究背景及现实意义出发，针对目前水电站水轮发电机组的振动引走 的轴向位移，提出了运用超声技术的高精度的检测方案。对超声波位移检测的历史及发 展现状做了介绍，给出了本课题的主要工作要求和本论文的章节安排。 河海大学硕士学位论文 第二章超声波与超声波位移梭测原理 第二章超声波与超声波位移检测原理 2 1 超声波 超声波”“是指频率高于可听声频率范围的声波，声波属于机械波，是机械振动能 量在弹性媒质中的传播形式。声波的频率很广，从l 。4 到1 0 ”h z ，按照频率范围，声波 可以分为次声( 1 0 4 到2 0 h z ) ，可听声( 2 0 到2 1 0 4 h z ) ，超声( 2 + 1 0 4 到5 1 0 8 h z ) ，特超声 f 5 + 1 0 8 到1 0 ”h z ) 。人们通常所说的超声是指频率高于2 0 k h z 的声波。 超声波传播一般具有一定的功率范围，传播方式不同，功率范围也不一样。连续波 超声一般在毫瓦几十千瓦范围之间。脉冲波超声可扩充为几分之一毫瓦几兆瓦。 超声在气体、液体、固体、固熔体等物质中，均能有效地传播。不同频率、功率、 强度的超声波，在不同媒质中，都具有其独特的传播特性及效应，因而也有其相应的研 究内容及广泛的应用。经过几十年的研究，随着超声研究的不断深入，超声的应用也越 来越广泛。 超声波的基本概念 振动和波动是物质运动的基本形式之一。物体沿着直线或曲线在某一平衡位置附近 做往复性的运动称为机械振动。振动物体在任意时刻的位置可以由它的运动方程来描 述： y = a c o s ( o , t + 占1 振动的传播过程，称为波动。波动分为机械波和电磁波两大类。在弹性介质中传播 的称为机械波。电磁波可以在空间进行传播。因此，产生机械波必须有如下两个条件： ( 1 ) 要有作机械振动的波源。 ( 2 ) 要有能传播机械波的弹性介质。 波长、波速、频率三个参数可描述一个波动的性质。它们之间的关系如下所示： c = 一 式中：且一波长，c 一波速，一频率 常见的超声波分类方法有三种： ( 1 ) 根据质点的振动方向分类 根据波动传播时介质质点的振动方向与波的传播方 向，可以将超声波分为纵波、横波、表面波和兰姆波等。 纵波：介质中质点的振动方向与波的传播方向相同的波，称为纵波。当介质质点受 基于超声与c p l d 的高精度位移检测 到周期性压应力的作用时，质点之间产生相应的伸缩形变，从而形成纵波。此时，介质 质点疏密相间，故纵波又称为压缩波或疏密波。凡是能承受拉伸或者压缩应力的介质都 能传播纵波。固体液体和气体都能传播纵波。 横波：介质中质点的振动方向与波的传播方向互相垂直的波，称为横波。当介质受 到交变的剪切力作用时，产生切变形变，从而形成横波。只有固体介质才能承受剪切应 力，液体和气体都不能承受剪切应力。因此，横波只能在固体介质中传播，而不能在液 体和气体介质中传播。 表面波：当介质表面受到交变的应力作用时，产生沿介质表面传播的波，称为表面 波。常用r 表示。表面波在介质表面传播时，介质表面质点作椭圆运动。椭圆长轴垂直 于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向。椭圆运动可以看作纵向振动与横向振动的 合成，即纵波与横波的合成。但传播距离超过波长的两倍时，质点的振幅已经很小。 兰姆波：在板厚与波长相当的弹性介质中传播的波，称为兰姆波。又称为板波。 ( 2 ) 按波的形状分类波的形状( 波形) 是根据波阵面的形状区分的。根据波阵面的不 同，可以把不同波源发出的波分为平面波，柱面波和球面波。 ( 3 ) 按振动的持续时间长短根据振动的持续时间长短，波可以分为连续波和脉冲 波。 超声波的传播特点 ( 1 ) 波长短，超声波的频率超过声波的频率，在2 0 k h z 以上，目前使用的超声波从 2 0 k h z 至几十兆赫，频率很高，亦即波长很短。例如，水下通讯、探测声纳、超声诊断、 超声成像以及在液体中使用的超声波，其波长为1 5 c m 1 1 5 e r a ；金属超声探伤所用的波长 为1 2 c m 一0 4 c m ；在气体中使用的超声波( 如用于空气净化、气象监测以及捕获悬浮微粒 等) ，所用的波长为1 7 c m 一7 c m ，同无线电波相比相当于超高频( s h f ) 至i j 极高频( e h f ) 频段。 