[發(fā)明專利]超聲散斑水下穩(wěn)態(tài)振動(dòng)測(cè)量方法和測(cè)量裝置

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210170994.2
• 申請(qǐng)日: 2012-05-29
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102721457A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-10-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 朱鴻茂;胡莉莉;沈磊;褚俊;羅志華;胡鵬
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G01H3/00
• 分類號(hào): G01H3/00
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于振動(dòng)測(cè)量技術(shù)，具體涉及應(yīng)用超聲散斑對(duì)水下穩(wěn)態(tài)振動(dòng)物體的振動(dòng)頻率、振幅和相位進(jìn)行測(cè)量的方法和裝置。

背景技術(shù)

水下振動(dòng)測(cè)量在工程建設(shè)中有著特別的需求，例如需要對(duì)橋墩、船塢、潛艇等水下結(jié)構(gòu)在穩(wěn)態(tài)激勵(lì)下振動(dòng)頻率和振幅進(jìn)行不定時(shí)檢測(cè)或?qū)崟r(shí)在線監(jiān)控；此外，水下振動(dòng)測(cè)量在科學(xué)研究中同樣有需求，例如，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需對(duì)水下模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)振動(dòng)模態(tài)分析，這就要求對(duì)受迫穩(wěn)態(tài)振動(dòng)模型中各結(jié)點(diǎn)或關(guān)鍵處的振動(dòng)頻率、振幅和相位進(jìn)行測(cè)量。

傳統(tǒng)的振動(dòng)測(cè)量技術(shù)有使用應(yīng)變計(jì)、電容傳感器、壓電傳感器、光纖傳感器和渦流傳感器等多種方法。其中應(yīng)變計(jì)由于簡(jiǎn)單精確而最早應(yīng)用于振動(dòng)測(cè)試中，它可用于振動(dòng)頻率和相位的測(cè)量，但它局限于單點(diǎn)式的接觸式測(cè)量，且不能有效地測(cè)量振動(dòng)物體的振幅；電容式傳感器也可用于振動(dòng)測(cè)量，它具有測(cè)量范圍大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，靈敏性高等優(yōu)點(diǎn)，但它易受寄生電容的干擾，輸出特性為非線性，特別是難以在水下應(yīng)用；新型的壓電式傳感器精度高、動(dòng)態(tài)范圍大、頻率響應(yīng)寬，但它同樣只適用于單點(diǎn)式的接觸式測(cè)量；而近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的光纖傳感器系統(tǒng)，通過(guò)光纖耦合器和單模光纖構(gòu)造干涉光路，根據(jù)反射物面振動(dòng)所形成激光干涉狀態(tài)的變化，來(lái)進(jìn)行振幅、頻率，速度等的測(cè)量,但它的測(cè)量受水的擾動(dòng)影響比較大，水中工作不穩(wěn)定，且難以對(duì)粗糙物面進(jìn)行測(cè)量；渦流傳感器可用于水下振動(dòng)的測(cè)量，但由于它的非線性以及傳感面端面比較大而存在缺陷，且它只能對(duì)金屬物面的振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量；目前，工程中的振動(dòng)測(cè)量應(yīng)用最多的激光三角法技術(shù)，它的優(yōu)點(diǎn)是非接觸測(cè)量，且量程大和分辨率高，但由于其線陣CCD(Charge?Coupled?Device)像元的光電響應(yīng)不均勻性和非線性，以及精確度易受被測(cè)界面的傾斜和水的擾動(dòng)影響，它難以對(duì)水下振動(dòng)物進(jìn)行測(cè)量，特別是它無(wú)法對(duì)粗糙振動(dòng)物面進(jìn)行測(cè)量。本發(fā)明的超聲散斑水下振動(dòng)測(cè)量方法和裝置，可以克服上述各種測(cè)量方法所存在的困難，對(duì)水下物穩(wěn)態(tài)振動(dòng)的頻率、振幅和相位實(shí)施高精度、非接觸、掃描式的實(shí)時(shí)測(cè)量，且受物體材質(zhì)和表面粗糙度、水流和溫度變化的影響很少。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種超聲散斑水下穩(wěn)態(tài)振動(dòng)測(cè)量方法和測(cè)量裝置，本發(fā)明適合于對(duì)水下粗糙物體穩(wěn)態(tài)振動(dòng)的頻率、振幅和相位進(jìn)行實(shí)時(shí)、穩(wěn)定、非接觸、全場(chǎng)掃描式測(cè)量。

