一种综合声波衰减系数的测试装置的制作方法

本实用新型涉及一种声波衰减系数测试技术，尤其是涉及一种综合声波衰减系数的测试装置。

背景技术：

压电陶瓷传感器在超声探伤、测距测速、识别等领域的应用中作为换能器。换能器主要的应用方式有两类：第一类是收发一体，即发射与接收的工作由一只换能器完成；第二类是收发分体，即发射与接收的工作由两只以上的换能器共同完成。不论哪种应用方式，关键都是利用超声波在介质中传播时，声波的反射、透射、衰减等原理来达到不同测量目的的。如中国公告的发明专利“一种检测微量六氟化硫浓度的声学方法及其装置”及中国公开的发明专利申请“气液两相流中气泡大小、数目和运动速度的测量方法”和“一种基于声呐电磁协同探测技术的海洋沉潜油检测系统及方法”等均公开了利用声波在介质中传播时，声波衰减的原理来实现相应测量的目的。在传统的利用超声波测量浓度、某些物质含量、是否存在杂质等物理量的测量应用中，一方面，由于通常仅仅应用了换能器的某一指定谐振频率以脉冲发射、回波侦听的工作方式测量被测介质的声波衰减量来判断被测介质的变化，因此浪费了换能器的频率特性资源；另一方面，由于收发分体的换能器采用了脉冲发射、回波侦听的工作方式，因此浪费了换能器的连续工作时间资源。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种综合声波衰减系数的测试装置，其不仅充分利用了换能器的频率特性资源，而且在测试时换能器采用了不间断发射、连续侦听的工作方式，节省了测试时间。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种综合声波衰减系数的测试装置，其特征在于包括发射换能器、接收换能器、扫频信号发生器、数据信号采集系统和数据信号处理系统，所述的发射换能器与被测介质的一端接触连接，所述的接收换能器与被测介质的另一端接触连接，所述的扫频信号发生器的输出端与所述的发射换能器的输入端连接，所述的数据信号采集系统的第一个信号采集端与所述的发射换能器的输入端连接，所述的数据信号采集系统的第二个信号采集端与所述的扫频信号发生器的输出端连接，所述的数据信号采集系统的第三个信号采集端与所述的接收换能器的输出端连接，所述的数据信号采集系统的采集完成信号输出端与所述的扫频信号发生器的触发输入端连接，所述的数据信号采集系统与所述的数据信号处理系统之间通信交互，所述的数据信号处理系统的参数输出端与所述的扫频信号发生器的参数输入端连接，所述的数据信号处理系统中预先设定有与所述的发射换能器和所述的接收换能器的谐振频率相适应的扫频频率范围及第一频率增量步长和第二频率增量步长，其中，所述的第一频率增量步长针对所述的发射换能器和所述的接收换能器的频率特性变化平缓的情况，所述的第二频率增量步长针对所述的发射换能器和所述的接收换能器的频率特性变化陡峭的情况；每次测试时，所述的数据信号处理系统传输本次测试所需的扫频频率给所述的扫频信号发生器，所述的扫频信号发生器输出连续的扫频信号，所述的数据信号采集系统同时采集本次测试时所述的发射换能器的输入电压、所述的接收换能器的输出电压与所述的扫频信号发生器输出的连续的扫频信号的扫频频率并传输给所述的数据信号处理系统。

该测试装置还包括测试台架，被测介质置于所述的测试台架上，所述的发射换能器和所述的接收换能器均安装于所述的测试台架上。

所述的测试台架由台架底座、固定块、滑块和调节螺杆组成，所述的台架底座内沿长度方向设置有滑槽，所述的固定块设置于所述的台架底座长度方向的一端上，所述的滑块的下部与所述的滑槽相适配，所述的滑块的上部与所述的固定块相对，所述的发射换能器嵌装于所述的固定块上且所述的接收换能器嵌装于所述的滑块的上部上，或所述的发射换能器嵌装于所述的滑块的上部上且所述的接收换能器嵌装于所述的固定块上，被测介质夹紧于所述的固定块与所述的滑块的上部之间，且要求所述的发射换能器与被测介质的一端良好接触，所述的接收换能器与被测介质的另一端良好接触，所述的调节螺杆位于所述的滑槽内且贯穿所述的台架底座长度方向的两端及所述的滑块的下部，调 整所述的调节螺杆使所述的滑块在所述的滑槽内移动从而使所述的固定块与所述的滑块的上部之间的距离扩大或缩小以适应不同长度的被测介质。该测试台架不仅用于安置被测介质、用于安装发射换能器和接收换能器，而且能够适应不同长度的被测介质。