近年来还开始使用波长更短的超声波，其频率在1 0 m h z 以上，其波长只有几十微 米，已接近可见光的波长了。波长这样短的超声波具有类似光线的一些物理性质： 超声波的传援类似于光线，遵循几何光学的规律，具有反射、折射现象，也能 聚焦，因此可以利用这些性质进行测量、定位、探伤和加工处理等。在传播中，超声波 的速度与声波相同。 超声波的波长很短，与发射器、接收器的几何尺寸相当，由发射器发射出来的 超声波不向四面八方发散，而成为方向性很强的波束，波长愈短方向性愈强，因此超声 用于探伤、水下探测，有很高的分辨能力，能分辨出非常微小的缺陷或物体。 能够产生窄的脉冲，为了提高探测精度和分辨率。要求探测信号的脉冲极窄， 但是一般脉冲宽度是波长的几倍( 如要产生更窄的脉冲在技术上是有困难的) ，超声波波 长短，因此可以作为窄脉冲的信号发生器。 ( 2 ) 功率大，超声波能够产生并传递强大的能量。具体来说，其主要作用机理和应用 表现在以下几个方面： 河海大学硕士学位论文 第二章超声波与超声波位移检测原理 声波作用于物体时，物体的分子也要随着运动，其振动频率和作用的声波频率 一样，频率越高，分子运动速度越快，物体获得的能量正比于分子运动速度的平方。超 声频率高，故可以给出大的功率。例如，振幅相同的1m h z 超声波比l k h z 的声波的能 量大1 0 0 万倍。 在液体中能产生空化现象；液体承受压力的能力是很强的( 如水压机中的水能承 受几百个大气压) ，但是液体对拉力的反应很敏感。当超声波作用于液体介质时，在振 动处于稀疏状态时，液体会被撕裂成很多的小空穴，这些小空穴瞬间就会闭合。小空穴 闭合时能产生高达几千个大气压的瞬时压力和高达几千摄氏度的高温，这一现象称为空 化。这种空化现象可用于超声清洗、超声加速化学反应、超声乳化、超声粉碎等技术中。 能够聚焦。超声波的聚焦可以使用凹面镜和声学棱镜，此外还有把发射表面做 成像雷达抛物面天线的形状进行聚焦，聚焦的能量可达上万瓦每平方厘米，能在水中产 生1 2 0 个大气压的压力变化。 多普勒现象。当声源与发射界面或散射体之间存在相对运动时，接收到的声波 信号频率存在差别，频率的幅僵与相对运动速度成正比，物理学家c h r i s t i a nd o p p l e r 于 1 9 4 2 年发现了此现象，故称为多普勒效应，利用多普勒效应可以进行流量的测量。 声纳原理。声纳的工作原理是回声探测法。超声波发生器发送短的声脉冲，然 后接收反射脉冲，根据接收反射脉冲的滞后时间便可知声源与脉冲反射物体的距离。利 用超声波的声纳原理，在战争时期可以搜索海底敌舰，在和平时期可以研究海底起伏的 地势：在海洋资源开发方面可以探测鱼群：现代的声纳可以摄测到深海中的个别鱼，甚 至能断定其所属鱼种，并且能够立刻在电视接收机屏幕上显示海底广大区域的状况。在 工业、农业和医学等领域中，利用超声波的声纳原理可以发现非透明固体中的异物，例 如金属铸件中的裂纹、人体是否有肿瘤。当基本材料和缺陷对x 射线吸收大致一样的时 候，x 射线无能为力了，而超声波显示出它的作用。 由于超声波具有的这些良好的品质，超声波的研究和应用已经渗入工业、农业、国 防、医学以及航天和航空等领域并且取得了卓有成效的进展。甚至有人认为超声技术可 以和电子技术、信息技术以及核技术相媲美，是一门具有广阔发展前景的高新技术。 2 2 超声波位移检测的原理 超声波探头 压电效应和压电材料“” 应用超声波进行测量，首先要解决的问题就是如何发射和接收超声波。超声换能的 目的是使其它形式的能量转换成超声能量( 发射换能器) 和使超声能量转换成易于检测的 其它能量( 接收换能器) 。应用最广泛的是电能和超声能量相互转换的e g , 蛊- 换能器( 即压电 晶片) 。某些单晶体和多晶体陶瓷材料受到应力作用能在材料中产生电场，这种效应称 基于超声与c p l d 的高精度位移检测 为压电效应。该效应是居里兄弟于1 8 8 0 年发现的。这些材料称为压电材料。压电材料 是研制压电换能器的关键。压电材料不仅有压电效应，还有逆压电效应，即这些材料承 受电场时就会产生应力和应变。逆压电效应是1 8 8 1 年被发现的。芨射换能器利用的是 逆压电效应，接收换能器利用的则是压电效应。振动与声是紧密相连的。机械振动常常 引起声辐射。物体振动时激励着它周围的弹性质点振动。