一种超声换能器声电闭环阻抗测量方法与装置与流程

本发明属于阻抗测量领域，具体涉及一种超声换能器声电闭环阻抗测量方法与装置。

背景技术：

超声检测作为一种高精度、高灵敏度的无损检测方式被越来越多的应用于各个领域。超声换能器作为其中的关键部件，其性能直接影响检测的准确性与可靠性。通常在使用超声换能器之前，要测量出其各性能参数，其中阻抗是必不可少的一项。首先，在电路设计方面，当超声换能器工作在谐振状态时，能量转换效率最高，发热最小，寿命也更久；因此测量超声换能器的阻抗，有助于设计最佳阻抗匹配的驱动电路和负载电路，使其工作在谐振点附近。第二，阻抗测量有助于选择最为匹配的收发超声换能器。超声换能器仅工作在一定的频带范围内，因此，当发射和接收用的超声换能器通频带和中心频率一致时，匹配最佳、收发信号效率最高；但由于制造工艺或材料本身的原因，每个超声换能器的通频带和中心频率是不一样的。在阻抗测量时，确定其通频带及中心频率，可以判断收发换能器是否最佳匹配，因此测量超声换能器的阻抗十分必要。

通常我们使用阻抗测量仪来测量超声换能器的阻抗，但是这种测量方法在实际应用时还存在一些不足。(1)从测量方式来看，阻抗测量仪基本都是通过夹具夹住超声换能器的两端来测量阻抗，是一种开环测量，得到的结果也只是超声换能器的静态阻抗。而实际应用场景中，由计算机产生的信号，经过D/A、超声换能器、声介质后，再到超声换能器、A/D回到计算机，因此阻抗测量时要考虑到信号经过的所有器件，即使是声介质也能等同于一种负载，包括在影响阻抗大小的考虑范围之内，同时不可忽视的一点是，此过程中超声换能器处于声电转换的工作状态中，而且这是一个动态的过程，所以以实际应用为导向，测量闭环的、动态的、带负载情况下的超声换能器阻抗更有实际意义。(2)从测量频宽来看，大多阻抗测量仪的结果都是单个频率点的。而实际上，超声换能器都具有通频带，所以实际需求也是某一频段的阻抗，而不是单个频率点的。(3)从测量量程、价格等方面考虑，也有很多阻抗测量仪是不合适的，例如DF2893C阻抗测量仪，测量频率范围只到40KHz；例如WK6500系列的阻抗测量仪，十分昂贵。

综上所述，从实际需求出发，若能设计一套超声换能器声电闭环阻抗测量装置，得到宽频范围内、加负载时的动态阻抗值，则对工程应用更具有实际意义。

技术实现要素：

为克服现有的阻抗测量装置不能进行宽频范围的闭环测量等不足之处，本发明提出一种超声换能器声电闭环阻抗测量方法与装置。

一种超声换能器声电闭环阻抗测量方法，其特征在于测量时，发射超声换能器和接收超声换能器处于声电转换的工作状态，形成了电信号到声信号再到电信号的声电闭环测量电路。

一种超声换能器声电闭环阻抗测量装置包括数据处理后台、测量发送模块、声介质、测量接收模块。

所述的数据处理后台用于生成发射信号，以及处理经过测量发送模块、声介质、测量接收模块之后的接收信号，并计算出超声换能器的阻抗；同时具有与测量发送模块、测量接收模块通信的功能。

所述的测量发送模块，集成了D/A以及数据通信模块，用于将来自数据处理后台的数字信号转换成模拟信号，并将模拟信号发送给超声换能器以及接收来自数据处理后台的控制信息。

所述的声介质，是发射超声换能器与接收超声换能器之间的声耦合物质，可以是水，钢铁、医用超声耦合剂等实际探测场景中使用的耦合物质。

所述的测量接收模块，集成了A/D以及数据通信模块，用于接收来自超声换能器的模拟信号，并将模拟信号转换成数字信号发送给数据处理后台，以及接收来自数据处理后台的控制信息。

一种超声换能器声电闭环阻抗测量方法，其特征在于阻抗测量时，超声换能器处于声电转换状态，发射的宽频信号经过发射超声换能器转换为声信号，再经过声介质，被接收超声换能器转换为电信号，由发射信号和接收信号计算宽频范围内的声电闭环信道响应，再根据声电闭环信道的等效电路，拟合出超声换能器闭环等效电路中各元件的参数，进而求出阻抗。

一种超声换能器声电闭环阻抗测量方法，其特征在于声电闭环信道响应的等效电路由两个超声换能器闭环等效电路级联而成，如图1所示；超声换能器闭环等效电路如图2所示，其中Rm是动态电阻与负载电阻之和、Cm是动态电容、Lm是动态电感、C0是静态电容。

