用于超声波设备的激光振幅测量仪制造技术

本实用新型专利技术涉及针对超声波设备的测量技术，旨在提供一种用于超声波设备的激光振幅测量仪。该激光振幅测量仪包括激光位移传感器，以及处理器模块、显示模块、通信模块和电池；所述处理器模块分别与激光位移传感器、显示模块和通信模块相接，电池为各部件供电。本实用新型专利技术使用了成本较低的激光位移传感器作为数据采集器件，在保证仪器成本较低的条件下，大大提高了测量精度。基本达到了激光干涉仪的测量精度。结构简单，体积小巧，携带和使用都非常方便。利用其进行测量时简单易行，可测量振幅的范围大、适应性强、误差小，对超声波设备本身没有任何限制。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及针对超声波设备的测量技术，特别涉及用于超声波设备的激光振幅测量仪。
技术介绍
超声波设备的振动频率一般为15kHz---100kHz，振幅(峰峰值)为几十微米。振幅是以正弦函数连续变化的形式，最大振幅通常不超过200微米。在超声波工具的设计和使用过程中，振幅的最大值(简称振幅峰峰值)是一个关键指标。但由于超声波设备具有极高频率和变化速度，振幅的绝对值又很小，导致振幅测量比较困难。现有的测量方法有多种。利用激光干涉仪可以进行测量，其优点是激光能够以非接触的方式测量，而且精度很高。激光干涉仪的采样频率(兆赫兹级)远高于超声波振动的频率。干涉仪能够直接测量振幅变化过程中的实时值，绘出振幅的变化曲线。其存在的不足是仪器价格昂贵，测量环境条件和使用条件要求高。现在已经在其他行业普遍使用的激光位移传感器，能够非接触测量距离，直接给出距离值。而且价格比较低，精度还很高。但由于传感器的采样频率很低(约1000赫兹左右)，只能够测量静止或基本静止的物体。如果是测量高频位移的物体，得到的实时振幅数据是零散、随机的。既无法绘出实时振幅变化曲线，也不能够直观得到超声波振幅。在测量领域有一个基本的原则：测试仪器的采样频率必须高于被测对象的变化频率。采样定理表明，采样频率必须大于被采样信号带宽的两倍。农(Shannon)采样定理指出：为了不失真地恢复模拟信号，采样频率应该不小于模拟信号频谱中最高频率的2倍。但是在实际的情况下，采样频率往往比信号的实际频率要高出5到10倍以上。因为采样频率仅仅高于信号频率的2倍的情况下，测量的精度是不够的。所以，现有的激光位移传感器，是不能够直接测量超声波振动的振幅的。如果要提高激光位移传感器的采样频率，那就是成为激光干涉仪了。虽能够准确测量超声波振幅，仪器的价格也就非常高了。其二是用各种接触式测量仪器，比如各种高精度的千分表。其优点是方法简单，成本低廉。不足之处是可测量振幅的范围小、适应性弱，对振动系统有影响，误差较大。
技术实现思路
本技术要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种用于超声波设备的激光振幅测量仪。为解决技术问题，本技术的解决方案是：提供一种用于超声波设备的激光振幅测量仪，包括激光位移传感器，还包括：处理器模块、显示模块、通信模块和电池；所述处理器模块分别与激光位移传感器、显示模块和通信模块相接，电池为各部件供电。本技术中，所述处理器模块还连接至声光报警模块和/或存储模块。本技术中，所述激光位移传感器、处理器模块、显示模块、通信模块和电池均安装在外壳内。本技术中，所述通信模块为有线通信模块或无线通信模块，以有线或无线方式连接至上位的工控机或智能控制终端。本技术中，所述智能控制终端是智能手机、平板电脑或带交互界面的控制器。本技术中，还包括超声波传感器，超声波传感器与处理器模块相连，并由电池供电。本技术所述测量仪用于测量超声波设备振幅时，其所采用的方法包括下述步骤：(1)将激光位移传感器的激光发射头对准超声波设备的振动端面并保持稳定，启动超声波设备；激光位移传感器按其采样频率连续不断地测量与振动端面之间的实时距离，即位移数据Lx；(超声波发射头的端面的位移数据的变化是一个简谐振动模态，即在时间轴上其位移量的分布是一个标准正弦函数。)