全自动超声声速测定仪的设计

１ ． ０ ７ １ ０ ． ９ ７ ８
０． ９２ ４ ０ ．８５ ０
９ ｌ １ ９ ． ９ ５ ３ ５
１ ０ １ ２４ ．８ ９８ ３
１ ． ６ ４ ８
１ ．５ ４６
１ ９ １ ６ ９ ． ０ ８ ７ １
２ ０ １ ７３ ．９ ６２ ９
７ １ １ Ｏ．１ ８３ ８ ８ １ １５ ．０ ７７ ６
２ ． １ ５ ８ ２ ． ０ １ ３
１ ．９ １ ５ １ ．７ ７ ４
１ ５ １ ４ ９ ． ５ ０ ４ ９ １ ６ １ ５ ４ ． ３ ９ ６ ７
１７ １ ５９ ．２ ２０ ７ １ ８ １ ６４ ．１ ４４ ０
第 ５期
张
晓， 等： 全 自动 超 声 声 速 测 定 仪 的 设 计
发生 器 输 出信号 与接 收 换能 器接 收信 号一 并 送入
声速 测定 仪 通过 信号 处 理 电路实 现信 号 特征 值 的 自动 检 测 ； 摄 像 头获 取支 架底 部 的条 码标 尺 图像 ， 送人 声 速测 量 仪 计 算 动 子 的绝 对 位 移 和 相 对 位
［ ３ ］ 张正康 ， 周 天赐 ， 韩杰 克 ， 等 ．基 于 超 声 波 干 涉 的 峰 谷法计算声 速 值及 实 验 误差 探 讨 ［ Ｊ ］ ．物理 实 验 ，
ｚ ／ ａｍ ｒ
８ Ｏ ． ６ ６ ４ ３ ８ ５ ． ６ １ ８ ５
９０ ．４ ６２ ０ ９５ ．４ ７４ ２
Ａ ／ ｍＶ
２ ． ８ ０ ９ ２ ． ６ ０ ２
２ ．４ ７３ ２ ．３ ０１
ｉ
Ｘ ／ ａｍ ｒ
Ａ ／ ｍＶ
１ ． ４ ４ ７ １ ． ３ ３ ３
１ ． ２４ ３ １．１ ６ ３
１ １ １ ２ ９ ． ７ ６ ５ ４ １ ２ １ ３ ４ ． ７ ０ ９ １
１３ １ ３９ ．６ １１ ０ １ ４ １ ４４ ．５ ０４ ９
５ １ ０ ０ ． ３ ２ ８ ９ ６ １ ０ ５ ． ２ ２ ９ ５
移．改进 后 仪器 的 自动化 测 量 主 要 体 现 在 以 下 ２
方 面． ３ ． １ 波节点 位 置 的 自动 判定
编码 ， 与 位 置 之 间具 有 一 一 对 应 的关 系．摄 像 机
在 与换 能器 动子 一 起 运 动 的 同时 ， 按 照 步进 电 机
由于声 压最 大 时 ， 接 收 换 能 器 输 出 电压 的 幅
０ ． ７ ９ １
０． ７１ ７
图４ 空间定点时域采样信号拟合
逐 差 法求 得驻 波 的空 间周期 为
（
则
之
）
１ ６ ｍ ｍ ，
ｖ ＝ａ ｆ ＝３ ４ ８ ． ６ ２ ｍ／ ｓ ，
与 。 一３ ３ １ ． ４ ５ Ｘ
２ ９ ｍ／ ｓ ＝３ ４ ８
．
６ ０ ｍ／ ｓ
解码 计算 得 出位移 数值 ．通 过对 接 收端 电压空 域 幅值 信号 的拟合 即可 得 到最 大幅值 所对 应 的位置 读数 ．
定 点 信号 幅值 计 算 和 不 同位 置 幅 值 峰 值 的 提 取 ， 这 ２个 步骤 分 别 用 到 了 时 域 插 值 和 空 域 插 值 运 算［ ４ ］ 来 对 离散 数据 进 行拟 合 ， 以求 出相 应 的振 幅 值 和 峰值 ．具 体 过 程 是 ： 以超 声 换 能 器 对 间距 为
２ ｃ ｍ左 右作 为 起始 位 置 ， 接 收换 能 器 动 子 在 高 精 度 步 进 电机 的控 制 下 向右 移 动 ， 同时 由主 机 处 理
４ 实验 内 容 测 量 结 果
在改 进后 的声 速 测定仪 上 用共振 干 涉法进 行
器 以一定 的 时 间间 隔对接 收换 能 器输 出 的电压 信 号进 行 时域 内采 样 （ 采样 频 率 远 远 大 于 电机 转 动
的频 率Байду номын сангаас 集 条码 图 案 数 据 （ 不 同的 位 置 采集 到 的
条码 图案 数 据不 同 ） ， 并送 人 到声速 测定 仪 主机 中
值最大 ， 因此 接 收 端输 出 电压 最 大值 的点 就 是 波
节点 ．波 节 点 位 置 的判 定 分 为 ２步 进 行 ： 空 间 固
的信 号处 理 电路 ， 对 条 码 信 号 按 照 相 同规 则 进 行
３ ． ２ 波节 点位 置的 自动读 取
应用 光 学成 像 条 码 定 位 技 术 ［ ６ 。 来 完 成 波 节 点位 置 的 自动读 取．不 同于 传统 刻 度 尺上 的数 字
标 注和等 间隔刻 线 ， 仪 器 底 部 的标 尺 图 案是 黑 白
相 间的条 码 图案 ， 该 图案 按 照 一 定 的 规则 对 位 置
频率） ， 以此来 计 算超 声换 能器 处 于定 点位 置 时输 出 的 电压 幅值 ， 如 图 ４所 示 ； 连 续 测量 若干 个 空间
声速 测量 ．实验 条件 ： 共 振频 率 为 厂 ＝ ＝ ＝ ３ ５ ｋ Ｈｚ ， 实 验 室温度 为 ２ ９℃．设 定 步 进 电机 的采 样 步 长 为
３ ０“ ｍ， 测 量数 据如 表 １所示 ．
表 １ 声 速 测 定 仪 实 验 数 据 统 计 表
ｉ
１ ２
３ ４
定 点 位置 的 电压 幅值 之 后 ， 即可 以根 据 幅 值 的变
化 规 律找 到 幅值 最大 的点 ， 如 图 ５所示 ， 这 些点 的
位 置 即为 波节 点 ．
（ 理论值 ） 相 比较 ， 相对偏 差 Ｅ Ｒ ≈Ｏ ． ０ ０ ６ ．
ｘ ／ ｍ
５ 结 束 语
传 统 声速 测定 实验 中信 号 特征 （ 如波 节点 ） 和
图 ５ 空 域 幅值 信 号 拟 合
３ ２
物
理
实
验
第３ ３ 卷
换能 器位 置都 依 赖 于 人 眼 观察 判 定 和读 取 ， 误 差