所述的台架底座宽度方向的两侧内壁上设置有导向条，所述的滑块的两侧设置有导向槽，同一侧的所述的导向条嵌入所述的导向槽内与所述的导向槽相配合。在此，导向条与导向槽的配合，使得滑块在滑槽内移动更稳定。

所述的发射换能器和所述的接收换能器均为成品压电陶瓷传感器，发射换能器和接收换能器的工作频率范围均与被测介质的实际工作环境的频率范围相适应。

所述的发射换能器和所述的接收换能器及被测介质外均包裹有一层用于屏蔽外界噪声干扰的吸声材料。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

1)本实用新型的测试装置充分利用了发射换能器和接收换能器的频率特性资源，可在更宽的频率范围内实现对被测介质的观测，提高了发射换能器和接收换能器的频率资源的利用率，拓宽了针对被测介质测量的可分辨频率范围。

2)本实用新型的测试装置充分利用了发射换能器和接收换能器的连续工作时间资源，在测试时采取不间断发射、连续侦听的工作方式，节约了测试时间。

3)本实用新型的测试装置实现了对被测介质的连续测量，提高了对被测介质的细微变化检测的可能性与测量的灵敏度。

4)本实用新型的测试装置实施的测试成本低，可在复杂的环境下进行测试，可应用于不同的物质相态、机器设备故障的预判等领域的测量，应用领域广阔。

附图说明

图1a为本实用新型的测试装置的结构示意图(被测介质与测试台架以剖视结构呈现)；

图1b为本实用新型的测试装置中的测试台架沿宽度方向的剖视结构示意图；

图2a为利用本实用新型的测试装置对第一根标准拉伸试棒进行第1次测试所得的测试结果；

图2b为利用本实用新型的测试装置对第一根标准拉伸试棒进行第2次测试所得的 测试结果；

图2c为图2a所示的测试结果与图2b所示的测试结果的差值；

图3a为利用本实用新型的测试装置对第一根标准拉伸试棒进行测试所得的测试结果；

图3b为利用本实用新型的测试装置对第二根标准拉伸试棒进行测试所得的测试结果；

图3c为图3a所示的测试结果与图3b所示的测试结果的差值；

图4为发射换能器与接收换能器组成的收发系统的等效电路图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。

本实施例提出的一种综合声波衰减系数的测试装置，如图1a所示，其包括发射换能器1、接收换能器2、扫频信号发生器3、数据信号采集系统4和数据信号处理系统5，发射换能器1与被测介质8的一端接触连接，接收换能器2与被测介质8的另一端接触连接，扫频信号发生器3的输出端与发射换能器1的输入端连接，数据信号采集系统4的第一个信号采集端与发射换能器1的输入端连接，数据信号采集系统4的第二个信号采集端与扫频信号发生器3的输出端连接，数据信号采集系统4的第三个信号采集端与接收换能器2的输出端连接，数据信号采集系统4的采集完成信号输出端与扫频信号发生器3的触发输入端连接以告知扫频信号发生器3本次数据采集完成，数据信号采集系统4与数据信号处理系统5之间通信交互，数据信号处理系统5的参数输出端与扫频信号发生器3的参数输入端连接，数据信号处理系统5中预先设定有与发射换能器1和接收换能器2的谐振频率相适应的扫频频率范围及第一频率增量步长和第二频率增量步长，其中，第一频率增量步长针对发射换能器和接收换能器的频率特性变化平缓的情况，第二频率增量步长针对发射换能器和接收换能器的频率特性变化陡峭的情况；每次测试时，数据信号处理系统5传输本次测试所需的扫频频率给扫频信号发生器3，扫频信号发生器3输出连续的扫频信号，数据信号采集系统4同时采集本次测试时发射换能器1的输入电压、接收换能器2的输出电压与扫频信号发生器3输出的连续的扫频信号的扫频频率并传输给数据信号处理系统5。

