器输出电压有效值 与声波接收器位置关系图。
[0036] 参看图1、图2、图3及图4中，利用本发明采集20mm范围内各点的声波接收器输出 电压有效值情况，所述上位机控制器设置好通信参数和测量参数，手动控制开始测量并发 出指令给所述单片机，所述单片机给所述步进电机驱动器发脉冲，所述步进电机驱动器经 过参数设定后，驱动所述步进电机转动并带动丝杆的转动，所述滑块也随之步进，同时带动 所述声波接收器向所述声波发射器方向步进，此时所述信号发生器源源不断的向声波发射 器发出信号，所述声波发射器与所述声波接收器之间形成一个驻波场，所述声波接收器在 步进过程中源源不断发出交流高频信号，通过所述有效值检测模块将所述交流高频信号转 化为表示其有效值的直流信号，所述数据采集卡将直流信号进行采集，此时所述声速测定 软件将采集到的直流信号绘制成声波接收器输出电压与声波接收器位置关系图，当采集数 量达到所述声速测定软件的设定数量后，所述声波接收器停止移动，所述声速测定软件将 数据保存并最终导出。用信号线将声波发射器与信号发生器的50Ω输出端相连，信号源的 波形选择正弦波，根据点动测量时测试界面显示的信号强度将信号源的频率调整到共振频 率40. 58KHz，信号源的幅度Vpp调为11. IV，利用室内温度计读出室内温度为t = 15°C。本 发明在测量过程中可以使用自动测量方式，这样声波接收器就自动沿着丝杠的轴向扫描， 就可以对扫描区域内各点的声波接收器输出电压情况进行探测，不仅降低了实现的难度和 成本，而且保证了测量的效率。
[0037] 将本发明中的所述声速测定软件保存的数据用Origin软件处理，可得到声波接 收器输出电压变化与声波接收器位置的关系图，如图5所示。比较可知，声速测定软件给 出的声波接收器输出电压变化与声波接收器位置的关系图与Origin软件处理得到的声 波接收器输出电压变化与接收器位置的关系图反映的规律是一样的，只不过，Origin软 件给出的声波接收器输出电压变化曲线更平滑，处理更方便一些。利用Origin软件的寻 峰功能，可以快速将声波接收器输出电压极大值点找出来，求出平均波长]= 8.567?概，由 信号发生器读出频率f = 39. 95KHz，所以V= Xf = 342. 238m/S。已知声速在标准大气 压下与传播介质空气的温度关系为Vs= (331. 45+0. 59t)，将t = 15°C代入后，得到标准 声速 vs= (33L 45+0.59t) = 340.30m/S，绝对误差 Av= |v-Vs| = 1.938m/S，相对误差 I I ￡ = i〇〇% = 〇_57%这个误差是很小的，说明本发明具有较高的精度。 .，：
[0038] 对于测量数据点位置和测量数目的选取，利用步进电机驱动器的细分功能，可将 步进电机的步距角设为〇. 9°，已知丝杆的导程为4mm，因此步进电机每走一步，排探针在 竖直方向移动0. 01mm，考虑到有效值检测模块和采集卡的速度，脉冲周期要在250mS以上， 因此选取数据采集周期为300mS。由于超声发射器和超声接收器的共振频率约为40KHz， 超声波的波长约为8. 5mm，所以驻波相邻的波腹之间距离约为4. 25mm，只要测试距离达 到20mm，就可以测到至少4个波腹位置，可以方便、准确地计算出声波的波长。由于每隔 0.0 lmm就要测一次数据，这样总共需要测量的数据个数为2000个，测量一次需要的总时间 约为10分钟。
[0039] 本发明实施例中使用的丝杆的导程是4mm，如果使用的丝杆导程变的更小，声波接 收器的移动幅度将会更小，从声速测定软件中输出的数据将会更加精确，从而测量的精度 会更高。
[0040] 对于有效值检测模块来说，声波接收器产生的电压信号是频率约40KHZ的交变信 号，如果直接用采集卡采集声波接收器在某一位置的信号，由于信号是交变的，采集的时间 与信号之间没有关联，就可能采到处在负的最大值到正的最大值间的任意一个数值。不同 位置之间的数值没有任何可比性，因此是无效的。而有效值检测模块可以把外部输入的交 流信号转变成表示其有效值的直流信号输出，可以计算各种复杂波形的真有效值。把声波 接收器产生的电压信号输入给有效值检测模块，有效值检测模块输出的直流信号就可以反 映声波接收器所在处输出电压的大小。当声波接收器运动时，有效值检测模块输出的直流 信号的变化就反映出声压随声波接收器位置的变化情况，这样就可以实现声波波长的测 量。
[0041] 对于数据的显示与储存来说，测试出2000个测试点的数据，每一个点都有自己的 横坐标和电压值，而我们想要得到的是声波接收器输出电压有效值的变化与接收器位置的 关系图。本发明中的声速测定软件具有绘图功能，图4所示横坐标代表声波接收器的位置， 纵坐标代表输出电压的有效值，每测量一个数据，图上就绘制一个点，当数据多了以后，这 些点就排列成一条曲线，曲线的起伏，反应了声压随声波接收器位置变化的情况，软件可以 将测量数据以Excel格式保存和输出，数据拷贝后，可以利用Origin软件进行进一步分析 和处理。由于相邻的两个声波接收器输出电压有效值的极大值之间的水平距离刚好等于 λ/2。而相邻数据点的水平距离是0.01mm，因此，可以方便地确定出波长。频率可以从信号 发生器上直接读出，利用V= Xf就可以计算出声速。
[0042] 本发明中的数据采集卡选用长空电子生产的20路RS485采集卡。电源1的 +12V A，-12VA，GND分别与有效值检测模块的V+，V-和GND连接，给有效值检测模块供电。 RS485采集卡的V+和步进电机驱动器的DC电源的?连接后共同接到电源2的正极，RS485 采集卡的V-和步进电机驱动器的DC电源的Θ连接后共同接到电源2的负极。
[0043] 声波接收器输出端的芯线与有效值检测模块的输入端的IN相连，声波接收器输 出端的屏蔽线与有效值检测模块输入端的GND相连；有效值检测模块输出端的DC-OUT与采 集卡的输入端AINl相连，有效值检测模块输出端的GND极与采集卡的ACOM相连；RS485采 集卡的485G接到RS485转232双向转换器的GND，RS485采集卡的485A+接到RS485转232 双向转换器的T/R+，RS485采集卡的485B-接到RS485转232双向转换器的T/R-。RS485 转232双向转换器的串口端与上位机的串口通过九针串口线连接。
[0044] 步进电机的四根线分别与步进电机驱动器的A+、A-、B+、B_连接。步进电机驱动器 的VCC和GND分别与电源2的正极和负极连接。步进电机驱动器的PUL+ (+5V)和DIR+ (+5V) 并联后接STC89C52单片机的P40 口。步进电机驱动器的PUL-(PUL)接STC89C52单片机的 P8 口。步进电机驱动器的DIR-(DIR)接STC89C52单片机的P7 口。STC89C52单片机的P20 口接地。STC89C52单片机的P18 口与P19 口之间接一个11. 0592MHz的晶振。STC89C52单 片机的PlO 口和Pll 口通过U