(2)利用下述任意一种方法，对采集获得的振动端面的位移数据Lx进行处理：A：提取位移数据Lx中的最大值和最小值(随着测量数据的增加，Lx的最大值无限逼近L0+L1，最小值无限逼近L0－L1)；以最大值减去最小值后得到的差值，即为超声波设备的振幅L；或者B：采集1000个以上的位移数据Lx，其算术平均值Lp就是振动端面与激光位移传感器之间的初始距离L0(即其相当于停留在平衡位置P时的距离值，L0＝Lp)；把采集到的各个位移数据分别与该算术平均值Lp相减后取绝对值，然后再进行算术平均值的计算，得到数值Ld(数值Ld就是两个方向上的振幅L1或L2的有效值)；将数值Ld乘以1.414后再乘以2，即为超声波设备的振幅L；(3)每间隔3秒再按相同方式采集位移数据Lx以计算最大振幅L，当最后两次计算结果的偏差小于5％时，取最后一次计算结果作为振幅L的测量数据；在向显示模块、工控机或智能控制终端输出测量数据的同时，发出声光报警信号提示结束测量操作。在采样过程中，控制采样时间至少为2秒，或者使采样数据的数量为至少1000个以上，以控制振幅L的偏差在5％以内(采样的时间越长，采样的数据越多，振幅值的准确度也越高)。本技术所述测量仪用于测量超声波设备振幅时，其所采用的方法还可以是：(1)以超声波传感器检测超声波设备的实时工作频率；(超声波传感器检测到空气中的超声波信号，转换为同频率的交流电信号；检测信号经过放大、整流，输入处理器模块进行计数，就能得到超声波设备的实时工作频率。)(2)将激光位移传感器的激光发射头对准超声波设备的振动端面并保持稳定，启动超声波设备；激光位移传感器按其采样频率连续不断地测量与振动端面之间的实时距离，即位移数据Lx；(3)利用下述任意一种方法，对采集获得的振动端面的位移数据进行处理：A：根据超声波的实时频率和激光传感器的检测时间间隔，确认两个相邻测量数据的相位差φ；通过下述的简谐振动公式得到振幅L(即振幅峰峰值)；Lx＝L/2sin(ωt+φ)+L0，式中，Lx是振动端面的位移数据；L是振幅，即振幅峰峰值；ω是角速度，ω＝2πf，f为超声波设备的实时工作频率；t是相对于测量开始时各个位移数据对应的时值；φ是激光位移传感器前后测量的两个相邻位移数据的相位差；(相位差与测量这两个数据时的时间差正相关。一个周期的时间是360度。时间差有多少，除以周期再乘以360，其结果就是相位差。)；L0是激光位移传感器与被振动端面的初始距离；使采样数据的数量为至少500组以上，以控制振幅L的偏差在5％以内；(4)每间隔3秒再按相同方式采集位移数据Lx以计算振幅L，当最后两次计算结果的偏差小于5％时，取最后一次计算结果作为振幅L的测量数据，在向显示模块、工控机或智能控制终端输出测量数据的同时，发出声光报警信号提示结束测量操作。本技术的实现原理描述：采样定理是人们在此领域多年理论和实践经验的总结，但它有一个前提，就是要想不失真地恢复模拟信号，采样频率越高越好。事实上，激光干涉仪就是这样工作的，它以大大高于超声波振动频率的采样频率，能够把超声波的振幅的变化情况，完整地实时测量出来。通过示波器可以直观地看到超声波的振幅变化正弦曲线，也能够取得振幅的峰峰值。但在超声波领域，用户关心的不是完整的振幅变化情况，只需要知道振幅的峰峰值。而且，超声波振幅的变化是一个规范的正弦函数，同时这个正弦函数的周期(或频率)，是可以用其它方法轻易获得的。在这个前提下，测量就可以做很多的简化。换句话说，就算是一个采样频率很低的传感器，只要适当延长时间，得到足够多的离散振幅数据。再通过合理的运算，就可以知道振幅的峰峰值。采样频率越高，单位时间内得到的离散数据也就越多，结果也就越准确。超声波发射头的超声波实时的振幅输出，是一个复杂的三维运动。在纵向振动的条件下，我们所关心的，也是起主要作用的，是纵向的伸缩运动。这是一个一维运动本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于超声波设备的激光振幅测量仪，包括激光位移传感器，其特征在于，还包括：处理器模块、显示模块、通信模块和电池；所述处理器模块分别与激光位移传感器、显示模块和通信模块相接，电池为各部件供电。

【技术特征摘要】
1.用于超声波设备的激光振幅测量仪，包括激光位移传感器，其特征在于，还包括：处理器模块、显示模块、通信模块和电池；所述处理器模块分别与激光位移传感器、显示模块和通信模块相接，电池为各部件供电。2.根据权利要求1所述的激光振幅测量仪，其特征在于，所述处理器模块还连接至声光报警模块和/或存储模块。3.根据权利要求1所述的激光振幅测量仪，其特征在于，所述激光位移传感器、处理器模块、显示模块、通信模块和电...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈元平，华大成，陈川，
申请(专利权)人：杭州成功超声设备有限公司，
类型：新型
国别省市：浙江;33