[发明专利]一种高频率小振幅超声机械振动波功率测量方法及装置

权利要求书

1.一种高频率小振幅超声机械振动波功率测量方法，其特征在于，所述方法为：

步骤一、将超声波换能器安装在长和宽均为200mm，厚度为15mm的钢板上，作为超声波振动源，在对应换能器振动源的钢板另一侧安装压电加速度传感器；

步骤二、压电加速度传感器将振动的机械波转换成与其成正比的微弱电荷Q，而且输出阻抗极高(>109Ω)；

步骤三、采集压电加速度传感器的微弱电荷信号和波形信号，并对采集到的信号进行放大、滤波、调节，最后得到清晰的电压波形和电荷值大小；

步骤四、将经过放大、滤波、调节后的电压波形和电荷大小信号接入100MHz的示波器进行显示，所测得的电荷大小按比例得出振动加速度大小值，示波器上显示的电压波形信号可以得出振动波频率和角频率的大小值；

步骤五、将所测得的振动加速度和振动角频率进行计算如下：

a＝ω²A(式中：a为加速度，ω为振动波的角频率，A为振动波的振幅)，

得出振幅值A；

步骤六、再依据如下公式计算出功率密度：

I＝2л²ρC(Af)²

(式中：I为功率密度，单位W/cm²,ρ为传播介质密度，单位Kg/m³，C为传播介质传播速度，单位m/s；A为振幅，单位m,f为振动频率，单位Hz)；

步骤七、计算出功率密度后，再根据换能器接触面积S(cm²)乘以功率密度I得出机械振动波的功率：

P＝IS(式中：P为振动波功率，单位W，I为功率密度，单位W/cm²,S为换能器接触面积，单位cm²)。

2.用于权利要求1所述的一种高频率小振幅超声机械振动波功率测量方法的装置，所述装置为将检测到的压电加速度传感器的电荷信号进行采集、放大、滤波和调节的装置，其特征在于，所述装置包括电荷变换级、适调级、低通滤波器、高通滤波器、末级功率放大器、过荷保护级和电源；

从压电加速度传感器信号接收输入端依次连接电荷变换级、适调级、低通滤波器、高通滤波器、末级功率放大器和过荷保护级，末级功率放大器输出端连接所述装置的输出端子，输出端子连接外部的示波器，电源为装置提供正负15伏的电源。

3.根据权利要求2所述的一种高频率小振幅超声机械振动波功率测量装置，其特征在于，所述电荷变换级以运算放大器A1为主元件，A1采用的是美国高输入阻抗、低噪声、低漂移、宽带、精密运算放大器，其输入端并联三种电容：

Ca：配接传感器的自身电容；

Cc：传感器输出低噪声电缆电容；

Ci：运算放大器A1的输入电容；

A1还连接有反馈电容Cf1，反馈电容Cf1有101pF、102pF、103pF、104pF四挡，其输出分别为：10mv/pC、1mv/pC、0.1mv/pC、0.01mv/pC，为输出增益Ⅰ。

4.根据权利要求2所述的一种高频率小振幅超声机械振动波功率测量装置，其特征在于，所述适调级由运算放大器A2和传感器灵敏度适调电位器W组成。

5.根据权利要求2所述的一种高频率小振幅超声机械振动波功率测量装置，其特征在于，所述低通滤波器以运算放大器A3为主元件，组成二阶巴特沃斯有源滤波器，带通平坦，可有效消除高频干扰信号。

6.根据权利要求2所述的一种高频率小振幅超声机械振动波功率测量装置，其特征在于，所述高通滤波器以C4和R4连接构成一阶无源高通滤波器，可有效抑制低频干扰信号。

7.根据权利要求2所述的一种高频率小振幅超声机械振动波功率测量装置，其特征在于，所述末级功放以运算放大器A4为主元件组成输出增益Ⅱ，输出短路保护，精度高。

8.根据权利要求2所述的一种高频率小振幅超声机械振动波功率测量方法的装置，其特征在于，所述过荷级以A5为主元件，当输出电压大于10Vp时，发出电荷报警。

9.根据权利要求2所述的一种高频率小振幅超声机械振动波功率测量装置，其特征在于，所述电源采用DC±15V供电，其由AC220V 50Hz的电源依次连接整流、滤波、再经过可调集成稳压电源稳压后得到。