旋转轴超声导波激励信号发生器的研制
一种基于主轴的超声波发生器电路设计
一种基于主轴的超声波发生器电路设计1. 引言1.1 研究背景超声波技术在医疗、工业、生活等领域有着广泛的应用，其中超声波发生器作为超声波设备的重要组成部分，其性能直接影响到整个设备的工作效果。
目前市面上已经有很多种类的超声波发生器，但是仍然存在一些问题，比如功耗较大、频率稳定性不高等。
针对这些问题，我们希望通过设计一种基于主轴的超声波发生器电路，来解决当前超声波发生器存在的问题，并提高其性能指标。
通过对主轴的精确控制和优化设计电路，我们可以实现功耗的降低、频率稳定性的提升等目标。
本研究旨在设计一种低功耗、高性能的基于主轴的超声波发生器电路，并通过实验证明其在超声波设备中的可行性和优越性。
通过对超声波发生器工作原理的深入理解和电路设计的创新性优化，我们有信心能够为超声波技术的发展带来新的突破和进步。
【研究背景】1.2 研究目的本研究的目的旨在设计一种基于主轴的超声波发生器电路，通过优化电路设计和实现步骤，提高超声波发生器的性能表现。
超声波发生器在医疗、工业和科研领域具有广泛的应用价值，因此提高超声波发生器的精密度和稳定性对于提升相关行业的技术水平具有重要意义。
本研究旨在通过深入探讨超声波发生器的工作原理和基于主轴的电路设计方案，为超声波发生器的改进和优化提供理论和实践的支持。
通过对电路设计原理的详细分析和性能测试与优化的实验数据，希望能够为未来超声波发生器的研究和应用提供有力的参考。
本研究的目的在于推动超声波技术的发展，提高超声波发生器的性能和稳定性，为相关领域的技术进步做出贡献。
1.3 研究意义超声波技术在工业生产、医疗诊断、汽车安全等领域有着广泛的应用，而超声波发生器作为超声波设备的核心部件，在这些领域中起着至关重要的作用。
通过研究基于主轴的超声波发生器电路设计，可以更好地理解超声波发生器的工作原理，提高其性能指标，进一步推动超声波技术的发展和应用。
基于主轴的超声波发生器电路设计具有重要的研究意义。
基于DDS的超声导波激励信号源的设计
Ｅｘ ｅ ｉ ｎ ｎ ｉ ｕ ｔｓｍ ｕ ａ ｉｎ ｉ ｄ ｃ ｔ ｓｔ ａ ｈ ｅ ｉｎ ｉ ｅ ｓ ｎ ｂ ｅ ａ ｄ ｆ ａ ｉ ｌ． ｐ ｒｍｅ ｔａ ｄ ｃｒ ｉ ｉ ｌ ｔ ｉａ ｅ ｈ ｔｔ ｅ ｄ ｓｇ ｒ ａ ｏ ａ ｌ ｎ ｅ ｓｂ ｅ ｃ ｏ ｎ Ｓ Ｋｅ ｗｏ ｄ ： ＡＴ８ Ｓ ２ ｙ ｒｓ ９ ５ ；ＤＤＳ；ｕ ｔａ ｏ ｉ ｇ ｉ ｅ ｖ ；ｅ ｃ ｔ ｔ ｎ ｓｇ ａ ｏ ｒ ｅ ｌｒ ｓ ｎ ｃ ｕ ｄ ｄ ｗａ ｅ ｘ ｉａ ｉ ｉ ｎ ｌｓ ｕ ｃ ｏ
ＤＤ Ｓ等 设计 了专 门用 于 激 励 超 声 导 波 的 窄 带 激 励 信 号
０ 引
言
源 ， 信 号 源 可实 现 汉 宁 （ ｎ ｉｇ 窗 的宽 度 可 调 ， 音 该 Ｈａ ｎｎ ） 单
频信 号 频 率 可 调 的 功 能 ， 提供 了一 种 用 于 激 励 超 声 导 波
作 为 一 种 新 的 管 道无 损 检 测 技 术 ， 声 导 波 管 道 检 超
摘பைடு நூலகம்
要 ：提 出了一种超声导 波 激励 信号 源 的设计 方法 ， 为减少 管道 超声 导波 检测 中频 散现 象 的影 响 ， 采用 单 片机
ＡＴ ９ ５ ， ８ Ｓ ２直接数字合成 （ Ｄ ） Ｄ Ｓ 器件 Ａ ８ ０等 ， Ｄ９ ５ 设计 出专 门用 于激励超声导 波的汉宁窗调制单 音频信号 的信 号发生 器， 该信 号发 生器具有汉宁窗的宽度可调 ， 宁窗调 制下 的单音频 信号频率 可调的功能。实验及 电路仿真表 明设 计合 汉
用于旋转超声加工的超声波发生器频率跟踪策略
第18卷第5期2020年10月Vol.18No.5Oct.2020中国工程机械学报CHINESE JOURNAL OF CONSTRUCTION MACHINERY用于旋转超声加工的超声波发生器频率跟踪策略马付建1，焦首岳1，刘宇1，康仁科2，张生芳1，沙智华1（1.大连交通大学机械工程学院，辽宁大连116028；2.大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室，辽宁大连116024）摘要:针对旋转超声加工中采用无线传输方式传递超声电能时，在超声波发生器频率跟踪电路设计中，反馈信号无法直接从超声振动单元侧直接采集的问题，基于变压器互感耦合原理，分析无线传输变压器初级与次级间电流、电压与电流相位信息的关系。
