一种换能器接收波束角及波束角的均匀性测量方法与流程

1.本发明属于超声换能器检测技术领域，涉及一种换能器接收波束角及波束角的均匀性测量方法。


背景技术：

2.随着社会的发展，超声波检测技术已经成为我们不可或缺的检测手段，而超声换能器的性能好坏是影响超声波检测准确与否的主要原因。
3.波束角作为超声换能器的重要性能指标之一，它的大小对超声波检测有着重要影响。如在超声波测绘海底地形中，波束角的偏差不但会影响测量海底水深的精度，还影响水深点的定位精度，甚至会导致测绘的海底地形出现或凸或凹的伪地形，这对海洋探索工作是非常不利的。又如在超声波测距系统中，超声换能器的指向性对测量距离的精度有重大影响，而通常来说，波束角越小，超声换能器的指向性就越强；反之，超声换能器的指向性就越弱。在超声流量测量中，波束角的不仅影响流量测量的量程范围，而且大流量测量会引起回波信号的幅值波动，从而影响测量的重复性和稳定性。另外，波束角不均匀会影响超声流量计安装要求，限制其产品化。因此，超声换能器波束角进行准确测量可以大幅度提高超声检测系统性能。


技术实现要素：

4.本发明针对现有测量超声换能器波束角技术的不足，提出了一种换能器接收波束角及波束角的均匀性测量方法。
5.一种换能器波束角及波束角的均匀性测量方法，包括接收波束角及接收波束角的均匀性测量、发射波束角及发射波束角的均匀性测量；
6.所述接收波束角及接收波束角的均匀性测量如下：
7.首先将标准超声换能器和被测超声换能器定位到波束角为0度的某一高度位置h，激励标准超声换能器发射超声波，被测超声换能器接收超声波信号，测量接收超声换能器的回波峰值电压v0；
8.然后控制第一步进电机带动标准超声换能器水平移动，实时测量每个步进位置的回波峰值电压vi并计算vi/v0，当vi/v0等于0.707时，停止第一步进电机，根据第一步进电机移动的距离d以及高度位置h，计算出被测超声换能器的接收波束角；
9.最后控制第二步进电机使得标准超声换能器绕被测超声换能器旋转一周，并测量每个旋转步进角度下的被测超声换能器的回波峰值电压，计算获得被测超声换能器接收波束角的均匀度。
10.所述发射波束角及发射波束角的均匀性测量如下：
11.首先将标准超声换能器和被测超声换能器定位到波束角为0度的某一高度位置h，激励被测超声换能器发射超声波，标准超声换能器接收超声波信号，测量接收超声换能器的回波峰值电压v0；
12.然后控制第一步进电机带动标准超声换能器水平移动，实时测量每个步进位置的回波峰值电压vi并计算vi/v0，当vi/v0等于0.707时，停止第一步进电机，根据第一步进电机移动的距离d以及高度位置h，计算出被测超声换能器的发射波束角；
13.最后控制第二步进电机使得标准超声换能器绕被测超声换能器旋转一周，并测量每个旋转步进角度下的标准超声换能器的回波峰值电压，计算获得被测超声换能器发射波束角的均匀度。
14.本发明的有益效果在于：本发明设计的测量方法可以自动、快速、准确地测量超声换能器的发射波束角与接收波束角，以及超声换能器发射与接收方向性能的均匀性，可对超声换能器的发射与接收性能进行完善的分析。
附图说明
15.图1是超声换能器波束角测量装置图；
16.图2是超声换能器波束角测量示意图；
17.图3是超声换能器波束角均匀度测量示意图；
18.图4是超声换能器测量电路框图；
19.图5是回波增益放大电路图；
20.图6是峰值检测电路图；
21.图7是激励电路图；
22.图8是切换电路图；
23.图中：1-标准超声换能器固定装置；2-水平步进电机；3超声换能器上下位移刻度尺；4-旋转步进电机；5-超声换能器左右位移刻度尺；6-待测超声换能器固定装置；7-上位机。
具体实施方式
24.本发明测量超声换能器波束角的原理是：将标准超声换能器固定于支架，将待检测的超声换能器固定于旋转爪盘，此时两超声换能器应当处于同一垂直线上即波束角为0
°
且距离为h。通过切换电路分别激励标准超声换能器和被测超声换能器，通过增益放大电路放大回波信号，然后再通过峰值检测电路获得回波的峰值电压v0，控制步进电机水平移动，实时测量每个位置的回波峰值电压vi，并计算vi/v0当vi/v0等于0.707时，停止步进电机，根据步进电机移动的距离d和初始值h，计算出被测超声换能器的发射和接收波束角：
25.θ＝2*arctan(d/h)
ꢀꢀꢀ
(1)
26.然后控制步进电机使标准超声换能器旋转一周，记录转动中的接收回波幅值vi。假定转动一周的回波幅值的平均值为根据回波幅值数据即可求出超声换能器波束角的均匀度a为：
[0027][0028]