由于弹性介质具有可压缩性， 在质点的相互作用下，振动物体四周的介质就交替的产生压缩与膨胀，并且逐步向外传 播而形成声波。 常用的传统压电材料大体可以分为两类。第一类是天然或人工制造的压电单晶体， 如石英、酒石酸钾钠、双氢磷酸铵、硫酸锂，铌酸锂等。在正常情况下，这些晶体中 的正负离子按定规律排列，从整体看来并无电场出现。当受到压缩或拉伸时，正离子 偏向一面，负离子偏向另一面，使相对两面之间呈现电场，反之，在外加电场时，将使 晶体中的离子排列改变形状而使晶体的长度发生变化。交变的应力引起同频率的交变电 场，反之亦然。 第二类是人工烧制的多晶体压电陶瓷。所谓压电陶瓷是指通过氧化物混合( 氧化锆、 氧化铅、氧化钛等) 高温烧结，粉粒之间发生固相反应后无规则集合而成的多晶体，具 有压电特性的陶瓷称为压电陶瓷。由于压电陶瓷价格低廉，制造方便，性能良好( 具体 表现在机电耦台系数太，能耐湿耐温) 等优点，除以下几种特殊情况外，石英晶体几乎 完全被压电陶瓷所替代。 ( 1 ) 性能随时间变化极小，或性能随温度的改变极小。 ( 2 ) 有不随时间而变的线性频率温度系数。 ( 3 ) 要求损耗极小两能在极高频率使用。 ( 4 ) 要求绝缘强度极高，电阻率极高而能在高电压下使用。 ( 5 ) 要求在较高温度使用。 一 ( 6 ) 要求在极低温度使用。 目前，几种新型压电材料( 压电高聚物、压电复合材料、玻璃陶瓷等) 迅速发展起来， 它们与压电陶瓷相辅相承，有着广阔的应用前景。 压电方程和压电参量4 ” 压电材料是弹性体，其应力丁与应变s 成正比，即t = c s 或s = s t ，其中比例系数 c 叫做模量或弹性倔强系数，5 叫做弹性顺从系数。它们是描述压电材料力学性能的力 学参量。另方面，压电材料又是电介质，其电感强度d 与电场强度成正比，即： d = e e 或e 2 印。其中 e 例系数s 为电容率或介电系数，芦为介电诱导系数，它们是 描述压电材料电学性能的电学参量。 压电材料的特点是有压电效应和逆压电效应，也就是力学量( 珥s ) 和电学量( d 和 l o 河海大学硕士学位论文 第二章超声波与超声波位移检测原理 e ) 之间存在着l p , 例关系式，即所谓的压电关系式。压电关系式中出现的比例系数就是 描述压电材料压电性能的压电参量。 用e 和r 表达的压电基本方程为： s = j 8 t + d e d = d t + s 7 e 其中j 5 表示电场强度e 恒定时的弹性顺从系数，s 7 表示应力t 恒定时的电容率。 d 为压电应变电场恒量，d 越大，对于同样的电场可得到越大的应变，对于同样的应力 可得到越大的电感强度。 在s ，d ，e ，r 四个量中，可任取两个点来表达其他两个，因此压电基本方程也 可写成下面三种形式。 用t 和d 表达时的基本方程为： s = j o r + g d e = 一g r + 卢7 d 式中的压电参数g 叫做压电应变电感恒量( 也称作压电接收系数) 。若把压电材料 作接收换能器时，g 越大，同样的声压使声压电材料出现较大的电场强度e ，因而能对 外输出较大的电压信号。 用s 和e 表达时的基本方程为： d = e s + 3 e r = c 8 s e e 式中e 为压电应力电场恒量( 也称为压电发射系数) 。如果把压电材料做发射换能器 用时，e 越犬则能用较低的电压产生较大的声压。 在这里，解释一下声压。当声波传播时，媒质各部分产生压缩与膨胀的周期性变化， 压缩时压强增加，膨胀时压强减小。这部分变化的压强与静压强的差值成为声压。而静 压强是指没有声波存在时，媒质中的压强。 用s 和d 表达的基本方程为： r = c o s h d e = 一h s 牛8 s d 基于超声与c p l d 的高精度位移检测 式中 叫做压电应力电感恒量。 综上所述，可以看到压电材料的性质可由一个弹性张量( c 或s ) 、一个介电张量( s 或p ) 和一个压电参量( d ，g ，8 或h 四者之一) 来决定。而压电基本方程则可根据 使用时的方便，在四组中任选一组。 上面的讨论是从应力、应变、电场和电感的角度出发的，引入的四个压电参量d ， g ，f ，h 都能从这一角度来反映压电材料的压电性能。 现从能量的角度进行研究，引入一新的压电参量机电耦合系数k 。