一种差动式超声波低频振动测量装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及振动测量领域，具体是一种差动式超声波低频振动测量装置和方法。
【背景技术】
[0002] 目前常用的低频振动测量主要采用磁电式位移传感器，易受电磁干扰，且测量的 最低频率有限，虽然可以通过伺服法扩展频率，但同时降低了灵敏度。采用差动式超声波测 量低频振动既可以实现较高的灵敏度，又可以测量低至〇频的振动信号。
[0003] 在使用超声波进行测量时，温度的变化对测量结果有很大影响。传统的方法是在 测量时设置温度传感器，根据温度与波长的关系修正波长，这种方法要求很高的测温精度， 测量电路也较为复杂。
[0004] 为修正温度对测量结果的影响，根据振动测量装置中两路超声波实际波程之和为 定值这一条件，通过算法得到任意温度下的超声波波长修正值Ai，进而获取任意温度条件 下质量块的实际位移值d。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种差动式超声波低频振动测量装置和方法，以解决现有技 术存在的问题。
[0006] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
[0007] -种差动式超声波低频振动测量装置，其特征在于：包括有水平的固定板二和水 平设置得固定板二上方的固定板一，固定板一、固定板二之间水平设置有质量块，固定板一 底面中心与质量块顶面中心之间连接有支撑弹簧一，固定板二顶面中心与质量块底面中心 之间连接有支撑弹簧二，所述固定板一底面中心处嵌入有超声波发射传感器一，固定板二 顶面中心处嵌入有超声波发射传感器二，所述质量块顶面中心对应超声波发射传感器一位 置嵌入有超声波接收传感器一，质量块底面中心对应超声波发射传感器二位置嵌入有超声 波接收传感器二。
[0008] -种差动式超声波低频振动测量方法，其特征在于：由FPGA产生高稳定度的超声 波信号和采样时序信号，其中采样时序频率为超声波信号频率的2N倍，N为整数，且N多4 ; 在给定的25°C温度条件下，对振动测量装置中的质量块与固定平板一、二之间的距离^和 x2，超声波发射传感器一、二分别与超声波接收传感器一、二之间的相位差.约和奶，以及超 声波波长值进行标定；根据振动测量装置中的质量块与固定平板一、二之间的距离之和 Xl+x2=C、C为定值这一条件，通过算法得到任意温度下的超声波波长修正值Xi，进而获取 任意温度条件下质量块的实际位移值d。
[0009] 所述的差动式超声波低频振动测量方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
[0010] (1)、由FPGA的时钟信号经两个分频器分频后产生两个信号：频率为A的超声 波信号和频率为2NXf^^AD采样时序信号；超声波信号经超声波发射电路产生频率为h 的超声波，AD采样时序信号给多路并行的AD采集装置提供超声波的采样时序信号，实现 2~&的超声波数据采样率；
[0011] (2)、对超声波发射传感器一、二与超声波接收传感器一、二的发射信号和接收信 号进行并行整周期采样，采样数据首先经过傅里叶正变换FT，提取超声波基频数据后，再经 过傅里叶逆变换IFT，得到没有高频干扰的超声波采样数据；
[0012] (3)、根据25°C温度条件下的标定值，即质量块与固定平板一、二之间的距离七和 x2，超声波发射传感器一、二与超声波接收传感器一、二之间的超声波相位差:的和I奶，以及 超声波波长值A^，得到如式（1)和式（2)的关系式：
[0013]
(1),
[0014] (2),
[0015] (4)、在任意温度条件下的振动测量过程中，质量块与固定平板一、二之间的待求 距离为yJPy2，超声波发射传感器一、二分别与超声波接收传感器一、二之间的实际测量相 位差为0 2，需要修正的超声波波长值为Ai，得到如式（3)和式（4)的关系式：
[0016] (3) ，
[0017] (4) ,
[0018] (5)、依据Xl+x2=y#2这一条件，由式⑴至式⑷得到任意温度下的超声波波 长修正值Ai，如公式（5)所示：
[0019]
(5) ，
[0020] (6)、将公式（5)的超声波波长修正值h，代入到公式（3)和公式（4)，得到振动 测量过程中的质量块与固定平板一、二之间的距离yJPy2，如公式（6)和式（7)所示：
[0021] (6)，
[0022] (7),
[0023] 式（6)和式（7)中的炉1、约和为25°C温度条件下的标定值，是已知量；9 ^ 02为任意温度下的超声波发射传感器一、二分别与超声波接收传感器一、二之间的实际测 量相位差；
[0024] 由此可见，在任意温度下，只需测量出超声波发射传感器一、二分别与超声波接收 传感器一、二之间的实际测量相位差0:和0 2，就能够得到质量块与固定平板一、二之间的 实际距离yJPy2;
[0025] (7)、振动测量装置中的质量块的实际位移值d等于质量块与固定平板一、二之间 的实际距离yJPy2之差，如公式（8)所示：
[0026] (8)。
[0027] 本发明在任意温度下，通过实时测量差动式超声波的双相位差，就可以动态修正 超声波的波长值，进而得到质量块的实际位移值。
【附图说明】
[0028] 图1为本发明装置结构示意图。
【具体实施方式】
[0029] 参见图1所示，一种差动式超声波低频振动测量装置，包括有水平的固定板二2和 水平设置得固定板二2上方的固定板一 1，固定板一 1、固定板二2之间水平设置有质量块 3,固定板一 1底面中心与质量块3顶面中心之间连接有支撑弹簧一 4,固定板二2顶面中心 与质量块3底面中心之间连接有支撑弹簧二5,固定板一 1底面中心处嵌入有超声波发射传 感器一 6,固定板二2顶面中心处嵌入有超声波发射传感器二7,质量块3顶面中心对应超 声波发射传感器一 6位置嵌入有超声波接收传感器一 8,质量块3底面中心对应超声波发射 传感器二7位置嵌入有超声波接收传感器二9。
[0030] 一种差动式超声波低频振动测量方法，由FPGA产生高稳定度的超声波信号和采 样时序信号，其中采样时序频率为超声波信号频率的2N倍，N为整数，且N多4 ;在给定的 25°C温度条件下，对振动测量装置中的质量块与固定平板一、二之间的距离XJPx2，超声波 发射传感器一、二分别与超声波接收传感器一、二之间的相位差:的和奶，以及超声波波长值 入^进行标定；根据振动测量装置中的质量块与固定平板一、二之间的距离之和Xl+x2=C、C 为定值这一条件，通过算法得到任意温度下的超声波波长修正值Ai，进而获取任意温度条 件下质量块的实际位移值d。
[0031] 差动式超声波低频振动测量方法，具体包括以下步骤：
[0032] (1)、由FPGA的时钟信号经两个分频器分频后产生两个信号：频率为fQ的超声