参照图1：将标准超声换能器固定于标准超声换能器固定装置1中，然后将待测超声换能器固定于待测超声换能器固定装置6中，初始值h可由超声换能器上下位移刻度尺3获取。使标准超声换能器发射超声波而待测超声换能器接收超声波。此时上位机自动记录
待测超声换能器接收回波幅值v。然后由上位机7控制水平步进电机2使接收超声换能器向左进行水平位移，由超声换能器左右位移刻度尺5获取位移值，见图2，当上位机检测到回波的幅值vi为其在垂直线上的幅值的0.707倍即vi＝0.707v时，上位机控制水平步进电机停止工作。此时两超声换能器之间的夹角即为波束角，上位机自动根据超声换能器位移，再根据超声换能器上下位移刻度尺以及反三角函数求得接收波束角。
[0029]
检测超声换能器接收波束角的均匀性时，由上位机控制接收超声换能器处于波束角位置，然后由旋转步进电机4以一个均匀角速度旋转一周，上位机同时记录这一周的回波幅值分布并求出其均匀度，见图3。
[0030]
同理使标准超声换能器接收超声波，使待测超声换能器发射超声波，重复之前的步骤即可求得超声换能器发射波束角及发射波束角的均匀性。
[0031]
参照图4，超声换能器波束角系统框图是将由单片机控制驱动电路以及切换电路使超声换能器发射超声波，另一个超声换能器接收超声波。接收到的回波信号在增益放大单元进行信号放大，放大信号经过峰值检测单元检测峰值电压幅值，单片机接收峰值电压幅值通过485通讯将其上传至上位机中，上位机再对数据进行处理后得出结果。
[0032]
将标准超声换能器与待测超声换能器在装置上固定好之后，上位机将初始化命令发给单片机，单片机控制切换电路分别激励标准超声换能器和被测超声换能器，然后将接收超声换能器接收的回波信号输入带增益放大单元，将回波信号进行放大，峰值检测单元进行峰值检测，分别测得标准超声换能器和被测超声换能器的回波幅值v
b0
和v
c0
。然后上位机将测量接收波束角命令发给单片机，单片机根据幅值v
b0
的大小水平移动，使待测超声换能器的回波幅值为v
b0
的0.707倍，然后根据公式(1)计算出接收波束角，并将波束角回传上位机，然后上位机发送计算波束角的均匀度命令，单片机控制旋转的步进电机，以一个均匀角速度旋转一周，并实时将测量的回波幅值v
bi
上传给上位机，上位机记录其测量幅值并根据公式(2)计算其均匀度。同理，上位机可通过相应命令，获得发射波束角和波束角均匀度。
[0033]
参照图5，回波增益放大单元采用的是芯片tlv3541。芯片tlv3541的4脚接到电阻r1的一端同时连接到数字电位器的一端，电阻r1的另一端接到电容c1的一端，电容c1的另一端为输入的回波信号。芯片tlv3541的3脚接电源。tlv3541的2脚接地，tlv3541的1脚为输出同时接到数字电位器的一端。tlv3541的5脚接3v电源。
[0034]
参照图6，峰值检测单元由两个运算放大器opa300组成，第一个运算放大器opa300为u1，u1的4脚为回波输入。u1的3脚接到u2的3脚同时接到u2的1脚。u1的2脚接地。u1的1脚接到d1的一端。u1的5脚接3v电源。第二个运算放大器opa300为u2，u2的4脚接到d1的另一端，同时接到开关k1和电容c1的一端。k1的另一端接到电阻r1，r1和c1的另一端接地。u2的3脚接到u2的1脚。u2的1脚为输出脚。u2的5脚接3v电源。
[0035]
参照图7，超声换能器信号激励电路由两个mos管组成，脉冲信号首先接到r1的一端同时接到pmos管和nmos管的栅极。r1的另一脚接地。pmos管的漏极接10v电源。pmos管的源极接nmos管的漏极同时接到线圈绕组t1的一端。nmos管的源极接到t1的另一端并接地。t1右侧的一端接到二极管d1和d2的一端。d1和d2的另一端接到电阻r2和电容c1的一端并接到超声换能器的一端。t1右侧的另一端接地并和电阻r2,电容c1以及超声换能器的另一端连接。
[0036]
参照图8，切换电路由多路开关进行切换。由s0和s1选择开关的超声换能器。开关
的第一路1b1连接到电容c1的一端。电容c1的另一端接到二极管d1和d2以及电阻r1的一端，同时连接到超声换能器a的一端。开关的第二路1b2接到电容c3的一端，电容c3的另一端接到二极管d3和d4以及电阻r3的一端，同时连接到超声换能器b的一端。第三路开关1b3接到电容c2的一端。c2的另一端接到d1和d2以及电阻r2的一端，同时接到超声换能器a的一端。r1和r2的另一端接地。第四路开关1b4接到电容c4的一端。c4的另一端接到d3和d4以及电阻r4的一端，同时接到超声换能器b的一端。r3和r4的另一端接地。