所述的一种超声换能器声电闭环阻抗测量方法与装置，工作过程包含以下步骤：

步骤1.信号发送：通过数据处理后台设置好发送采样率、起始和截止频率、幅度、时长，根据这些参数产生发送信号，并发送给测量发送模块。

步骤2.信号传递：发送模块将数字信号转换为模拟信号后传递给发射超声换能器，经过声介质，再传递给接收超声换能器，接收超声换能器将信号传递给测量接收模块。

步骤3.信号接收：通过数据处理后台设置好接收采样率和时长，发送给测量接收模块，测量接收模块将信号传回数据处理后台。

步骤4.数据处理：数据处理后台根据发送信号和接收信号，计算声电闭环信道响应，再根据声电闭环信道的等效电路，拟合出超声换能器闭环等效电路中各元件的参数，进而求出阻抗。

本发明的有益效果是：

1.测量结果是超声换能器处于声电转换的工作状态下的阻抗，是一种闭环测量，不仅考虑了超声换能器从电信号到声信号再到电信号的工作过程，还考虑到了收发超声换能器之间的声介质的影响，更具有实际意义。

2.电路构成简单，系统搭建方便。

附图说明

图1是声电闭环信道响应等效电路图；

图2是超声换能器闭环等效电路图；

图3是阻抗测量装置框图；

具体实施方式

本实施例结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，但本发明的实施不限于此。

一种超声换能器声电闭环阻抗测量装置包括数据处理后台、测量发送模块、声介质、测量接收模块。测量接收模块、测量发送模块和数据处理后台通过无线的方式通信。本实施例中采用WIFI无线通信技术。

如图3所示，是所述的一种超声换能器声电闭环阻抗测量装置，包括数据处理后台301，测量发送模块302、测量接收模块303、超声换能器304、声介质305。本实施例中测量超声换能器304在声电转换的工作状态下的阻抗，其中数据处理后台301生成信号，传递给测量发送模块302，经过超声换能器304、声介质305，传递给测量接收模块303，再传回数据处理后台301，计算得出超声换能器304的阻抗。

所述的数据处理后台用于生成信号，以及处理经过超声换能器的信号，得出超声换能器的阻抗值；同时通过WIFI与测量发送模块及测量接收模块通信。

所述的测量发送模块，集成了D/A以及WIFI收发模块，用于将来自数据处理后台的数字信号转换成模拟信号，并将模拟信号发送给超声换能器以及接收来自数据处理后台的控制信息。

所述的声介质，是发射超声换能器与接收超声换能器之间的声耦合物质，可以是水，钢铁、医用超声耦合剂等实际探测场景中使用的耦合物质。本实施例中选用医用超声耦合剂。

所述的测量接收模块，集成了A/D以及WIFI收发模块，用于接收来自超声换能器的模拟信号，并将模拟信号转换成数字信号发送给数据处理后台，以及接收来自数据处理后台的控制信息。

下面结合图3，对声电转换状态下的超声换能器阻抗测量方法的步骤进行描述：

步骤1.信号发送：通过数据处理后台设置好发送采样率、起始和截止频率、幅度、时长，根据这些参数产生发送信号，并发送给测量发送模块。

步骤2.信号传递：发送模块将数字信号转换为模拟信号后传递给发射超声换能器，经过声介质，再传递给接收超声换能器，接收超声换能器将信号传递给测量接收模块。

步骤3.信号接收：通过数据处理后台设置好接收采样率和时长，发送给测量接收模块，测量接收模块将信号传回数据处理后台。

步骤4.数据处理：数据处理后台根据发送信号和接收信号，计算声电闭环信道响应，再根据声电闭环信道的等效电路，拟合出超声换能器闭环等效电路中各元件的参数，进而求出阻抗。

本实施例中采用最小二乘与最速下降联合法求解阻抗，具体步骤如下：

步骤1.对发送信号x[n]作快速傅里叶变换得到X，对数据处理后台接收回来的信号y[n]作快速傅里叶变换得到Y，则声电闭环信道响应为H(jω)＝Y/X。发射超声换能器闭环等效电路由动态电容C_m1、动态电阻与负载电阻之和R_m1、动态电感L_m1、静态电容C₀₁构成。接收超声换能器闭环等效电路由动态电容C_m2、动态电阻与负载电阻之和R_m2、动态电感L_m2、静态电容C₀₂构成。

步骤2.由超声换能器的闭环等效电路图2知发射超声换能器的响应为：

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

则

同理可得接收超声换能器的频率响应为：

由声电闭环信道响应等效电路图1可得

H(jω)＝H₁(jω)·H₂(jω)

步骤3.构造最速下降法的目标函数

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]

则

目标函数其中与k对应的是ω_k，

令x＝[a₁，b₁，c₁，d₁，e₁，a₂，b₂，c₂，d₂，e₂]

得到目标函数J(x)。

求出使J最小的x即可求出超声换能器闭环等效电路图中各元件的参数。

步骤4.求最速下降法的初值x₀，容许误差ε＝10^-5.令i：＝0；采用最小二乘拟合求出x₀；

步骤5.计算若停算，输出x_i作为近似极小点，即求得阻抗；否则进入下一步骤；

其中，

步骤6.取下降方向

步骤7.由线搜索方法确定步长因子λ；

步骤8.令x_i+1＝x_i+λd_i，i增加1，转步骤5。