一种超声声场的测量装置及方法与流程

本发明属于声学计量领域，具体涉及一种超声声场的测量装置及方法。

背景技术：

超声相控阵换能器是指由多个独立的压电晶片组成阵列，按一定的规则和时序用电子控制系统控制激发各个晶片单元，来控制调节焦点的位置和聚焦的方向。

在常规超声波声场测量中，测量超声装置存在体积较大且操作复杂等问题。而超声聚焦、超声悬浮等应用领域也越来越多，而对于声场检测始终制约着其发展；在现有的声场测量中，测量范围较为固定。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种超声声场的测量装置及方法，设计了超声测量装置从而方便的测量出超声声场声压、声强等参数，通过fpga控制两个电机运动实现声场的采集，同时fpga通过探头板采集声场信息，最后计算机对采集的数据保存及后期处理，进行超声声场可视化，以实现超声声场的测量。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种超声声场的测量装置，包括数据处理模块，机架，设置在机架上的旋转电机箱(7)和固定装置，设置在固定装置上的直线往复运动机构，以及设置在直线往复运动机构上的探头板；其中，

旋转电机箱的输出端与固定装置相连，用于驱动固定装置转动；探头板上设置有若干探头，用于同时采集空间中同一平面多个点的声压信息；

数据处理模块用于控制直线往复运动机构和旋转电机箱动作，并对探头采集的空间中同一平面多个点的声压信息进行处理，得到声压电信号，声压电信号通过运算放大器放大进入串行模数转换模块，串行模数转换模块将其模拟信号转换为数字信号，fpga将其数字信号存储于sdram存储器中，fpga通过串口通信发送存储数字量至pc。

本发明进一步的改进在于，固定装置上开设有滑槽，直线往复运动机构包括滑块、丝杠、设置在滑槽内一端的固定箱以及另一端的直线运动电机箱，固定箱与直线运动电机箱之间通过平行设置的固定杆连接，丝杠设置在两个固定杆之间，直线运动电机箱的输出端与丝杠的一端连接，丝杠的另一端与固定箱活动连接，滑块穿过两个固定杆和丝杠，并与丝杠螺纹连接，探头板设置在滑块上。

本发明进一步的改进在于，直线运动电机箱的输出端通过联轴器与丝杠的一端连接。

本发明进一步的改进在于，固定箱设置有限位传感器。

本发明进一步的改进在于，数据处理模块包括pc、fpga、运算放大器以及串行模数转换模块，fpga通过信号线分别连接旋转运动电机，直线运动电机、探头及限位传感器，pc通过uart串口协议与fpga进行通信，fpga与sdram、运送放大器分别用信号线连接，运算放大器与ads8344用信号线连接。

一种超声声场的测量方法，该方法基于上述一种超声声场测量装置，包括如下步骤，

步骤1，通过fpga编程，控制直线运动电机回零，即z轴归零；

步骤2，编程实现控制探头板的运动轨迹，可实现转动及直线运动；

步骤3，采用超声波信号接收器作为数据接收端，可将空气中的超声振动由压电陶瓷的压电效应，从机械能转换成电压信号，使用运算放大器调制模拟信号；

步骤4，采用串行模数转换芯片ads8344实现模数转换，使用相控阵方式采集模拟信号，采集信号存储于fpga的sdram存储器中；

步骤5，经过一次完整的采集，通过串口发送至上位机，实现声场可视化。

本发明具有如下有益的技术效果：

本发明以空气中的超声声场为对象，通过设计新型超声测量装置及方法，可以方便的测出声场参数及实现声场可视化。其具有如下优点，

第一：超声测量装置使用fpga控制探头板运动，可以实现精确的位置控制，从而实现精确的测量超声声场；

第二：fpga控制旋转电机的旋转，方便的测量360度任意直线声场的变化规律；

进一步的，利用fpga及串行模数转换芯片易于实现并行多路数据采集；

进一步的，利用fpga控制运动易于实现快速测量。

第三：探头板可以通过安装不同数量的超声波接收器实现测量范围变化；

第三：对于同一平面的超声波测量，由于探头板引入的系统误差相同，便于数据处理；

第四：装置2可拆卸，通过不同的摆放位置可以实现不同方向的声场采集，测量范围大，亦可实现手持式测量。

第五：结构简单，易于拆卸。

附图说明

图1为超声声场测量装置总装图。

图2为超声声场测量装置爆炸视图。

图3为可拆卸装置。

图4为ads8344串行接口时序。

图5为数据处理模块图。

附图标记说明：

1-固定箱，2-滑块，3-探头板，4-直线运动电机箱，5-机架，6-固定装置，7-旋转电机箱，8-限位传感器，9-丝杠，10-固定杆，11-联轴器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做出进一步的说明。

本发明提供的一种超声声场的测量装置及方法，设计了超声测量装置从而方便的测量出超声声场声压、声强等参数，通过fpga控制两个电机运动实现声场的采集，同时fpga通过探头板采集声场信息，最后计算机对采集的数据保存及后期处理，进行超声声场可视化，以实现超声声场的测量。