单位体积压 电材料所具有的能量u 可分成三部分：第是力学弹性能量虬；第二是电学能量虬： 第三是压电互换能量2 u m 。为了说明在压电材料所具有的能量中，有多少是属于可以进 行压电互换的，有多少是不能进行互换的，两者的比值是多少，所以引入机电耦合系数 k 这样一个压电参量，其含义是在单位体积的压电材料中，可进行压电转换的能量与存 储在该材料中的总能量之比。其中k 又可用下式表示： k ：兰 _ u 。u d 机电耦合系数量不仅随压电材料而异，对于同一种材料，它还随压电体的振动模式 而变。 若把压电效应涉及的s ，d ，e ，r 都考虑在内，则利用下式： s = j r + d e d = d t + e r e 可以得到单位体积压电材料中的能量为： ，= ；s 霉十；d 卅邑= ；踮巧+ ；z “疋+ ；b 以，z + ；已e 其中的三部分能量各为： 玑= z 爵l u d = 年。e ， 2 u = ；l 吐。鼠+ ；e m 以。z 其中，m ，n = 1 ，2 ，3 ：i ，j = l ，2 ，3 ，4 。5 。6 。 河海大学硕士学位论文第二章超声波与超声波位移检测原理 压电换能器的等效电路 当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在它的两极板上出现极性 相反但电量相等的电荷。显然可以把压电传感器看成是一个静电发生器，也可以把它视 为两电极板上聚集异性电荷。其电容量为 c o = 了e s = 竿( d 式中，s 一极板面积( m ) ，t 一晶体厚度( m ) ，s 一压电晶体的介电常数( f ，m ) 。， 一压电晶体的相对介电常数( 石英晶体为4 8 5 ) ，一真空介电常数。 当两极板聚集异性电荷时，则两极板就呈现出一定的电压，其大小为： 虬2 毒 其中，q 一极板上聚集的电荷能量，c a 一两极间等效电容，u 一一两极扳间电压 因此，压电传感器可以等效地看作一个电压源和一个电容器的串联电路，如图2 - 1 所示。也可以等效为一个电荷源和一个电容器的并联电路，如图2 - 2 所示。 图2 一l 电压等效电路 图2 2 电荷等效电路 f i g 2 _ e q u i v a l e n tc i r c u ro f v o l t a g e f i g 2 - 2e q u i v a l e n tc i r c u i to f c h a r g e 如果用导线将压电传感器和测量仪器连接时，则应考虑连接导线的等效电容、等效 电阻、前置放大器的输入电阻、输入电容。图2 3 是压电传感器的完整等效电路( 电荷等 效电路) 。 图2 - 3 压电传感器完整等效电路 f i g 2 3e q u i v a l e n tc i r c u i to f p i e z o e l e c t r i cs e n s o r 其中，c 。一传感器的电容，c 一前置放大器输入电容，c 。一连接导线对地电容，r 前置放大器的输入电阻，r 。一包括连接导线在内的传感器绝缘电阻。 基于超声与c p l d 的高精度位移检测 由等效电路来看，压电传感器的绝缘电阻兄与前置放大器的输入电阻彤相并联， 为保证传感器和测试系统有一定的低频响应，就要求压电传感器的绝缘电阻应保持在 1 0 n 以上，这样才能使内部电荷泄露减少到满足一般测试精度的要求：与此相适应， 测试系统应有较大的时间常数，亦即前置放大器要有相当高的输入阻抗，否则传感器的 信号电荷将通过输入电路泄露，即产生测量误差。 2 2 1 超声波位移检测方法 在超声波位移检测技术中，比较常用的两种基本的测量方法：超声多普勒法”“”1 和 超声脉冲回波法“2 “。超声多普勒法是利用多普勒效应进行位移检测。当超声波入射到 运动着的目标物体上，超声波会被目标物体所反射。根据多普勒效应，反射波的频率相 对于入射波将产生正比于目标物体移动速度的频率偏移，可以通过测出反射波的频率偏 移，从而得出目标物体的移动速度，根据物体的初始位置及经过时间即可得出目标物体 与换能器之间的距离。采用多普勒法的一个重要弱点就是当目标物体静止或运动非常缓 慢时，就无法正确检测目标物体的位移。 而目前相对应用比较广泛的是超声波脉冲回波法“：发射超声换能器发出的超声脉 冲，通过传声媒介传到被测面，经反射后再通过传声媒介返回到接收换能器，测出超声 脉冲从