建立利用无线传输变压器初级电流、电压与电流相位信息信号反映次级信号进行超声波发生器频率跟踪的信号采集方法，结合最大电流搜索和电压与电流相位信息锁相跟踪技术，提出了用于旋转超声加工的超声波发生器复合频率跟踪策略。
对超声波发生器的信号采集与频率跟踪电路进行设计，并基于STC89C51单片机编制了频率跟踪程序，研制了用于旋转超声加工的超声波发生器，并对研制的超声波发生器在空载及加工中频率跟踪性能进行测试。
结果表明：研制的超声波发生器信号在空载和旋转超声加工中频率跟踪性能稳定，可以满足实际旋转超声加工要求。
关键词:旋转超声加工；超声无线电能传输；超声波发生器；频率跟踪中图分类号:TG663；TB553文献标志码:A文章编号:1672-5581（2020）05-0377-07Frequency tracking strategy of ultrasonic generatorfor rotary ultrasonic machiningMA Fujian1，JIAO Shouyue1，LIU Yu1，KANG Renke2，ZHANG Shengfang1，SHA Zhihua1（1.School of Mechanical Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian116028，Liaoning，China；2.Key Laboratory for Precision&Non-traditional Machining of Ministry of Education，Dalian University of Technology，Dalian116024，Liaoning，China）Abstract：In order to solve the problem that the feedback signal cannot be directly collected from the ultrasonic vibration unit side，when designing of frequency tracking circuit in ultrasonic generator，since the wireless transmission method of ultrasonic energy is employed in rotary ultrasonic machining.The relationship between primary and secondary currents，and the relationship of voltage and current phase information between the primary and secondary of wireless transformer were analyzed.A signal acquisition method that using the primary current，voltage and current phase information signals of wireless transformer to reflect the secondary signals for frequency tracking of ultrasonic generator was established，based on the principle of mutual inductance coupling of transformer.A hybrid frequency tracking strategy suitable for rotary ultrasonic machining is proposed，combining with the maximum current search and phase-locked tracking