如图1至图5所示，本发明提供的超声声场的测量装置，包括以下内容：

本发明测量装置是这样实现的：固定箱1、滑块2、探头板3、直线运动电机箱4、机架5、固定装置6、旋转电机箱7、限位传感器8、丝杠9、固定杆10和联轴器11；此装置采用多个探头固定于探头板，同时采集空间中同一平面多个点的声压信息；探头板通过螺钉固定在滑块上；滑块固定于丝杠与导轨上；电机箱中电机轴通过联轴器与丝杠连接，联轴器通过顶丝固定丝杠与电机轴；固定箱上装有限位开关，通过螺纹连接固定在固定箱上；装置2的电机箱与固定箱通过两侧螺纹连接固定装置，整个部分通过联轴器与机架连接；fpga通过信号线分别连接旋转运动电机，直线运动电机、探头板及限位开关(其中信号线通过滑块与固定架引出)。

移动装置通过设置在电机箱中的伺服电机、丝杠、滑块以及支撑杆实现移动功能，其中支撑杆起固定作用。所述直线运动电机使用螺纹连接固定于电机箱内，fpga输出模块可以控制电机箱，电机箱通过联轴器连接丝杠与两根固定支架，滑块可以通过在丝杠与固定支架上实现直线运动。在自动控制中，滑块先移动到限位开关，然后开始采集数据。

所述伺服电机2通过螺纹连接固定与机架上，伺服电机2的运动，可以实现装置2整体的旋转运动，旋转运动调节机箱与直线运动调节机箱侧边开有数据线通孔。

如图5所示，数据处理模块包括pc、fpga、运算放大器以及串行模数转换模块，fpga通过信号线分别连接旋转运动电机，直线运动电机、探头及限位传感器(8)，pc通过uart串口协议与fpga进行通信，fpga与sdram、运送放大器分别用信号线连接，运算放大器与ads8344用信号线连接。

本发明提供的一种超声声场的测量方法，包括以下步骤：

1)输入信号调制，采用超声波信号接收器作为数据接收端，可将空气中的超声振动由压电陶瓷的压电效应，从机械能转换成电压信号。超声波接收器(探头板探头)接收幅值可达60vpp。由于采用的a/d芯片采用vcc＝2.7v～+5v供电，因此模拟信号输入压电应在0～vcc范围内，而且输入模拟电压信号为双极性。本发明采用±30v运算放大器对模拟信号进行调制，将双极性模拟电压信号转成单极性转换信号，而且传递函数是线性函数，只要正确选择精确的电阻值,-30～+30v电压信号可线性转换为0～+5v，从而保证了精度。

2)串行模数转换芯片ads8344，ads8344是一款高性能、低功耗的adc，最大采样频率为100khz，自带采样/保持电路，包含8个单端模拟输入通道(ch0～ch7)。ads8344通过din、dout、cs、busy、clk接口与fpga相互通信，数据从din引脚输入到8位只写控制寄存器。当fpga读取完adc上次转换结果时，下一个转换通道的控制字节就写到了din引脚。一个完整的控制字节需要8个clk时钟。写完控制字节的同时，模/数转换结束，模/数转换状态输出引脚busy产生一下降沿，数据输出有效，fpga开始接收由dout输出的转换结果。16位串行数据需要16个clk时钟，在接收串行数据的lsb位时，下一个通道的控制字开始输入到a/d芯片。ads8344完成一次完整的数据采样保持、转换和输出共需要25个clk时钟。ads8344串行接口时序如图4所示。

3)fpga控制与数据处理，使用相阵方式采集声场信号，因此模拟信号输入通道很多，为了保证信号采集精度，采用fpga(现场可编程门阵列)。fpga内部有丰富的触发器和i/o引脚，采用ep4ce10系列，存在高达128个以上的通用i/o引脚，每个i/o引脚都可输入输出数据。所有ads8344共用一个fpga时钟信号，保证时序同步，因此另外单独控制一个ads8344则需要din、dout、cs、busy四个引脚接口，即最少可以同时控制256个超声波信号接收器。

经过采集到的数据存储在fpga的sdram存储器中，经过一次完整的采集后，通过串口发送到pc上位机进行进一步的数据处理。

4)声场绘制，上位机软件功能较为简单，主要是将从fpga接收的数据进行三维绘图。利用matlab强大的绘图功能，进行程序编写并编写gui，形成界面。使用256个超声波信号接收器，定义0-256的顺序标记，超声波信号接收器采用10mm直径，以蜂窝六边形排列，间距公差1mm，因此每个超声波信号接收器的xy坐标值就确定了，可自定义z轴初始位置为0，再根据伺服电机每次移动量，z轴坐标做同移动量调整累加。将从fpga接收的256组数据依次按照超声波信号接收器的0-256的顺序标记赋值，即可进行三维声场绘制。