在此具体实施例中，如图1a所示，该测试装置还包括测试台架7，被测介质8置于测试台架7上，发射换能器1和接收换能器2均安装于测试台架7上，测试台架7如图1a和图1b所示由台架底座71、固定块72、滑块73和调节螺杆74组成，台架底座71内沿长度方向设置有滑槽75，固定块72一体设置于台架底座71长度方向的一端上，滑块73的下部与滑槽75相适配，滑块73的上部与固定块72相对，发射换能器1嵌装于固定块72上且接收换能器2嵌装于滑块73的上部上，或发射换能器1嵌装于滑块73的上部上且接收换能器2嵌装于固定块72上，被测介质8夹紧于固定块72与滑块73的上部之间，且要求发射换能器1与被测介质8的一端良好接触，接收换能器2与被测介质8的另一端良好接触，调节螺杆74位于滑槽75内且贯穿台架底座71长度方向的两端及滑块73的下部，调整调节螺杆74使滑块73在滑槽75内移动从而使固定块72与滑块73的上部之间的距离扩大或缩小以适应不同长度的被测介质8。该测试台架7不仅用于安置被测介质8、用于安装发射换能器1和接收换能器2，而且能够适应不同长度的被测介质8。

在此具体实施例中，可在台架底座71宽度方向的两侧内壁上一体设置有导向条76，滑块73的两侧设置有导向槽77，同一侧的导向条76嵌入导向槽77内与导向槽77相配合。在此，导向条76与导向槽77的配合，使得滑块73在滑槽75内移动更稳定。

在此具体实施例中，发射换能器1和接收换能器2及被测介质8外均包裹有一层用于屏蔽外界噪声干扰的吸声材料9，包裹吸声材料9是为了使该测试装置在噪声较大的环境中也能够获得较高的信噪比。

在此具体实施例中，发射换能器1和接收换能器2均为成品压电陶瓷传感器，发射换能器1和接收换能器2的工作频率范围尽可能均与被测介质8的实际工作环境的频率范围相适应，在有效的工作频率范围内，发射换能器和接收换能器的谐振频率的个数不少于1个/100KHz。扫频信号发生器3选用DDS(Direct Digital Synthesizer，直接数字式频率合成器)技术，本实用新型的测试装置实验时选用的扫频信号发生器3的扫频频率的可调范围为：20KHz～5MHz正弦波，频率增量步长的可调范围为：1Hz～10KHz，工作电压的范围为：直流5V～9V，偏移量的范围为：0.5pp～5Vpp，振幅量的范围为：0.5Vpp～14Vpp，输出阻抗的范围为：100～200ohms。数据信号采集系统4采用市售的数据信号采集系统，如选用安捷伦的34972A数据采集系统。数据信号处理系统5为数字信号处理器(DSP)，可选用现有的任意一种数字信号处理器，数据信号处理系统5 用于设定与发射换能器和接收换能器的谐振频率相适应的扫频频率范围及第一频率增量步长和第二频率增量步长、用于存储数据信号采集系统4采集的数据并根据这些数据进行处理以得到综合声波衰减系数。

利用本实施例提出的一种综合声波衰减系数的测试装置进行综合声波衰减系数测试的过程为：

①取被测介质；然后根据被测介质的自身性质及被测介质的实际工作环境的频率范围，选择工作频率范围相适宜的发射换能器和接收换能器；并在数据信号处理系统中设定与发射换能器和接收换能器的谐振频率相适应的扫频频率范围及第一频率增量步长(粗分辨率)和第二频率增量步长(细分辨率)，其中，第一频率增量步长针对发射换能器和接收换能器的频率特性变化平缓的情况，第二频率增量步长针对发射换能器和接收换能器的频率特性变化陡峭的情况；接着使被测介质的一端与发射换能器良好接触，被测介质的另一端与接收换能器良好接触。

在此具体实施例中，步骤①中所取的被测介质为用户提供的测试样品；或在用户提供的测试样品外，根据测试样品的实际工作环境及用户需求，包裹一层吸声材料形成，吸声材料主要用于屏蔽外界的环境噪声对测试样品的干扰。