technique of voltage and current phase information.The signal acquisition and frequency tracking circuit of ultrasonic generator was designed，and the frequency tracking program was compiled，based on 基金项目：国家自然科学基金资助项目（51505057）；辽宁省自然科学基金重点项目（20170540113）；大连市高层次人才创新支持计划项目（2017RQ049）作者简介：马付建（1982—），男，副教授，硕士生导师。
旋转超声辅助微细电火花加工机床研制及实验研究
旋转超声辅助微细电火花加工机床研制及实验研究
随着制造业的发展和技术的进步，对于微细加工的需求越来越迫切。
而电火花加工作为一种非接触式的加工方法，具有高精度、高表面质量等优点，被广泛应用于微细加工领域。
然而，在实际应用中，电火花加工也存在一些问题，如加工效率低、表面质量难以保证等。
为了解决这些问题，我们进行了旋转超声辅助微细电火花加工机床的研制及实验研究。
本研究基于传统的电火花加工机床，通过增加超声辅助装置和旋转工件的方式，提高了加工效率和表面质量。
首先，我们设计并制造了超声辅助装置，该装置能够通过超声波的振动将加工区域的金属屑排出，减少了电火花过程中的阻力，提高了加工效率。
其次，我们通过加装旋转装置，使工件可以旋转起来，从而实现了对加工区域的均匀磨损，提高了表面质量。
为了验证机床的性能，我们进行了一系列实验。
首先，我们选取了不同材料的工件，分别进行了传统电火花加工和旋转超声辅助微细电火花加工。
实验结果显示，相比传统电火花加工，旋转超声辅助微细电火花加工在加工效率和表面质量上均有显著提高。
其次，我们还对不同参数进行了优化，得到了最佳加工条件。
此外，我们还进行了实际应用的验证。
将该机床应用于微细零件的加工中，结果显示，旋转超声辅助微细电火花加工机床能够满足微细零件的加工需求，提高了加工效率和表面质量。
综上所述，通过旋转超声辅助微细电火花加工机床的研制及实验研究，我们成功提高了加工效率和表面质量。
该研究为微细加工领域的发展提供了一种新的解决方案，具有重要的应用价值和推广意义。
用于激励超声导波的激励信号源的设计方法
用于激励超声导波的激励信号源的设计方法在应用于管道缺陷检测的众多无损检测技术当中，超声导波检测技术与常规无损检测方法相比，具有检测距离长，检测速度快等突出优点。
超声导波在管道中传播时存在多模态与频散特性，若超声导波所用的激励源仍采用常规超声检测时宽带激励的方法，则在管道中所激发出的超声导波，将会发生频散，即不同频率的超声导波其群速度也不一样，这样会使管道中接收到的超声导波回波信号的幅值微弱，不利于缺陷检测的分析与处理，频散严重时可能无法得到缺陷回波信号。
通过分析频散曲线可知，在某一频率范围内，某一模态的导波几乎不发生频散，纵向轴对称导波模态L(O，2)就是其中的一种，L(0，2)模态在一定的频率范围(40～500 kHz)内其传播速度几乎保持不变，且传播速度最快。
若采用相应频段内的窄带脉冲作为激励信号，则可激励出L(O，2)模态占主导的超声导波，这样可最大限度地避免超声导波的频散现象带来的不利影响。
利用高速单片机，数模转换器等设计了专门用于激励超声导波的窄带激励信号源，该信号源可实现汉宁(Hanning)窗的宽度可调，单音频信号频率可调的功能，提供了一种用于激励超声导波的激励信号源的设计方法。
1 系统总体结构 在进行超声导波管道检测时，一般选用汉宁窗调制单音频的窄带信号脉冲作为激励信号源，即选的激励函数为 其中，f为单音频信号频率，n为汉宁窗调制的单音频的周期数。
根据超声导波在管道中的传播特性，对于不同材料及尺寸的管道，所需的超声导波窄带激励信号的频率及周期数不尽相同。
利用高速单片机与数模转换器构成信号发生器，实现汉宁窗调制下的单音频信号的频率可调及汉宁窗宽度可调的功能，由数模转换器输出的信号经过差动放大、低通滤波等处理后，可产生用于激励超声导波的窄带激励信号。