本發(fā)明提供的一種超聲散斑水下穩(wěn)態(tài)振動(dòng)測(cè)量方法，其特征在于，該方法包括下述步驟：

第1步向水下待測(cè)振動(dòng)物體表面重復(fù)發(fā)射聚焦于當(dāng)前測(cè)點(diǎn)上的超聲脈沖串；

第2步根據(jù)接收到的待測(cè)振動(dòng)物體的物面散斑信號(hào)的穩(wěn)定情況，確定物體振動(dòng)頻率；

第3步進(jìn)一步對(duì)發(fā)射的聚焦超聲脈沖串進(jìn)行延時(shí)處理，根據(jù)同步接收散斑信號(hào)所花費(fèi)的最短和最長(zhǎng)時(shí)間之差，確定振動(dòng)物表面當(dāng)前測(cè)點(diǎn)的振幅；

第4步按照水下待測(cè)振動(dòng)物體的振動(dòng)頻率，向其表面當(dāng)前測(cè)點(diǎn)重復(fù)發(fā)射聚焦超聲脈沖串，并進(jìn)行延時(shí)處理，直到同步接收散斑信號(hào)花費(fèi)時(shí)間最短；再將超聲探頭聚焦于水下待測(cè)振動(dòng)物體表面當(dāng)前測(cè)點(diǎn)的相鄰測(cè)點(diǎn)，也對(duì)相鄰測(cè)點(diǎn)重復(fù)發(fā)射聚焦超聲脈沖串進(jìn)行延時(shí)處理，使同步接收散斑信號(hào)花費(fèi)時(shí)間最短；根據(jù)二個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行延時(shí)處理時(shí)的延時(shí)量之差確定相鄰測(cè)點(diǎn)相對(duì)當(dāng)前測(cè)點(diǎn)的相位差，即相鄰測(cè)點(diǎn)的相位；

第5步以該相鄰測(cè)點(diǎn)作為當(dāng)前測(cè)點(diǎn)；

第6步不斷重復(fù)第3至第5步，依次確定水下振動(dòng)物表面不同測(cè)點(diǎn)的相位和振幅。

本發(fā)明提供的一種超聲散斑水下穩(wěn)態(tài)振動(dòng)測(cè)量裝置，其特征在于，該裝置包括脈沖信號(hào)發(fā)生器，延時(shí)器，功率放大器，超聲聚焦探頭，電壓放大器，數(shù)字存儲(chǔ)示波器，微機(jī)和三維電控平移臺(tái)；脈沖信號(hào)發(fā)生器依次通過(guò)延時(shí)器、功率放大器與超聲聚焦探頭的接口用電纜相連接；超聲聚焦探頭的接口又依次通過(guò)電壓放大器、數(shù)字存儲(chǔ)示波器與微機(jī)實(shí)施散斑信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸連接；脈沖信號(hào)發(fā)生器又分別與微機(jī)和數(shù)字存儲(chǔ)示波器實(shí)施控制連接；超聲聚焦探頭連接在三維電控平移臺(tái)上，再與微機(jī)實(shí)施平移控制連接。

應(yīng)用本發(fā)明的方法和裝置對(duì)水下振動(dòng)物體進(jìn)行測(cè)量時(shí)，要求被測(cè)物體位于水下30米以內(nèi)，被測(cè)物表面各點(diǎn)曲率小于1，被測(cè)物面上水流速度小于1米/秒，水溫低于60攝氏度，水流無(wú)氣泡。應(yīng)用本發(fā)明的方法和裝置對(duì)水下振動(dòng)物體進(jìn)行測(cè)量時(shí)連續(xù)工作時(shí)間不限，頻率測(cè)量的量程可以達(dá)到0.5赫茲至2000赫茲，測(cè)量誤差可以達(dá)到±0.01赫茲；振幅測(cè)量的量程可以達(dá)到0.1毫米至10毫米，測(cè)量誤差可以達(dá)到±0.02毫米；相位測(cè)量的量程可以達(dá)到到-720度至720度，測(cè)量誤差可以達(dá)到±0.01度。

附圖說(shuō)明

圖1是超聲聚焦探頭發(fā)射和接收超聲波的形式；