在此具体实施例中，步骤①中所选的发射换能器和接收换能器均为成品压电陶瓷传感器，发射换能器和接收换能器的工作频率范围尽可能与被测介质的实际工作环境的频率范围相适应。在有效的工作频率范围内，发射换能器和接收换能器的谐振频率的个数不少于1个/100KHz。

在此具体实施例中，步骤①中在使被测介质的一端与发射换能器良好接触，被测介质的另一端与接收换能器良好接触之前，还可在发射换能器和接收换能器外均包裹一层吸声材料用于屏蔽外界噪声干扰。

②令i表示测试次数，i的初始值为1。

③由扫频信号发生器向发射换能器的输入端输入连续的扫频信号，该扫频信号的扫频频率为设定的扫频频率范围的下限值f₀，将该扫频信号的扫频频率定义为当前扫频频率。

④在发射换能器接收到扫频信号的同时由发射换能器不间断的发射超声波，此时接收换能器处于连续侦听状态，超声波经被测介质后由接收换能器接收。

⑤在接收换能器接收到超声波的同时，数据信号采集系统同时采集第i次测试时发射换能器的输入电压、第i次测试时接收换能器的输出电压与当前扫频频率，并由数据信号采集系统传输这些数据给数据信号处理系统；然后数据信号处理系统根据第i次测试时发射换能器的输入电压与第i次测试时接收换能器的输出电压，获得当前扫频频率下的综合声波衰减系数，记为Zα_rlm,i，其中，Z表示发射换能器和接收换能器的等效阻抗，α_rlm,i表示第i次测试时被测介质的声波衰减系数，U_o,i表示第i次测试时接收换能器的输出电压，U_f,i表示第i次测试时发射换能器的输入电压。

⑥由数据信号处理系统判断当前扫频频率是否小于设定的扫频频率范围的上限值f₀'，如果当前扫频频率小于设定的扫频频率范围的上限值f₀'，则令i＝i+1，然后由扫频信号发生器再次向发射换能器的输入端输入连续的扫频信号，该扫频信号的扫频频率为f₀+Δf_i×(i-1)，将该扫频信号的扫频频率作为当前扫频频率，再返回步骤④继续执行，其中，i＝i+1中的“＝”为赋值符号，Δf_i表示第i次测试时的频率增量步长，若第i-1次测试时发射换能器和接收换能器的频率特性变化平缓，则将设定的第一频率增量步长赋值给Δf_i，若第i-1次测试时发射换能器和接收换能器的频率特性变化陡峭，则将设定的第二频率增量步长赋值给Δf_i；如果当前扫频频率大于或等于设定的扫频频率范围的上限值f₀'，则结束整个测试过程，最终获得多个不同扫频频率下的综合声波衰减系数。

为进一步说明本实用新型的测试装置的可行性和有效性，进行试验。

选择一根标准拉伸试棒作为第一根标准拉伸试棒，利用本实用新型的测试装置对第一根标准拉伸试棒进行多次测试，测试结果基本一致。图2a给出了利用本实用新型的测试装置对第一根标准拉伸试棒进行第1次测试所得的测试结果，图2b给出了利用本实用新型的测试装置对第一根标准拉伸试棒进行第2次测试所得的测试结果。对比图2a和图2b可以看出，两次测试结果基本一致，图2c给出了图2a所示的测试结果与图2b所示的测试结果的差值，从图2c中可以看出两者的差值基本呈直线，也就验证了两次测试结果基本一致。

另外选择一根经过塑性变形后的标准拉伸试棒作为第二根标准拉伸试棒，利用本实 用新型的测试装置对第二根标准拉伸试棒进行测试，以第一根标准拉伸试棒的任意一次测试结果为基准，与经过塑性变形后的第二根标准拉伸试棒的任意一次测试结果进行对比。图3a给出了利用本实用新型的测试装置对第一根标准拉伸试棒进行测试所得的测试结果，图3b给出了利用本实用新型的测试装置对第二根标准拉伸试棒进行测试所得的测试结果，图3c给出了图3a所示的测试结果与图3b所示的测试结果的差值，该差值可作为第二根标准拉伸试棒与其应用进行分析判断的依据。利用本实用新型的测试装置可获得某一条件下的样品的测试结果作为基准，以该基准来衡量经过一段时间老化、使用等应用过程后的样品的测试结果，与基准比较，差异值可作为经过一段时间老化、使用等过程后的样品是否可以继续使用的判断依据。