总体结构如 2 硬件电路设计 2.1 单片机与D/A转换器的接口电路 针对管道超声导波检测对激励信号需求的特点，激励信号源的单音频的频率范围选定在40～500 kHz之间，根据采样定理，激励信号源信号发生器的采样频率至少要为信号频率的2倍，为了得到较为平滑的信号波形，并降低后续滤波电路设计的难度，这里采样频率的取值在10倍的信号频率以上。
用于超声导波检测的波形发生器设计
用于超声导波检测的波形发生器设计诸娟娟;陈大跃【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2012(020)007【摘要】To reduce the effect of frequency dispersion in ultrasonic guided wave detection,this paper presents a design scheme of a waveform generator for generating narrow-band pulse,which is based on the idea of amplitude modulation.This generator,which can modulate the single-frequency signal by the Hanning window,is composed of the function generator chip max038,the multiplier AD834,the analog switchDG401,etc.Both the frequency of the single-frequency signal and the width of the Hanning window are adjustable.Simulations on Multisim validate the feasibility and effectiveness of the design.This generator is merely realized by hardware and easy to operate.The design scheme has reference valuefor excitation source research of ultrasonic guided wave testing.%为了减少超声导波检测中频散特性带来的影响,提出一种用于产生窄带脉冲信号的波形发生器设计方案。
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大 连 交 通 大 学 学 报
Ｉ Ａ ＯＴ ＯＮＧ ＵＮ Ｉ ＶＥＲ Ｓ Ｉ Ｔ Ｙ Ｊ ＯＵＲ ＮＡＬ ＯＦ ＤＡＬ Ｉ ＡＮ Ｊ
Ｖ０ １ ． ３ ５ Ｎ ｏ ． １ Ｆ ｅ ｂ ． ２ ０ １ ４
文章编号 ： １ ６ ７ ３ — ９ ５ ９ ０ （ ２ ０ １ ４ ） ０ １ — ０ １ ０ ４ — ０ ４
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度小￣ ＿ ５ ． １ ３ ６ ｃ ｒ时 为非 频 散
非 频散 ． 当旋转 轴 的半径 为 １ ２ ２ ． ６ ７ ｍ ｍ， 频 率 低 于
款扭转模态超声导波激励信号发生器．
米 收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３ — ０ ３ — １ ６
作者简介 ： 王道顺 （ １ ９ ５ ９一） ， 男， 教授 ， 学士 ， 主要从事机 电一体化与嵌入式 的研究
旋 转 轴 超声 导 波 激 励信 号 发 生器 的研 制
王道 顺 ， 杨 彦艳 ， 王晓煜 ， 葛志强
（ 大连 交通大学 机械工程 学院， 辽宁 大连 １ １ ６ ０ ２ ８ ） 米
摘
要： 介 绍了一种超声导波激励信号发生器 的设计方 法 ， 选择 扭转模 态的超声 导波 为发生 对象 ， 通过导
超声导波检测机构时， 可以同时检测构件 内部 和 表面的缺陷． 近年来 国内外学者对超声导波进行 关注． Ｇ ａ ｚ ｉ ｓ 求得了简谐波在无限长空心圆柱体中 的传 播通解 ． 英 国帝 国理 工 大学 的 Ｌ ｏ ｗ ｅ ｄ ｌ １ － ２ ］ 等人 开发 出用 于计 算板 和管 道 的频 散 曲线 Ｄ ｉ ｓ ｐ ｅ ｒ ｓ ｅ软
Ｅ－ ｍａ ｉ ｌ ： ｄ ｌ ｗ ｄ ｓ ＠ １ ６ ３ ． ｃ ｏ ｎபைடு நூலகம்
第 １期
王道顺 ， 等： 旋 转轴超 声导波激励信号发 生器 的研制
１ ０ ５
２ ０ ｋ Ｈ ｚ时 ， 超 声 导波 为非 频散 ． 通 过 图 １知道 这一 特性 在 常用 金 属 中基 本 相 似 ， 所 以 可 以运 用 这 一 结论 判 断常 用 金属 的扭 转 超 声 导 波 非 频 散 范 围．
超声 无损 检测 技术 是指 在不 损 害材料 或试 件 的情 况下 ， 采用 超 声 波 技术 对 被 检 测 对 象 进行 内 部和 外部探 测 ． 超 声 导 波 的 物理 特 性 决 定 在 利用
１ 信 号 的确 定
超声 导 波的 传播机 理是 超声 导 波实现无 损检 测 应用 的理论 基 础 ． 导 波 是 由于 声波 在 介 质 中 的 不 连续交 界 面间 产 生 多 次往 复 反 射 ， 并 进 一 步 产
测 轴半 径 口与扭 转 波 频 率 ／的物 理 关 系．当 被测 轴 材质 为 钢 的半 径 为 １ ０ ｍ ｌ Ｔ ｌ 时， 经 金 属材 料 声学
特性参考表查得 Ｓ ｔ ｅ ｅ ｌ ， ４ １ ０的 ｃ ＝ ３ ． ０ ｋ ｍ ／ ｓ ． 当非 频时 ， 既在频率低于 ２ ４ ５ ｋ Ｈ ｚ 时， 轴中的超声导波
波分析确定设计 的导波频率 ， 并根据所需信 号的特点进行 设计． 采用 Ａ Ｔ ｍ ｅ ｇ ａ ３ ２ ， Ａ Ｄ ９ ８ ５ １ 和Ｄ Ａ Ｃ ０ ８ ３ ２进行
硬件设计并调试系统． 仿 真及结果表明此方法可行． 关键词 ： 超 声导波 ； 旋转轴 ； 信号发生器
文献标识码 ： Ａ
０ 引 言
ａ ‘ “ 口
一
要的分析． 何存富 等给出导波 的频散 及激励和 接受方法 ， 信号处理与特征提取． 由此可见超声导 波 在无 损检 测 中有 着 广 阔的 前 景． 在 超 声 导波 技
术 发展 迅速 的今 天 ， 设 计 一 款 经 济 实用 的针 对 超 声 导波 激励 信号 的发 生器 意义 重大 ． 旋 转轴 系是 现 代 化 生 产 中普 遍 应 用 的机 构 ． 它 广 泛 的应 用 于 工业 生 产 ， 水利发电， 航 天航 空 ， 交 通运 输等 各个 领域 中 ， 起 到 了不 可替代 的作 用 ．
．
又因为旋转轴长期承受扭 矩弯矩 ， 所 以很容易产 生疲劳断裂危险． 如果可以实现旋转轴在线检测 ， 则可以降低危 险的从， 十 － ． 同时可节省时间空间， 大 大的提高经济效益． 因此对旋转轴的安全监测有
很 大 的 意义 ， 被 国 内外 学 者 广 泛研 究 ．本 文 设 计
一
中显示 的是 当被测轴材质为铝 ， 钢， 黄铜 ， 铁时 ， 被
Ｄ Ｄ Ｓ芯片 和 Ｆ Ｌ Ａ Ｓ Ｈ Ｒ ｏ ｍ来 产 生 高 速 导 波激 励 信
号， 这种方法精度较高， 成本低廉是本研究课题最 适合 的方 案 ． 这里应用 高速单片机控 制 Ｄ Ｄ Ｓ芯 片 和 Ｆ Ｌ Ａ Ｓ Ｈ Ｒ ｏ ｍ 以及 数模 转 换芯 片来 进 行 导波 激 励 ． 高速单片机主要产 生所需要 的脉冲信号 ， Ｄ Ｄ Ｓ芯 片用来产生正弦信号 ， Ｆ Ｌ Ａ Ｓ Ｈ Ｒ ｏ ｍ经单片机控制 输 出包络 ， 通过 Ａ ／ Ｄ转换 芯 片用 来 生成 我 们所 需
件． Ｔ ａ ｋ ａ ｈ ｉ ｒ ｏ Ｈａ ｙ ａ ｓ ｈ ｉ ， Ｗｏ ｎ Ｊ ｏ ｏ ｎ Ｓ ｏ ｎ ｇ 给 出了任 意横断面积杆 的导波频散 曲线． 我 国， 刘镇清 对 无 损检测 中的 导波 模 式 ， 细棒 里 的导 波做 过 简
生复杂的干涉和几何 弥散而形成的． 当介质材料 参数一定时 ， 边界处反射的体 波的相速度将随频
率 的变化 而 变化 ， 这 个 现 象 叫做 频 散 现 象 Ｊ ．为 避免 波包 扩展 的这种 现象 ， 我们要选 择合适 的激励 频率 ， 保 证该频率下激励的超声 导波是非频散 的． １ 。 １ 信 号频 率的选 择 Ｇ ｒ ａ ｔ在 １ ｆ ９ ９ １ 年 给 出扭 转 波 的运 动 方程