上述，图2a、图2b和图3a、图3b中纵坐标的值代表接收换能器的输出电压与发射换能器的输入电压的比值，横坐标的值代表扫频频率。

图4给出了发射换能器与接收换能器组成的收发系统的等效电路图。在图4中，发射换能器的输入电压U_f与接收换能器的受激信号源电压U_s的物理作用过程如下：电_发射端(U_f)—机_发射端—声_传导—机_接收端—电_接收端(U_s)。在这个过程中，影响U_f和U_s相互作用的因素非常复杂，如受发射换能器的发射功率、配对的发射换能器和接收换能器的频率特性、超声波传播介质的衰减特性(介质衰减系数α_k)、被测介质对超声波的反射吸收性质、发射换能器和接收换能器的应用方式乃至测试环境噪声等诸多因素，都可以影响U_f和U_s的物理作用结果，为简化问题的复杂性，将上述因素统一由综合声波衰减函数α_rlm来反映，使得U_s＝α_rlmU_f成立。通过计算可以证明，成立，其中，Z表示发射换能器和接收换能器的等效阻抗，

$Z=\frac{\frac{1}{\frac{1}{\frac{Z_L}{1-Z_L{\mathrm{j\ωC}}_{s0}}-j\frac{1}{{\mathrm{\ωC}}_{ss}}}+{\Σ}_{k=1}^n\frac{1}{R_{sk}+j({\mathrm{\ωL}}_{sk}-\frac{1}{{\mathrm{\ωC}}_{sk}})}}}{R_{s0}+\frac{1}{\frac{1}{\frac{Z_L}{1-Z_L{\mathrm{j\ωC}}_{s0}}-j\frac{1}{{\mathrm{\ωC}}_{ss}}}+{\Σ}_{k=1}^n\frac{1}{R_{sk}+j({\mathrm{\ωL}}_{sk}-\frac{1}{{\mathrm{\ωC}}_{sk}})}}}\×\frac{\frac{1}{\frac{1}{R_{f0}}+{\Σ}_{k=1}^n\frac{1}{R_{fk}+j({\mathrm{\ωL}}_{fk}-\frac{1}{{\mathrm{\ωC}}_{fk}})}}-j\frac{1}{{\mathrm{\ωC}}_{fs}}+{\mathrm{j\ωC}}_{f0}}{R_e+\frac{1}{\frac{1}{R_{j0}}+{\Σ}_{k=1}^n\frac{1}{R_{fk}+j({\mathrm{\ωL}}_{fk}-\frac{1}{{\mathrm{\ωC}}_{jk}})}-j\frac{1}{{\mathrm{\ωC}}_{fs}}+{\mathrm{j\ωC}}_{f0}}}$

，Z值的直接测量较为困难，但可用仿真近似计算得出仿真值，该公式中的各个变量参 见图4，Z_L表示接收换能器负载，C_s0表示接收换能器静态电容，C_ss表示接收换能器部分静态电容与受夹电容的等效，R_sk表示第k个接收换能器动态电阻，L_sk表示第k个接收换能器动态电感，C_sk表示第k个接收换能器动态电容，R_s0表示接收换能器受激信号源等效内阻即接收换能器的介电损耗电阻，R_f0表示发射换能器的介电损耗电阻，R_fk表示第k个发射换能器动态电阻，L_fk表示第k个发射换能器动态电感，C_fk表示第k个发射换能器动态电容，C_fs表示发射换能器部分静态电容与部分受夹电容的等效，C_f0表示发射换能器静态电容，R_e表示发射换能器激励信号源内部阻抗，此外j为虚数单位，ω为角频率，α_rlm表示综合声波衰减函数，g_r表示压电应变常数，d_tl为d_t的转置，d_t表示压电常数，α_k表示被测介质的声波衰减函数，描述为在一定的测试环境下，发射换能器的应变S_l与接收换能器应力T_r之间的关系：T_r＝α_kS_l，α_k<1，tc_r表示接收换能器的压电陶瓷片的厚度，tc_l表示发射换能器的压电陶瓷片的厚度。